CN211824943U

CN211824943U - 用于艉部振动分析的模型试验装置

Info

Publication number: CN211824943U
Application number: CN202020151495.9U
Authority: CN
Inventors: 叶星宏; 夏利娟
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2030-02-04

Abstract

一种用于艉部振动分析的模型试验装置，包括：艉部模型主体、垂直安装板、用于限位的安装板支座、水箱、激振系统和数据采集分析系统；激振系统包括：信号发生器、功率放大器、激振器和激振杆。垂直安装板与艉部模型主体相连的四周处设有用于约束自由度的若干盲螺孔。数据采集系统包括：力传感器、加速度传感器、数据采集前端和计算机。本实用新型通过装配一个大小合适的实验模型，可用于测取试验模型的参数，进而分析实船艉部结构的振动特性，为工程中对艉部结构进行优化设计提供参考，还填补了有关艉部结构模型试验的技术空白，同时也适用于对比验证数值计算方法的准确性和可信性。

Description

用于艉部振动分析的模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种船舶工程领域的技术，具体是一种用于艉部振动分析的模型试验装置。

背景技术

船舶振动不仅对船体的结构安全产生危害，使结构出现裂缝或者产生疲劳破坏，还会影响船上仪器设备的正常工作和使用寿命，甚至损害船员和乘客的身体健康。船舶艉部结构相比船体舯部结构而言，由于剖面模数较小、刚度较低，同时也是主机、发电机、空调机组等装置集中布置的区域，使得船舶艉部结构的振动问题更加凸显。

分析船舶艉部结构的振动特性一般有三大途径，即：数值计算、模型试验、实船试验。已有的工程设计或学术研究一般采用数值计算或者实船试验的方法，目前尚未有成熟的模型试验方法及相应的装置。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于艉部振动分析的模型试验装置，通过装配一个大小合适的实验模型，可在空气中和在水中两种条件下，测取试验模型的固有频率、固有振型、模态阻尼、频响曲线等模态参数和响应参数，进而分析实船艉部结构的振动特性，为工程中对艉部结构进行优化设计提供参考，还填补了有关艉部结构模型试验的技术空白，是对船舶艉部振动分析的一个有益补充，同时也适用于对比验证数值计算方法的准确性和可信性。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型包括：艉部模型主体、垂直安装板、用于限位的安装板支座、水箱、激振系统和数据采集分析系统，其中：艉部模型主体设置于水箱内，垂直安装板竖直设置于水箱一侧面并与艉部模型主体相连，安装板支座对称设置于垂直安装板侧面并与水箱相对设置，激振系统设置于艉部模型主体上，数据采集分析系统与艉部模型主体相连。

所述的艉部模型主体与母船体为缩尺关系，为纵骨架式不规则侧边倒三角体结构。

所述的艉部模型主体内设有若干竖直设置的甲板纵骨。

所述的垂直安装板与艉部模型主体、安装板支座和水箱相连的四周处设有用于约束自由度的若干盲螺孔。

所述的激振系统包括：信号发生器、功率放大器、激振器和激振杆，其中：激振杆与艉部模型主体相连，激振器设置于激振杆上，信号发生器通过功率放大器与激振器相连。

所述的数据采集系统包括：力传感器、加速度传感器、数据采集前端和计算机，其中：力传感器和加速度传感器设置于艉部模型主体上，数据采集前端与艉部模型主体和激振系统相连，计算机与数据采集前端相连。

技术效果

与现有技术相比，本实用新型通过装配一个大小合适的实验模型，可用于测取试验模型的固有频率、固有振型、模态阻尼、频响曲线等模态参数和响应参数，进而分析实船艉部结构的振动特性，为工程中对艉部结构进行优化设计提供参考，还填补了有关艉部结构模型试验的技术空白，是对船舶艉部振动分析的一个有益补充，同时也适用于对比验证数值计算方法的准确性和可信性。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型艉部模型主体纵剖面图；

图3为本实用新型艉部模型主体横剖面图；

图4为本实用新型二维装配图；

其中：a为左视图，b为主视图；

图5为本实用新型响应试验激振点示意图；

图6为本实用新型响应测试在空气中的响应曲线；

图7为本实用新型响应测试在水中的响应曲线；

图中：艉部模型主体1、垂直安装板2、安装板支座3、水箱4、激振系统5、数据采集分析系统6、信号发生器7、功率放大器8、数据采集前端9、计算机10、加速度传感器11、力传感器12、激振杆13、激振器14、导线15、盲螺孔16、第一甲板17、第二甲板18、第三甲板19。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种用于艉部振动分析的模型试验装置，其中包括：艉部模型主体1、垂直安装板2、用于限位的安装板支座3、水箱4、激振系统5和数据采集分析系统6，其中：艉部模型主体1设置于水箱4内，垂直安装板2竖直设置于水箱4一侧面并与艉部模型主体1相连，安装板支座3对称设置于垂直安装板2侧面并与水箱4相对设置，激振系统5设置于艉部模型主体1上，数据采集分析系统6与艉部模型主体1相连。

如图2、3所示，所述的艉部模型主体1的横剖面面积和剖面模数均保持与母型船的缩尺关系，为纵骨架式不规则侧边倒三角体结构，包括：上下设置的第一甲板、第二甲板、第三甲板和3道横舱壁，第一甲板17、第二甲板18和第三甲板19之间设有若干甲板纵骨，同时对应母型船甲板与舱壁位置均设有对应结构，可有效模拟母型船的振动特性。在进行其他船舶的艉部振动分析时，可依据相应的剖面参数和结构布置特点完成模型主体的设计和加工。

所述的第一甲板17采用4mm厚的钢板制作，第二甲板18、第三甲板19、舱壁板采用3mm厚的钢板制作，舷侧板、船底板、小肋板采用5mm厚的钢板制作，舷侧纵骨采用40mm×5mm的扁钢制作，甲板纵骨、横舱壁扶强材部分采用40mm×5mm的扁钢、部分采用60mm×5mm的扁钢制作，支柱采用直径15mm的圆柱钢管制作。

所述的艉部模型主体1船艏一端设有若干肘板，用以加强对艉部试验模型的支撑，同时尽可能使连接处成为固定端约束；在左右两舷靠近第一甲板17的位置设有2个吊耳，用以后续进行起吊安装；在第一甲板17及舷侧板增设有若干矩形孔，用以内部安装和连接传感器。

如图4所示，由于实船航行过程中艉部出现的单独振动类似于悬臂梁式振动，需要在该连接处对艉部模型主体1施加固定端约束进行模拟，垂直安装板2使用50mm厚钢板进行制作，并与与艉部模型主体1、安装板支座3和水箱4相连相连的四周处设有用于约束自由度的若干盲螺孔16，从而约束试验艉部模型主体1平动和转动的六个方向自由度，并且保证结构强度并防止安装板变形过大。

所述的安装板支座3一端通过盲螺孔16与垂直安装板2相连，另一端通过地脚螺栓连接地基，用以使装置完全固定在原处，不会因装置的可移动性引起试验误差。

所述的水箱4主尺度为4m×3m×2m(长×宽×高)，与垂直安装板2焊接在一起，构成一个五面封闭的容器，用于装载清水以测试艉部模型主体1在水中的模态(即湿模态)和响应。当水箱4中不注入水时，可测试艉部模型主体1的干模态以及在空气中的响应；当水箱4中注入水时，可模拟实船实际航行状态下的工况，得到艉部模型主体1的湿模态以及在水中的响应。艉部模型主体1的水线位于第三甲板19所在水平面，为保证能模拟实船航行时的吃水状态，水箱4的高度略高于安装好的艉部模型主体1的水线高度。

所述的激振系统5包括：信号发生器7、功率放大器8、激振器14和激振杆13，其中：激振杆13与艉部模型主体1相连，激振器14设置于激振杆上13，信号发生器7通过功率放大器8与激振器14相连，激振器14可利用信号发生器7施加正弦扫频信号、随机信号等多种激励信号，同时施加的交变载荷能量分布较为均匀，适合用于该装置中艉部模型主体1的激振，信号发生器7产生的信号经过功率放大器8放大后再输入给激振器14，产生的作用力通过激振杆13施加在艉部模型主体1上，实现激振。

所述的数据采集系统6包括：力传感器12、加速度传感器11、导线15、数据采集前端9和计算机10，其中：力传感器12和加速度传感器11设置于艉部模型主体1上，数据采集前端9与艉部模型主体1和激振系统5相连，计算机10与数据采集前端9相连，力传感器12用于测量激振器14产生的激振力，加速度传感器11用于测量不同测点的加速度响应值，两者的信号通过导线15传到LMS SCADAS数据采集前端9进行滤波降噪等预处理，再输入到计算机10中进行后续的处理分析。

所述的艉部模型主体1相对母型船采用1:8的主尺度缩尺比(λ_l＝8)以及1:2的局部构件缩尺比(λ_t＝2)，即艉部模型主体1的总体长度、总体宽度、总体高度与母型船之间满足1:8的缩尺关系，而板材厚度则满足1:2的缩尺关系，因此理想的剖面面积和剖面惯性矩缩尺比为：

经缩尺后艉部模型主体1主尺度为3.25m×1.89m×1.136m(长×宽×高)，同时其横剖面面积和剖面模数均保持与母型船的缩尺关系，骨材间距为180mm。

试验步骤：

首先用砂纸打磨试验艉部模型主体1表面需要粘贴加速度传感器11的部位，打磨后使用酒精或丙酮进行清洁，确保表面光滑后再使用胶水将加速度传感器11固定在各个测点的位置；然后，把激振器14悬吊在艉部模型主体1的激振位置，安装激振杆13和力传感器12；之后，通过导线15连接激振系统5和数据采集分析系统6的各仪器设备，通电调试各传感器和激振器14，确保系统能正常工作；在正式进行试验过程中，对艉部模型主体1进行激振，通过数据采集前端9采集力和加速度的电信号，在计算机10上存储并分析相关数据，绘制出各个测点的频率响应曲线，后续可通过频响曲线求得艉部模型主体1的模态参数。试验结束后，取下激振器14，拆卸艉部模型主体1上各传感器，断开导线15连接，关闭数据采集软件，并关闭计算机10电源。

如图5所示，进行模态试验时，应选择在艉封板一端进行激振，此时相对安装固定端可产生最大的弯扭激振力矩，从而可以有效激发艉部模型主体1的各阶模态，为准确测取模态参数提供了前提条件。具体的激振力位置和激振力方向如图所示——1)在艉封板顶端中纵剖面处施加垂向激振力，激起试验模型的垂向振动模态；2)在艉封板顶端右舷处施加垂向激振力，激起试验模型的扭转振动模态；3)在艉封板顶端右舷处施加与船宽方向一致的水平激振力，激起试验模型的水平振动模态。

为了获得艉部结构试验模型的总体模态，沿试验模型的长度方向等间距地布置6组测点，每一组中包含有7个测点，它们均位于试验模型的外轮廓，分别布置在船底板中纵剖面处以及第一、二、三甲板的左右两舷，对应图中01～42号测点，从而可直观得到艉部模型主体1的整体振型。为了得到试验模型的局部板架的模态参数，同时也由于在实船航行过程中，在螺旋桨激振作用下某些局部板架结构容易产生过大的振动，需要进行特别关注，因此除了上述42个测点之外，在第一、二、三甲板上额外增设30个测点，这些测点分布在上述6组测点所在横剖面，布置在局部板格的中心及周围，进行局部模态和响应的测量，对应图中50～79号测点。

经过具体实际实验，在实验室中采用该装置进行模态测试，分为空气中(不注水)和水中(注入清水，密度为1000kg/m³)两种条件，均采用2～320Hz随机信号进行激振时，可获得艉部模型主体1的前八阶模态，其中第一至四阶模态为艉部总体模态，第五至八阶模态为甲板局部模态，各模态的固有频率如下表所述。

表1各模态固有频率表

模态	干模态固有频率(Hz)	湿模态固有频率(Hz)
			总体垂向一阶振动	16.95	13.38
总体水平一阶振动	36.26	32.88
			总体扭转一阶振动	140.38	139.35
总体垂向二阶振动	160.70	121.22
			第一甲板局部一阶振动	199.17	191.82
第一甲板局部二阶振动	224.69	218.83
			第二甲板局部一阶振动	242.27	241.55
第二甲板局部二阶振动	302.25	298.06

在实验室中采用该装置进行响应测试，同样分为空气中(不注水)和水中(注入清水，密度为1000kg/m³)两种条件，均采用2～320Hz随机信号进行激振时，可获得艉部模型主体1各测点的频响曲线，用于分析响应特性。如图6、7所示，为其中位于第一甲板17中后部测点53在空气中和在水中两种条件下的频响曲线。

试验完成后，计算机分析系统根据采集到的激振力信号和加速度信号，可得到试验模型的固有频率、固有振型、模态阻尼、频响曲线等数据，根据相似原理即可换算得到母型船的相关振动参数，提前判断实船的振动性能是否满足规范要求，并可据此对实船结构进行相应的修改强化，避免由于返工造成的时间和资源上的浪费。将上述通过模型试验得到的结果与计算机有限元仿真计算的结果进行对比验证，可以更合理可靠地对船舶艉部振动的性能进行评价分析。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。

Claims

1.一种用于艉部振动分析的模型试验装置，其特征在于，包括：艉部模型主体、垂直安装板、用于限位的安装板支座、水箱、激振系统和数据采集分析系统，其中：艉部模型主体设置于水箱内，垂直安装板竖直设置于水箱一侧面并与艉部模型主体相连，安装板支座对称设置于垂直安装板侧面并与水箱相对设置，激振系统设置于艉部模型主体上，数据采集分析系统与艉部模型主体相连；

所述的艉部模型主体的横剖面面积和剖面模数均保持与母型船的缩尺关系，为纵骨架式不规则侧边倒三角体结构，包括：上下设置的第一甲板、第二甲板、第三甲板和道横舱壁，第一甲板、第二甲板和第三甲板之间设有若干甲板纵骨，同时对应母型船甲板与舱壁位置均设有对应结构。

2.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征是，所述的激振系统包括：信号发生器、功率放大器、激振器和激振杆，其中：激振杆与艉部模型主体相连，激振器设置于激振杆上，信号发生器通过功率放大器与激振器相连。

3.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征是，所述的艉部模型主体与母船体为缩尺关系，为纵骨架式不规则侧边倒三角体结构。

4.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征是，所述的艉部模型主体内设有若干竖直设置的甲板纵骨。

5.根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征是，所述的垂直安装板与艉部模型主体、安装板支座和水箱相连的四周处设有用于约束自由度的若干盲螺孔。