[发明专利]一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置及其设计方法

说明书

本发明公开了一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置及其设计方法，包括定子、振子、弹簧、电缆线、整流装置、蓄电池，定子包括套筒和线圈，振子两端分别与两根弹簧的一端连接，并放置于定子套筒所限定的内部空腔中，两根弹簧的另外一端分别与套筒的上下壁面固定；线圈缠绕于套筒外壁面上；线圈通过电缆线依次与整流装置、蓄电池电连接；能量转换装置安装于船体上，其固有频率等于船体梁振动的固有频率。本发明通过将能量转换装置的固有频率设计为船体梁振动的固有频率，不仅可有效缓解船体振动导致的结构损伤，还可利用共振现象高效率地捕获船体振动中的能量，从而间接地将波浪能转化为电能供船上电子设备使用。本发明涉及船舶振动技术领域。

技术领域

本发明涉及船舶振动技术领域，特别涉及一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置及其设计方法。

背景技术

随着全球经济的不断发展和国际航运产业的复苏，现代船舶朝着大型化、高速化和轻量化趋势不断发展，使得船体梁振动的固有频率逐渐降低并趋于常规海况下的遭遇频率，导致船体结构的水弹性效应愈加明显。船舶在波浪中航行时会产生两种模式的船体梁振动：一种是在高海况下由于船艏艉局部与波浪发生剧烈的砰击现象而诱导的船体梁颤振响应，颤振载荷在结构阻尼的作用下迅速衰减，但巨大的瞬时冲击力可能会导致船体结构的屈服和屈曲等失效模式；另一种是在中低海况下当船体梁的共振固有频率等于或接近波浪遭遇频率或是其整数倍时发生的波激振动，波激振动的持续时间较长，对船体结构疲劳损伤的影响不可忽视。总之，船体振动现象伴随着巨大的能量，这些能量在结构阻尼和流体阻尼的共同作用下衰减耗散，其中相当大一部分能量被船体结构吸收。因此，长期的船体振动可导致船体结构的屈服、屈曲和疲劳等模式的失效和破坏。

船体梁振动模式主要包括垂向弯曲振动、水平弯曲振动和扭转振动。一般而言，船体梁的垂向弯曲振动对其结构损伤的影响最大，且一阶(两节点)垂向弯曲振动的贡献远远大于其他高阶振动模态。船体振动的固有频率主要取决于船型、重量分布和刚度分布，而与船舶航速、航向和海浪情况关系不大。因此，对于给定船型只要其装载情况不发生太大变化，其振动固有频率可视为常数。船舶振动的各阶固有频率可通过理论计算或实验测量的方式获得。

另一方面，海洋新能源的开发与利用技术是当今时代的热点话题，海洋新能源的开发与利用对于国民经济及人类社会发展具有重要的实际意义。波浪能是海洋能量的主要存在形式之一，波浪能以其能流密度大、分布范围广、储藏量丰富及清洁可再生等优势得到了人们的广泛关注。目前，国内外已有大量利用波浪能发电的装置和技术，根据原理主要可分类为：振荡水柱装置、漂浮筏式装置、收缩波道装置、振荡浮子装置、鸭式装置、摆式装置、波流转子装置、波整流装置等。现有波浪能转换装置的基本原理主要是将大型浮体在波浪中做刚体运动时的机械能转化为电能。为了使装置能够高效率地捕获波浪能，波能转换装置浮体在波浪中运动的固有频率需要尽可能接近波浪的自然频率，从而产生波浪中的大幅共振运动。然而，这就意味着常规波能转换装置存在下述问题：

(1)实际海浪为多向不规则波，海洋波浪的频率分布范围较广，且海浪的频率分布情况随时间和空间都会发生很大的变化，这就使得传统波能转换装置的发电效率存在很大的随机性和不确定性。因此，一种常规的波能转换装置无法满足不同海况下的高效率发电的应用需求。

(2)由于远海海浪的波长和平均周期较大，只有采用较大尺度的波能转换装置才能使其在波浪中运动的固有频率接近波浪频率，从而尽可能地提高能量捕获效率。这就限制了小型波能转换装置的发展推广及其发电效率的提升。

(3)常规大型波能转换装置一般需要布放在深远海处，大型波能转换装置的布放安装和运输维护是费时费力的，为了防止浮体漂移还需要很长的锚链对其进行系泊。此外，波能转换装置生成的电能需要很长的电缆传输至岸上，这也大大提高了使用成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种抑制船体梁水弹性振动的能量转换装置，从而降低船体振动对于结构损伤的贡献度，该装置能够将船体振动产生的机械能转化为电能供船上的电子设备使用。