DE60122871T2 - Anordnung zur dämpfung von strukturresonanzen - Google Patents

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    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/10Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect
    • F16F7/1005Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect characterised by active control of the mass
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B17/00Vessels parts, details, or accessories, not otherwise provided for
    • B63B17/0081Vibration isolation or damping elements or arrangements, e.g. elastic support of deck-houses

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für ein selektives Dämpfungssystem für eine Struktur, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein selektives Dämpfungssystem für ein Schiff und ebenso auf ein Verfahren zur selektiven Dämpfung einer Struktur.
  • Auf einigen Gebieten der Schiffsbautechnik ist es üblich, die Maschinenanlage, beispielsweise Bauteile für einen Antrieb, am Schiffsrumpf eines Schiffes über ein Schublager derart zu montieren, dass die durch den Antrieb erzeugte Schubkraft auf den Schiffsrumpf über das Schublager derart wirkt, dass das Schiff in einer Richtung angetrieben wird, die entgegen jener Richtung verläuft, in der sich die Schubkraft bewegt.
  • Weil jedoch die Schiffsschraube des zur Erzeugung der Schubkraft erzeugten Antriebs selbst in einem turbulenten Wasser wirkt, das den Schiffskörper umströmt, ist die erzeugte Schubkraft nicht stetig, sondern weist Fluktuationen in der Größe der Schubkraft auf. Wenn die Frequenz dieser Fluktuationen mit einer strukturellen Resonanz des Schiffes übereinstimmt, dann wird diese Resonanz erregt und verstärkt in hohem Maße die Schubkraft-Fluktuationen, wodurch beträchtliche Lärmpegel erzeugt werden und wodurch die Struktur des Schiffes beträchtlichen Beanspruchungen unterworfen wird.
  • Außerdem kann die Maschinenanlage im Schiff ebenfalls Fluktuationskräfte erzeugen, und wenn die Frequenz dieser Fluktuationskräfte mit einer strukturellen Resonanz des Schiffes zusammenfällt, dann wird wiederum jede Resonanz erregt und dies verstärkt beträchtlich die Kraftfluktuationen und so werden erhebliche Lärmpegel erzeugt und die Struktur des Schiffes wird beträchtlichen Beanspruchungen unterworfen.
  • Die Übertragung von Kraftfluktuationen über den Schiffskörper des Schiffes führt oft dazu, dass Passagiere des Schiffes nicht in der Lage sind, sich bequem in gewissen Bereichen innerhalb des Schiffes aufzuhalten. Dies bedeutet, dass wertvoller Raum innerhalb des Schiffskörpers eines Schiffes verloren geht.
  • Eine Technik zur Ausschaltung der Resonanz besteht darin, eine exakt gleiche entgegengesetzte Kraft zu erzeugen, d.h. eine Kraft, die um 180 Grad phasenverschoben gegenüber jener Kraft ist, die die Resonanz ausübt, wobei diese erzeugte Kraft auf die Struktur ausgeübt wird, um direkt die Erregerkraft auszulöschen und so die Erregung der Resonanz zu verhindern.
  • Das zum Stande der Technik gehörende Dokument EP-A-0 350 333 beschreibt eine Dämpfungsanordnung mit Sensoren und Aktoren und einer Steuereinrichtung, die eine modale Matrix-Dekompositionsfunktion benutzt, um allgemein Vibrationen zu dämpfen.
  • Die vorliegende Erfindung entspringt aus der Betrachtung von Mitteln zur Dämpfung jener Resonanzen, die sonst erzeugt werden, um den zugeordneten Lärm und die Beanspruchungen der Struktur des Schiffes zu vermindern.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Anordnung für ein selektives Dämpfungssystem für eine Struktur die Merkmale des Patentanspruchs 1.
  • Weiter umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur selektiven Dämpfung einer Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
  • Vorzugsweise kann die selektiv zu dämpfende Struktur der Rumpf eines Schiffes sein. Auf diese Weise können Resonanzen, die sonst durch den vom Schiff getragenen Antrieb erzeugt werden, selektiv an einem Aufbau beträchtlicher Lärmquellen gehindert werden. Dies ist insbesondere nützlich bei einem Schiff, bei dem gewisse Bereiche des Schiffes zur Benutzung durch Passagiere nicht geeignet sind, weil ein übermäßiger durch Resonanz erzeugter Lärm herrscht. Durch Anwendung der Erfindung wird der für Passagiere des Schiffes zur Verfügung stehende Raum vergrößert.
  • Es können Beschleunigungsmesser über verschiedene Stellen der Struktur verteilt werden, an denen Vibrationsfrequenzen entsprechend den verschiedenen Resonanzmoden der Struktur aus empirischen Versuchen bekannt sind, oder die Stellen können aus Daten berechnet werden, die die Abmessungen und Form der Struktur enthalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Es kann sein, dass Beschleunigungsmesser bereits auf der Struktur aus anderen Zwecken vorhanden sind, und in diesem Fall vermindert die Benutzung dieser Beschleunigungsmesser die Notwendigkeit der Anordnung elektrischer Verbindungsleitungen.
  • Der Resonanzmodendetektor wird derart angeordnet, dass aus dem empfangenen Datensignal wenigstens ein Resonanzmodus der Struktur bestimmt und ein gewähltes Dämpfungssteuersignal erzeugt wird, wenn jener Resonanzmodus detektiert ist. Auf diese Weise kann der Resonanzmodendetektor bestimmen, welcher Resonanzmodus sich in der Struktur aufbaut, und es können geeignet gewählte Dämpfungssteuersignale angewandt werden, um jede Dämpfungsmasse so zu betätigen, dass selektiv dieser spezielle Resonanzmodus gedämpft wird. Jede Dämpfungsmasse wird so angeordnet, dass eine Kraft erzeugt wird, die im Wesentlichen jeden Resonanzmodus dämpft.
  • Der Resonanzmodendetektor weist eine modale Matrix-Dekompositionsfunktion auf, die wenigstens einen Resonanzmodus der Struktur aus dem Datensignal und eine inverse modale Matrixfunktion identifiziert, um ein geeignetes Steuersignal zu erzeugen, das von jedem identifizierten Resonanzmodus abhängt.
  • Vorzugsweise besteht wenigstens eine der wenigstens einen Dämpfungsmasse aus einer Masse, die von einem Gehäuse abgestützt ist, das an der Struktur festgelegt ist und aus zwei Elektromagneten, die die Masse in Axialrichtung derart bewegen, dass eine Reaktionskraft erzeugt wird, die im Wesentlichen der Vibration der Struktur entgegenwirkt. Eine Membrananordnung kann die Masse vom Gehäuse abstützen.
  • Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 ist eine schematische Grundrissansicht eines erfindungsgemäßen Aufbaus von Schiffsrumpf und Antriebsmechanismus eines Schiffes;
  • 2 ist eine Einzelansicht gemäß 1 in größerem Maßstab gezeichnet;
  • 3 ist ein Blockschaltbild eines Detektors, bestehend aus einem modalen Transformationsgerät zur Konvertierung von sieben Beschleunigungsmesseingängen in drei Resonanzausgänge, und
  • 4 ist eine schematische Ansicht der Dämpfungsmasse.
  • Das in 1 dargestellte Schiff 10 weist einen Rumpf 11 auf, in dem eine Antriebseinheit 12 angeordnet ist, die Antriebsmittel 13 aufweist, die über eine Kupplung 15 eine Schraubenwelle 14 antreiben, um eine Schiffsschraube 16 in dem den Rumpf 11 des Schiffes 10 umgebenden Wasser 17 zu drehen. Eine durch die Wirkung der Schiffsschraube 16 über das Wasser 17 erzeugte Kraft wirkt über die Schraubenwelle 14 auf ein Schublager 18, das über ein Schott 19 fest in einem Teil des Rumpfes 11 gelagert ist. Dadurch bewirkt die durch die Schiffsschraube 16 erzeugte Kraft eine Bewegung des Schiffsrumpfes 11 in einer Richtung, die der Richtung der erzeugten Kraft entgegengesetzt ist.
  • In 2 wurden die gleichen Bezugszeichen benutzt, um Teile zu kennzeichnen, die jenen gemäß 1 entsprechen. 2 veranschaulicht einen Rumpf 11, der mehrere Beschleunigungsmesser 20 aufweist, die jeweils ein Datensignal erzeugen, das der Bewegung oder Vibration des Rumpfes entspricht, an dem jeder Beschleunigungsmesser befestigt ist. Es ist klar, dass der Ausdruck Beschleunigungsmesser 20 sich auf irgendeinen Sensor bezieht, der entweder die Bewegung oder die Annäherung der Struktur, in diesem Fall des Rumpfes 11, detektieren kann, an welcher Struktur der Beschleunigungsmesser montiert ist, und dieser erzeugt ein Datensignal entsprechend der Bewegung oder der Annäherung oder der Änderungsbewegung oder der Änderung der Annäherung der Struktur, auf der der Beschleunigungsmesser montiert ist.
  • Der Rumpf 11 und/oder das Schublager 18 oder irgendeine andere geeignete Oberfläche trägt darauf gelagert eine Anzahl von Dämpfungsmassen 21, wie dies weiter unten im Einzelnen beschrieben ist, aber dies können auch elektromagnetische Rüttler sein. Jedoch besteht gemäß einer allgemeinen Beschreibung jede Dämpfungsmasse 21 aus einer Masse 22, die seitlich gemäß einem Steuersignal bewegt wird, das durch einen Detektor 23 erzeugt wird, welcher zwischen jedem Beschleunigungsmesser 20 und jeder Dämpfungsmasse 21 angeordnet ist. Der Detektor 23 erzeugt ein Steuersignal aus einem Datensignal, das durch jeden Beschleunigungsmesser 20 erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Resonanz, die durch die Schiffsschraubenwelle 14 oder irgendeinen anderen Teil der Antriebseinheit 12 erzeugt oder übertragen wird, durch Bewegung jeder Masse 22 gedämpft werden, indem die Massenbewegung die Resonanz dämpft, die durch die Schiffsschraubenwelle 14 oder irgendeinen Teil der Antriebseinheit 12 auf den Schiffsrumpf 11 und/oder das Schublager 18 erzeugt wird.
  • In 3 wurden die gleichen Bezugszeichen benutzt, um Teile zu kennzeichnen, die jenen in 1 und 2 entsprechen. 3 zeigt einen Detektor 23, der zwischen jedem Beschleunigungsmesser 20 und jeder Dämpfungsmasse 21 liegt. In diesem Fall wurde auf dem Rumpf 11 und/oder dem Schublager 18 eine Gruppe von sieben Beschleunigungsmessern 20 verteilt, um drei unterschiedliche Resonanzmoden zu berechnen, um die fünf Dämpfungsmassen 21 zu steuern, die über den Rumpf 11 oder das Schublager 18 verteilt sind. Jeder Beschleunigungsmesser 20 erzeugt ein Datensignal 24, das von einer modalen Transformationsmatrix 25 empfangen wird, welche die Amplitude der unterschiedlichen Resonanzmoden berechnet. Die modale Transformationsmatrix 25 ist so angeordnet, dass ein Erregerausgang 26 für jeden zu detektierenden Resonanzmodus erzeugt wird. Die modale Transformationsmatrix 25 filtert räumlich spezielle Eigenresonanzmoden des Schiffsrumpfes 11 aus und umfasst ein Modell der Eigenschaften des Schiffsrumpfes 11. Jeder Erregerausgang 26 wird benutzt, um einen Dämpfungsalgorithmus 27 zu speisen, und zwar einen für jeden zu detektierenden Resonanzmodus, die angeordnet sind, um eine modale Steuerbedarfskraft 28 zu erzeugen.
  • Jede modale Steuerbedarfskraft 28 wird durch eine inverse modale Transformationsmatrix 29 in ein Steuersignal 30 einer tatsächlichen Dämpfungsmassenbedarfskraft transformiert, das benutzt wird, um die Dämpfungsmasse 21 zu steuern. Die inverse modale Transformationsmatrix 29 bewirkt eine Auswahl der besten Konfiguration zur Dämpfung einer gewählten Resonanz. Es ist klar, dass, obgleich sieben Beschleunigungsmesser benutzt werden, um ein Datensignal 24 zur Steuerung von sechs Dämpfungsmassen 21 zu benutzen, die Zahl der Beschleunigungsmesser 20 oder der Dämpfungsmassen 21 entsprechend der jeweiligen Anwendung variiert werden kann, und dies beeinflusst wiederum die Größe der modalen Transformationsmatrix 25 und die Größe der inversen modalen Transformationsmatrix 29 und die Zahl der erforderlichen Dämpfungsalgorithmen 27.
  • Die Konstruktion der modalen Transformationsmatrix 25, der Algorithmen 27 und der inversen modalen Transformationsmatrix 29 und ihrer Komponenten hängt von der jeweiligen Anwendung ab und kann aus der Analyse oder empirischen Methoden bestimmt werden, bevor die Beschleunigungsmesser 20 und die Dämpfungsmassen 21 oder ein Beschleunigungsmesser 20 und Dämpfungsmassen 21 innerhalb des Schiffes 10 montiert werden.
  • Die Beschleunigungsmesser 20 können am Schiffsrumpf 11 oder an jeder Oberfläche fixiert werden, in der sich eine Resonanzvibration aufbauen kann. Es ist außerdem klar, dass die Dämpfungsmassen 21 am Schublager 18 oder irgendeiner Oberfläche montiert werden können, bei der die Vibrationsübertragung gedämpft werden soll. Falls das Schiff 10 bereits Beschleunigungsmesser 20 über den Rumpf 11 für unterschiedliche Zwecke aufweist, so können diese Beschleunigungsmesser benutzt werden, um die einzelnen Resonanzmoden zu bestimmen, und hierdurch ergibt sich eine Ersparnis bezüglich der Erfordernisse im Hinblick auf die Montage von Beschleunigungsmessern 20 am Rumpf 11 und außerdem eine Ersparnis für elektrische Leitungsverbindungen zwischen dem Beschleunigungsmesser 20 und dem Detektor 24.
  • Unter Benutzung der selektiven Dämpfung kann das Auftreten der Erregung eines speziellen Resonanzmodus detektiert werden, und es können Kräfte unmittelbar darauf selektiv erzeugt werden, um die Dämpfung in jenem Resonanzmodus einzuleiten. Durch diese Wirkungsweise kann verhindert werden, dass sich ein gewählter Resonanzmodus in der Amplitude aufschaukelt.
  • Da die Phase der Steuerkraft relativ zur Erregung des Resonanzmodus einstellbar ist, kann die Dämpfung in der Weise bewirkt werden, dass eine verminderte oder vernachlässigbare Verschiebung in der Eigenresonanzfrequenz des Modus auftritt.
  • 4 zeigt eine typische Dämpfungsmasse 40, die einen Massenkörper 41 aufweist, der über zwei Membranen 42 zwischen festen Abschnitten 43 eines Gehäuses 44 aufgehängt ist. Elektromagnete 45 und 46 sind an den beiden Enden des Massenkörpers 41 angeordnet, und sie werden durch Steuereinrichtungen betätigt, die nicht dargestellt sind, um den Massenkörper 41 seitlich zwischen den Elektromagneten 45 und 46 zu bewegen. Die Elektromagnete 45 und 46 sind ebenfalls im Gehäuse 44 gelagert. Im Betrieb übt jeder Elektromagnet 45, 46 eine Anzugskraft auf den Massenkörper 41 aus, und durch Veränderung der Kraft, die durch jeden Elektromagneten 45, 46 ausgeübt wird, kann unter Benutzung von Steuereinrichtungen der Massenkörper 41 in seitlicher Richtung bewegt werden.
  • Die beiden Membranen 42 dienen zur Aufhängung des Massenkörpers 41 zwischen festen Punkten 43, und sie unterstützen die Rückführung des Massenkörpers 41 in eine Mittelstellung oder das Zurückhalten des Massenkörpers 41 in einer Mittelstellung, wenn die Elektromagnete 45, 46 nicht erregt sind. Es ist klar, dass andere Anordnungen für Dämpfungsmassen 40 möglich sind. Beispielsweise können die Elektromagnete 45, 46 durch Permanentmagnete ersetzt werden, und der Massenkörper 41 kann aus einer elektromagnetischen Anordnung bestehen. Bei dieser Ausführungsform ist die Steuereinrichtung derart angeordnet, dass der Elektromagnet so erregt wird, dass sich der Massenkörper 41 seitlich zwischen den Permanentmagneten bewegt.
  • Es ist klar, dass es notwendig ist, Dämpfungsmassen 21 in einer solchen Orientierung anzuordnen, dass sie der Resonanzvibration in der Struktur entgegenwirken, in der sie angeordnet sind. In der Beschreibung wurden seitlich auslenkbare Dämpfungsmassen 41 beschrieben. Es ist jedoch klar, dass auch Massendämpfer Verwendung finden können, die Resonanzvibrationen im Rumpf 11 in mehreren Richtungen dämpfen.
  • Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Schiff 10 beschrieben. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung auf irgendwelche Strukturen angewandt werden kann, bei denen Resonanzvibrationen gedämpft werden müssen. Ein Vorteil der Benutzung der Erfindung in großen Strukturen besteht darin, dass die Kraft, die erforderlich ist, um eine Resonanzvibration zu dämpfen, kleiner als die Kraft sein kann, die die Resonanz erregt, so dass kleinere Einrichtungen benutzt werden können, um Resonanzvibrationen in größeren Strukturen zu dämpfen.

Claims (8)

  1. Selektives Dämpfungssystem für eine Struktur (11), die wenigstens einen Resonanzvibrationsmodus aufweist, wobei das System die folgenden Teile umfasst: mehrere Bewegungssensoren (20), die an der Struktur montiert sind, wobei jeder Sensor ein Datensignal erzeugt, das eine örtliche Bewegung der Struktur an seiner Lagerstelle anzeigt; einen Detektor (23), der auf das Datensignal von jedem der Sensoren (20) anspricht und eine modale Matrixdekompositionsfunktion (25) besitzt, um den wenigstens einen Resonanzmodus der Struktur aus den Signalen zu identifizieren und der eine inverse modale Matrixfunktion (29) aufweist, um geeignete Steuersignale (30) gemäß dem Beginn der Resonanzmodenvibrationen bei der wenigstens einen Resonanz zu erzeugen, die in der Struktur erzeugt wird; und mehrere Dämpfungsmassen (21), die mechanisch an der Struktur (11) fixiert und so angeordnet sind, dass sie die Steuersignale (30) empfangen und so Kräfte erzeugen, die die Resonanzmodenvibrationen der Struktur (11) dämpfen, wodurch die Entwicklung von Resonanzvibrationen gehemmt wird.
  2. Selektives Dämpfungssystem nach Anspruch 1, das eine Dämpfungsalgorithmuseinrichtung (27) für jede zu detektierende Resonanz aufweist, die zwischen die modale Matrixdekompositionsfunktion und die inverse modale Matrixfunktion (29) gekoppelt ist.
  3. Selektives Dämpfungssystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem wenigstens eine der Dämpfungsmassen (21) einen Massenkörper (41) aufweist, der von einem Gehäuse (44) getragen wird, das an der Struktur fixiert ist, wobei zwei Elektromagnete (45, 46) eine Bewegung des Massenkörpers (41) in Axialrichtung bewirken, um eine Reaktionskraft zu erzeugen, die im Wesentlichen die Vibration der Struktur dämpft.
  4. Selektives Dämpfungssystem nach Anspruch 3, bei welchem der Massenkörper (41) vom Gehäuse (44) über eine Membrananordnung (42) getragen wird.
  5. Selektives Dämpfungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem wenigstens eine der Dämpfungsmassen (21) ein elektromagnetischer Rüttler ist.
  6. Anordnung eines selektiven Dämpfungssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Struktur (11) der Rumpf eines Schiffes (10) ist und der Rumpf Antriebsmittel (12) aufweist, wobei mehrere Bewegungssensoren (20) an zueinander beabstandeten Stellen des Rumpfes (11) montiert sind, wobei die mehreren Dämpfungsmassen (21) mechanisch in der Nähe der Antriebsmittel (12) montiert und so angeordnet sind, dass sie die Steuersignale (30) empfangen und Kräfte erzeugen, die die wenigstens eine Resonanz dämpfen, wodurch die Entwicklung von Resonanzvibrationen der wenigstens einen Resonanz gehemmt wird.
  7. Verfahren zur selektiven Dämpfung der Vibrationen einer Struktur mit den folgenden Schritten: es werden mehrere Bewegungssensoren (20) an der Struktur (11) vorgesehen, und es wird von jedem Bewegungssensor (20) ein Datensignal erzeugt, das die örtliche Bewegung des Sensors anzeigt; es werden die Datensignale einer modalen Matrixdekompositionsfunktion (25) unterworfen, die wenigstens einen Resonanzmodus der Struktur identifiziert, und es wird ein Erregersignal (26) für jeden zu detektierenden Resonanzmodus erzeugt; es wird jedes Erregersignal (26) einem jeweiligen Dämpfungsalgorithmus (27) zugeführt, um eine modale Steuerbedarfskraft (28) zu erzeugen und um die Bedarfskraft (28) an eine inverse modale Matrixfunktion (29) anzulegen und geeignete Steuersignale in Abhängigkeit von jedem identifizierten Resonanzmodus zu erzeugen; und es werden die Steuersignale (30) mehreren Dämpfungsmassen (21) angelegt, die an der Struktur (11) fixiert sind, um die wenigstens eine Resonanz der Struktur zu dämpfen, wodurch das Auftreten von Resonanzvibrationen der wenigstens einen Resonanz gehemmt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Struktur der Rumpf (11) eines Schiffes (10) ist und Antriebsmittel (12) vorgesehen sind, wobei das Verfahren die Montage mehrerer Bewegungssensoren (20) am Schiffsrumpf und die Montage der Dämpfungsmassen (21) in der Nähe der Antriebsmittel (12) umfasst.
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