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水翼是水翼艇的重要組成部件。翼航時(shí)水翼結(jié)構(gòu)支撐著艇的全部重量，在波浪中還會(huì)受到附加脈動(dòng)載荷的作用，出水時(shí)又遭到波浪的嚴(yán)重沖擊，而水翼的結(jié)構(gòu)形式和和重量受到總體性能的限制，因此水翼強(qiáng)度成為水翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)突出的問(wèn)題。某公司水翼客艇先后出現(xiàn)水翼裂紋，為了發(fā)展水翼技術(shù)，提高水翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，有必要對(duì)水翼在波浪中的實(shí)際強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試和研究。

現(xiàn)對(duì)兩艘單水翼艇實(shí)艇水翼進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，完整地獲得了該水翼的起飛應(yīng)力、靜水工作應(yīng)力、波浪脈動(dòng)應(yīng)力和瞬態(tài)沖擊應(yīng)力，為水翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度研究提供了較有價(jià)值的實(shí)測(cè)資料。

試驗(yàn)概況

兩艘測(cè)試艇編號(hào)分別為1號(hào)和2號(hào)。艇的排水量約40t，靜水*大航速為54kn。在2-3級(jí)浪中，艇的巡航速度約40kn。水翼為淺浸式割劃水翼，可收放。

兩艘艇進(jìn)行了靜水試驗(yàn)和波浪試驗(yàn)。在靜水試驗(yàn)中測(cè)量了水翼的起飛-翼航-著水的應(yīng)力過(guò)程，測(cè)量了二級(jí)浪和三級(jí)浪中翼航時(shí)水翼的工作應(yīng)力。

1號(hào)艇布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)，2號(hào)艇布置了14個(gè)測(cè)點(diǎn)。應(yīng)變片粘貼于葉背處，每點(diǎn)貼兩片；一片沿展長(zhǎng)方向，另一片沿弦長(zhǎng)方向；前者是工作片，后者為補(bǔ)償片。水翼彎曲時(shí)，記錄的應(yīng)力比實(shí)際應(yīng)力放大了（1+μ）倍。

對(duì)應(yīng)變片和導(dǎo)線采取了有效的保護(hù)措施。經(jīng)過(guò)一個(gè)半月的水下作業(yè)，和20多個(gè)小時(shí)的航行沖刷，應(yīng)變片和導(dǎo)線保持完好，絕緣電阻在50MΩ以上。

靜水應(yīng)力

由艇在靜水中起飛-翼航-著水過(guò)程中的水翼應(yīng)力記錄曲線可見(jiàn)，在起飛過(guò)程中，水翼應(yīng)力逐漸上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1850r/min時(shí)，應(yīng)力達(dá)到*大值。著水過(guò)程則相反，應(yīng)力從*大值回到零。記錄曲線有些波動(dòng)，這是因?yàn)樗嬗行〉钠鸱鴾\浸式水翼接近自由液面，來(lái)流的很小變化也會(huì)使升力受到影響。

主水翼靜水應(yīng)力給出了應(yīng)用框架理論獲得的主水翼應(yīng)力分布曲線和*大試驗(yàn)值。在跨距中點(diǎn)*大試驗(yàn)值為100.8MPa，計(jì)算值為107.4MPa，實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力較為吻合。在中間支柱處，*大試驗(yàn)值為125.2MPa，計(jì)算值為136.1MPa，計(jì)算值比試驗(yàn)值高8.7%。由此可見(jiàn)，水翼在靜水中的工作應(yīng)力*可用框架理論進(jìn)行計(jì)算，其誤差小于10%，且偏于安全。

波浪應(yīng)力

當(dāng)艇在波浪中航行時(shí)，水翼應(yīng)力發(fā)生不規(guī)則變化。從二級(jí)浪中水翼應(yīng)力記錄曲線可看出，水翼在波浪中應(yīng)力由穩(wěn)定的靜態(tài)應(yīng)力和波浪脈動(dòng)應(yīng)力兩部分組成，前者由穩(wěn)定升力產(chǎn)生，后者由脈動(dòng)升力產(chǎn)生。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該艇*大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近中間支柱的主水翼剖面，其值為120.5MPa，其中穩(wěn)定部分的應(yīng)力為85.8MPa，*大脈動(dòng)應(yīng)力為34.7MPa。在二級(jí)浪中，水翼的應(yīng)力與靜水試驗(yàn)應(yīng)力非常接近，這種情況可作如下解釋：該艇靜水試驗(yàn)時(shí)，航速為54Kn（*高航速），在二級(jí)浪中試航速度為40Kn（巡航速度），航速降低了26%，而單水翼艇的水翼負(fù)荷隨著航速的降低而減小，則水翼的穩(wěn)定應(yīng)力減小，因此，雖然波浪附加應(yīng)力增加了，但總應(yīng)力仍保持原來(lái)的應(yīng)力水平。

水翼的波浪脈動(dòng)應(yīng)力變化頻率為30-200Hz，脈動(dòng)應(yīng)力的*大半幅值約占穩(wěn)定應(yīng)力的40%，水翼的疲勞損傷主要是由這種變化應(yīng)力引起的。設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)艇的使用海區(qū)波浪條件和使用年限對(duì)水翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的校核。

波浪沖擊應(yīng)力

在三級(jí)浪中，水翼應(yīng)力除了不規(guī)則變化分量外，還出現(xiàn)因水翼出水而產(chǎn)生的嚴(yán)重的沖擊應(yīng)力。從三級(jí)浪中水翼應(yīng)力記錄曲線可看出，在13min的記錄紙上，出現(xiàn)了41次沖擊，平均3.2次/min。沖擊最頻繁的區(qū)域，相鄰兩次沖擊的時(shí)間間隔為2s。沖擊應(yīng)力增長(zhǎng)時(shí)間為0.01-0.02s。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到*大值后隨即成為自由衰減振動(dòng)，頻率約40HZ。振動(dòng)6-8次后*衰減，間隔2-30s后繼而進(jìn)行第二次沖擊?？拷虚g支柱處，測(cè)得沖擊時(shí)*大應(yīng)力為-177.6MPa，是在靜水高速航行時(shí)*大應(yīng)力的1.42倍，比艇在二級(jí)浪中以巡航速度航行時(shí)高出47%。

結(jié)論

1.1號(hào)和2號(hào)艇在二級(jí)浪中以巡航速度航行實(shí)測(cè)表明，水翼應(yīng)力由穩(wěn)定應(yīng)力和波浪脈動(dòng)應(yīng)力兩部分組成，總應(yīng)力與艇在靜水中以*高速度航行時(shí)的應(yīng)力水平基本相同。此時(shí)應(yīng)力水平不高，不會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成威脅。但由于存在脈動(dòng)應(yīng)力（約占30%），且在艇使用期內(nèi)經(jīng)常會(huì)遇到這種海況，因而可能產(chǎn)生累積疲勞損傷。

2. 兩艇在三級(jí)浪中水翼經(jīng)常出水，水翼結(jié)構(gòu)受到波浪嚴(yán)重沖擊，*大應(yīng)力為靜水航行時(shí)的1.5倍左右。因此，必須在這種航行條件下對(duì)水翼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

3. 可按框架模型對(duì)水翼在靜水航行時(shí)的工作應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，誤差小于10%。