一种大型船舶隔振装置动态耦合多载荷识别方法

摘要

本发明公开了一种大型船舶隔振装置动态耦合多载荷识别方法，属于船舶减振降噪技术领域，该方法包括如下步骤:一、将下层隔振器与基座连接的每个安装接触面均进行离散；二、在隔振装置未安装或拆除的情况下，在基座面板和船体结构上选取m个响应点，m＞n；第k个安装接触面离散获得Nk个子面积；第i个子面积与第j个响应点之间的传递函数为Yij；所有安装接触面的分布传递函数矩阵为{H}m×n＝{H1 H2 ... Hn}T；其中Hk＝{Hk1 Hk2 ... Hkm}，三、安装隔振装置，运转装置上设备，测试第j个响应点的振动速度自谱及赋相自谱，获得响应Vj，m个响应点的响应构成响应向量{V}m＝{V1 V2 ... Vm}；四、则所有安装接触面上载荷{F}n为：。

说明书

技术领域

本发明属于船舶减振降噪技术领域，具体涉及一种大型船舶隔振装置动态 耦合多载荷识别方法。

背景技术

机械振动噪声是船舶低速航行时的主要噪声源，机械设备进行弹性安装是 保证达到目标噪声的重要手段。对于大型隔振装置，一般通过多个大型隔振器 与基座相连，机械设备振动激励通过隔振装置传递至基座引起水下声辐射，隔 振器与基座安装面则是振动传递的主要通道。隔振装置的动态载荷是船舶振动 声辐射估算必不可少的输入参数；且可依据隔振设计要求对隔振装置动态载荷 进行评估，这是工程中控制辐射噪声的重要手段。

目前船舶中机械设备动态载荷的频域识别方法包括两种：

1)基于隔振器阻抗特性的识别方法；

2)基于激励点与响应点之间传递函数求逆的识别方法。

原春晖(机械设备振动源特性测试方研究.武汉：华中科技大学博士论文， 2006)对两种方法进行了试验验证。郭荣等(一种基于正则化和奇异值分解的结 构载荷识别方法。发明专利，申请号201310073284.2)针对点接触载荷，采用 Tikhonov正则化法对载荷进行识别。庞福振等(不平衡激励力间接测量方法。 发明专利，申请号201210185489.5)针对点接触安装设备提供不平衡激励力及 不平衡弯矩联合作用时设备对船体激励载荷的间接测量方法。以上方法为将复 杂问题简单化，通常认为设备安装机脚、隔振器及基座三者接触部位都是“点” 而不是有一定面积的接触“面”,所考虑的力和响应的作用面积均被简化为一个 点。这种点接触假设在接触面相对比较小的情况下成立，适应于辅机设备。

对于船舶大型浮筏隔振装置，其隔振器与基座接触面大(最大尺寸接近0.5 米)，安装面上载荷以及响应速度为空间分布形式，不再满足点接触假设，且多 个安装面之间还存在动态耦合，急需新的动态载荷识别方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种大型船舶隔振装置动态耦合多载荷识别方法， 能够针对隔振器与基座接触面大的船舶大型浮筏隔振装置进行多载荷识别，并 充分考虑到各安装接触面之间的动态耦合

一种大型船舶隔振装置动态耦合多载荷识别方法，大型船舶隔振装置中包 括下层隔振器和上层隔振器，其中上层隔振器与设备相连，下层隔振器与基座 相连，下层隔振器和基座之间具有n个安装接触面，其中最大尺寸与基座振动 波长相近，该方法包括如下步骤：

第一步、对于每个安装接触面均进行离散，每个安装接触面离散后获得若 干子面积；每个子面积测点满足点接触。

第二步、在不安装隔振装置的情况下，在基座面板和船体结构上选取m个 响应点，m＞n；对于第k个安装接触面，其离散获得N_k个子面积。

获取第i个子面积与第j个响应点之间的传递函数Y_ij，其中k＝1,2，…,n； i＝1,2，…,N_k；j＝1,2，…,m。

则第k个安装接触面与第j个响应点之间的形成的传递函数为第k个安装接触面与m个响应点之间的形成的传递函数矩阵为 H_k＝{H_k1 H_k2 ... H_km}；所有安装接触面形成的分布传递函数矩阵为 {H}_m×n＝{H₁ H₂ ... H_n}^T。

第三步、在安装了隔振装置的情况下，运转船舶上设备，测试第j个响应点 的振动速度自谱及赋相自谱，获得响应V_j，共m个响应点的响应构成响应向量 {V}_m＝{V ₁V₂ ... V_m}。

第四步、则隔振器和基座之间所有安装接触面上载荷{F}_n为： 为对{H}_m×n采用奇异值分解求伪逆。

进一步地，子面积的尺寸△L为λ/5～λ/3，λ为最高分析频率时基座面板的 弯曲波波长。

进一步地，响应点个数m比安装接触面个数n多4个以上。

进一步地，第二步中获取第i个子面积与第j个响应点之间的传递函数的方 法为：在第i个子面积上选取一个测点A，采用力锤或激振机在测点A处进行 激励，测试获得测点A与响应点之间传递函数，或者根据互易原理，在响应点 处激励，测试测点A处的响应，获得测点A与响应点之间传递函数。

进一步地，在基座面板上选取响应点的位置包括加强腹板位置、交叉肋板 以及无加强腹板位置；在船体结构上选取的响应点包括加强肋和非加强肋的位 置。

有益效果：

1、本发明主要针对隔振器与基座接触面大的船舶大型浮筏隔振装置进行多 载荷识别，通过接触面离散、测点选取以及建立分布式的传递函数矩阵的方式， 由于各个接触面振动之间存在耦合，最终获得额传递函数矩阵满矩阵，该矩阵 与响应向量相乘则可以进一步获得每个安装接触面上的总载荷；该方法利用了 各个接触面之间的动态耦合的特性，以矩阵的方式解决了隔振装置对基座接触 面积较大的情况下的动态载荷识别的问题，从而为进一步评估隔振装置隔振效 果以及简化声学设计提供了便利。

2、本发明中在进行安装接触面的离散时，依据最高分析频率时基座面板的 弯曲波波长给出了离散后的子面积尺寸，在该尺寸下能够保证每个子面积测点 满足点接触。

附图说明

图1为本发明所针对的中大型船舶隔振装置图示，图中：设备1，筏架2， 下层隔振器3，基座4和船体5。

图2为本本发明实施例2中的4个安装面的分布传递函数测试图示。图中： 每个安装面6离散成2×2共4个子面积7，每个子面积7中心布置一个测点9(■)， 基座面板8上响应点10(●)，船体5结构上响应点11(▲)。

图3为本发明实施例2中的分布传递函数识别方法图示。

图4为本发明实施例2中的设备运转下响应点布置图示。图中：基座面板8 上响应点10(●)，船体结构上响应点11(▲)，相位参考点12(■)。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1、本实施例中提出的一种大型船舶隔振装置动态耦合多载荷识别方 法，该方法应用的前提是：其所针对的大型船舶隔振装置包括下层隔振器和上 层隔振器，其中上层隔振器与设备相连，如图1所示，其中包括设备1，筏架2， 下层隔振器3，基座4和船体5；下层隔振器和基座之间具有n个安装接触面， 其中最大尺寸与基座振动波长相近，形状一般为矩形或圆形，此时隔振器作用 在基座上的动态载荷为分布载荷，且安装面内和周围响应速度也是空间分布。

该方法包括如下步骤:

第一步、在上述前提之下，隔振器与基座的接触部位为“面”，载荷作用面 与响应点之间关系用分布传递函数描叙，不再是点对点的传递函数。借鉴“点” 接触下载荷识别方法，提出基于载荷作用面与响应点之间分布传递函数矩阵求 逆的识别方法。

由于接触面不再是点，需要将接触面进行离散才能获取分布传递函数，因 此本步骤中对于每个安装接触面均进行离散，每个安装接触面离散后获得若干 子面积；每个子面积测点满足点接触。

本实施例中每个离散后子面积的尺寸△L为λ/5～λ/3，λ为最高分析频率时 基座面板的弯曲波波长，对于长为a，宽为b的接触面，离散后子面积数量分别 为(a/ΔL)×(b/ΔL)。此时每个子面积测点是满足点接触的。

第二步、在不安装隔振装置的情况下，在基座面板和船体结构上选取m个 响应点，m＞n；对于第k个安装接触面，其离散获得N_k个子面积；

获取第i个子面积与第j个响应点之间的传递函数Y_ij，其中k＝1,2，…,n； i＝1,2，…,N_k；j＝1,2，…,m。获取Y_ij的方法为：在第i个子面积上选取一个测 点A，采用力锤或激振机在测点A处进行激励，测试获得测点A与响应点之间 传递函数，或者根据互易原理，在响应点处激励，测试测点A处的响应，获得 测点A与响应点之间传递函数。

船舶隔振装置下层隔振器相对于基座较软，此时隔振器作用在基座上的激 励力可以近似为均布力激励。将安装接触面离散后，根据点传递函数合成分布 传递函数，得到第k个安装接触面与第j个响应点之间的形成的传递函数为 $H_{\mathrm{kj}}=\frac{1}{N_k}\underset{i=1}{\overset{N_k}{\Sigma }}\frac{V_j}{F_i}=\frac{1}{N_k}\underset{i=1}{\overset{N_k}{\Sigma }}{Y}_{\mathrm{ij}}.$

第k个安装接触面与m个响应点之间的形成的传递函数矩阵为 H_k＝{H_k1 H_k2 ... H_km}；所有安装接触面形成的分布传递函数矩阵为 {H}_m×n＝{H₁ H₂ ... H_n}^T；

第三步、在安装了隔振装置的情况下，运转船舶上设备，测试第j个响应点 的振动速度自谱及赋相自谱，获得响应V_j，共m个响应点的响应构成响应向量 {V}_m＝{V₁ V₂ ... V_m}；

第四步、基座接触面上载荷{F}与测点响应{V}之间的关系为： {V}_m＝{H}_m×n{F}_n。

其中载荷{F}为各个接触面上总载荷构成的向量。{H}_m×n为分布传递函数矩 阵，与点接触的载荷识别方法相比，此处的{H}_m×n为分布传递函数矩阵而不是点 传递函数矩阵，由于各个接触面振动之间存在耦合，导致{H}_m×n为满矩阵。m为 响应点的个数，n为载荷的个数(一个接触面只有一个总载荷)，根据方程求解的 要求，一般要求m＞n。本实施例中m比n多4～6个以上。

对分布传递函数矩阵{H}_m×n采用奇异值分解求伪逆，得到接触面上的载荷： ${\left\{F\right\}}_n={\left\{H\right\}}_{m\times n}^{+}{\left\{V\right\}}_m$

其中“+”表示伪逆。

则隔振器和基座之间所有安装接触面上载荷{F}_n为：为对{H}_m×n采用奇异值分解求伪逆。

实施例2、以下结合附图进一步说明本智力成果的实施例。

测点的布置如图2所示，图中：每个安装面6离散成2×2共4个子面积7， 每个子面积7中心布置一个测点9(■)，基座面板8上响应点10(●)，船体5结构 上响应点11(▲)。基座面板8上响应点10位置应靠近安装面6，基座面板上典 型测点位置包括加强腹板位置、交叉肋板以及无加强腹板位置。响应点11位置 应靠近基座在艇体上生根的附近，艇体上响应点包括加强肋和非加强肋的位置， 且数量要比安装面6多。

一般情况下响应点个数m比载荷个数n多4～6个以上。

为了识别耦合多载荷，需对每个响应点与安装面之间的分布传递函数进行 测试，共有m×n个分布传递函数。

测试步骤如下：

拆除隔振装置或在隔振装置安装之前对隔振器与基座连接的接触面6进行 离散；

将接触面6离散后，在隔振器安装的基座面板8上和船体5上选择响应参 考点10和11；

在没有隔振装置的情况下，如图3所示，采用力锤或激振机测试安装面6 内子面积7的测点9与响应点10和11之间点传递函数。还可根据互易原理， 在响应点10和11处激励，测试子面积7内点测点9的响应，依次测试所有子 面积形成分布传递函数矩阵{H}_m×n；

安装隔振装置后运转设备，如图4所示，测试各个响应点10和11振动速 度自谱及赋相自谱，构成响应向量{V}_m，测试中为排除振动干扰应停止其他无 关设备；

利用所测速度数据和计算参数带入动态载荷识别公式，计算得到隔振器对 基座上每个接触面的动态载荷。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范 围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。