一种考虑内流场及其压力影响的水下壳体模态试验方法

本发明涉及水下结构振动测试领域，特别是涉及一种考虑内流场及其压力影响的同时通过非接触式激振方式对水下壳体进行模态试验的方法。

背景技术：

空心壳体结构是典型的工程构件，相比于大多数实体结构，壳体结构在保证一定强度和刚度的前提下具有更轻的重量，因而被广泛应用在水下航行器、平台浮箱和水下管道等海洋工程结构物的设计建造中。

实际工程中，外部流体对水下壳体振动的影响是不可忽视的，在水压力和流场介质的耦合作用下，水下壳体受到激励发生振动时会引起其周围流体介质的振动，而外部流场的变化又影响壳体的振动特性，造成水下壳体振动问题的复杂性。

目前水下管道结构因振动变形而引发的结构破坏和石油泄露问题已经成为威胁水下管道正常作业的重要因素，这类结构出于流动保障的需要内部流体存在高压，还需考虑内部流体及其高压对结构振动的影响。因此，对考虑内流场压力影响的水下壳体进行模态试验分析具有十分重要的实际意义。

现今国内外有关壳体模态分析试验研究存在的不足之处主要有：

1.现有水下壳体模态试验装置主要考虑外流场影响，而同时考虑内、外流场影响的较少，涉及内压的试验更是罕有研究；

2.现有模态试验多借助位移传感器或加速度传感器获取应变数据，这两类传感器具有一定质量和形状，且需水密处理，容易影响外部流场和结构的振动模态。

3.现有模态试验多采用力锤或激振器激发试件振动，力锤激励容易出现双击、振型不连续等现象，而激振器激励则会给试件增加附加刚度和附加质量，两种激振方式都会影响原试件的振动特性和测试结果。

针对以上不足，本发明提供一种同时考虑内外流场影响并基于应变模态分析的水下壳体模态试验方法，以实现精确研究水下壳体的模态振动特性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在考虑内流场及其压力影响的同时通过非接触式激振方式对水下壳体进行模态试验的方法。

具体地，本发明一种考虑内流场及其压力影响的水下壳体模态试验方法，包括如下步骤：

步骤100，根据实验条件准备盛水的压力箱，将实际使用管道的一部分截取后，两端密封形成试验体，然后按试验要求在试验体的外圆周上粘贴应变片，并通过线缆与数字采集仪连接；

步骤200，将非接触式激振装置安装在压力箱的底部，再将试验体利用弹簧拉杆悬吊在压力箱内并连接高压供水装置，悬吊后的试验体底部与激振装置接近但不接触，同时满足试验体中轴线与压力箱四周侧壁及水上表面的距离分别为4倍的试验体半径的条件；

步骤300，通过弹簧拉杆控制试验体倾斜，然后通过高压供水装置向试验体内注水以排出内部气体，排气完毕后使试验体保持水平并继续注入高压水，直至试验体内部压力达到预定值；

步骤400，启动激振装置对试验体施加预定频率的振动，逐步调节交变电流频率达到试验体的振动频率以实现共振，数据采集仪获取各应变片的应变数据和激振装置的激振力数据，然后发送给分析系统，分析系统根据实时获取的以变量表示的模态参数，先计算出激振装置的激振力，再建立进行应变响应计算的模态模型，进而输出试验体的应力和应变结果。

本发明通过装置模拟试验体在真实环境下的流场及其压力作用，并在此基础上对试验体进行模态试验，填补了该领域试验研究的空白。选用的应变片传感器和应变模态分析方式对试验体和外流场影响小，可免去由位移到应变计算过程中所带来的误差，使试验结构更加精准。根据电磁感应定律设计的非接触式电磁激振装置可以有效避免常规模态测试中激振器附加质量和附加刚度对结构动特性的影响以及锤击法引起的连击和应力集中等现象，测试精度更高。通过各步骤能够快速高效地实现试验体周向模态的试验模拟，过程易操作，且数据更精确可靠，试验周期短，经济性强。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的方法步骤流程示意图；

图2是本发明一个实施方式的试验平台外部结构示意图；

图3是本发明一个实施方式中应变片安装在试验体圆周上的示意图图；

图4是本发明一个实施方式中应变片安装在试验体轴向上的装示意图；

图5是本发明一个实施方式中激振装置的轴向示意图；

图6是本发明一个实施方式中激振装置的磁场状态示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1、2所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种考虑内流场及其压力影响的水下壳体模态试验方法，包括如下步骤：

步骤100，根据实验条件准备盛水的压力箱，将实际使用管道的一部分截取后，两端密封形成试验体，然后按试验要求在试验体的外圆周上粘贴应变片，并通过线缆与数字采集仪连接；

其中，压力箱2可采用顶部敞口的透明材料制作，如玻璃钢，以方便从外部观察试验过程，在压力箱2的敞口处安装与试验体1同向的横梁21，横梁21可作为弹簧拉杆4的悬吊支撑点。

压力箱2内的水深至少为试验体1半径的8倍。试验体1为圆柱形且其长度至少为其外径的5～20倍，以便有效激发试验体周向模态，一般可直接截取深海输送管道的一部分作为试验体1。压力箱2内注水可模拟试验体1周围的水下压力，当压力箱2内的水深设置为8倍壳体半径的深度时，可忽略试验过程中自由液面和固壁等边界条件对试验体的影响。

应变片32可沿试验体1的轴向布置一排，也可沿试验体1中部的外圆周布置一圈，具体可根据不同的振动实验要求确定。本实施方式中的应变片32沿试验体1周向等间距布置时可设置12个，此外，应变片32粘贴后需要使用欧姆表测量以排除故障。

在试验体1上粘贴应变片32的测点位置处，需要事先利用砂纸进行打磨，且采用交叉45度的打磨方式，直至测点处无氧化膜且光亮，再将应变片32利用胶粘附在测点处，粘贴时不能留空隙或气泡，然后在应变片32外表面涂防水的硅胶保护膜，以将应变片32和测点完全密封在内。

数字采集仪33通过线缆与各应变片32连接，且设置在压力箱2外，数字采集仪33再与安装有dsap-sma模态分析软件的分析系统连接。各线缆的连接处同样需要使用绝缘套包裹实现水密封。

步骤200，将非接触式激振装置安装在压力箱的底部，再将试验体利用弹簧拉杆悬吊在压力箱内并连接高压供水装置，悬吊后的试验体底部与激振装置接近但不接触，同时满足试验体中轴线与压力箱四周侧壁及水上表面的距离分别为4倍的试验体半径的条件；

弹簧拉杆4设置有两根，其一端分别与横梁21连接，另一端分别与试验体1的两端连接，以将试验体1悬吊在压力箱2内；每根弹簧拉杆4包括固定在横梁21上的固定支架41，和连接固定支架41与试验体1的连接杆43，固定支架41通过螺栓固定在横梁21上，连接杆43的两端分别通过弹簧42与固定支架41和试验体1连接。

如图5所示，激振装置3用于模拟水下振动，包括与压力箱2底部固定连接的底座36，固定在底座36上表面的调节支架37，安装在调节支架37顶端且开口向上的u形固定架371，在固定架371的u形侧边顶部分别安装有异形磁极相对的两个永磁体38，以及安装在固定架371底部中间处且外表面缠绕有线圈391的涡流感应头39；悬吊后的试验体1沿轴向位于两个永磁体38之间且底部靠近涡流感应头39。

调节支架37能够根据试验体1的位置调节固定架371的高度，进而调整永磁体38和涡流感应头39的相对高度，以使其尽量靠近试验体1但不接触；调节支架37的调节方式可以是现有技术中任意一种调节长度的结构，如，两个相互套插的管道，在外管道上螺接的固定螺栓，当两个管道的位置固定后，通过拧紧固定螺栓来将内管道顶紧在当前位置处。

涡流感应头39的线圈391通过线缆与外部电源连接。两个永磁体38的异形磁极相对是指，如其中一个永磁体相对另一个永磁体的磁极为n极，则另一个永磁体相对的磁极就为s极。贴在试验体1外表面的应变片32能够测量激振装置的激振力，然后传递给数字采集仪33。

如图6所示，工作时线圈391外接交变电源，迫使内部电涡流感应头39产生交变磁通，交变的磁通垂直地穿过试验体1并诱发试验体1对应位置产生与交变磁通同频变化的感应电涡流场61，根据安培定律，载流试验体1在永磁体38产生的恒定磁场62中受到安培力作用并使对应位置的试验体1沿径向方向不断振动，当调节至交变电源的频率和试验体1的固有频率相同时便可诱发试验体1共振，实现非接触式激振。

高压供水装置5包括与水源53连接的供水管52，安装在供水管52上的高压泵51，分别安装在试验体1相对两端的高压管道54和泄压管道56，以及分别控制高压管道54和泄压管道56通断高压阀55和泄压阀57，高压管道54与高压泵51连通。

步骤300，通过弹簧拉杆控制试验体倾斜，然后通过高压供水装置向试验体内注水以排出内部气体，排气完毕后使试验体保持水平并继续注入高压水，直至试验体内部压力达到预定值；

在试验体1实验前需要先注水试压。首先通过高压管道54将试验体1一端与高压泵51连接，将注水管52分别与水源53和高压泵51连接，在各连接处使用垫片以使连接处密封。然后打开高压泵51通过高压管道54向试验体1内注水，待另一端的泄压管道56有连续水流流出且无气泡时，证明试验体1内无气体且注满水，在该过程中可使试验体1适当倾斜，如15度，以方便排出内部的气体。然后关闭泄压阀57实现密封，在注满水后还需要静置一定时间，以消除气泡后再关闭泄压阀57。再次利用高压泵51对试验体1内加压，试验时可设置不同的内压值，在试验体1上可安装防震压力表，以便随时获取试验体1内的压力值，在观察到防震压力表指针达到预期压力值后，关闭高压泵51并旋紧高压阀55以使试验体1保压。

步骤400，启动激振装置对试验体施加预定频率的振动，逐步调节交变电流频率达到试验体的振动频率以实现共振，数据采集仪获取各应变片的应变数据和激振装置的激振力数据，然后发送给分析系统，分析系统根据实时获取的以变量表示的模态参数，先计算出激振装置的激振力，再建立进行应变响应计算的模态模型，进而输出试验体的应力和应变结果。

其中，非接触式激振装置提供的激振力可以通过数值计算得到。

在试验体1中产生感应电流的区域为图6所示的一个长条形区域，在该小部分区域内，圆柱形试验体1的弯曲可以基本忽略，产生感应电流的区域可以近似看作一块矩形金属板，电流场也可近似作二元函数处理，根据平板中的电涡流方程可得控制方程：

式中，假定磁通b为简谐函数且b0为其有效值；f为交变电源的频率；感应的电涡流和流函数也是简谐函数,且u是流函数的有效值；ρ为电阻率。

设感应电流区域的矩形长为a，宽为b，数值计算时可以将a分成n段，b分成m段，使得每段间距均为h，即：

则平板中任意点处沿x、y方向的二阶导数差分形式可以表示为：

代入控制方程中可得：

即：

边界条件中，沿矩形外板边界处(x＝0；x＝a；y＝0；y＝b)的u＝0，代入上式后可通过方程的迭代求解求得其数值解。

交变磁场在区域中感应出的电涡流在恒磁场b中受到电磁力f的作用。如取两条相距db,长度为dl的电流线围成的微元体，根据现有技术，微元体受到的电磁力df为：

df＝0.102×10^-7jδdb·bdl

因此，单位面积的激振力为：

则感应电流区域内的总激振力为：

以下以具体的结构配合方法过程对本实施方式的工作过程进行详细说明。

在试验前，先将激振装置3固定于压力箱2内底部，然后将试验体1利用弹簧拉杆4悬挂在压力箱2的指定位置处，这里的指定位置一般是以试验体1的中心轴线为基准，使中心轴线与压力箱2的四周侧壁及注水后的水上表面距离均大于4倍壳体半径的位置处，该设置位置可忽略自由液面和侧壁等边界条件的影响，并且保证永磁体38、电涡流感应头30与试验体1无接触但间隙尽可能小以便减少能量损失，获得较好激振效果。然后连接好注水管52，将多个应变片32按试验要求贴附在试验体1的指定位置处，再通过线缆35与压力箱2外部的数字采集仪33进行连接，该过程需要在试验体1放置在压力箱之前完成，在放置前需要做好应变片32和线缆35的防水。然后向压力箱2内注入水，最终压力箱2内的水深不低于试验体1半径的8倍，该水深可以满足试验体1在试验过程中忽略自由液面和侧壁等边界条件的影响。

通过高压泵51向试验体1内注入水，在向试验体1注水过程中，需要将试验体1内部的空气排尽，可在试验体1上安装泄压管道56，同时在泄压管道56上安装泄压阀57，泄压管道56可用于排放试验体1内部的空气，同时还可以在试验完成后排放内部的水，泄压阀57可关闭泄压管道56以保持试验体1内部的压力。为方便调整试验体1内的压力，在试验体1与泄压管道56相对的另一端安装一根高压管道54，在高压管道54上安装有高压阀55，高压管道54与高压泵51连接，而高压阀51可以根据试验体1内的压力要求，进行压力调节；此外为方便获取试验体1内的压力，还可在试验体1上安装防震压力表，采用防震压力表可避免激振器31工作时的振动影响。

试验体1在排气时，可倾斜摆放，然后由高压管道54一侧注水，直至泄压管道56一侧排出水，可认为试验体1内部已经注满水；此外为避免试验体1内部有气泡残留，可在泄压管道56出水后，再静置一段时间，直至内部气体完全排尽。排气完成后，需要将试验体1恢复与水平摆放的状态。

上述工作过程后，则可以启动非接触式激振装置3对试验体施加预定频率的振动，逐步调节交变电流频率达到试验体的振动频率以实现共振，激振装置3的频度一般要大于试验体1的待测频率。由于试验体1是通过弹簧拉杆4弹性地悬挂在水中，因此弹簧拉杆4不会与试验体1同步振动，并影响试验效果。应变片32将试验体1各处承受的振动信号通过线缆35传递给数字采集仪33，数字采集仪33再将收集的数据传递给分析系统，从而得到试验体1在当前试验条件下的振动特性。

如图3、4所示，应变片32可根据试验要求，沿试验体1的轴向布置一排，或沿试验体1中部的外圆周布置一圈，以获取相同振动条件下试验体1不同位置处的振动特性。在圆周布置时，各应变片32相互之间的间隔角度为π/6，该布置方式可测量到试验体1圆周不同部位在激振时的振动频率，使获取的数据更精确。

本实施方式通过装置模拟试验体在真实环境下的流场及其压力作用，并在此基础上对试验体进行模态试验，填补了该领域试验研究的空白。选用的应变片传感器和应变模态分析方式对试验体和外流场影响小，可免去由位移到应变计算过程中所带来的误差，使试验结构更加精准。非接触激振方式可以有效避免常规模态测试中激振装置附加质量和附加刚度对结构动特性的影响以及锤击法引起的连击和应力集中等现象，测试精度更高。通过各步骤能够快速高效地实现试验体周向模态的试验模拟，过程易操作，且数据更精确可靠，试验周期短，经济性强。

弹簧拉杆4两端的弹簧42能够防止刚性振动传递至压力箱2的横梁21上，同时两端的弹簧42振动频率经连接杆43转接后，不会产生同步振动，因此可快速消除试验体1传递的振动，降低影响。

在本实施方式中，为了获得较好的激振效果，线圈391匝数设置尽可能多，并使电涡流感应头39与试验体1之间的间隙尽可能小，永磁体38可采用稀土材料，如钐钴(smco)永磁体和钕铁硼(ndfeb)永磁体等强永磁体。为保证激振装置3在水下仍能工作，在线圈、导线等的外表面需覆以不导电且防水的纤维复合材料。试验体的固有频率高达几千赫兹且模态有多阶，为达到共振状态和测量多阶模态，应选择频响范围较大的交变电源以满足测试要求。

本实施方式中的分析系统安装有应变模态分析软件，可以对数据采集仪33采集的多道应变数据进行记录和综合分析，进而得到不同测点处的激振模拟结果。在布置应变片32时需要避开试验体1上的振型节点，具体布置的数量和位置可根据待测量的模态频率和振型确定。

在本发明的一个实施方式中，试验体1两端通过同材料、等厚度的平板焊接密封，高压管道54和泄压管道56分别焊接在两个平板中心的通道中，可在高压管道54和泄压管道56上安装减震层，如塑料泡沫材料围绕形成的结构。平板形成试验体1两端简支的边界条件，可根据该安装方式扩展到其它复杂条件下的简支结构。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。