一種工字型測量梁分段船模模態測量的試驗方法與流程
2024-04-12 18:12:05 4
1.本發明涉及分段式船模試驗技術領域，尤其是一種工字型測量梁分段船模模態測量的試驗方法。
背景技術：
2.船體結構在空氣中的模態測試是大型船舶與海洋結構物水池模型試驗前必須進行的一項重要工作，是對其進行剖面載荷測試和水彈性分析的基礎。由於大型艦船在縮比製作過程中，其結構的質量分布和剛度分布會有所變化，振動特性是其加工成敗的決定因素，也是水池模型試驗的重要參數。同時，相對於在水中測試模態參數，乾結構模態測試是下水測試溼模態的緊前工作。假如乾結構模態測試發現與換算前的艦船結構參數不一致，因立即尋找原因，否則進行水池試驗得到的結果也無法驗證其準確性。
3.另外，大型艦船由於尺度大、剛度小，易發生波激振動，其乾結構振動測試往往需要考慮前四階模態，而懸吊點的位置是影響各階模態測量結果的關鍵因素。在這種情況下，常規的做法是，根據數值建模，分析得到前四階振動模態，獲得各階的振動節點，在分段式船模起吊前大致量出節點位置，將懸吊點置於節點位置。由於數值計算與實際製作模型之間存在誤差，在尋找準確節點的過程中，需要多次嘗試改變懸吊點來測量相關參數，在每次更換懸吊點的位置時，由於懸吊點的位置的移動，繩索的鬆緊程度發生變化，會導致船舶起吊時的平衡狀態發生變化，不但影響正常模態測試結果，更有起吊傾覆的危險。
4.同時，在現有吊裝技術中，由於測量梁是通過與多個固定支撐焊接組裝成分段船模的，測量梁與固定支撐的焊接位置，以及粘貼加速度傳感器的位置，一旦與振動節點位置重合，就不可避免需要將起吊繩移開一段距離。這時，如果採用剛性繩的話，會極大地改變系統的固有頻率，明顯影響模態測量結果。如果採用彈性繩的話，需要尋找彈性好、剛度低的彈性繩，儘管仍然會改變系統的頻率，但是影響結果並不大，而代價是起吊過程比較危險，這是因為彈性繩有很大的伸長範圍，一方面需要極大的起吊空間，一方面船模容易晃動，對船模的安全性和測量人員的安全性都存在相當大的風險。
技術實現要素：
5.本技術人針對上述現有生產技術中的缺點，提供一種工字型測量梁分段船模模態測量的試驗方法，從而實現在尋找節點的過程中便於更換懸吊點的位置，安全方便，同時懸吊點的位置可以覆蓋整個測量梁，使尋找節點的位置準確，提高模態測量的準確性，同時降低對吊繩材質性能的要求。
6.本發明所採用的技術方案如下：
7.一種工字型測量梁分段船模模態測量的試驗方法，包括以下步驟：
8.步驟一：建立分段式船體數值模型，通過模態計算獲得分段式船體各階模態彎曲節點位置；
9.確定縮尺比後根據分段式船體數值模型結構製造分段式船模，分段式船模的結構
包括分段式船殼，分段式船殼內部沿船長方向間隔安裝有多個框架，每個框架上端安裝有固定支撐，固定支撐上端同時與沿船長方向設置的工字型測量梁連接；
10.根據工字型測量梁的長度準備吊梁；
11.步驟二：根據步驟一中節點位置和縮尺比，換算分段式船模工字型測量梁上的節點位置作為試驗的多個初始節點位置，並對應在吊梁上做出初始標記；
12.步驟三：在吊梁上的初始標記對應位置分別安裝行走齒輪組件；
13.在分段式船模的工字型測量梁表面粘貼加速度傳感器，在工字型測量梁上安裝多個與行走齒輪組件對應的被動輪組，被動輪組避開加速度傳感器、加速度傳感器連接線和固定支撐，被動輪組與工字型測量梁的接觸位置即為分段式船模的懸吊點的位置；
14.用吊繩將行走齒輪組件和被動輪組連接；
15.步驟四：吊起吊梁，使分段式船模離開地面，並保證行走齒輪組件在吊梁上的位置以及被動輪組在工字型測量梁上的位置均與初始節點位置對應，使吊繩處於豎直狀態；並調整使被動輪組與初始節點位置對應；此時懸吊點的位置即為初始節點位置；
16.步驟五：待分段式船模穩定後，用力錘敲擊工字型測量梁，加速度傳感器測得的信號輸出至測試設備後，通過軟體分析獲得當前分段式船模的頻率和振型；
17.步驟六：以初始節點位置為基準，同時調整單個初始節點位置對應的行走齒輪組件和被動輪組位置，使單個初始節點位置的行走齒輪組件和被動輪組同時向該初始節點位置同側移動，調整每個初始節點位置至對應新的節點位置後，重複第五步操作；
18.步驟七：比較步驟五中頻率和步驟六中頻率的大小；
19.當步驟五中頻率最小則初始節點位置即為準確的節點位置；
20.當步驟六中最小頻率小於步驟五中頻率，以步驟六中出現最小頻率的節點位置作為初始節點位置重複步驟六，直到最小頻率不出現在新的節點位置後，即找到準確的節點位置；
21.步驟八：以準確的節點位置為懸吊點的位置進行分段船模模態測量，分段船模模態測量結束後，放下吊梁，使分段式船模穩定落地，完成測試。
22.其進一步技術方案在於：
23.多個初始節點位置包括二節點，三節點，四節點的節點位置。
24.所述行走齒輪組件的結構為：包括齒輪，所述齒輪與安裝於吊梁下部的齒條嚙合，齒條沿吊梁長度方向設置，吊梁上設置有通孔，所述通孔為長形孔，所述通孔的長度方向與吊梁長度方向一致；
25.所述齒輪中部安裝有與齒輪傳動連接的銷軸，所述銷軸的兩端穿過通孔並分別位於吊梁兩側外部，所述銷軸的兩端分別套裝有第一吊環，所述銷軸一端安裝有第一把手，所述第一把手位於第一吊環的外側，兩個第一吊環與吊繩的上端連接。
26.所述吊梁為矩形管狀結構，所述吊梁的底部上表面安裝有齒條，吊梁兩側側壁分別設置通孔，兩個通孔對應，所述齒輪位於吊梁兩側側壁之間，所述齒輪兩側與吊梁側壁內側配合。
27.所述通孔下方的吊梁側壁外側設置有刻度線。
28.所述吊梁的截面為工字型結構，所述吊梁的下部為底板，所述底板上表面中部垂直設置有立板，所述立板兩側的底板上表面分別設置有齒條，每個齒條上均安裝有齒輪，銷
軸同時與兩個齒輪傳動連接，所述通孔位於立板上，所述齒條外側的底板上設置與齒輪外側配合的限位板。
29.所述齒條外側設置有刻度線。
30.所述行走齒輪組件的數量為五處，沿吊梁長度方向分布，位於吊梁長度方向一側的兩處行走齒輪組件中的通孔相連通。
31.工字型測量梁的結構為：包括相互平行的上翼板和下翼板，上翼板和下翼板寬度方向中部通過腹板連接，腹板與上翼板垂直；
32.所述被動輪組的結構為包括間隔設置於上翼板上表面的兩個上滾輪和分別設置於腹板兩側上翼板下表面下滾輪，上滾輪與下滾輪通過矩形框結構連接，上滾輪與下滾輪均與矩形框結構轉動連接，所述矩形框結構下部開口，矩形框結構的開口處與腹板對應；
33.上滾輪外側的矩形框結構上安裝有第二吊環，所述第二吊環與吊繩的下端連接。
34.上滾輪的外側安裝有第二手搖把手，第二手搖把手端部與上滾輪中心固定連接，所述矩形框結構穿過第二手搖把手端部與第二手搖把手轉動連接。
35.本發明的有益效果如下：
36.本發明結構緊湊、合理，操作方便，通過可相對於吊梁移動的行走齒輪組件和可相對於工字型測量梁移動的被動輪組，實現在尋找節點的過程中便於更換懸吊點的位置，安全方便，省時省力，提高了工作效率；被動輪組避開加速度傳感器、加速度傳感器連接線和固定支撐，使懸吊點的位置可以覆蓋整個測量梁，使尋找節點的位置準確，提高模態測量的準確性，同時降低對吊繩材質性能的要求。
37.同時，本發明還存在如下優勢：
38.(1)由於吊梁上設置有通孔，與齒輪傳動連接的銷軸的兩端通過吊繩吊掛被動輪組，需要調節行走齒輪組件在吊梁上的位置時，齒輪相對於齒條轉動，同時銷軸在通孔中移動，帶動吊繩的位置移動，使之與節點位置對應，方便操作。
39.(2)行走齒輪組件的數量設為五處，吊梁長度方向一側的兩處行走齒輪組件中的通孔相連通便於節點位置的調整：在進行二節點、四節點位置轉換時僅需要在a處、e處增加或者減少被動輪組即可完成，不需要重複起吊分段船模，安全方便，省時省力，提高了工作效率；在對三階模態測量時，不需要多設置多於5處的行走齒輪組件，僅僅將吊梁長度方向兩側的單個行走齒輪組件移動到對應節點的位置即可，便於操作。
40.(3)安裝於矩形框結構上的上滾輪和下滾輪分別與工字型測量梁上部上翼板的上表面和下表面滑動配合，便於在調節新的節點位置時移動被動輪組的位置，同時可避開工字型測量梁上表面的加速度傳感器，滾輪接觸工字型測量梁的方式為線接觸，對節點的位置確定是有精度保證的。
附圖說明
41.圖1為本發明的結構示意圖。
42.圖2為本發明行走齒輪組件的一種實施例示意圖。
43.圖3為圖2的側視圖。
44.圖4為圖3的f處放大圖。
45.圖5為本發明行走齒輪組件的另一種實施例示意圖。
46.圖6為圖5的側視圖。
47.其中：1、吊梁；11、齒條；12、通孔；13、刻度線；14、底板；15、立板；2、行走齒輪組件；21、齒輪；22、銷軸；23、第一把手；3、吊繩；31、第一吊環；32、第二吊環；4、被動輪組；401、上滾輪；402、矩形框結構；403、下滾輪；404、第二手搖把手；5、工字型測量梁；501、上翼板；502、腹板；503、下翼板；6、固定支撐；7、分段式船殼。
具體實施方式
48.下面結合附圖，說明本發明的具體實施方式。
49.如圖1-圖6所示，實施例一的工字型測量梁分段船模模態測量的試驗方法，包括以下步驟：
50.步驟一：建立分段式船體數值模型，通過模態計算獲得分段式船體各階模態彎曲節點位置；
51.確定縮尺比後根據分段式船體數值模型結構製造分段式船模，分段式船模的結構包括分段式船殼7，分段式船殼7內部沿船長方向間隔安裝有多個框架，每個框架上端安裝有固定支撐6，固定支撐6上端同時與沿船長方向設置的工字型測量梁5連接；工字型測量梁5一般與固定支撐6焊接。
52.根據工字型測量梁5的長度準備吊梁1；工字型測量梁5的剛度一般小於吊梁1的剛度。
53.步驟二：根據步驟一中節點位置和縮尺比，換算分段式船模工字型測量梁5上的節點位置作為試驗的多個初始節點位置，並對應在吊梁1上做出初始標記；
54.吊梁1上設置有基準線，作為吊梁1和工字型測量梁5上下對應的依據；吊梁1的長度尺寸可以與工字型測量梁5完全一致時，當吊梁1和工字型測量梁5的兩端對齊時即實現了吊梁1和工字型測量梁5上下對應，便於吊梁1上的標記與初始節點位置對應；
55.步驟三：在吊梁1上的初始標記對應位置分別安裝行走齒輪組件2；
56.在分段式船模的工字型測量梁5表面粘貼加速度傳感器，在工字型測量梁5上安裝多個與行走齒輪組件2對應的被動輪組4，被動輪組4避開加速度傳感器、加速度傳感器連接線和固定支撐6，被動輪組4與工字型測量梁5的接觸位置即為分段式船模的懸吊點的位置；
57.用吊繩3將行走齒輪組件2和被動輪組4連接；
58.加速度傳感器用來測量分段式船模各個剖面的加速度，以得到分段式船模振動幹模態；
59.步驟四：吊起吊梁1，使分段式船模離開地面，並保證行走齒輪組件2在吊梁1上的位置以及被動輪組4在工字型測量梁5上的位置均與初始節點位置對應，使吊繩3處於豎直狀態；並調整使被動輪組4與初始節點位置對應；此時懸吊點的位置即為初始節點位置；為了吊繩3處於豎直狀態，可採用吊垂參考。
60.步驟五：待分段式船模穩定後，用力錘敲擊工字型測量梁5，加速度傳感器測得的信號輸出至測試設備後，通過軟體分析獲得當前分段式船模的頻率和振型；
61.步驟六：以初始節點位置為基準，同時調整單個初始節點位置對應的行走齒輪組件2和被動輪組4位置，使單個初始節點位置的行走齒輪組件2和被動輪組4同時向該初始節點位置同側移動，調整每個初始節點位置至對應新的節點位置後，重複第五步操作；
62.該步驟用於尋找更準確的節點位置，該步驟中新的節點的位置調整有多種組合方式，如每個新的節點位置分別可以為初始節點位置兩側，得到多種組合位置條件，並分別測量對應位置條件下分段式船模的頻率和振型，找到出現最小頻率的懸吊點的位置；
63.在移動工字型測量梁5節點位置的時候，一同移動行走齒輪組件2和被動輪組4，可以保證分段式船模在空中保持水平狀態，即不發生前後轉動，一方面是為了分段船模及測量人員的安全，另一方面是減小測量時受力點的偏移產生的振動測量誤差。
64.步驟七：比較步驟五中頻率和步驟六中頻率的大小；
65.當步驟五中頻率最小則初始節點位置即為準確的節點位置；
66.當步驟六中最小頻率小於步驟五中頻率，以步驟六中出現最小頻率的節點位置作為初始節點位置重複步驟六，直到最小頻率不出現在新的節點位置後，即找到準確的節點位置；
67.步驟八：以準確的節點位置為懸吊點的位置進行分段船模模態測量，分段船模模態測量結束後，放下吊梁1，使分段式船模穩定落地，完成測試。
68.如圖1所示，多個初始節點位置包括二節點，三節點，四節點的節點位置。當對二階模態測量時，初始節點位置為二節點對應b處、d處；當對三階模態測量時，初始節點位置對應b處與d處之間、c處、c處與d處之間；當對四階模態測量時，初始節點位置為四節點對應a處、b處、d處、e處。當然為了便於後續測量，可以在吊梁1上做出所有的初始標記。
69.通過可相對於吊梁1移動的行走齒輪組件2和可相對於工字型測量梁5移動的被動輪組4，實現在尋找節點的過程中便於更換懸吊點的位置，安全方便，省時省力，提高了工作效率；被動輪組4避開加速度傳感器、加速度傳感器連接線和固定支撐6，使懸吊點的位置可以覆蓋整個測量梁，使尋找節點的位置準確，提高模態測量的準確性，同時降低對吊繩3材質性能的要求。
70.本方法降低了對吊繩3材質的要求，採用了精確尋找節點位置的方法，只要被動輪組4切實安裝在振動節點位置處，模態測量結果是相當精確的。本方法中吊繩3可以是彈性繩也可以是剛性繩，儘量採用彈性模量較低且強度高的繩索。
71.傳統的懸吊方式是將彈性繩繞過工字型測量梁5，如果工字型測量梁5的上初始節點處的工字型測量梁5下端有加速度傳感器，則彈性繩無法從工字型測量梁5下端繞過，使得該節點位置測量的幹頻率肯定有誤。本實施例巧妙地在工字型測量梁5上表面設置被動輪組4，既可以避開工字型測量梁5上表面的加速度傳感器，也無需彈性繩從工字型測量梁5下方穿過，便於吊裝和節點位置的移動。
72.如圖2-圖4所示，實施例二的工字型測量梁分段船模模態測量的試驗方法中：步驟與實施例一相同，其中：
73.行走齒輪組件2的結構為：包括齒輪21，齒輪21與安裝於吊梁1下部的齒條11嚙合，齒條11沿吊梁1長度方向設置，吊梁1上設置有通孔12，通孔12為長形孔，通孔12的長度方向與吊梁1長度方向一致；
74.齒輪21中部安裝有與齒輪21傳動連接的銷軸22，銷軸22的兩端穿過通孔12並分別位於吊梁1兩側外部，銷軸22的兩端分別套裝有第一吊環31，銷軸22一端安裝有第一把手23，第一把手23位於第一吊環31的外側，兩個第一吊環31與吊繩3的上端連接。
75.在步驟四和步驟六中，由於吊梁1上設置有通孔12，與齒輪21傳動連接的銷軸22的
兩端通過吊繩3吊掛被動輪組4，需要調節行走齒輪組件2在吊梁1上的位置時，搖動第一把手23時，齒輪21相對於齒條11轉動，同時銷軸22在通孔12中移動，帶動吊繩3的位置移動，使之與節點位置對應，方便操作。
76.吊梁1為矩形管狀結構，吊梁1的底部上表面安裝有齒條11，吊梁1兩側側壁分別設置通孔12，兩個通孔12對應，齒輪21位於吊梁1兩側側壁之間，齒輪21兩側與吊梁1側壁內側配合。
77.矩形管狀結構的吊梁1可採用現有結構的型材，便於吊梁1的製作，將齒條11安裝於吊梁1兩側側壁之間，安全方便。
78.通孔12下方的吊梁1側壁外側設置有刻度線13。刻度線13可以根據節點位移情況進行最小刻度的設定。
79.通過設置刻度線13可精確標記吊梁1上設置的基準線以及初始節點位置，精確顯示對應的新的節點位置，方便觀察及實驗過程中數據記錄。
80.如圖5-圖6所示，實施例三的工字型測量梁分段船模模態測量的試驗方法中：步驟與實施例二基本相同，其中改進了吊梁1的結構，同時對行走齒輪組件2的結構進行調整：
81.吊梁1的截面為工字型結構，吊梁1的下部為底板14，底板14上表面中部垂直設置有立板15，立板15兩側的底板14上表面分別設置有齒條11，每個齒條11上均安裝有齒輪21，銷軸22同時與兩個齒輪21傳動連接，通孔12位於立板15上，齒條11外側的底板14上設置與齒輪21外側配合的限位板。
82.通過採用截面為工字型結構的吊梁1，將行走齒輪組件2中的齒輪21數量設定為兩個，並分別位於立板15兩側的底板14上，增大受力部位的面積，同時也提高了齒輪21行走過程中的穩定性。
83.齒條11外側設置有刻度線13。刻度線13可以根據節點位移情況進行最小刻度的設定。
84.通過設置刻度線13可精確標記吊梁1上設置的基準線以及初始節點位置，精確顯示對應的新的節點位置，方便觀察及實驗過程中數據記錄。
85.如圖1-圖6所示，實施例四的工字型測量梁分段船模模態測量的試驗方法中：
86.在實施例一、實施例二和實施例三的基礎上，如圖1所示，行走齒輪組件2的數量設為五處，沿吊梁1長度方向分布，位於吊梁1長度方向一側的兩處行走齒輪組件2中的通孔12相連通，即吊梁1長度方向兩側各設置一個通孔12對應a處和b處的兩個行走齒輪組件2以及對應d處和e處的兩個行走齒輪組件2，吊梁1長度方向中部設置一個通孔12對應吊梁1長度方向中部的c處行走齒輪組件2。
87.為保證吊梁1的剛度，總的通孔12長度儘量不超過吊梁1長度的1/5。
88.當對二階模態測量時，初始節點位置為二節點對應b處、d處。將吊梁1長度方向兩側的單個行走齒輪組件2與節點位置對應，同時通過吊繩3與工字型測量梁5上的對應的兩個被動輪組4連接。
89.當對四階模態測量時，初始節點位置為四節點對應a處、b處、d處、e處。在二階模態測量後，在吊梁1長度方向兩側的分別增加一個行走齒輪組件2，同時通過吊繩3與吊梁1上的兩側的行走齒輪組件2連接，使行走齒輪組件2數量為四並與對應節點位置對應。
90.進行二節點、四節點位置轉換時僅需要在a處、e處增加或者減少被動輪組4即可完
成，不需要重複起吊分段船模，安全方便，省時省力，提高了工作效率。吊梁1長度方向一側的兩處行走齒輪組件2中的通孔12相連通便於節點位置的調整。
91.當對三階模態測量時，初始節點位置為三節點對應b處與d處之間、c處、c處與d處之間；不需要多設置多於5處的行走齒輪組件2，僅僅將吊梁1長度方向兩側的單個行走齒輪組件2移動到對應節點的位置即可，便於操作。
92.如圖2-圖6所示，另外本發明中，工字型測量梁5的結構為：包括相互平行的上翼板501和下翼板503，上翼板501和下翼板503寬度方向中部通過腹板502連接，腹板502與上翼板501垂直；
93.被動輪組4的結構為包括間隔設置於上翼板501上表面的上滾輪401和分別設置於腹板502兩側上翼板501下表面下滾輪403，上滾輪401與下滾輪403通過矩形框結構402連接，上滾輪401與下滾輪403均與矩形框結構402轉動連接，矩形框結構402下部開口，矩形框結構402的開口處與腹板502對應；
94.上滾輪401外側的矩形框結構402上安裝有第二吊環32，第二吊環32與吊繩3的下端連接。
95.上滾輪401的外側安裝有第二手搖把手404，第二手搖把手404端部與上滾輪401中心固定連接，矩形框結構402穿過第二手搖把手404端部與第二手搖把手404轉動連接。
96.安裝於矩形框結構402上的上滾輪401和下滾輪403分別與工字型測量梁5上部上翼板501的上表面和下表面滑動配合，並將上翼板501夾持在上滾輪401和下滾輪403之間，便於在調節新的節點位置時移動被動輪組4的位置，同時可避開工字型測量梁5上表面的加速度傳感器，本實施例採用滾輪接觸工字型測量梁5的方式，屬於線接觸，對節點的位置確定是有精度保證的，而傳統的彈性繩本身具有一定寬度，其與工字型測量梁5為面接觸，對測量精度有一定影響。
97.在步驟四和步驟六中，需要調節被動輪組4在工字型測量梁5上的位置時，移動被動輪組4，使上滾輪401和下滾輪403在上翼板501上滾動。
98.進一步，設置第二手搖把手404，通過轉動第二手搖把手404使上滾輪401轉動，帶動被動輪組4移動，操作方便。
99.以上描述是對本發明的解釋，不是對發明的限定，本發明所限定的範圍參見權利要求，在本發明的保護範圍之內，可以作任何形式的修改。