CN102692331A - 垂向不平衡激励力作用下设备对船体结构激励载荷的间接测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供垂向不平衡激励力作用下设备对船体结构激励载荷的间接测试方法，包括如下步骤：将第一组隔振器对称安装在被测设备的机脚下，被测设备和隔振器均安装在刚性质量块上；将加速度传感器布置在被测设备的机脚处、隔振器的顶端，并依次连接信号放大器、信号采集仪；启动被测设备，计算第一组隔振器下的速度响应值；更换隔振器，计算第二组隔振器下的速度响应值，从而求得被测设备激扰力和被测设备等效质量，将被测设备置于隔振器上，再将该隔振器安装在船体基座上，将船体基座等效于弹簧和刚性质量块，最终求得被测设备对船体基座的激励力载荷。本发明精确度良好，操作简便易行且可控性高。

Description

垂向不平衡激励力作用下设备对船体结构激励载荷的间接测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种激励载荷的测量方法，具体地说是激励载荷的间接测量方法。

背景技术

机械设备作为振源，其对船舶结构的激励载荷是定量预报船舶机械系统产生水下辐射噪声的关键参数，寻找一种间接测量设备对船舶结构的激励载荷方法具有重要意义，特别在船舶的减振降噪领域。但是目前业内都没有一个较好的办法来解决这个问题，其主要原因有以下两个方面：一方面，由于船舶设备和实船环境比较复杂，很难直接测量设备振动时对船舶基座的激励载荷。另一方面，由于目前设备制造商在设备出厂之前只是进行台架试验，测得设备对台架传递的激励力，给出加速度值。但是设备振动的输出力与接收结构的特性有关，不同的基座、不同的安装方式会改变注入接收结构的能量和接触力大小。因此台架试验无法模拟实际情况，所以也就无法直接应用于真实的工况中，解决工程中的实际困难。因此，通过设备的内源特性试验，获得设备的内源特性，从而给出设备对船体结构激励力的间接测量方法非常必要。

为了研究结构振动响应和辐射噪声计算，传统的方式是得到机械设备的振动激励载荷及设备输入支承结构的功率流。根据重量、拆装难易程度和工程实施可能性，国内上艇设备在试验室或车间平台环境，参照国内外文献选择直接测量法和间接测量法测量设备的振动。这2种方法的测试结果与设备测试安装基座的输入阻抗有密切关系，不同的测试环境测得设备对安装基础的输入载荷不同，所以需要将结果换算到实艇安装基座环境下才有实际意义。Goyder曾经以输入功率作为激励结构的输入参数。不管是以力还是以输入功率作为激励结构的输入参数，都没有涉及机械设备本身的激励特性，所获得的数据与机器的安装环境密切相关。Breeuwer和Plunt提出了用自由速度描述机器激励特性。即建立以自由速度理论为基础的设备激扰力测量方法，该方法是指将设备悬吊起来使其不与基础连接，在设备正常开启时测得的设备机脚振动速度。但由于悬吊条件环境不易满足，设备自由速度测试通常采用空气弹簧等方式进行支撑，因此，设备的自由速度测试通常会引起一定误差，进而导致其在实际应用中出现较大误差。

虽然有一些与本发明相关的公开报道，但是有关垂向不平衡激励力作用下的设备对船体结构的激励力间接测量方法的公开文献还非常缺少。这些相关报道主要有：1、Analysis of vibration power flow from a vibrating machinery to afloating elastic panel(Mechanical Systems and Signal Processing,2007,21:389-404)2、Indirect Engineering Estimation of Force Excited by Machiner vibrationSources of Ship(Journal of Ship Mechanics,2007,11(6):961-972)；3、机械设备激振特性的评价参数（噪声与机械控制，2008，2(1)：127-128）4、船舶机械设备振动激励特性测试方法研究(船舶科学技术，2006,28(2):34-39)；5、机械设备对基座激励力估算方法研究(中国船舶研究，2008,2(3):47-49)等。其中：文献1提出了一种以输入功率作为激励结构的输入参数。不管是以力还是以输入功率作为激励结构的输入参数，都没有涉及机械设备本身的激励特性，所获得的数据与机器的安装环境密切相关。文献2提出一种带递推估算的片尔曼滤波器法，用以估算旋转机械安装在隔振器上时的激振力时间历程。它通过测量系统动态响应，用最小二乘算法计算力的幅值。文献3提出的是以机械设备的振动惯性力作为评估机械设备激振特性，并阐述了其合理性。这种方法是没有抓住问题的本质。文献4以自由速度作为描述振源激励特性的参数，通过对机器-隔振器-基座系统的分析，得到了作用于基座结构的激励力与机器自由速度之间的关系。最后来测量机械设备的自由速度，这种方法的缺点在上文已经叙述。文献5阐述利用有限元法和导纳法的基本原理，间接估算处机械设备对基座的输出激励力，其前提是认为基座的特性不变，但是不同的基座、不同的安装方式会改变注入接收结构的能量和接触力大小，因此这种方法也存在一定的误差，其误差的大小取决于基座的变化大小。

发明内容

本发明的目的在于提供精确度良好、操作简便易行且可控性高的垂向不平衡激励力作用下设备对船体结构激励载荷的间接测试方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明垂向不平衡激励力作用下设备对船体结构激励载荷的间接测试方法，其特征是：

将第一组四个相同的隔振器对称安装在被测设备的机脚下，第一组隔振器的刚度为k₁、阻尼系数为c₁，被测设备和隔振器均安装在刚性质量块上，所有安装点在同一水平面上；将四个加速度传感器布置在被测设备的机脚处、隔振器的顶端，并依次连接信号放大器、信号采集仪；启动被测设备，测得四个点的加速度响应，然后取其平均得到被测设备机脚所在平面中心点的加速度响应平均值，通过速度与加速度关系v＝a/ω，得到第一组隔振器下的速度响应值v₁；更换隔振器，第二组隔振器的刚度为k₂、阻尼系数为c₂，启动被测设备，测得四个点的加速度响应，从而的到第二组隔振器下的速度响应值v₂，则被测设备激扰力F和被测设备等效质量m_e为：F＝D₁/D₀，m_e＝D₂/D₀，

其中 $D_0=\left|\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{j\ωv}}_1\\ 1& -{\mathrm{j\ωv}}_2\end{array}\right|,$ $D_1=\left|\begin{array}{cc}{c}_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}& -{\mathrm{j\ωv}}_1\\ c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}& -j{\mathrm{\ωv}}_2\end{array}\right|,$ $D_2=\left|\begin{array}{cc}F& c_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}\\ F& c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}\end{array}\right|,$ ω为被测设备的圆频率。

本发明还可以包括：

1、对同一被测设备重复5次以上测试，每次测试均更换刚度和阻尼系数不同的隔振器，利用最小二乘法线性回归修订被测设备激扰力F和等效质量m_e。

2、得到被测设备的激扰力和等效质量后，将被测设备置于刚度为k_i、阻尼为c_i的隔振器上，再将该隔振器安装在船体基座上，将船体基座等效于刚度k_b，阻尼c_b的弹簧和等效质量为m_b的刚性质量块，则被测设备对船体基座的激励力载荷F_T为：

$F_T=k_i(x_i-x_2)+c_i({\stackrel{\·}{x}}_1-{\stackrel{\·}{x}}_2)=(k_i+{\mathrm{jc}}_i\mathrm{\ω})(x_1-x_2)=\frac{E}{D}{F}_0{e}^{\mathrm{j\ωt}},$

其中E＝(k_i+jc_iω)(k_b-m_ba²+jc_bω)，F＝F₀e^jωt，

D＝(k_i-m_eω²+jc_iω)[(k_b-m_bω²+jc_bω)+(k_i+jc_iω)]-(k_i+jc_iω)²，t为振动时间，x为被测设备振动时的位移，x₁、x₂为船体结构振动时的位移。

本发明的优势在于：本发明精确度良好，操作简便易行且可控性高。

附图说明

图1为本发明的被测设备弹性安装于刚性基础的振动系统简化图；

图2a为本发明的振动系统安装示意图，图2b测点布置示意图；

图3为本发明的流程图；

图4a为本发明垂向不平衡激励力作用下的设备与船体结构的耦合动力简化模型；图4b垂向不平衡激励力作用下的设备与船体结构的耦合动力等效模型。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明包括如下步骤：

1、安装基础的选择

一般来说，常假设设备质心处激励力和等效质量恒定，它们能反映设备的固有振动特性而与其它条件无关。因此可知，选择刚性安装基础或弹性安装基础对机械设备的内源特性没有影响，设备内源特性只由设备自身结构，加工精度决定，一旦设备制造完成，其内源特性就将确定。如果选择弹性安装基础，那么此振动系统就将简化为二自由度振动系统，试验时需要多布置一组加速度传感器。因此在试验时为了简便易行，将机械设备通过隔振器安装在刚性基础上，保证刚性基础表面无振速即可，简化后的振动系统如图1所示。

2、振动系统的组装

组装振动系统时，要求设备、刚性基础的接触面都保持平行，因此在安装时必须要使刚性基础放在水平面上，然后选择4个相同型号的隔振器，分别对称安装在设备的机脚下，用螺栓通过设备机脚和隔振器安装在大型刚性质量块上，同时保证所有安装点在同一水平面上。由于设备运转时会产生振动，因此必须将隔振器通过螺钉铆接在质量块上，保证了设备安装的稳定性同时保证设备能够平稳的正常运行。

3、测点的布置

由于设备正常运行时，设备将受到垂向激扰力的作用，整个系统将简化为一维的单自由度振动系统，加速度传感器布置在设备的机脚处隔振器的顶端，编号分别为1、2、3、4（如图2-b所示），用于测量设备机脚处垂向的振动加速度响应。

4、测试系统的组装

用信号线依次将信号放大器、信号采集仪和计算机连接完好，然后将布置好的加速度传感器接入信号放大器，形成完整的测试系统，如图3所示。加速度传感器感应到的机脚振动响应信号（加速度传感器感应到的是加速度响应）通过信号放大器放大后输入到信号采集仪，信号采集仪将采集到的信号输送到计算机，由计算机中的信号处理软件可以得到加速度，从而实现设备振动时机脚处的加速的测量。

测试系统连接好后，设置信号放大器的放大倍数和信号采集仪的采样频率，放大倍数根据响应的大小而确定，一般取的稍大些；运行设备使系统产生振动，检验测试系统是否正常工作。

5、速度响应v的测量

由于设备正常运行时，将受到垂向不平衡激扰力作用，此系统将简化单自由度振动系统，如图1所示。如3中所述的布置在设备机脚位置的加速度传感器把采集到的加速度应变经4中的测试系统处理后，得到各个测点的加速度响应，然后取其平均得到设备机脚所在平面中心点的加速度响应平均值，通过速度与加速度的计算公式v＝a/ω得到速度响应值v₁。更换另一组隔振器后，用上述同样的方法得到速度响应值v₂。

6、设备内源特性的获取

将设备在不平衡激扰力作用下的模型简化为一维单自由度的振动系统，由于机械设备的内源特性不受隔振器、基座等外部参数的影响，所以设备内源特性参数（设备激扰力F和设备等效质量m_e）保持不变。如果改变隔振器刚度k及阻尼参数c，那么只需通过2次测量设备的振动加速度响应，即可得到设备激扰力F及设备等效质量m_e。为了说明问题，对同一机械设备进行2次不同型号隔振器时的振动台架试验，并设第一次隔振器参数为k₁、c₁，设备机脚处的振动速度为v₁，更换隔振器型号后，隔振器参数为k₂、c₂，设备的振动速度为v₂。ω为设备振动圆频率，通过计算得到参数F和m_e。

F＝D₁/D₀，m_e＝D₂/D₀           （4）

式中: $D_0=\left|\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{j\ωv}}_1\\ 1& -{\mathrm{j\ωv}}_2\end{array}\right|;$ $D_1=\left|\begin{array}{cc}{c}_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}& -{\mathrm{j\ωv}}_1\\ c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}& -j{\mathrm{\ωv}}_2\end{array}\right|;$ $D_2=\left|\begin{array}{cc}F& c_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}\\ F& c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}\end{array}\right|.$

由式（4）可直接求得设备不平衡激扰力F及设备等效质量m_e。当然，为避免单次试验带来的偶然误差，可通过多次试验，由最小二乘法线性回归得到设备激扰力F及设备等效质量m_e。

由此获取此设备的内源特性，即设备不平衡激扰力F、设备等效质量m_e。

7、设备对实船结构激励力间接测量

在间接测量垂向不平衡激励力作用下的设备对安装基础的激励力时，设备可简化为具有质量m_e的质量块，设备激扰力F＝F₀e^jωt，这就是上面提到的设备内源特性，在6中已经得到。然后建立设备与船体结构的耦合动力模型（如图4所示），其中k_i为隔振器的刚度，c_i为隔振器的阻尼，而船体基座对设备一方面提供弹性支撑，另一方面也具有一定的质量，在设备振动时也参与振动，因此可以把船体基座化为具有刚度k_b，阻尼c_b的弹簧和等效质量为m_b的刚性质量块，这样此耦合振动模型就可以简化为两自由度振动系统，最后估算出设备对实船基座的激励力载荷F_T：

$F_T=k_i(x_i-x_2)+c_i({\stackrel{\·}{x}}_1-{\stackrel{\·}{x}}_2)=(k_i+{\mathrm{jc}}_i\mathrm{\ω})(x_1-x_2)=\frac{E}{D}{F}_0{e}^{\mathrm{j\ωt}}---\left(5\right)$

式中：E＝(k_i+jc_iω)(k_b-m_bω²+jc_bω)

D＝(k_i-m_eω²+jc_iω)[(k_b-m_bω²+jc_bω)+(k_i+jc_iω)]-(k_i+jc_iω)²

由此得到了垂向不平衡激励力作用下设备对船体结构激励载荷的间接测量方法。

Claims (3)

1.垂向不平衡激励力作用下设备对船体结构激励载荷的间接测试方法，其特征是：

将第一组四个相同的隔振器对称安装在被测设备的机脚下，第一组隔振器的刚度为k₁、阻尼系数为c₁，被测设备和隔振器均安装在刚性质量块上，所有安装点在同一水平面上；将四个加速度传感器布置在被测设备的机脚处、隔振器的顶端，并依次连接信号放大器、信号采集仪；启动被测设备，测得四个点的加速度响应，然后取其平均得到被测设备机脚所在平面中心点的加速度响应平均值，通过速度与加速度关系v＝a/ω，得到第一组隔振器下的速度响应值v₁；更换隔振器，第二组隔振器的刚度为k₂、阻尼系数为c₂，启动被测设备，测得四个点的加速度响应，从而的到第二组隔振器下的速度响应值v₂，则被测设备激扰力F和被测设备等效质量m_e为：F＝D₁/D₀，m_e＝D₂/D₀，

其中 $D_0=\left|\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{j\ωv}}_1\\ 1& -{\mathrm{j\ωv}}_2\end{array}\right|,$ $D_1=\left|\begin{array}{cc}{c}_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}& -{\mathrm{j\ωv}}_1\\ c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}& -j{\mathrm{\ωv}}_2\end{array}\right|,$ $D_2=\left|\begin{array}{cc}F& c_1{v}_1+\frac{v_1{k}_1}{\mathrm{j\ω}}\\ F& c_2{v}_2+\frac{v_2{k}_2}{\mathrm{j\ω}}\end{array}\right|,$ ω为被测设备的圆频率。

2.根据权利要求1所述的垂向不平衡激励力作用下设备对船体结构激励载荷的间接测试方法，其特征是：对同一被测设备重复5次以上测试，每次测试均更换刚度和阻尼系数不同的隔振器，利用最小二乘法线性回归修订被测设备激扰力F和等效质量m_e。

3.根据权利要求1或2所述的垂向不平衡激励力作用下设备对船体结构激励载荷的间接测试方法，其特征是：得到被测设备的激扰力和等效质量后，将被测设备置于刚度为k_i、阻尼为c_i的隔振器上，再将该隔振器安装在船体基座上，将船体基座等效于刚度k_b，阻尼c_b的弹簧和等效质量为m_b的刚性质量块，则被测设备对船体基座的激励力载荷F_T为：

$F_T=k_i(x_i-x_2)+c_i({\stackrel{\·}{x}}_1-{\stackrel{\·}{x}}_2)=(k_i+{\mathrm{jc}}_i\mathrm{\ω})(x_1-x_2)=\frac{E}{D}{F}_0{e}^{\mathrm{j\ωt}},$

其中E＝(k_i+jc_iω)(k_b-m_bω²+jc_bω)，F＝F₀e^jωt，

D＝(k_i-m_eω²+jc_iω)[(k_b-m_bω²+jc_bω)+(k_i+jc_iω)]-(k_i+jc_iω)²，t为振动时间，

x为被测设备振动时的位移，x₁、x₂为船体结构振动时的位移。

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