一种小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法与流程

本发明涉及小水线面双体船的技术领域，尤其涉及一种小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法。

背景技术：

小水线面双体船船型特殊，船体结构形式较单体船和常规双体船复杂，小水线面双体船主船体是一“π”形构架，潜体(包括左侧潜体和右侧潜体)具有压力筒体的受力特点；连接桥则是船舶斜浪航行时船体结构的薄弱环节；两侧狭长的支柱体是全船刚度薄弱，受力较大的船体构件。因此，小水线面双体船的总振动模态较常规船型复杂，除要考虑垂向振动、水平振动、扭转振动外，还需考虑横向振动、潜体和支柱体与连接桥之间不同步振动、以及各种振动模态的相互耦合。

鉴于上述小水线面双体船的船型及结构特点，常规单体船的总振动模型试验方法无法适应于小水线面双体船，即原有的试验模型设计方法并不能准确获得小水线面双体船总振动特性，因此，如何确定小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，已成为了亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，包括：

步骤s1：选取重力相似准则作为模型相似准则，确定模型相似比，并进行钢质试验模型的加工制作；

步骤s2：在所述钢质试验模型上布置若干激振器，若干所述激振器分别对所述钢质试验模型的右侧片体的垂向、右侧片体的横向、右侧片体的扭转、左侧片体的垂向、左侧片体的横向和左侧片体的扭转等振动模式进行激振；

步骤s3：在所述钢质试验模型上布置若干响应测点，若干所述响应测点分别布置于所述右侧片体沿船长方向的若干横剖面上、以及所述左侧片体沿船长方向的若干横剖面上。

上述的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，在所述步骤s2中，若干所述激振器的振动组合包括：右侧片体的垂向-左侧片体的垂向、右侧片体的垂向-左侧片体的横向、右侧片体的垂向-左侧片体的扭转、右侧片体的横向-左侧片体的垂向、右侧片体的横向-左侧片体的横向、右侧片体的横向-左侧片体的扭转、右侧片体的扭转-左侧片体的垂向、右侧片体的扭转-左侧片体的横向、右侧片体的扭转-左侧片体的扭转。

上述的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，在所述步骤s2中，所述激振器布置于所述钢质试验模型的右侧潜体、左侧潜体和船体结构强力构件处，同时避开振型节点。

上述的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，在所述步骤s2中，包括六台所述激振器。

上述的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，在所述步骤s3中，每一所述横剖面上自下而上依次布置若干所述响应测点。

上述的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，在所述步骤s3中，所述响应测点布置于所述钢质试验模型的右侧潜体底部、左侧潜体底部、右侧潜体舷侧、左侧潜体舷侧、支柱体和甲板结构强力构件交叉部位。

上述的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，在所述步骤s3中，所述响应测点左右对称布置，同时避开振型节点。

上述的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，在所述步骤s3中，所述右侧片体和所述左侧片体分别至少设立五个所述横剖面。

上述的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，包括：若干加速度传感器，数据采集卡和计算机，其中，若干加速度传感器设置于若干所述响应测点处，若干所述加速度传感器分别与所述数据采集卡相连接，所述数据采集卡与所述计算机相连接。

本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：

(1)本发明提出试验船模的相似设计方法，通过模型相似理论分析，选取合理的模型相似准则，以保证较为真实地模拟船体的刚度和质量分布，进行钢质试验模型设计制作。

(2)本发明为充分激励起小水线双体船各种总振动固有模态，结合小水线双体船船型特点，在潜体内部布放多个激振器，分析确定不同工况下激振器布放位置、激振方向及激振力幅值。

(3)本发明为准确测得各阶主模态振型，在片体上沿船长方向位置的多个剖面上布置传感器，每个剖面上响应测点应布置在潜体、支柱体及甲板结构强力构件交叉处，左右对称布置，同时避开振型节点处。

附图说明

图1是本发明的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的船体典型横剖面示意图。

图2是本发明的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的左侧潜体激振器布置示意图。

图3是本发明的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的右侧潜体激振器布置示意图。

图4是本发明的具有小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的船体纵向位置上响应测点布置示意图。

图5是本发明的具有小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的典型剖面位置上响应测点布置示意图。

附图中：11、右侧潜体；12、左侧潜体；2、支柱体；3、上船体；31、连接桥；32、舷台；4、上层建筑；51、右侧片体；52、左侧片体；6、激振器；7、响应测点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

第一实施例：

图1是本发明的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的船体典型横剖面示意图，图2是本发明的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的左侧潜体激振器布置示意图，图3是本发明的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的右侧潜体激振器布置示意图，图4是本发明的具有小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的船体纵向位置上响应测点布置示意图，图5是本发明的具有小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法的典型剖面位置上响应测点布置示意图，请参见图1至图5所示，示出了一种较佳实施例的小水线面双体船总振动钢质试验模型设计方法，其中，小水线面双体船包括潜体，潜体包括右侧潜体11和左侧潜体12，右侧潜体11和左侧潜体12上分别设有支柱体2，支柱体2上设有上船体3，上船体3包括连接桥31和设置于连接桥31下端两侧的舷台32，两舷台分别与两支柱体2相连，上层建筑4设置于上船体3上，同时，小水线面双体船还可按左右进行划分为右侧片体51和左侧片体52，设计方法包括：

步骤s1：选取重力相似准则作为模型相似准则，确定模型相似比，并进行钢质试验模型的加工制作；

步骤s2：在钢质试验模型右侧潜体11和左侧潜体12内布置若干激振器6，若干激振器6分别对钢质试验模型的右侧片体51的垂向、右侧片体51的横向、右侧片体51的扭转、左侧片体52的垂向、左侧片体52的横向和左侧片体52的扭转等振动模式进行激振；

步骤s3：在钢质试验模型上布置若干响应测点7，若干响应测点7分别布置于右侧片体51沿船长方向的若干横剖面上、以及左侧片体52沿船长方向的若干横剖面上。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。

本发明在上述基础上还具有如下实施方式：

本发明的进一步实施例中，请继续参见图1至图5所示，在步骤s1中，包括：综合考虑各影响因素，如船体主尺度、排水量、试验水池情况、运输吊装能力、船体振动特点、仪器安装等因素，最终以重力相似准则作为模型相似准则，确定合适的模型相似比。

本发明的进一步实施例中，在步骤s2中，若干激振器6的振动组合包括：右侧片体51的垂向-左侧片体52的垂向、右侧片体51的垂向-左侧片体52的横向、右侧片体51的垂向-左侧片体52的扭转、右侧片体51的横向-左侧片体52的垂向、右侧片体51的横向-左侧片体52的横向、右侧片体51的横向-左侧片体52的扭转、右侧片体51的扭转-左侧片体52的垂向、右侧片体51的扭转-左侧片体52的横向、右侧片体51的扭转-左侧片体52的扭转。

本发明的进一步实施例中，在步骤s2中，激振器6布置于钢质试验模型的右侧潜体11、左侧潜体12和船体结构强力构件处，同时避开振型节点。

本发明的进一步实施例中，在步骤s2中，包括六台激振器6。

本发明的进一步实施例中，在步骤s3中，每一横剖面上自下而上依次布置若干响应测点7。

本发明的进一步实施例中，在步骤s3中，响应测点7布置于钢质试验模型的右侧潜体11的底部、左侧潜体12的底部、右侧潜体11的舷侧、左侧潜体12的舷侧、支柱体2和甲板结构强力构件交叉部位。

本发明的进一步实施例中，在步骤s3中，响应测点7左右对称布置，同时避开振型节点。

本发明的进一步实施例中，在步骤s3中，右侧潜体11和左侧潜体12分别至少设立五个横剖面。

本发明的进一步实施例中，包括：若干加速度传感器，数据采集卡和计算机，其中，若干加速度传感器设置于若干响应测点7处，若干加速度传感器分别与数据采集卡相连接，数据采集卡与计算机相连接。

下面说明本发明采用上述步骤s1、步骤s2和步骤s3的原因：

(1)关于步骤s1：

由于模型设计的关键是求出各物理量相似指标，但大型复杂结构很难用方程明确表示出各物理量的函数关系，只能找出与其相关物理量的单位关系，因此在进行相似指标推导过程中引入量纲分析法。

在线弹性范围内各物理量的关系可用下式表达：

f(σ,l,e,ρ,t,u,v,a,g,ω)＝0(1)

式中，σ、l、e、ρ、t、u、v、a、g、ω依次为动应力、长度、弹性模量、密度、时间、位移、速度、加速度、重力加速度、圆频率。

以长度l、密度ρ和弹性模量e为基本未知量，根据量纲分析理论，其他未知量可以用基本未知量来表示，(1)式变成：

令：为无量纲参数，这些参数要求保持原型与模型值相等。

定义λ为原型与模型之间物理量的相似比，则根据参数β1～β7，可以得到各量相似比须满足的条件：

式中：λl—几何比尺，λl＝lp/lm，p、m分别代表原型和模型；

λρ—质量密度比尺；λe—弹性模量比尺；

λσ—应力比尺；λt—时间比尺；

λu—变形比尺；λv—速度比尺；

λa—加速度比尺；λg—重力加速度比尺；

λω—圆频率比尺。

实际上，在物理模型设计中全部满足(3)式所列的全部相似关系是困难的。

在研究小水线面双体船总振动时，理想的状态是既考虑到重力相似，又考虑船体整体结构的弹性力相似。假设试验采用弹性力—重力相似律，即同时满足模型的cauchy常数和froude常数与原型保持一致：λa＝λg＝1。则λl、λρ、λe三者不能独立选择。假设模型采用与原型相同的材料λe＝1，有λρ＝1/λl。显然这给模型设计带来了极大的困难，故试验很难做到兼顾重力相似和弹性力相似，综合考虑采用比较重要的重力相似准则为最佳选择。

重力相似基于froude常数，其代表惯性力与重力的比例，重力影响相似，原型与模型froude数相等。

要满足重力相似律λg＝gp/gm＝1，而可推导出：

假定几何比尺λl＝λ，可以得到其它各物理量的相似表达式，见表1。在重力相似的基础上，各部位按照与原型相似的几何形状及力学特征进行建造，使关键部位的受力方式与原型相同，以保证较为真实地模拟船体的刚度及重量分布。

表1试验中所用到各物理量比尺汇总

综上所述，在重力相似的基础上，表1给出了试验中所用到各物理量比尺汇总，但模型相似比的确定还受一些外界因素影响，需综合考虑各影响因素，如船体主尺度、排水量、试验水池情况、运输吊装能力、船体振动特点、仪器安装等因素，最终确定合适的模型相似比，并进行钢质试验模型的加工制作。

关于步骤s2：

小水线面双体船的总振动模态较常规船型复杂，除要考虑垂向振动、水平振动、扭转振动外，还需考虑横向振动、潜体和支柱体2与连接桥31之间不同步振动、以及各种振动模态的相互耦合，试验过程中为充分激励起小水线双体船复杂的总振动模态，仅靠单一激励源无法完成，需采用多个激励源同时对钢质模型进行激振。v、h、t代表每个单体垂向、横向和扭转三个方向的振动；以vr、hr、tr代表右侧片体的垂向、横向和扭转振动；以vl、hl、tl代表左侧片体的垂向、横向和扭转振动。对两个片体分别在v、h和t三个方向采用激振器进行激励，共有3x3＝9个主要振动组合(vr-vl、vr-hl、vr-tl；hr-vl、hr-hl、hr-tl；tr-vl、tr-hl、tr-tl)。

激振点应选在潜体和船体结构强力构件处，同时避开振型节点。鉴于小水线面双体船船型特点，通过仿真计算分析，在每个潜体内部从尾至首依次布置三台激振器6，激振器6布放位置、激振方向及最佳激振力幅值应根据不同船模具体确定。

关于步骤s3：

为准确表征各阶主模态振型的基本轮廓，全船总振动响应测点的布置应遵循以下原则：沿船长方向，在每个片体上从尾部至首部选取多个横剖面布置响应测点7，建议不少于5个剖面；沿船宽方向，在每个横剖面处从下到上依次布置多个响应测点7，测点位置应在潜体底部、潜体舷侧、支柱体2及甲板结构强力构件交叉部位。两个片体上响应测点7需要左右对称布置，同时应避开振型节点，进行不同方向的总振动试验时，测点位置不变，测点方向需要改变。

通过安装在船模上的加速度传感器获取响应信号，通过数据采集卡传输到计算机并进行存储，同时对采集的数据进行初步处理判断，如果不理想，需重复试验，如果理想则进行下一个工况的试验。

进行模态参数估计，即利用测量得到的时间历程来估计模态参数，包括固有频率和模态振型。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。