海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院 武漢 430033

船舶在使用過(guò)程中，隨著服役年限的增長(zhǎng)，其船體的機(jī)械性能將會(huì)發(fā)生一定的變化，從而使其動(dòng)態(tài)特性也相應(yīng)改變，這些變化主要通過(guò)其振動(dòng)參數(shù)(如模態(tài)頻率、振型等)的改變體現(xiàn)出來(lái)。因此，可以通過(guò)測(cè)試整體模態(tài)和局部振動(dòng)檢測(cè)相應(yīng)的變化[1]。

船舶結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)分析與參數(shù)辨識(shí)是是船舶動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、振動(dòng)控制以及利用振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的基礎(chǔ)[2，3]。隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，模態(tài)及振動(dòng)測(cè)試和分析已成為解決船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題的主要工具。

船舶工作狀態(tài)下的振動(dòng)測(cè)試不但可以評(píng)價(jià)現(xiàn)有船舶動(dòng)態(tài)特性，還可以用于識(shí)別船舶主要的振動(dòng)源和噪聲源，并為船舶機(jī)械的故障診斷提供基本數(shù)據(jù)。通過(guò)借助于試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從中找出船舶結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)性能上存在的問(wèn)題，以確保船舶能安全、可靠及有效地工作。并為船舶的改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

1 時(shí)域法振動(dòng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別

船舶模態(tài)測(cè)試分析中關(guān)鍵技術(shù)是模態(tài)參數(shù)識(shí)別，它是從測(cè)試所得的數(shù)據(jù)中，確定振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，其中包括模態(tài)固有頻率、模態(tài)阻尼比、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度及振型等。目前參數(shù)識(shí)別分為頻域法、時(shí)域法、時(shí)頻方法及基于模擬進(jìn)化的方法四大類[4-6]。本研究根據(jù)船舶模態(tài)測(cè)試分析的特點(diǎn)，采用時(shí)域法振動(dòng)模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)。

時(shí)域法是近年才在國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，它可以克服頻域法的一些缺陷。 特別是對(duì)大型復(fù)雜構(gòu)件，如飛機(jī)、船舶及建筑物等受到風(fēng)、浪及大地脈動(dòng)的作用，所承受的荷載很難測(cè)量，但響應(yīng)信號(hào)很容易測(cè)得，直接利用響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別無(wú)疑是很有意義的。

時(shí)域法是將振動(dòng)信號(hào)直接進(jìn)行識(shí)別。最基本、最常用的有Ibrahim時(shí)域法、ITD法、最小二乘復(fù)指數(shù)法(LSCE法)、多參考點(diǎn)復(fù)指數(shù)法( PRCE 法)、特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法(ERA法)和ARMA時(shí)序分析法。

本研究采用時(shí)間序列分析方法，對(duì)有序的隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、研究和處理。在以往進(jìn)行頻域譜分析時(shí)，常由于信號(hào)截?cái)喽鹦孤?，出現(xiàn)旁瓣、分辨率低及信號(hào)被淹沒(méi)等缺陷，而時(shí)間序列分析則與譜分析不同，由于時(shí)序譜是動(dòng)態(tài)譜，觀測(cè)數(shù)據(jù)能外延，因此不會(huì)由于觀測(cè)數(shù)據(jù)的樣本長(zhǎng)度有限而產(chǎn)生上述缺陷。

2 實(shí)船模態(tài)及航行振動(dòng)測(cè)試

根據(jù)前面的基本理論和實(shí)驗(yàn)方法，參照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)東海某船船體進(jìn)行有關(guān)模態(tài)測(cè)試以及振動(dòng)測(cè)量。測(cè)量?jī)?nèi)容主要有船體低階固有頻率、振動(dòng)加速度及振動(dòng)速度。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的組成如圖1所示。信號(hào)采集器為B&K公司生產(chǎn)的專用的八通道信號(hào)采集器。振動(dòng)分析系統(tǒng)為B&K PULSE 多功能分析軟件。模態(tài)測(cè)試采用拋錨激勵(lì)法，即船舶在試驗(yàn)區(qū)靜止后，將錨懸在錨穴下，將錨自由下落，錨下落的距離以不觸及到海底為限，隨之用錨鏈止鏈器迅速制動(dòng)，使船體振動(dòng)。記錄全過(guò)程的振動(dòng)信號(hào)并采用時(shí)間序列分析方法提取前兩階模態(tài)參數(shù)。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)的組

測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果有比較大的影響，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求試驗(yàn)區(qū)水深不小于19 m，離岸或其它建筑較遠(yuǎn)，海況不大于2級(jí)，水流平緩。試驗(yàn)時(shí)船的狀態(tài)為滿載，排水量誤差不大于+2%，載荷分布接近設(shè)計(jì)狀態(tài)，船體橫傾角不大于0.5°，縱傾狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，誤差不大于0.05 m。

激振試驗(yàn)時(shí)船舶處于自由漂浮狀態(tài)，船舶上的機(jī)械均停止運(yùn)行，人員無(wú)隨意走動(dòng)或敲打。

航行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)時(shí)船舶直線航行，操舵角在±2°以內(nèi)，其它非航行必須設(shè)備均停止運(yùn)行，人員無(wú)隨意走動(dòng)或敲打。

模態(tài)測(cè)點(diǎn)測(cè)量方向?yàn)樗较蚝痛瓜?，測(cè)點(diǎn)具體位置說(shuō)明見(jiàn)表1。 航行振動(dòng)試驗(yàn)和局部振動(dòng)測(cè)點(diǎn)具體位置說(shuō)明見(jiàn)表2。

表1 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明表

表2 航行振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)和局部振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置說(shuō)明表

3 測(cè)試結(jié)果及分析

船體垂向及水平方向模態(tài)固有頻率測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3，相應(yīng)的模態(tài)振型見(jiàn)圖2～5。

表3 模態(tài)固有頻率

圖2 垂向固有頻率第1階振型

圖3 垂向固有頻率第2階振型

圖4 水平向固有頻率第1階振型

圖5 水平向固有頻率第2階振

航行試驗(yàn)振動(dòng)測(cè)量時(shí)，測(cè)試工況為主機(jī)分別在1 000、950、900、850、800、750、700、650、600、550、500、450、400、370 r/min轉(zhuǎn)速下保持直線穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理與分析，得到了各工況下船體的振動(dòng)加速度峰值在頻率上的分布及諾模圖[7]。以最高轉(zhuǎn)速為例，主機(jī)運(yùn)行工況為1 000 r/min時(shí),1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)部分測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，表中“*”表示該點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率振動(dòng)處于“可接收區(qū)”，其它測(cè)點(diǎn)均處于“良好區(qū)”。測(cè)點(diǎn)諾模圖見(jiàn)圖6。

表4 主機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min振動(dòng)速度峰值

圖6 主機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min測(cè)點(diǎn)1x-9z諾模

根據(jù)相關(guān)船舶船體振動(dòng)評(píng)階基準(zhǔn)，航行試驗(yàn)中，在主機(jī)轉(zhuǎn)速各測(cè)試轉(zhuǎn)速工況中，除推力軸承頂部測(cè)點(diǎn)個(gè)別頻率的振動(dòng)幅值位于“可接受區(qū)”外，其它振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值均處于“良好區(qū)”；在主機(jī)轉(zhuǎn)速低于550 r/min后，各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅值均處于“良好區(qū)”。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)船舶模態(tài)的測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)船舶的模態(tài)頻率及其振型，有利于工程人員對(duì)裝備進(jìn)行管理。通常船舶上的工作機(jī)械應(yīng)該避免在模態(tài)頻率附近的工況下運(yùn)行，如果某些設(shè)備長(zhǎng)期工作時(shí)不能避開(kāi)船舶的某階模態(tài)頻率，那么這些裝備應(yīng)該安裝在相關(guān)模態(tài)頻率所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置附近(該位置可以通過(guò)模態(tài)振型找到)。通過(guò)對(duì)船舶振動(dòng)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了其振動(dòng)較為強(qiáng)烈部位，并提出建議，重點(diǎn)關(guān)注并采取適當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧└纳破鋭?dòng)態(tài)性能。通過(guò)定期船舶模態(tài)和振動(dòng)的測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)船舶模態(tài)和振動(dòng)的變化規(guī)律，從而觀察船舶結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，這樣有利于評(píng)價(jià)船舶的結(jié)構(gòu)性能，為船舶的維修和保養(yǎng)提供參考依據(jù)。

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