专利名称：桅杆惯性力响应测量方法
技术领域：
本发明涉及的是一种测量方法，具体地说是一种测量桅杆惯性力响应的方法。
(二)
背景技术：
由于桅杆较高，且设备层雷达较重，舰船摇摆时会产生较大的惯性力。惯 性力对舰船桅杆结构的强度产生巨大影响，是舰船桅杆受力的重要组成部分。在 数值计算时，惯性力是以经验公式计算的加速度形式施加的，和实际情况有较大 差异，因此，通过惯性力试验，获得桅杆在惯性力作用下的真实响应非常必要。 进行桅杆惯性力实验，常常可以采用以下两种方法，第一种是将桅杆模型 固定于实验船上，使实验船产生一定周期和摇动幅值的横(纵)摇，然后进行桅 杆的惯性力响应测量。第二种方法是制作大型可摆动支架，将桅杆正置固定在 支架上，然后摇动模型模拟船舶横(纵)摇，实现桅杆惯性力响应的测量，将实 验从水中移动到实验室中。第一种方法需要寻找或制作实验船，这会大大增加实 验费用，此外，选定实验船后，摇动的周期和幅值不易改变，限制了测量工况的 数量；第二种方法虽然能在一定程度上解决第一种方法的问题，但还是存在周期 控制困难，可操作性差，危险性大等缺点。
虽然有一些与本发明相关的公开报道，但是有关桅杆惯性力响应实验方法 的公开文献还非常缺少。这些相关报道主要有1、棱柱型隐身桅杆结构强度试
验研究(哈尔滨工程大学学报2004年4月第25巻第2期)；2、单缸发动机惯 性力测试校正理论与实验的研究(内燃机学报2005年第23巻第3期)；3、隐 身桅杆强度与振动试验研究(船舶力学2003年10月第7巻第5期)；4、 METHOD AND DEVICE FOR TESTING THE STABILITY AND/OR BENDING STRENGTH OF MASTS (WO/2007/017090) ; 5、 METHOD FOR TESTING THE STABILITY OF VERTICALLY BRACED MASTS (WO/1998/031999)等。其中文献1和文献3用同样的方法对两 种筒形桅杆模型进行了惯性力响应的测量实验。文中采用的实验方法是将桅杆 模型正置在大型的惯性力摇摆台上进行惯性力响应测量，这种方法存在周期控制
4困难，可操作性差，危险性大等缺点。文献2提出了一种惯性力实验校正法，但 针对的是发动机。文献4中提出了一种用于测量桅杆弯曲强度或稳定性的方法， 文献5提出了一种桅杆实验方法，与桅杆的稳定性相关。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稳定性良好，周期和摆动幅值可灵活控制，操作 安全简便的桅杆惯性力响应测量方法。 本发明的目的是这样实现的
1、 模型的倒置安装
将桅杆模型通过4根带有紧绳器的钢丝绳倒置吊挂辅助支架上，桅杆模型的 两侧设置配重台；通过承重绳上的紧绳器调节承重绳的长度，使横(纵)摇转轴 与桅杆模型的距离为要求值，并使模型与地面保持垂直；形成的横(纵)摇摇摆 系统如图l所示。
2、 测点的布置
船舶摇摆时，桅杆根部产生的惯性力响应较大，在桅杆根部区域布置若干应 变花，用于测量测点的三个方向上的应变；在桅杆侧壁靠近顶部的地方安装加速 度传感器，用于测量摆动周期；
3、 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 的应变花和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。 应变花和加速度传感器感应到的桅杆结构响应信号(应变花感应到的是结构应变 响应，加速度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 应变和摆动周期，从而实现桅杆结构应变和摆动周期的测量。
4、 重力响应B的测量
从0°开始以2°为间隔，选定一系列角度，转动横(纵)摇摇摆系统使之静 止于选定的角度，用3中所述的测试方法测量静态应变(此步不需使用加速度传 感器)；
5、 桅杆模型倒置摇摆惯性力响应A的测量
用横(纵)摇摇摆系统的周期公式r = 2;r^/。/(Mg/)估算出配重重量，然后往配重台处加相应的砝码，给模型任意初始角度使其自由摆动，按照3中所述测 试方法用加速度传感器对摇动周期进行预测量，若摆动周期不满足要求，用增减 配重的方法对摆动周期进行微调，直至设计值。用以上方法调节好摆动周期后， 再给模型一个设定的初始角度，即摇动幅值，让其自由摆动，按3中所述方法测 量动态应变；
6、桅杆模型正置摇摆惯性力响应C的计算
4和5中用应变花分别测量出了桅杆倒置静止时在重力作用下的应变B和桅 杆倒置摇摆时惯性力作用下的应变A，根据力学原理，桅杆正置摇摆时在惯性力 作用下的应变满足式子OA-2B，由此式可以求得正置摇摆时在惯性力作用下各 测点三个方向上的应变值，然后利用材料力学公式由应变值计算得到应力值，至 此，实现了由桅杆倒置摇摆时的实验数据向桅杆正置摇摆的结果的转换。
本发明提供了一种新的高效的桅杆结构惯性力响应测量方法，可以灵活控 制测量工况，对桅杆结构的惯性力响应进行有效测量。
采用倒置模型的方法对舰船摇摆作用下的桅杆惯性力响应进行测量的基本 力学原理为
将舰船摇摆时桅杆的摆动称为正置摇摆，正置摇摆时桅杆受重力和摇摆惯 性力的作用，受力示意图如图2(a)所示，G表示重力，Y表示摇摆惯性力，F表示 所受的合力。若桅杆倒置摇摆，与图2(a)具有相同的摇摆相位时，受力分析如图 2⑨所示。比较图2(a)和图2(b)发现，两种情况下桅杆所受重力相对桅杆作用方向 相反，而惯性力相对桅杆的作用方向相同。桅杆倒置摇摆时，如果再给桅杆施加 一个大小为2G，方向与G相反的力，则桅杆的受力状态与正置摇摆时相同。若将 桅杆倒置摇摆时的响应表示为A，将桅杆倒置摇摆时重力引起的响应表示为B， 桅杆正置摇摆时的响应表示为C，基于以上分析可以得到以下关系式
OA-2B
上式表明，桅杆正置摇摆时的响应C可由测量A和B来实现。实验时，响应B 通过将倒置桅杆静止于相应角度测量得到。
桅杆倒置摇摆的惯性力响应实验结果向正置摇摆的结果转换的方法和依据 为倒置摇摆状态实验测量到的是应变的时历响应A(t)，静置状态实验测量到的
是随摆角a变化的离散形式的应变响应S(o)，为了能够对二者按公式C=A-2B进行线性叠加运算求取桅杆正置摇摆响应，对实验数据进行了一定的处理。由理 论力学原理可知，实验摇摆系统的任意时刻摆角近似满足 = maxSin(2;rVr + ;r/2)，其中a随为摆幅，T为摇摆周期，由此式可以建立应
变响应值B与时间的对应关系B(t)。然后，用MATLAB编制程序，对A(t)和B(t) 进行叠加处理得到桅杆正置摇摆时的应变响应C(t)，取C(t)的最大值作为最终的 应变值，由这些应变值利用材料力学公式可以计算得到应力值。
本发明采用倒置模型的方法，所需设备易于制作，将模型倒置后类似单摆， 整套实验系统稳定性良好，在模拟船舶横(纵)摇时，周期和摆动幅值可灵活控 制，操作时安全简便。摇摆周期控制方法和依据为桅杆倒置后形成如图l所示
横(纵)摇摇摆系统。摇摆系统摇摆过程中的最大动能为7;欲=l/。《ax(2;r/:r)2/2;
最大势能为f/m^:^rg^lj2，式中，力为整个系统绕横(纵)摇转动轴的转动
惯量，《M为系统的摇摆幅值，r为摇摆周期，M为系统的质量，/为系统重心到
旋转轴的距离。由7_=[/_可得到系统的摇摆周期为r = 2;4/0/(Mg/)，式
中，J。与系统的M和尸均成正比，所以，摇摆周期r与系统重心距转动轴距离/
的平方根成正比。通过给系统增减配重的方法改变/的大小进而能够实现对系统
的摇摆周期r的灵活控制，以满足多种实验工况的要求。实验中的配重添加在事
先设计好的模型前后端的配重台上。先用周期公式估算出配重重量，添加配重对 摇摆系统的周期进行预调，然后根据加速度传感器的测量值进行微调。
(四)
图l(a)纵摇状态摇摆系统示意图，图中从左至右为船长方向； 图l(b)横摇状态摇摆系统示意图，图中从左至右为船宽方向； 图2(a)正置摇摆时桅杆摇摆受力示意图； 图2(b)倒置摇摆时桅杆摇摆受力示意图； 图3测试系统图示意图。
(五)
具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述
1、桅杆模型的倒置安装将桅杆模型通过4根带有紧绳器的钢丝绳倒置吊挂在辅助支架上，桅杆模型 的两侧设置配重台；通过承重绳上的紧绳器调节承重绳的长度，使横(纵)摇转 轴与桅杆模型重心的距离为设计值，并使模型与地面保持垂直；形成的横(纵) 摇摇摆系统如图1所示，横(纵)摇摇摆系统由以下部分组成横摇转轴①(纵 摇转轴②)、配重台③、桅杆模型④和钢丝绳⑤，转轴的位置为真实船舶横(纵) 摇时转动轴的位置(该数据可査阅相关船舶设计手册得到)。测量横摇时桅杆的 惯性力响应采用横摇摇摆系统，测量纵摇时桅杆的惯性力响应采用纵摇摇摆系 统，横摇和纵摇摇摆系统的区别在于转轴的方向不同，横摇转轴沿着船长方向， 纵摇转轴沿着船宽方向。
2、 测点的布置
船舶摇摆时，桅杆根部产生的惯性力响应较大，在桅杆根部区域布置若干应 变花，用于测量测点的三个方向上的应变；在桅杆侧壁靠近顶部的地方安装加速 度传感器，用于测量摆动周期。对于横摇惯性力测量，传感器沿船宽方向安装； 对于纵摇惯性力测量，传感器沿船长方向安装；
3、 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 的应变花接入信号放大器，形成完整的测试系统，如图3所示。应变花和加速度 传感器感应到的桅杆结构响应信号(应变花感应到的是结构应变响应，加速度感 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应变和摆动周 期，从而实现桅杆结构应变和摆动周期的测量。
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；摇摆系统的摆动属于低频， 采样频率可取得小一些。使摇摆系统产生一个小幅的摆动，检验测试系统是否正 常工作。
4、 重力响应B的测量
对于横摇的情况，从0°开始以2°为间隔依次递增直至45°，选定一系列角度，
用绳子拉配重架转动横摇摇摆系统然后使之静止于选定的角度，角度通过桅杆顶 端偏移原位置(自然下垂状态)的水平距离来度量。用3中所述的测试方法测量静态应变(此步为静态测量，不需使用加速度传感器)；纵摇的幅度比横摇小， 对于纵摇情况，选定的角度最大值取为20'，其它的做法与横摇情况相同；
5、 桅杆模型倒置摇摆惯性力响应A的测量
用横(纵)摇摇摆系统的周期公式r二2;rVj。/(Mg/)估算出配重重量，然后
往配重台处加相应的砝码，给模型任意初始角度使其自由摆动，按照3中所述测 试方法用加速度传感器对摇动周期进行预测量，若摆动周期不满足要求，用增减 配重的方法对摆动周期进行微调，直至设计值。添加配重时应在两个配重台上对 称添加。用以上方法调节好摆动周期后，再给模型一个设定的初始角度，即摇动 幅值，让其自由摆动，按3中所述方法测量动态应变；
6、 桅杆模型正置摇摆惯性力响应C的计算
4和5中用应变花分别测量出了桅杆倒置静止时在重力作用下的应变B和桅 杆倒置摇摆时惯性力作用下的应变A，桅杆正置摇摆时在惯性力作用下的应变满 足式子C二A-2B，由此式可以求得正置摇摆时在惯性力作用下各测点三个方向上 的应变值，然后利用材料力学公式(可通过査阅材料力学手册得到)由应变值计 算得到应力值，至此，实现了由桅杆倒置摇摆时的实验数据向桅杆正置摇摆的结 果的转换。
权利要求
1、一种桅杆惯性力响应测试方法，其特征是(1)模型的倒置安装将桅杆模型吊挂辅助支架上，桅杆模型的两侧设置配重台，形成横或纵摇摇摆系统；(2)测点的布置在桅杆根部区域布置若干应变花，用于测量测点的三个方向上的应变；在桅杆侧壁靠近顶部的地方安装加速度传感器，用于测量摆动周期；(3)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，然后将布置好的应变花和加速度传感器接入信号放大器，形成完整的测试系统；(4)重力响应B的测量从0°开始以2°为间隔，选定一系列角度，转动横或纵摇摇摆系统使之静止于选定的角度，用(3)中所述的测试系统测量静态应变；(5)桅杆模型倒置摇摆惯性力响应A的测量用横或纵摇摇摆系统的周期公式估算出配重重量，然后往配重台处加相应的砝码，给模型任意初始角度使其自由摆动，利用(3)中所述测试系统对摇动周期进行预测量，若摆动周期不满足要求，用增减配重的方法对摆动周期进行微调，直至设计值；用以上方法调节好摆动周期后，再给模型一个设定的初始角度，即摇动幅值，让其自由摆动，用(3)中所述测试系统测量动态应变；(6)桅杆模型正置摇摆惯性力响应C的计算用(4)和(5)中量出的桅杆倒置静止时在重力作用下的应变B和桅杆倒置摇摆时惯性力作用下的应变A，根据力学原理，桅杆正置摇摆时在惯性力作用下的应变满足式子C＝A-2B，由此式求得正置摇摆时在惯性力作用下各测点三个方向上的应变值，然后利用材料力学公式由应变值计算得到应力值。
2、 根据权利要求1中所述的桅杆惯性力响应测量方法，其特征为桅杆模 型倒置安装的方法是，将桅杆模型通过4根带有紧绳器的钢丝绳倒置吊挂在辅 助支架上，桅杆模型的两侧设置配重台；通过承重绳上的紧绳器调节承重绳的长度，使横或纵摇转轴与桅杆模型重心的距离为设计值，并使模型与地面保持 垂直。
3、根据权利要求1和2所述的桅杆惯性力响应测量方法，其特征为所述 的求得正置摇摆时在惯性力作用下各测点三个方向上的应变值的方法为，倒置 摇摆状态实验测量到的是应变的时历响应A(t)，静置状态实验测量到的是随摆角"变化的离散形式的应变响应，实验摇摆系统的任意时刻摆角近似满足 a二a,sin(2w/:T + ;r/2)，其中《 ^为摆幅，T为摇摆周期，由此式建立应变响应值B与时间的对应关系B(t)，然后，用MATLAB编制程序，对A(t)和B(t) 进行叠加处理得到桅杆正置摇摆时的应变响应C(t)，取C(t)的最大值作为最终 的应变值。
全文摘要
本发明提供的是一种桅杆惯性力响应测量方法。将桅杆模型倒置安装形成横(纵)摇摇摆系统，先后测量倒置桅杆摇摆系统的重力响应B和惯性力响应A，基于力学原理，建立桅杆正置摇摆时的惯性力响应C和A、B的关系C＝A-2B，利用该关系式，实现用倒置桅杆模型的方法来测量桅杆正置惯性力响应。在摇摆系统中设置配重台，通过改变配重台上配重的重量来控制摇摆系统的摇摆周期。该方法在模拟不同周期，不同摇动幅值的横(纵)摇情况下的桅杆惯性力响应时具有稳定性和可控性好、成本低、辅助设备少、简便易行的特点，能广泛应用于各种工况下船舶横摇或纵摇时惯性力响应的测量。
文档编号G01M99/00GK101526437SQ200910071709
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者姚熊亮, 庞福振, 张阿漫, 姗 徐, 戴绍仕, 曾令玉, 杨文山, 马天亮 申请人:哈尔滨工程大学