[發明專利]一種基于振動測試的船舶橫搖運動參數辨識方法

在審

• 申請號: 202010414617.3
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111639390A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 王神龍;徐亞杰;席海峰;陳煜豪;程樟鑫;陳帥
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06T17/00;B63B71/00;G01D21/02
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務所(普通合伙) 31312
• 代理人: 余昌昊

1.一種基于振動測試的船舶橫搖運動參數辨識方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：建立船舶非線性橫搖運動模型；

步驟2：計算船舶模型橫搖轉動慣量，由三維建模方法和理論計算分別得到船舶橫搖轉動慣量，并進行對比驗證；

步驟3：對船舶模型進行正弦激勵并收集若干組常力測試的實驗數據；

步驟4：進行等角位移測試，并通過曲線擬合得到橫搖運動的線性剛度系數和非線性剛度系數；

步驟5：進行等角速度測試，并通過曲線擬合得到橫搖運動的線性阻尼系數和非線性阻尼系數；

步驟6：基于辨識得到的橫搖運動和相應的激振力，進行蒙特卡洛數值模擬，對比模擬與實驗的振動時域曲線，驗證本發明在船舶橫搖運動參數辨識方法上的準確性。

2.根據權利要求1所述的基于振動測試的船舶橫搖運動參數辨識方法，其特征在于，在步驟1中，基于現有的橫搖運動運動微分方程，確定船舶橫搖阻尼項多采用線性加平方形式，即為確定船舶橫搖剛度項多采用線性加三次形式，即為C(φ)＝Kφ+K_nφ³，于是建立如下所示的船舶非線性橫搖運動模型：

其中，I為船舶橫搖轉動慣量；為角加速度；為角速度；φ為角位移；C為線性阻尼系數；C_n為非線性阻尼系數；K為線性剛度系數；K_n為非線性剛度系數；M為激振力矩，等于激勵力乘以力臂；f為激勵頻率；為相位；t為時間。

3.根據權利要求1所述的基于振動測試的船舶橫搖運動參數辨識方法，其特征在于，在步驟2中，由UG軟件建立船舶模型三維模型，賦予密度后，自動得到船舶模型的重心位置、質量、橫搖回轉半徑等參數，可計算得出橫搖轉動慣量；理論計算轉動慣量時，首先測定船舶模型重心，找到模型的橫搖轉軸，接著可以把船模分為若干個規則實體部分，由力學中規則實體轉動慣量的計算公式以及平行軸定理，進而得到整個船舶模型的轉動慣量，由于理論計算在近似等效及在主觀測量上存在誤差，本發明中使用的橫搖轉動慣量均為由三維建模所求得的值。

4.根據權利要求1所述的基于振動測試的船舶橫搖運動參數辨識方法，其特征在于，在步驟3中，對船舶模型進行正弦激勵，模擬船舶實際的橫搖行為，在零初始條件下，對船舶模型施加正弦激勵f₁(t)＝F₀sin(2πft)，其中F₀為激勵力幅值，進行一系列常力測試，建立不同頻率下激勵力與角位移幅值之間的關系，再給定角位移幅值水平，即可反向插值獲取激勵力的大小。

5.根據權利要求1所述的基于振動測試的船舶橫搖運動參數辨識方法，其特征在于，在步驟4中，在船舶非線性橫搖運動模型(1)中，剛度項C(φ)＝Kφ+K_nφ³的等效剛度可近似表示為其中K_eq為等效剛度，為角位移幅值；在正弦掃頻測試中，保證角位移幅值恒定，便可進行多組等角位移測試，擬合出各組對應的等角位移頻響函數；

擬合得到線性和非線性剛度系數，對于上述的多組等角位移測試，由固有頻率便可擬合出等效剛度和角位移幅值的二次方程，從而反推出線性剛度系數與非線性剛度系數。

6.根據權利要求1所述的基于振動測試的船舶橫搖運動參數辨識方法，其特征在于，在步驟5中，在零初始條件下，對船舶模型施加正弦激勵f₁(t)＝F₀sin(2πft)，進行一系列常力測試，建立不同頻率下激勵力與角速度幅值之間的關系，再給定角速度幅值水平，即可反向插值獲取激勵力的大小；

在船舶非線性橫搖運動模型(1)中，阻尼項的等效阻尼可近似表示為其中C_eq為等效阻尼，為角速度幅值。在正弦掃頻測試中，保證角速度幅值恒定，便可進行多組等角速度測試，擬合出各組對應的等角速度頻響函數；

擬合得到線性和非線性阻尼系數，對上述的多組等角速度測試，由阻尼比便可擬合出等效阻尼和角速度幅值的一次方程，從而反推出線性與非線性阻尼系數。