一种船模干结构模态测量的试验装置及方法与流程

本发明涉及船舶与海洋工程模型试验测试，尤其是一种船模干结构模态测量的试验装置及方法。

背景技术：

1、船体结构在空气中的模态测试是大型船舶与海洋结构物水池模型试验前必须进行的一项重要工作，是对其进行剖面载荷测试和水弹性分析的基础。由于大型舰船在缩比制作过程中，其结构的质量分布和刚度分布会有所变化，振动特性是其加工成败的决定因素，也是水池模型试验的重要参数。同时，相对于在水中测试模态参数，干结构模态测试是下水测试湿模态的紧前工作。假如干结构模态测试发现与换算前的舰船结构参数不一致或者偏差较大，因立即寻找原因，否则进行水池试验得到的结果也无法验证其准确性。

2、大型舰船由于尺度大、刚度小，易发生波激振动，其干结构振动测试往往需要考虑若干弹性模态，而这些弹性模态节点的位置是影响各阶模态测量结果的关键条件。在这种情况下，常规的做法是，根据数值建模，分析得到弹性模态，获得各阶的振动节点，在船舶模型起吊前大致量出节点位置，通过悬吊或者支撑的方式，将船模抬离地面。但是由于数值计算与实际制作模型之间存在误差，在寻找一次节点的过程中，需要多次尝试改变节点位置来测量相关参数，在每次更换起吊位置时，由于吊点的移动，绳索的松紧程度发生变化，会导致船舶起吊时的重心发生变化，不但影响正常模态测试结果，更有起吊倾覆的危险。除此之外，从两节点换成三节点和四节点的过程中，仍然需要多次尝试更换节点位置，费时费力，并且还需要调整船模起吊姿态进行水平和扭转模态测量切换。不仅如此，还有船模结构或者测量梁上有传感器等布置，无法提供便捷的起吊穿线的条件。

3、另外，由于空气较水稀薄，船模结构的干模态往往在空气中进行测试。但是空气中的温度、湿度以及实验室内的粉尘颗粒，对干模态测试或多或少会产生影响。测试干模态的最理想环境是真空状态，但是船模以及船模悬吊装置整体占据的空间较大，不便于真空环境的实现；常规的测量方式需要操作人员多次介入，改变悬吊方式并通过力锤对船模施加作用力，无法实现真空环境下的操作，影响模态测试的准确性。

技术实现思路

1、本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种船模干结构模态测量的试验装置及方法，从而在分段船模干结构模态测试的过程中避免寻找节点、重复卸载、起吊、调整船模起吊姿态，一次性测量分段船模干结构的二节点、三节点、四节点等弯曲参数，提高了工作效率的同时，避免危险因素和不确定因素，同时在真空环境下进行测试，提高试验的准确性。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种船模干结构模态测量的试验装置，包括分段船模以及与分段船模匹配的悬浮托架；

4、所述分段船模的结构为：包括依次并排设置的分段式船壳，每个分段式船壳内壁处沿船长方向间隔设置有多个肋位框架，肋位框架呈u形，单个肋位框架的两个端头通过横框架连接，每个横框架上部设置有固定基座，多个固定基座同时与沿船长方向设置的测量梁连接，肋位框架由钕铁硼永磁体制成并进行加磁处理，

5、分段船模的艏部纵剖面处安装有第一船艏磁体，分段船模的尾部纵剖面处安装有第一船尾磁体，所述第一船艏磁体和第一船尾磁体均由钕铁硼永磁体制成并进行加磁处理；

6、所述悬浮托架的结构为：包括架体，所述架体的内部空间与船模外部匹配，所述架体上沿船长方向间隔设置有多个船体磁体组件，每个船体磁体组件与肋位框架位置一一对应，

7、与第一船艏磁体对应的架体上设置第二船艏磁体组件，与第一船尾磁体对应的架体上设置第二船尾磁体组件；

8、当分段船模放置于悬浮托架的内部上方，使船体磁体组件与肋位框架的相对面磁极相同且正对，第一船艏磁体与第二船艏磁体组件的相对面磁极相同且正对，第一船尾磁体与第二船尾磁体组件的相对面磁极相同且正对，船体磁体组件、第二船艏磁体组件和第二船尾磁体组件产生的磁场分别与肋位框架、第一船艏磁体和第一船尾磁体产生的磁场相斥，将分段船模悬浮于悬浮托架内部上方；

9、还包括真空罩，所述真空罩内部设置机械手臂，所述机械手臂的操作端安装激振器，分段船模悬浮于悬浮托架内部上方并一同置于真空罩内时，所述激振器的探针与分段船模接触，用于对分段船模施加激振力，

10、真空罩外部设置有抽真空装置，抽真空装置通过管路与真空罩内部连通。

11、其进一步技术方案在于：

12、所述第二船艏磁体组件、第二船尾磁体组件和船体磁体组件的结构相同；

13、船体磁体组件的结构为：包括管状结构的电磁箱，所述电磁箱一侧与架体连接，所述电磁箱的两端封闭，所述电磁箱内部安装有多个块状结构的电磁铁，电磁箱的曲率适应船体磁体组件的磁场方向。

14、所述第二船艏磁体组件、第二船尾磁体组件和多个船体磁体组件均的电路并联。

15、单个船体磁体组件为分段式，包括分别位于沿船长方向两侧的船体磁体左段和船体磁体右段，船体磁体左段和船体磁体右段分别与肋位框架的两侧边对应，还包括位于悬浮托架底部的船体磁体中段，所述船体磁体中段与肋位框架的底边对应；

16、所述船体磁体左段、船体磁体右段和船体磁体中段的电路并联。

17、所述第二船艏磁体组件、第二船尾磁体组件和船体磁体组件上设置有警示灯。

18、所述真空罩一侧开口并设置有侧盖，还包括液压支杆，所述侧盖打开时通过液压支杆支撑，真空罩上设置有密封接口用于引出试验装置所需的导线。

19、所述真空罩采用透明材质制作。

20、所述架体为用于制作船舶模型的阴模外壳，所述阴模外壳通过目标船模的型线制作而成的阳模所翻制而成，所述架体下部安装万向轮。

21、一种船模干结构模态测量的方法，包括以下步骤：

22、测试前准备：

23、制作分段船模以及与分段船模匹配的悬浮托架，悬浮托架上设置有将分段船模悬浮于其内部上方的第二船艏磁体组件、第二船尾磁体组件以及船体磁体组件，

24、分段船模的肋位框架由钕铁硼永磁体制成并进行加磁处理，同时肋位框架与船体磁体组件对应，分段船模的艏部纵剖面处和尾部纵剖面处分别安装有第一船艏磁体和第一船尾磁体，第一船艏磁体和第一船尾磁体均由钕铁硼永磁体制成并进行加磁处理，第一船艏磁体和第一船尾磁体分别与第二船艏磁体组件、第二船尾磁体组件对应；

25、放置分段船模：

26、在船体磁体组件、第二船艏磁体组件和第二船尾磁体组件不在悬浮托架处产生磁场的情况下，将分段船模置于悬浮托架内部；

27、悬浮起分段船模：

28、船体磁体组件、第二船艏磁体组件和第二船尾磁体组件均为管状结构的电磁箱内部装有多个块状结构的电磁铁的组合结构，放置分段船模完成后，将船体磁体组件、第二船艏磁体组件和第二船尾磁体组件的电磁铁通电后，使分段船模在悬浮托架内悬浮起来，并检测确认分段船模的每个部位均脱离悬浮托架；

29、干模态试验：

30、分段船模悬浮于悬浮托架内部上方并一同置于真空罩内后，真空罩外部的抽真空装置对真空罩抽真空，当达到设定真空度时，位于真空罩内部的机械手臂带动机械手臂操作端的激振器对分段船模施加激振力，激振器的探针与分段船模接触，

31、操作机械手臂，在分段船模的船艏或船艉使得探针与测量梁上部接触但不受力，打开激振器，采集信号测试垂向弯曲模态参数，

32、操作机械手臂，在分段船模的船艏或船艉使得探针与测量梁侧面接触但不受力，打开激振器，采集信号测试水平弯曲模态参数，

33、操作机械手臂，在分段船模的船艏或船艉使得探针与分段船模的船舷外侧接触但不受力，打开激振器，采集信号测试扭转模态参数，

34、测试完毕后恢复机械手臂初始状态，关闭抽真空装置，使真空罩内部恢复常压；

35、分段船模去悬浮：

36、将船体磁体组件、第二船艏磁体组件和第二船尾磁体组件的电磁铁断电，去除悬浮托架船体磁体组件、第二船艏磁体组件和第二船尾磁体组件对应位置的磁性，使得分段船模稳步下降至悬浮托架内不再悬浮，完成测量工作。

37、其进一步技术方案在于：

38、单个船体磁体组件为分段式，包括分别位于沿船长方向两侧的船体磁体左段和船体磁体右段，船体磁体左段和船体磁体右段分别与肋位框架的两侧边对应，还包括位于悬浮托架底部的船体磁体中段，所述船体磁体中段与肋位框架的底边对应，所述船体磁体左段、船体磁体右段和船体磁体中段的电路并联；

39、悬浮起分段船模步骤中：分段船模放置于悬浮托架内部并一同置于真空罩内，电磁铁通电后顺序为，先给第二船艏磁体组件和第二船尾磁体组件处的电磁铁通电，然后给船体磁体左段和船体磁体右段处的电磁铁通电，最后给船体磁体中段处的电磁铁通电；

40、分段船模去悬浮步骤中：分段船模悬浮于悬浮托架内部并一同置于真空罩内，电磁铁的断电顺序为，先给船体磁体中段处的电磁铁断电，然后给船体磁体左段和船体磁体右段处的电磁铁断电，最后给第二船艏磁体组件和第二船尾磁体组件处的电磁铁断电。

41、本发明的有益效果如下：

42、本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在分段船模下方设置悬浮托架，同时在分段船模的船艏艉以及对肋位的位置设置同极相对的磁体，使悬浮托架对分段船模的外部产生均匀的反推力，在克服分段船模重力的同时对分段船模的四周限制使得分段船模不会发生水平位移，将分段船模悬浮于悬浮托架的内部上方，从而在进行船模干结构模态测试时，避免采用悬挂方式使分段船模1处于与外部构件接触的状态，避免寻找弯曲节点以及多次重复卸载、起吊，避免调整船模起吊姿态，一次性实现分段船模的无干扰悬浮，可以一次性测量分段船模干结构的二节点、三节点、四节点等弯曲参数，可以不调整状态即能测试水平弯曲及扭转模态参数，快速、准确地获取模态特性，提高了工作效率的同时，避免了多次起吊中的危险因素和不确定因素；悬浮托架托举分段船模的方式使试验装置占据的空间大大缩小，结合采用了机械手臂、激振器代替人工的方式对分段船模施加激振力，进而实现了在真空状态下进行干模态测试，进一步提高试验的准确性。

43、同时，本发明还存在如下优势：

44、(1)第二船艏磁体组件、第二船尾磁体组件和船体磁体组件通过电磁铁产生磁场，通过通电和断电的方式控制，使悬浮托架不需要拆装零部件的情况下，通孔电流控制即可实现对悬浮托架内部磁场有无及大小的控制，进而实现分段船模悬浮与否以及抬离的距离；同时也减少人工进行永磁构件的拆装工作，进一步减小了试验装置占据的空间，降低抽真空装置的负荷。

45、(2)第二船艏磁体组件、第二船尾磁体组件和多个船体磁体组件采用并联的方式连接，可以避免因为局部的电磁铁线圈断路而导致悬浮失效；另外更加容易检查断路所在位置。

46、(3)船体磁体组件采用分段式，使其在满足对肋位框架处的斥力的同时节省材料、便于磁体结构设计制造；船体磁体左段、船体磁体右段和船体磁体中段的电路并联，便于对悬浮托架不同位置的磁场控制。

47、(4)阴模外壳作为架体，在阴模外壳外部加装电磁箱，现利用阴模外壳与分段船模完美的贴合度，也便于外部电磁箱的设计制作，同时架体在承载分段船模时的效果更好，也使得阴模外壳得到再利用，实现节约成本提质增效的目的。

48、(5)分段船模模态测量的方法中，给电磁铁通电的顺序以分段船模为基准来说，顺序为先船艏尾，然后两侧，最后船底；给电磁铁断电的顺序以分段船模为基准来说，顺序顺序为先船底部，然后两侧，最后船艏尾，用于保证分段船模的稳步悬浮和去悬浮。