CN114239236A - 一种船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，包括空气中螺旋桨‑轴系纵向振动传递函数预测模型构建、坞内桨轴系统振动测量及传递函数预测模型修正、实船振动测量及传递函数模型修正、螺旋桨低频纵向轴承力辨识方法。通过仿真及测试修正完善桨轴系统纵向振动传递预测模型，结合实船舷内轴段振动响应测量结果，基于激励力辨识技术得到实船螺旋桨低频纵向轴承力，工程可实施性强、测量简单，且可保持一定的预测精度。

Description

一种船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法
技术领域
本发明属于船舶减振降噪技术领域，涉及一种船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法。
背景技术
舰船及科考类船舶的结构振动及水下辐射噪声控制是总体设计中需要解决的关键问题之一。螺旋桨在船舶尾部非均匀流中运行时会产生脉动压力及轴承力，进而激起船体结构振动及辐射噪声，掌握螺旋桨脉动压力、轴承力等激励力特性对同型船舶的声学优化改进设计至关重要。实船航行过程中，螺旋桨脉动压力可利用布置在螺旋桨上方的压力传感器进行直接测量，而螺旋桨轴承力难以直接测量。轴承力包含纵向、横向、垂向3个力分量以及3个力矩分量，其中纵向力分量最为重要，其能量主要集中于100Hz以内的低频段，可激起推进轴系的纵向振动模态，引起较强的结构振动及辐射噪声。目前，通常采用计算流体动力学(CFD)仿真技术或缩比模型试验技术对螺旋桨轴承力进行预测，但其准确性、有效性有待验证。因此，实船螺旋桨低频轴向轴承力的测量非常重要。
根据螺旋桨轴承力的形成机理，该激励力产生于桨叶部位。桨叶在海水中运转，难以在桨叶部位直接布置传感器进行测量；且相对于测量应变、位移、速度、加速度等而言，测量动态力本身就存在固有的技术难度。但是，在振动响应测量、力与振动传递函数测量的基础上，可利用激励力辨识技术对动态力进行间接测量。因此，需针对实船螺旋桨激励力的特点及测试的可行性研究提出螺旋桨低频动态轴承力的间接测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，其特征在于，包括步骤:
步骤1：建立空气中螺旋桨纵向激励力-轴段响应传递函数预报模型：
步骤2：通过坞内振动测量验证、修正传递函数预报模型；
步骤3：根据实船振动测量结果验证、修正传递函数预报模型；
步骤4：预测螺旋桨低频纵向轴承力。
优选地，所述步骤1包括：
根据船舶推进轴系设计图纸，建立螺旋桨-轴系纵向振动传递函数预报模型M1；
螺旋桨模型应计入桨叶低阶弯曲振动特性及螺旋桨质量；轴段采用梁模型，推力轴承采用等效刚度模型；利用螺旋桨-轴系纵向振动传递函数预报模型M1计算得到传递函数H1(ω)。
优选地，所述步骤2包括：
与步骤1中激励力、振动响应点位置保持一致，在坞内状态下测量螺旋桨纵向激励力-轴段典型部位响应的传递函数及低阶振动模态；
利用在坞内状态下测量螺旋桨纵向激励力-轴段典型部位响应的传递函数及低阶振动模态对传递函数H1(ω)进行验证与修正。
优选地，所述步骤2包括：修正计算模型中的推力轴承等效刚度参数、系统阻尼参数、螺旋桨效模型参数，得到修正后的传递函数预测模型M2及传递函数H2(ω)。
优选地，所述步骤3包括：与步骤1中振动响应位置保持一致，通过测量不同转速下的振动响应，确定桨轴系统前两阶纵向振动模态；
通过与步骤2中模型计算得到的前两阶纵向振动模态对比，得到桨叶附连水系数、推力轴承刚度系数两个关键参数；
将两个关键修正参数代入传递函数预测模型M2后得到实船工况下的螺旋桨纵向激励力-轴段响应传递函数H(ω)。
优选地，所述步骤4包括：根据实船工况下测量得到轴段纵向振动响应A(ω)和修正得到的传递函数H(ω)，利用激励力辨识技术计算得到螺旋桨低频纵向轴承力F(ω)。
优选地，所述步骤4中获取螺旋桨低频纵向轴承力F(ω)的具体方法包括：
F(ω)＝[HT(ω)H(ω)+λ2]-1HT(ω)A(ω)
式中，λ为正则化系数。
本发明采用的方法，其优点和有益效果是：测量相对比较简单、工程实施操作性强；利用修正后的传递函数及实船振动响应测量结果间接预测得到螺旋桨低频纵向轴承力，结果较为准确，可用于同型船舶的声学优化设计。
附图说明
图1为本发明实施例的船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量流程图；
图2是本发明实施例的螺旋桨-轴系纵向振动计算有限元模型。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，具体实施时包括以下步骤。
步骤1，建立空气中螺旋桨纵向激励力-轴段响应传递函数预报模型。
根据推进轴系及螺旋桨设计图纸，建立螺旋桨-轴系的低频纵向振动模型，见图2，桨叶简化为等效变截面梁模型，保证100Hz以内的低阶弯曲振动模态与实际桨叶模态基本一致；桨毂简化为集中质量模型；轴段简化为梁模型；推力轴承简化为等效弹簧模型；采用复刚度或复弹性模量的方式考虑系统阻尼特性。利用此模型计算桨-轴系统纵向振动模态，确定100Hz以内的固有频率、振型及节点位置。
在桨叶0.7倍半径处施加单位力，以舷内轴段上便于布置振动加速传感器的、且非振型节点位置处作为振动响应监测点，计算纵向激励力与轴段监测点处的振动传递函数H1(ω)。
步骤2，通过坞内振动测量验证、修正传递函数模型。
船舶建造及推进轴系安装完毕，处于干坞状态，在桨叶0.7倍半径处利用激振器施加激励力，测量桨叶、轴段典型位置处(至少包括步骤一计算模型中的振动响应监测点)，通过测试数据分析得到桨叶弯曲振动模态、桨轴系统纵向振动模态及振动传递函数。
以推力轴承等效刚度、系统阻尼、螺旋桨等效模型参数为修正量，利用测试数据对步骤一中的计算模型进行修正，得到修正后的振动传递函数模型及传递函数H2(ω)。
步骤3，根据实船振动测量结果进一步验证、修正传递函数模型。
在船舶航行过程中，按照一定转速间隔，调整推进轴系的转速并测量舷内轴段(测点与步骤一中监测点位置一致)的纵向振动响应，作出振动响应瀑布图，分析确定轴系前两阶纵向振动固有频率ωn1、ωn2。针对步骤二得到振动传递函数模型，假设一系列桨叶附连水系数、推力轴承等效刚度系数，计算得到桨轴系统纵向振动前两阶固有频率，作出修正系数与固有频率的关系图谱。根据固有频率测试结果ωn1、ωn2确定出桨叶附连水系数、推力轴承等效刚度系数，对步骤二中的传递函数预测模型进行修正，得到实船的纵向激励力与轴段振动响应传递函数H(ω)。
步骤4，基于激励力辨识技术预测螺旋桨低频纵向轴承力。
根据实船工况下测量得到轴段纵向振动响应A(ω)和修正得到的传递函数H(ω)，利用激励力辨识技术计算得到螺旋桨低频纵向轴承力F(ω)。为降低测试数据中噪声的影响，可采用正则化方法，其计算公式可表示为：
F(ω)＝[HT(ω)H(ω)+λ2]-1HT(ω)A(ω) (1)
式中，λ为正则化系数。
本发明采用的方法，其优点和有益效果是：测量相对比较简单、工程实施操作性强；利用修正后的传递函数及实船振动响应测量结果间接预测得到螺旋桨低频纵向轴承力，结果较为准确，可用于同型船舶的声学优化设计。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，其特征在于，包括步骤:
步骤1：建立空气中螺旋桨纵向激励力-轴段响应传递函数预报模型：
步骤2：通过坞内振动测量验证、修正传递函数预报模型；
步骤3：根据实船振动测量结果验证、修正传递函数预报模型；
步骤4：预测螺旋桨低频纵向轴承力。
2.如权利要求1所述的船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，其特征在于，所述步骤1包括：
根据船舶推进轴系设计图纸，建立螺旋桨-轴系纵向振动传递函数预报模型M1；
螺旋桨模型应计入桨叶低阶弯曲振动特性及螺旋桨质量；轴段采用梁模型，推力轴承采用等效刚度模型；利用螺旋桨-轴系纵向振动传递函数预报模型M1计算得到传递函数H1(ω)。
3.如权利要求2所述的船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，其特征在于，所述步骤2包括：
与步骤1中激励力、振动响应点位置保持一致，在坞内状态下测量螺旋桨纵向激励力-轴段典型部位响应的传递函数及低阶振动模态；
利用在坞内状态下测量螺旋桨纵向激励力-轴段典型部位响应的传递函数及低阶振动模态对传递函数H1(ω)进行验证与修正。
4.如权利要求3所述的船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，其特征在于，所述步骤2包括：修正计算模型中的推力轴承等效刚度参数、系统阻尼参数、螺旋桨效模型参数，得到修正后的传递函数预测模型M2及传递函数H2(ω)。
5.如权利要求4所述的船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，其特征在于，所述步骤3包括：与步骤1中振动响应位置保持一致，通过测量不同转速下的振动响应，确定桨轴系统前两阶纵向振动模态；
通过与步骤2中模型计算得到的前两阶纵向振动模态对比，得到桨叶附连水系数、推力轴承刚度系数两个关键参数；
将两个关键修正参数代入传递函数预测模型M2后得到实船工况下的螺旋桨纵向激励力-轴段响应传递函数H(ω)。
6.如权利要求5所述的船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，其特征在于，所述步骤4包括：根据实船工况下测量得到轴段纵向振动响应A(ω)和修正得到的传递函数H(ω)，利用激励力辨识技术计算得到螺旋桨低频纵向轴承力F(ω)。
7.如权利要求6所述的船舶螺旋桨低频纵向轴承力间接测量方法，其特征在于，所述步骤4中获取螺旋桨低频纵向轴承力F(ω)的具体方法包括：
F(ω)＝[HT(ω)H(ω)+λ2]-1HT(ω)A(ω)
式中，λ为正则化系数。
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