附加质量

更新时间:2022-08-25 13:00

物体在流体中变速运动,推动物体的力不仅要为增加物体的动能做功,还要为增加周围流体的动能做功。因此具有一定质量的物体要获得加速度,施加在它上面的力将大于物体质量与加速度的乘积,增加的这部分质量就是附加质量。附加质量与物体本身的形状及运动方向有关。

基本概念

物体在流体中变速运动,推动物体的力不仅要为增加物体的动能做功,还要为增加周围流体的动能做功。因此质量为m的物体要获得加速度a,施加在它上面的力F将大于物体质量m与加速度a的乘积,增加的这部分质量就是附加质量。若写为公式,则:,称为该物体的附加质量。

附加质量与物体本身的形状及运动方向有关。

质量研究

半潜式钻井平台是现今进行海洋油气开采的重要设备,它具有作业水深大,可承受较大的可变载荷,甲板面积大,钻采能力强,移动灵活,钻井深,工作效率高等优点,正因为它具有这些其它类型钻井设备没有的优势,使其成为现今研究、投入最大的钻井平台之一。在海洋环境中平台很容易受到风、浪、流的载荷而运动,这种运动对正常作业的平台来说是不利的,在平台的设计全生命周期中都需要从减小平台的摇荡运动出发。半潜式钻井平台在海洋环境中受到波浪的作用而产生强迫简谐运动,由于波浪是随机的所以平台的运动是无规律的,波浪包括了入射波、辐射波和绕射波,这些无规律的波浪作用在平台的表面,使平台表面受到动压力的作用,而使平台产生附加质量。

海洋中钻井平台受到周围波浪的反作用力,称为附加惯性力,它的方向和平台的加速度方向相反;平台加速运动时,附加惯性力起阻力作用,平台减速时它起动力作用。

得到的结论有:

(1)半潜式钻井平台的附加质量与海洋中波浪的频率和平台的外形有关,平台在某一坐标平面上的投影面积能在一定程度上反应出平台在该方向平动附加质量的大小关系;

(2)平台六自由度上的附加质量中,平动(纵荡、横荡、垂荡)的附加质量与转动(横摇、纵摇、首摇)的附加质量不是同一个数量级,转动的附加质量要远大于平动的附加质量;

(3) 附加质量的增加会降低平台的振动固有频率,在海洋中波浪的周期分布较为不均,但是周期位于1-30秒的波浪具有的能量是海洋波浪总能量的一半以上,其对应的能量峰值周期约为10秒,在平台的选型、设计中要考虑尽量避开;

(4)在船舶的理论中有,横向附加质量约为船舶质量的0.75-1.00倍;纵向附加质量约为船舶质量的0.07-0.10倍,在半潜式钻井平台中此结论并不成立。

影响消除

试验模态分析通过试验将采集到的系统输入与输出信号经过参数识别而获得模态参数,是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。实际应用中,试验模态分析结果主要受随机误差系统误差的影响。从统计学概率论上讲,随机误差(如测量噪声)影响可以很简单地通过多次测量取平均值的方式来有效减轻,而系统误差影响的消除则相对较困难。其中,测量元件系统误差影响通常可以通过硬件补偿来消除,但试验模态分析中传感器附加质量对模态参数识别结果的系统误差影响即使通过硬件上的补偿也难以弥补。

在实际模态试验中,传感器的附加质量相对于一般结构通常是很小的,可以忽略其对模态识别结果的影响。然而,对于小型轻质结构或结构构件而言,传感器附加质量不可忽略,将对模态测试结果精度影响较大,尤其体现在较高频段。因此,研究如何有效补偿或消除传感器附加质量影响,对如航空航天器及机械零部件等小型轻型结构振动特性分析具有重要意义。

目前,已有学者在传感器附加质量影响消除方面开展了相关研究工作。有文献对于从驱动点频率响应函数(FRF)与转移FRF中消除传感器附加质量的影响问题进行了研究。然而,这些方法需要获取所有测量点上的驱动函数,该过程非常耗时以致有时甚至不可行。又有学者提出通过改变传感器质量的方式重复试验以消除转移FRF中传感器附加质量影响的方法,但该方法需要对一个容易受测量噪声干扰以及容易产生病态的矩阵进行求逆运算,数值计算稳定性较差。有文献对于测量FRF提出了一种既可用于消除固定传感器亦可用于移动传感器附加质量影响的方法,但对于移动传感器附加质量情况,需要采用增设虚拟质量的方式予以考虑。此外,还有文献研究了从实测频率响应函数中同时消除传感器和激振器附加质量的问题。国内也有学者对FRF中的传感器附加质量影响消除进行了研究。

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