船舶动力学 王应健14723547

1、主动振动控制在船舶 上的应用 王应健 14723547 目录 v一一 相关背景知识相关背景知识 v二二 智能弹簧系统智能弹簧系统 v三三 选择性阻尼系统选择性阻尼系统 v四四 总结分析总结分析 1 相关背景知识相关背景知识 1.1 船舶隔振的意义船舶隔振的意义 1.2 船舶振动的来源船舶振动的来源 1.3 目前的隔振技术目前的隔振技术 1.4 主动隔振技术主动隔振技术 1.1 船舶隔振的意义船舶隔振的意义 船舶振动的危害： 可导致船体结构处于疲劳状态, 出现裂缝或疲 劳破坏 , 缩短船舶寿命 ; 影响船上仪器、仪表和控制系统的性能, 产生 航行安全隐患 ; 影响船上人员的工作效率及生活舒适性,

2、 影响 航行操作 ; 振动引起的噪声破坏了军事舰船、潜艇隐蔽 性。 此外：此外：由于大量的高技术精密仪器、 设备的使用 , 居住舒适性要求的提高, 高强度 钢的使用以及为减轻质量而采取的结构优化 措施 , 使得船舶易于振动。这亦使得船舶振 动噪声问题受到了更广泛的重视。 1.1 船舶隔振的意义船舶隔振的意义 船舶结构是一种复杂的组合弹性体 , 振动复杂。 船舶是个多振源系统 , 主要激振力有 : 螺旋桨：桨叶上的水动力；脉动水压力 船舶主机及动力机械：运动部件的惯性而形成的不平 衡力和力矩; 气缸内气体爆炸压力产生的侧向压力和倾 覆力矩。 波浪等引起的激励。 1.2 船舶振动的来源船舶振动的来

3、源 1.2 船舶振动的来源船舶振动的来源 对船舶振源的研究过程： v最开始主要研究振源是主机。 v上世纪初，旋桨激振力, 成为研究的重点。 v上世纪 70 年代末，高速大功率柴油机的广泛使 用，使之成为新的研究方向。 1.2 船舶振动的来源船舶振动的来源 包括: 阻尼技术 , 动力机械的隔振 , 振动吸振等。 目前研究的主流仍是被动隔振技术：不需要外界 能源 , 装置结构较简单 , 易实现 , 经济性与可靠性好， 但效果较差。 阻尼技术：阻尼材料的阻尼特性 隔振技术：加偏心重块、设置平衡器、安装缓冲器 等 动力吸振：在受控对象上附加一个子系统，, 用它产 生吸振力以减小受控对象对振源激励的响应

4、。 1.3 目前的隔振技术目前的隔振技术 主动隔振技术的方法很多，但其关键技术都是使 控制系统做到监测结构振动特性且及时做出响应。 包括：主动阻尼技术，智能弹簧系统，电动式全 主动吸振器，选择性阻尼系统等。 1.4 主动隔振技术主动隔振技术 文献内容介绍文献内容介绍 1.引言 2.智能弹簧安装系统 3.选择性阻尼振动控制 4.分析总结 1.1 工作机械是船舶振动的主要来源。 1.2 作用：提高船员和乘客舒适度；对于军舰而言， 避免被敌人的传感器（如鱼雷和声纳系统）检测到。 1.3 结构共振：一类特定问题，这种共振导致非常高 的激振力。 1.4 被动隔振的限制性：低频时振动控制效果差 , 不 能

5、适应外界振动特性的变化。 1.5 主动振动控制在以前的实验中只采用局部控制策 略，但是局部的表现对于全局控制的影响不太明显。 1.6 由BAE SYSTEMS 和 ALSTOM开发的一种新的 隔振技术，通过追踪机械支承结构和船体的共振问题， 开发出一种主动/被动混合振动控制系统。具有成本低， 效果好的特点。 2 智能弹簧安装智能弹簧安装 系统系统 2.1 被动隔振方法 2.2 采用智能弹簧技术 2.3 实验过程 2.4 实验结果 标准的被动隔振法：将船舶机械安装在一个 支架或浮筏上，浮筏安装于船体的弹性支座上（最 常见的是橡胶支座）。 如果支承结构表现为一种理想的刚体的力传 递率曲线（从激振力

6、到扩散力的传递函数曲线）， 如图1虚线所示。 理想结构和实际结构力的传递曲线图 振 幅 频率 原理： 如果不考虑刚体模态，其余模态的总动 量之和为零，即： 其中，(x)是振型，(x)是质量分布,X是浮筏的坐标位置。 从式（1）可知，如果给定的安装刚度分布（k(x)） 与质量分布（(x)）成正比，即： 则由于共振产生的总的传递力也为零，即： 限制：实际上，这种办法并不总是可行，因为大 量的安装要求一个近似理想的连续模型，同公式（2）， 并且被动装置的精确刚度很难获取。 此外，该方法还需要假定船体相对于筏尺寸，具 有长波长模态的高阻抗。所以，需要寻求一种可以替 代的方法。 引出了，智能弹簧安装系统

7、，如图1实线所示。 如图2所示，新系统，是一个基于电磁铁与被动隔 振元件并行的组合系统。 为了避免一定频率的，较大的力的传播，引起支 承结构的共振，安装的系统必须满足一些关键要求： 第一：对于任一个执行器，需要在船体上产生一 个反作用力，这个力相对于对于支承结构，在连接处 产生的局部位移是完全独立的。 第二：为了支承起上述结构，每个执行器必须能 够产生一个额外的力，即船体上不会产生额外的力， 这个力不影响该系统的零刚度条件。 1. 如图2所示，这两个要求可以通过一个局部数字 反馈控制回路获得。 第三：对于每一个支撑执行器而言，关键是一个 产生外部需求力的方法。 振动机械产生的不平衡的力，引起了

8、支承结构的 直线位移和角位移。额外需求力，是通过直线位移和 角位移能够受到一种持续的反作用，让其趋向于平衡 位置，来求取的。 然而，为了达到如图1所示得理想的结果，额外需 求力必须只能与结构的六刚体模态位移是相应的，并 且不能受到任何结构共振的影响。 如果上述的前两个要求可以满足，那么这个额外的力 可以通过一种浮筏的模态控制方法产生。使用加速度计阵 列或非接触式位移传感器(proximiters)去测量机械浮筏的 位移。然后分析这些数据，利用正交条件得到六刚体位移： Mn是第n个模态的有效动量，m(x)and n(x) 分 别是第m和第n个振型。 在数据处理方面，这种方法只需要一个单一的矩阵，

9、 测量出一组离散的x的数据，所以支承和浮筏结构的运动 方程可以表示为： f是一个矢量力，然后就可以得到独立的模态表达式： fm是一个矢量模态力，上式可通过如下变换得到： 其中V是 的特征向量的正交矩阵， 令相应的 可利用 的列提取矩阵变换所 需的六模态。 最后一步是使用获取的直线位移和角位移计算需求力。 函数的传递率曲 线随着频率的升 高而下降。 简单刚度函数：简单刚度函数：20dB /10Hz 复杂刚度函数：复杂刚度函数：60dB /10Hz，且共振相位延迟，且共振相位延迟 由于刚度函数 是数字化处理， 所以任何稳定 的传递函数都 可以应用。 图图5所示，与现实情况的共振相比较，有非常大的所

10、示，与现实情况的共振相比较，有非常大的 性能改进。性能改进。 关键：能够产生一个独立于任何局部位移的力， 并且这个力要和前文描述的由刚度函数计算出来的 力是恒等的。 因为弹簧钢相比其他弹性体对自然低频率的隔离 有着极大的优越性（在100Hz时高达20dB），所以 在做执行器原型时会尽可能的用到它们。 2.3.1实验设备实验设备 执行器：用若干个小弹 簧对称布置在以磁铁为 轴的周围。通过修改弹 簧的数量，根据需求如2， 4，6等，能很容易的改 变总被动刚度（引起安 装共振频率的改变）。 电磁铁是有一个圆筒状 的线圈，阻抗为4，电 流为6A，产生的额定磁 力为1500N/5mm。 2.3.1实验设

11、备实验设备 用于检测智 能弹簧系统的 工作性能的液 压测试台 2.3.2 控制系统的发展控制系统的发展 智能弹簧系统的执行器的局部控制示意图。 2.3.2 控制系统的发展控制系统的发展 模型是基于物理条件建立的，包含着一个静态非 线性模型和两个动态线性传递力。 第一线性传递力表示基于磁铁动态及其放大器动 态的额外频率。 第二个传递力描述的是高阶弹簧动态（例如，由 自共振产生）。 假设执行器的静态非线性模态的形式如下： 其中其中F Fss ss是由频率独立关系引起的传递力分量， 是由频率独立关系引起的传递力分量，i 线圈中的电流，线圈中的电流， g 间距，间距，k 磁增益，一个需要估算的常数，磁

12、增益，一个需要估算的常数， 磁铁磁铁”虚拟间隙虚拟间隙”， kspr是是弹簧弹簧劲度系数劲度系数，F0是是初始力初始力。 2.3.2 控制系统的发展控制系统的发展 通过实验，模型参数使用最小二乘法拟合估算出 来。一旦找到静态非线性关系，就能够通过反推方程7 7 的表达式来实现系统线性化。 2.3.3 实验结果实验结果 2.3.3 实验结果实验结果 2.3.3 实验结果实验结果 3 选择性阻尼共选择性阻尼共 振控制振控制 3.1 方法简介 3.2 实验及现场实测 3.1 方法简介方法简介 主动安装方法通过控制振源来控制振动的传播。但实 际上，除了主推进和辅助机械振动源之外，还有许多其他 的振源。

13、如，还有许多次级振源产生的振动，例如尾气排 放，供给传输线路等 鉴于此，BAE系统公司和阿尔斯通公司也已开发了一 种被称为“选择性阻尼”的商业技术，这种控制方法是上 述第2.2章节的补充。 该种方法主要用来降低结构共振。 3.1 方法简介方法简介 方法同前文所述方法一样，利用正交特性，从传感器 阵列提取单个振动模态的振动响应 。 然后，这种模态测量反馈给控制算法，然后计算出一 个所需要的模态力，并在该模态上增加阻尼。 但，由于真实船体结构的模态密集性和控制器，传感 器数量的限制，使得有一些模态量没有被考虑到。 所以在实际工作中，一种最有效的方法是，将空间和 时间的滤波耦合与特征结构设计结合起来

14、。 3.实验及现场测试实验及现场测试 3.实验及现场测试实验及现场测试 有无控制时的峰值振幅比较 3.实验及现场测试实验及现场测试 点加速度 功率谱密 度比较 3.实验及现场测试实验及现场测试 远场声功 率测试结 果比较 3.实验及现场测试实验及现场测试 双共振，选 择控制频率 较高者 3.实验及现场测试实验及现场测试 双共振，双 控制 3.实验及现场测试实验及现场测试 以上实验结果说明，对于较小的的实验模型， 该系统很实用。但为了满足使用要求，需要在大 型模型上实验。 于是，在一艘4500t的实体船舶上进行了实 验，方法与先前的一样，但是传感器阵列更多和 复杂，结果如下图。 3.实验及现场测试实验及现场测试 在大型船舶上， 对推力轴承共振的 抑制。 3.实验及现场测试实验及现场测试 结果表明共振峰值也几乎完全消除。 该项技术目前正在进一步开发，在