一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构及生成方法

1.本发明属于海洋水动力学防灾减灾技术领域，尤其涉及一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构及生成方法。


背景技术：

2.晃荡是工程领域中一种常见的流体运动现象，任何承载载液的结构，如液货船、储液罐、油罐车等，运动时都存在晃荡问题。当外界激励频率接近液舱内流体的固有频率时，可能引起液体的剧烈晃荡，产生极大的冲击压力，引起结构损坏，甚至产生足够大的倾覆力矩使其失稳，严重威胁液舱的结构安全。由此可见，如何有效减小液体晃荡的措施，保证结构安全，是本领域迫切需要解决的技术问题。
3.其中传统方式主要采用在规则结构液舱内安装坚硬挡板、可漂浮的海绵、泡沫等被动抑制振荡装置，耗散液舱壁内多余能量，并改变原有液舱：如矩形、圆柱、球形内的本征频率达到减小振荡程度的目的。然而，挡板往往固定在液舱内，容易导致应力集中，导致结构疲劳破坏；海绵、泡沫等工艺复杂，材料成本高，难以应用到液货船等实际结构中。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构及生成方法，以解决上述现有技术中存在的液舱因液体晃荡存在的安全性低的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
6.一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构，包括：液舱、所述液舱内设有浪高仪，所述液舱截面分别为n阶雪花分形和长方形；
7.其中，n≥1，且1阶雪花分形为正三角形；
8.n+1阶雪花分形取n阶雪花分形边长三等分中间段为底边向所述n阶雪花分形外作正三角形，抹除重合处形状，保留不重合处形状形成所述n+1阶雪花分形。
9.一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构生成方法，包括以下步骤：
10.s1：确定雪花分形曲线形状及液舱尺寸；
11.s2：基于3d打印技术，绘制选定阶数的雪花分形液舱；
12.s3：在所述雪花分形液舱内加入任意高度的液体；
13.s4：在所述雪花分形液舱内不同位置处布置浪高仪。
14.优选的，还包括对所述雪花分形液舱进行验证；
15.具体地包括三项验证步骤：通过扫频试验确定所述雪花分形液舱的固有频率；进行多次水平共振激励试验，即选择与不同模态固有频率一致的多个外界刺激频率，施加不同大小的激励振幅；计算所述雪花分形液舱内的最大振幅及平均振幅，并与传统结构形式液舱比较；综合整理所有验证步骤结果。
16.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
17.(1)显著减小液舱内液体晃荡幅度；
18.(2)适用于多种外界刺激频率；
19.(3)无需安装任何被动减振装置；
20.(4)本方法为我国液舱结构运输安全提供技术支撑。
附图说明
21.图1为不同阶数雪花分形曲线。
22.图2为本发明在雪花分形液仓内布置的浪高仪位置：左侧：2阶；右侧：3阶，单位：mm。
23.图3为本发明雪花分形液仓内基于扫描试验得到的各测点fft谱形。
24.图4为本发明传统形状液仓尺寸及浪高仪布置位置：左侧：矩形；右侧：圆柱，单位：mm。
25.图5为本发明不同共振模态下，雪花分形与传统形状液仓内平均波高及方差对比。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.实施例1：
28.本实施例公开了一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构，包括：液舱、液舱内设有浪高仪，液舱截面分别为n阶雪花分形和长方形；
29.其中，n≥1，且1阶雪花分形为正三角形；如图1所示；
30.n+1阶雪花分形取n阶雪花分形边长三等分中间段为底边向n阶雪花分形外作正三角形，抹除重合处形状，保留不重合处形状形成n+1阶雪花分形。
31.实施例2：
32.本实施例公开了一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构生成方法：
33.具体地：
34.步骤1：确定雪花分形曲线形状及液舱尺寸：
35.其中液舱尺寸包括高度，雪花分形边长；
36.不同阶数雪花分形曲线见图1。雪花分形结构阶数越多，其形状越复杂，减小振荡幅度越明显，但同时制作工艺也更加复杂。鉴于以往工程经验，选择2阶以上雪花分形曲线即可满足抑制振荡需求。此外，需要根据实际液舱结构用途，确定雪花分形液舱边长及液舱高度。本物理模型试验分别选择2阶、3阶雪花分形液仓，模型比尺为1:30，其外接圆半径为250mm；内切圆半径为144.3mm；2阶、3阶雪花分形最短边的长度分别为48.1mm和16.0mm。模型比尺为1：30。
37.步骤2：基于3d打印技术，绘制选定阶数的雪花分形液舱：
38.从一个正三角形开始，把每条边分成三等份，然后以各边的中间长度为底边。分别向外作正三角形，再把“底边”线段抹掉，这样就得到一个六角形，它共有12条边。再把每条边三等份，以各中间部分的长度为底边，向外作正三角形后，抹掉底边线段。即可得到2阶雪
花分形为例，进一步对每个边做同样处理，即可得到3阶雪花分形液舱。
39.步骤3：在雪花分形液舱内加入任意高度的液体：
40.众所周知，液舱内水体高度对晃荡形式也会产生影响，其中在中等水深附近水深为液舱高度的1/2对结构产生的力最大，因此，选择液舱高度一半的水深作为试验。
41.步骤4：在雪花分形液舱内不同位置处布置浪高仪：
42.为了测量雪花分形液舱内产生的波浪，布置高精度浪高仪测点不同位置波浪演化过程。本试验中，2阶、3阶雪花分形液舱内浪高仪布置位置见图3。
43.步骤5：通过扫频试验确定雪花分形液舱的固有频率：
44.雪花分形为不规则形状，目前尚无其固有频率的解析解，因此，通过覆盖较大范围的扫频试验确定2阶、3阶雪花分形液舱的固有频率。本试验中，选择扫频范围为1.5-4.9hz，刺激振幅为2、3mm，试验持续2000s，对各个浪高仪的时域波面进行fft分析，进而得到各个位置的频谱，计算得到各频率对应的最大fft幅值，如图3。其中各谱峰对应的频率即为雪花分形液舱的固有频率，可以看出，2阶、3阶雪花分形液舱的固有频率基本一致，分别为1.52hz、2.33hz、2.54hz、2.94hz、3.24hz、3.66hz等。
45.步骤6：进行多次水平共振激励试验，即选择与不同模态固有频率一致的多个外界刺激频率，施加不同大小的激励振幅：
46.为确定雪花分形液舱可能产生的最大振幅，选择与固有频率相等的外界刺激频率，分别选择激励振幅为2、3mm，进行水平共振激励试验，每组试验重复3次，每次500s。
47.步骤7：计算雪花分形液舱内的最大振幅及平均振幅，并与其他结构形式液舱对比。
48.矩形、圆柱为目前常用的液仓形状，保证其面积与科赫雪花分形相同，加入相同水深液体，并布置浪高仪(见图4)。本试验选择矩形液仓长、宽、高分别为400mm，300mm，500mm。圆柱液仓半径为250mm。通过有机玻璃加工而成。由于矩形、圆柱为规则形状，其固有频率可以通过理论解计算，因此，根据理论解确定其不同模态的固有频率，见公式(1)、(2)：
49.矩形液仓内对应n,m模态的理论固有频率为：
[0050][0051]
其中l
x
和ly分别为矩形液仓的长度、宽度，h为水深。
[0052]
圆柱液仓内对应n,m模态的理论固有频率为：
[0053][0054]
其中λm,λn是一阶贝塞尔函数的一阶导数根，即j1′
(λm)＝0,j1′
(λn)＝0，r为圆柱液仓的半径。
[0055]
计算得到，矩形液仓固有频率分别为：f
01
＝1.59hz,f
20
＝1.97hz,f
21
＝2.16hz,f
12
＝2.36hz,f
02
＝2.38hz,f
30
＝2.42hz,f
31
＝2.53hz,f
32
＝2.80hz,f
23
＝2.95hz,f
33
＝3.12hz,圆柱液仓固有频率分别为：f
10
＝1.50hz,f
20
＝2.00hz,f
30
＝2.31hz,f
11
＝2.59hz,f
21
＝2.81hz,f
31
＝2.93hz。
[0056]
同样地，选择与固有频率相等的外界刺激频率，分别选择激励振幅为2、3mm，进行水平共振激励试验，每组试验重复3次，每次500s。计算不同外界频率下，各浪高仪所得波面的平均波高及方差，见图5。可以看出，比矩形和圆柱容器相比，雪花分形容器内的平均波高减小了80％以上，且波高方差接近0，远小于其他2种容器，说明在整个液仓内波高分布较均匀。并且，随着分形阶数的增加，平均波高进一步减小。因此，雪花分形容器能显著减小液体晃荡。
[0057]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构，包括：液舱、所述液舱内设有浪高仪，其特征在于：所述液舱截面分别为n阶雪花分形和长方形；其中，n≥1，且1阶雪花分形为正三角形；n+1阶雪花分形取n阶雪花分形边长三等分中间段为底边向所述n阶雪花分形外作正三角形，抹除重合处形状，保留不重合处形状形成所述n+1阶雪花分形。2.一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构生成方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：确定雪花分形曲线形状及液舱尺寸；s2：基于3d打印技术，绘制选定阶数的雪花分形液舱；s3：在所述雪花分形液舱内加入任意高度的液体；s4：在所述雪花分形液舱内不同位置处布置浪高仪。3.根据权利要求2所述的一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构生成方法，其特征在于，还包括对所述雪花分形液舱进行验证；具体地包括三项验证步骤：通过扫频试验确定所述雪花分形液舱的固有频率；进行多次水平共振激励试验，即选择与不同模态固有频率一致的多个外界刺激频率，施加不同大小的激励振幅；计算所述雪花分形液舱内的最大振幅及平均振幅，并与传统结构形式液舱比较；综合整理所有验证步骤结果。

技术总结
本发明提供了一种抑制液体晃荡的科赫雪花分形液舱结构及生成方法，属于海洋水动力学防灾减灾技术领域，包括：液舱、所述液舱内设有浪高仪，所述液舱截面分别为n阶雪花分形和长方形；其中，n≥1，且1阶雪花分形为正三角形；n+1阶雪花分形取n阶雪花分形边长三等分中间段为底边向所述n阶雪花分形外作正三角形，抹除重合处形状，保留不重合处形状形成所述n+1阶雪花分形。本发明结构无需额外布置任何形式的被动消能装置，从而在保证结构安全的前提下，极大降低成本。极大降低成本。极大降低成本。


技术研发人员：王岗 付睿丽 郑金海 陶爱峰 范骏
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.06.03
技术公布日：2023/9/5