CN110912370A - 一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置及其设计方法，包括定子、振子、弹簧、电缆线、整流装置、蓄电池，定子包括套筒和线圈，振子两端分别与两根弹簧的一端连接，并放置于定子套筒所限定的内部空腔中，两根弹簧的另外一端分别与套筒的上下壁面固定；线圈缠绕于套筒外壁面上；线圈通过电缆线依次与整流装置、蓄电池电连接；能量转换装置安装于船体上，其固有频率等于船体梁振动的固有频率。本发明通过将能量转换装置的固有频率设计为船体梁振动的固有频率，不仅可有效缓解船体振动导致的结构损伤，还可利用共振现象高效率地捕获船体振动中的能量，从而间接地将波浪能转化为电能供船上电子设备使用。本发明涉及船舶振动技术领域。

Description

一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及船舶振动技术领域，特别涉及一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置及其设计方法。

背景技术

随着全球经济的不断发展和国际航运产业的复苏，现代船舶朝着大型化、高速化和轻量化趋势不断发展，使得船体梁振动的固有频率逐渐降低并趋于常规海况下的遭遇频率，导致船体结构的水弹性效应愈加明显。船舶在波浪中航行时会产生两种模式的船体梁振动：一种是在高海况下由于船艏艉局部与波浪发生剧烈的砰击现象而诱导的船体梁颤振响应，颤振载荷在结构阻尼的作用下迅速衰减，但巨大的瞬时冲击力可能会导致船体结构的屈服和屈曲等失效模式；另一种是在中低海况下当船体梁的共振固有频率等于或接近波浪遭遇频率或是其整数倍时发生的波激振动，波激振动的持续时间较长，对船体结构疲劳损伤的影响不可忽视。总之，船体振动现象伴随着巨大的能量，这些能量在结构阻尼和流体阻尼的共同作用下衰减耗散，其中相当大一部分能量被船体结构吸收。因此，长期的船体振动可导致船体结构的屈服、屈曲和疲劳等模式的失效和破坏。

船体梁振动模式主要包括垂向弯曲振动、水平弯曲振动和扭转振动。一般而言，船体梁的垂向弯曲振动对其结构损伤的影响最大，且一阶(两节点)垂向弯曲振动的贡献远远大于其他高阶振动模态。船体振动的固有频率主要取决于船型、重量分布和刚度分布，而与船舶航速、航向和海浪情况关系不大。因此，对于给定船型只要其装载情况不发生太大变化，其振动固有频率可视为常数。船舶振动的各阶固有频率可通过理论计算或实验测量的方式获得。

另一方面，海洋新能源的开发与利用技术是当今时代的热点话题，海洋新能源的开发与利用对于国民经济及人类社会发展具有重要的实际意义。波浪能是海洋能量的主要存在形式之一，波浪能以其能流密度大、分布范围广、储藏量丰富及清洁可再生等优势得到了人们的广泛关注。目前，国内外已有大量利用波浪能发电的装置和技术，根据原理主要可分类为：振荡水柱装置、漂浮筏式装置、收缩波道装置、振荡浮子装置、鸭式装置、摆式装置、波流转子装置、波整流装置等。现有波浪能转换装置的基本原理主要是将大型浮体在波浪中做刚体运动时的机械能转化为电能。为了使装置能够高效率地捕获波浪能，波能转换装置浮体在波浪中运动的固有频率需要尽可能接近波浪的自然频率，从而产生波浪中的大幅共振运动。然而，这就意味着常规波能转换装置存在下述问题：

(1)实际海浪为多向不规则波，海洋波浪的频率分布范围较广，且海浪的频率分布情况随时间和空间都会发生很大的变化，这就使得传统波能转换装置的发电效率存在很大的随机性和不确定性。因此，一种常规的波能转换装置无法满足不同海况下的高效率发电的应用需求。

(2)由于远海海浪的波长和平均周期较大，只有采用较大尺度的波能转换装置才能使其在波浪中运动的固有频率接近波浪频率，从而尽可能地提高能量捕获效率。这就限制了小型波能转换装置的发展推广及其发电效率的提升。

(3)常规大型波能转换装置一般需要布放在深远海处，大型波能转换装置的布放安装和运输维护是费时费力的，为了防止浮体漂移还需要很长的锚链对其进行系泊。此外，波能转换装置生成的电能需要很长的电缆传输至岸上，这也大大提高了使用成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置，从而降低船体振动对于结构损伤的贡献度，该装置能够将船体振动产生的机械能转化为电能供船上的电子设备使用。

本发明的另一个目的在于提供了一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置的设计方法，该方法利用船体振动的固有频率可视为常数这一特点，针对性地设计能量转换装置，使能量转换装置的固有频率等于船体梁振动的固有频率，利用振子大幅共振原理可高效率地发电。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置，包括定子、振子、弹簧、电缆线、整流装置以及蓄电池，所述定子包括套筒和线圈，所述振子两端分别与两根弹簧的一端连接，并放置于定子套筒所限定的内部空腔中，两根弹簧的另外一端分别与套筒的上下壁面固定；所述线圈缠绕于套筒外壁面上；所述线圈通过电缆线依次与整流装置、蓄电池连接；所述能量转换装置安装于船体上，其固有频率等于船体梁振动的固有频率。

作为优选的技术方案，所述能量转换装置安装于船艏或船艉。船体梁两节点垂向弯曲振动的位移固有振型的最大振幅发生在艏艉两端，将能量转换装置安装于船艏或船艉可以提高发电效率。

作为优选的技术方案，所述能量转换装置安装在具有横舱壁支撑的船艏主甲板上。可以减小能量转换装置的长期振动对于船体局部结构的损伤和破坏。

作为优选的技术方案，所述振子为圆柱形永磁铁，其表面涂有润滑油。润滑油可以减小其在振动过程中由于与套筒的摩擦而导致的能量损失。

作为优选的技术方案，所述整流装置内部安装有稳压装置。

本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置的设计方法，包括如下步骤：通过理论计算或实船试验方法得到船体梁振动固有频率；将能量转换装置简化为单自由度有阻尼自由振动系统，从而获得能量转换装置的固有频率公式：

式中M为振子质量，C为系统阻尼系数，K为弹簧刚度系数，

使能量转换装置的固有频率ω等于船体梁的固有频率ω₀，从而计算获得能量转换装置中振子的质量。

作为优选的技术方案，振子的质量可进行调节，使得装置的固有频率可以调节，从而可以适应船舶不同装载工况下的船体梁振动固有频率。

作为优选的技术方案，

为无因次阻尼系数，先取无因次阻尼系数ζ₀，结合船体梁固有频率ω₀和弹簧刚度K，根据上述公式估算出振子质量M₀；采用质量M₀的振子和刚度为K的弹簧加装到船体上，并连接蓄电池；强制给振子一个初始位移并迅速释放，测量并记录其做有阻尼自由振动时的位移衰减曲线，读取衰减曲线第i个和第i+N个周期的峰值或谷值，假设读数分别为x_i和x_i+N，则无因次阻尼系数可根据下式计算：

根据测量得到的无因次阻尼系数，可以计算系统的阻尼系数C；进而根据已确定的阻尼系数C和刚度系数K，重新计算振子的最终质量M。

作为优选的技术方案，所述能量转换装置的振动固有频率选取船体首阶垂向弯曲振动的固有频率。

作为优选的技术方案，所述船体梁振动固有频率的理论计算方法包括一维梁理论法和三维有限元法，实船试验方法包括锤击试验法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明利用船体振动的固有频率可视为常数这一特点，可更具有针对性地设计能量转换装置，使能量转换装置的固有频率等于船体梁振动的固有频率，从而利用共振现象可高效率地捕获波浪诱导船体振动中的能量，并且能够在不同海况下高效率发电。

2.本发明可以满足小型化能量转换装置研发的应用需求。例如300米长的大型集装箱船船体梁两节点垂向弯曲振动的固有频率约为0.5Hz，这远高于海洋波浪频率的分布范围0.05～0.2Hz。这意味着新型船载能量转换装置的质量和尺度可以小型化，使得其固有频率从波浪频率提高至船体梁振动的固有频率。

3.本发明所提出的能量转换装置安装于船上，捕获的电能可直接供船上电子设备使用，可大大降低后期的运行维护等成本，并降低了电能在远距离传输过程中的耗散损失。

4.本发明的能量转换装置可以一定程度上分担船体的振动能量，有效抑制波浪诱导的船体梁水弹性振动，从而减小船体振动对于结构的损伤和破坏。

附图说明

图1是本发明实施例中能量转换装置结构示意图；

图2是本发明实施例中能量转换装置在船体的安装位置图；

图3是本发明实施例中船体梁一阶垂向弯曲振动结构变形示意图；

图4是本发明实施例中能量转换装置的简化原理图；

图5是本发明实施例中能量转换装置设计流程图；

图6是本发明实施例中能量转换装置阻尼测量数据示例图。

其中：1：船体，2：主甲板，3：横舱壁，4：弹簧，5：振子，6：定子，7：涂漆铜线圈，8：电缆线，9：整流装置，10：蓄电池。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置包括定子、振子、弹簧、电缆线、整流装置以及蓄电池。定子包括套筒和涂漆铜线圈。振子两端分别与两根弹簧的一端连接，并放置于定子套筒所限定的内部空腔中，两根弹簧的另外一端分别与套筒的上下壁面固定。振子为圆柱形永磁铁，其表面涂有润滑油，可以减小其在振动过程中由于与套筒的摩擦而导致的能量损失。涂漆铜线圈缠绕于套筒外壁面上，通过增加线圈的匝数，可提高发电效率。涂漆铜线圈通过电缆线依次与整流装置、蓄电池电连接。涂漆铜丝线圈输出的为交流电，采用整流装置将其转化为直流电，并在整流装置内部加装电容器等稳压装置，利用其输出的稳定直流电再对蓄电池进行充电。

如图2所示，能量转换装置安装于船体上。船体梁属于多自由度振动系统，不同船长位置处的船体微段，都是以静止时的平衡位置为中心做上下的简谐振动，如图3所示为船体梁发生两节点垂向弯曲振动时的固有振型，从图中可以看到船体梁的最大振幅发生在艏艉两端，因此将能量转换装置系统安装在船艏或船艉的两端附近，可以提高发电效率。

为了减小能量转换装置的长期振动对于船体局部结构的损伤和破坏，可选择将能量转换装置安装在具有横舱壁支撑的船艏主甲板上。

能量转换装置的工作原理为：当船舶在波浪中航行时，由于砰击颤振或波激振动的作用会导致船体结构发生两节点垂向弯曲振动。由于能量转换装置的固有频率与船体梁振动固有频率相等或十分接近，振子会相对船体产生大幅共振现象，而定子和线圈相对船体是保持静止的。振子采用圆柱形永磁铁，其两极分别位于上下两端。振子振荡过程中磁场发生移动，由于定子内部的铜丝线圈内的磁感应强度发生周期性变化使得线圈内部产生交变电流，电流用于对蓄电池充电，从而将振子运动的机械能转化为电能进行存储。

能量转换装置的设计重点在于获得振子质量，使能量转换装置的固有频率与船体梁振动固有频率相等。设计方法包括如下步骤：

(1)船体梁振动固有频率的确定

船体梁振动固有频率可通过理论计算或实船试验方法得到。

理论方法包括一维梁理论和三维有限元法，计算时需要考虑附连水质量对于船体振动模态的影响，即需要计算船体振动的湿模态。一维梁理论将船体梁简化为非均匀的Timoshenko梁(铁木辛柯梁)，并将船体结构沿纵向离散为有限个单元段，同一单元段内的截面参数相同、而各单元段的截面参数随船长变化，通过迁移矩阵法求解船体梁振动模态。三维有限元法需要建立全船的三维结构有限元模型，并基于MSC.Nastran等有限元求解器计算分析得到船体振动模态。

实船试验采用冲击锤在静水中停泊的船艏部沿垂向施加一个瞬态的冲击力，同时测量船体梁结构的应力衰减曲线，进而对所记录的船体梁应力衰减曲线做傅里叶变换可以得到频域信息，直接读取频率曲线的峰值对应的频率即为船体振动固有频率。

(2)弹簧刚度的确定

本实施例所采用的由两根弹簧串联系统的刚度系数K为可根据下式计算：

其中K₁和K₂分别为上下两段弹簧的刚度系数。

(3)振子质量的确定

一旦确定了船体梁固有频率(用ω₀表示)，则可根据弹簧刚度和装置阻尼确定振子质量，从而使能量转换装置振动固有频率等于船体梁固有频率。振子质量的确定方法如下：

能量转换装置可简化为单自由度有阻尼自由振动系统(原理图见图4)，振子运动的微分方程为：

其中M为振子质量，C为系统阻尼系数，K为弹簧刚度系数，x为振子位移。

方程(2)两边除以M可得：

其中

并记

为无因次阻尼系数。

上式(3)是一个齐次二阶常系数线性微分方程。对于一般的弱阻尼n<ω_n情况(本专利中的应用都属于弱阻尼)，可求解得到微分方程的通解为：

其中A为振幅，

为初始相位。

由此可知，能量转换装置系统的固有频率为：

能量转换装置设计时需令ω＝ω₀，从而求出振子质量M。振子的质量可进行调节，使得装置的固有频率也可以进行调节，从而可以适应船舶不同装载工况下的船体梁振动频率。

(4)装置阻尼的测量

由于摩擦阻力和线圈磁场力的共同作用，振子振动过程中的阻尼效应不可忽略，阻尼大小又会进一步影响系统的振动频率。因此，在实际应用当中，可先取无因次阻尼系数ζ₀＝0.1，结合船体梁固有频率ω₀和弹簧刚度K，根据式(5)估算出振子质量M₀，进而通过试验的方式测量系统的阻尼。

试验方案如下：采用质量为M₀的振子和刚度为K的弹簧加装到实船上，并连接发电系统使其进入正常工作模式。强制给振子一个初始位移并迅速释放，测量并记录其做有阻尼自由振动时的位移衰减曲线(见图6)，读取衰减曲线第i个和第i+N个周期的峰值或谷值，假设读数分别为x_i和x_i+N。

振幅衰减可视为指数函数：

则

其中δ为幅值的对数衰减率。

则无因次阻尼系数可根据下式计算：

根据测量得到的无因次阻尼系数ζ，结合

其中M和K已知，可以计算系统的阻尼系数C。进而根据已确定的阻尼系数C和刚度系数K，重新根据式(5)计算振子的最终质量M，并将已安装在船体上的振子质量调为目标值。

当船体装载状况发生变化后，船体梁固有频率ω₀也会发生微小变化，可重复上述方法对振子质量进行调节，使得能量转换装置的固有频率等于船体梁振动固有频率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置，其特征在于，包括定子、振子、弹簧、电缆线、整流装置以及蓄电池，所述定子包括套筒和线圈，所述振子两端分别与两根弹簧的一端连接，并放置于定子套筒所限定的内部空腔中，两根弹簧的另外一端分别与套筒的上下壁面固定；所述线圈缠绕于套筒外壁面上；所述线圈通过电缆线依次与整流装置、蓄电池电连接；所述能量转换装置安装于船体上，其固有频率等于船体梁振动的固有频率。

2.根据权利要求1所述的一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置安装于船艏或船艉。

3.根据权利要求2所述的一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置，其特征在于，所述能量转换装置安装在具有横舱壁支撑的船艏主甲板上。

4.根据权利要求1所述的一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置，其特征在于，所述振子为圆柱形永磁铁，其表面涂有润滑油。

5.根据权利要求1所述的一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置，其特征在于，所述整流装置内部安装有稳压装置。

6.一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过理论计算或实船试验方法得到船体梁振动固有频率；

将能量转换装置简化为单自由度有阻尼自由振动系统，从而获得能量转换装置的固有频率公式：

式中M为振子质量，C为系统阻尼系数，K为弹簧刚度系数，

使能量转换装置的固有频率ω等于船体梁的固有频率ω₀，从而计算求得能量转换装置中振子的质量。

7.根据权利要求6所述的一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置的设计方法，其特征在于，振子的质量可进行调节，使得装置的固有频率可以调节，从而可以适应船舶不同装载工况下的船体梁振动固有频率。

8.根据权利要求7所述的一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置的设计方法，其特征在于，还包括如下步骤：

为无因次阻尼系数，先取无因次阻尼系数ζ₀，结合船体梁固有频率ω₀和弹簧刚度K，根据上述公式估算出振子质量M₀；

采用质量为M₀的振子和刚度为K的弹簧加装到船体上，并连接蓄电池；

强制给振子一个初始位移并迅速释放，测量并记录其做有阻尼自由振动时的位移衰减曲线，读取衰减曲线第i个和第i+N个周期的峰值或谷值，假设读数分别为x_i和x_i+N，则无因次阻尼系数可根据下式计算：

根据测量得到的无因次阻尼系数，可以计算系统的阻尼系数C；进而根据已确定的阻尼系数C和刚度系数K，重新计算振子的最终质量M。

9.根据权利要求6所述的一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置的设计方法，其特征在于，所述能量转换装置的振动固有频率选取船体首阶垂向弯曲振动的固有频率。

10.根据权利要求6所述的一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置的设计方法，其特征在于，所述获取船体梁振动固有频率的理论方法包括一维梁理论法和三维有限元法，实船试验方法包括锤击试验法。

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