起伏海面水面船回声强度预报方法及统计规律研究

本文基于随机起伏水面舰船目标六自由度动力学模型和界面附近目标多路径声散射理论，考虑水面多次反射的影响，建立时变海面条件下水面舰船声散射预报模型，分析不同海浪谱条件下水面舰船回波强度统计规律。通过开展拖曳水池造波条件下舰船缩比模型声散射试验，获取舰船模型在水平探测角上时域回波特征。研究表明：120～180 kHz探测频段下回声强度理论预报幅值与实测结果平均误差小于3 dB；从舰船模型声散射实测和计算结果中均发现，波浪作用下舰船随时间变化的回声强度幅值符合χ2分布的统计规律，其回声强度均值和双自由度数值k符合较好，验证了预报模型的有效性。     

Influence of initial heeling angle on ship roll motion response北大核心CSCD

[目的]系统地研究初始横倾角对随机横浪下船舶横摇运动响应的影响。[方法]以路径积分法为基础,通过数值求解控制横摇运动微分方程概率属性的Fokker-Planck方程,得到横摇运动响应的概率分布。[结果]结果显示,初始横倾角对船舶横摇运动响应谱的影响有限,但对横摇角概率分布以及横摇运动响应极值分布的影响十分明显,且会造成船舶安全性的显著恶化。[结论]路径积分法可作为研究随机海浪下船舶横摇运动特性的有效数值方法。     

海浪预报不确定下的船舶运动姿态分析方法

实时准确地估计海浪预报不确定下的船舶运动姿态是一个非常困难的问题.为解决该问题,通过分析海浪预报的随机误差对船舶运动姿态估计的影响,建立基于不确定性海况预报数据的船舶运动姿态估计模型;引入多项式混沌展开方法,实现船舶运动姿态估计的不确定性量化(Uncertainty Quantification,UQ);利用船舶横摇运...     

实尺度船舶参数横摇数值模拟研究

船舶在特定波浪环境下会遭遇大幅度的参数横摇运动。论文基于黏性流理论建立CFD数值模拟方法,结合动态重叠网格技术与刚体6自由度运动预报模块,对国际标准水面船模型ONRT,在横摇、纵摇与垂荡3自由度耦合运动情况下进行实尺度参数横摇数值模拟。还在安装不同附体（舭龙骨、呆木、尾舵）的条件下进行参数横摇数值预报。研究结果表明,加装舭龙骨对参数横摇具有显著的抑制作用,而呆木与尾舵虽然能在一定程度上减小参数横摇幅值,总体而言效果不显著。研究成果对船舶第二代完整稳性衡准的研究具有一定的参考意义。     

小水线面双体船五自由度运动建模与仿真

[目的]为了提高航海模拟器中小水线面双体船(SWATH)的模拟精度,更好地掌握此类船舶的操纵特性,[方法]根据SWATH船型的运动特点,在MMG三自由度模型的基础上,较为完整地计入耦合的纵荡、横荡、艏摇、横摇及纵摇运动,建立SWATH的五自由度运动数学模型。基于此应用模型建立SWATH的实船数学模型,对该数学模型进行微分求解,仿真模拟SWATH的旋回运动、Z形运动,并进行定性分析。[结果]分析显示:仿真模拟结果符合SWATH操纵运动原理及实际运动特征,验证了数学模型的准确性。[结论]该模型可真实反映实船的运动规律,可应用于航海模拟器中。     

规则波中内转塔式FPSO艏摇失稳研究

研究规则波中内转塔浮式生产储卸油平台(FPSO)的艏摇失稳现象。采用SESAM软件建立船舶水动力模型并计算水动力系数。考虑平均漂移力,建立了FPSO艏摇单自由度非线性动力学方程。应用Lyapunov稳定性定理分析平衡艏摇角随波长-船长比的叉形分岔现象,并与模型试验进行对比,结果吻合较好,验证了理论分析的正确性。分析了横摇和纵摇阻尼、内转塔位置和载况对FPSO艏摇失稳的影响。考虑一阶波浪力和平均漂移力,建立了FPSO的6自由度全耦合动力学方程并数值求解,研究艏摇失稳时FPSO的6自由度运动响应,分析艏摇初始条件的影响。计算结果表明,初始条件的细微差异会导致不同的运动响应,艏摇失稳会显著增大横摇响应幅值。     

基于MMG标准的船舶四自由度操纵运动仿真

为设计优良的操纵运动控制系统,基于MMG标准方法,构建了纵荡—横荡—横摇—艏摇四自由度运动方程。首先,详细介绍了MMG标准操纵性数值仿真模型及操纵运动仿真方法,其中横摇仿真考虑了粘性横摇阻尼力矩和静水回复力矩的影响。其次,利用Matlab对基于MMG标准方法的船舶四自由度运动方程进行建模,并针对某集装箱船开展回转操纵运动仿真。结果显示:基于MMG标准模型进行的船舶操纵运动快速预报具备较好的预报精度。     

基于CFD的船舶横摇数值模拟与粘性效应分析

[目的]船舶横摇的准确预报对于船舶耐波性、稳性以及操纵性的研究具有十分重要的意义,但船舶横摇运动受流场粘性效应的影响很大,计算中存在较多非线性因素,因而并不适于常用于研究船舶运动的传统势流理论。为解决这一问题,[方法]采用基于OpenFOAM软件开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,分别通过欧拉方法和RANS方法对S60船模典型二维横剖面的强迫横摇进行数值模拟,同时,模拟分析DTMB 5512不同三维船模的自由与强迫横摇运动。[结果]在成功将横摇阻尼力矩的不同成分分别计算出来后发现,其中漩涡阻尼所占的比例最大,摩擦阻尼所占的比例最小,而舭龙骨在一定的横摇角度范围内则减小了横摇阻尼力矩。[结论]该结果揭示了横摇参数对船舶横摇运动及横摇阻尼力矩的影响,对准确预报船舶的横摇运动具有重要意义。     

动力定位作用下S型铺管作业耦合运动分析

文章建立了S型铺管船的船体、托管架和管线动态耦合模型。考虑了海浪、风和海流载荷作用下以及动力定位系统的控制下,分析时域内管道对船舶运动和受力特点的影响。主要包括：建立起重铺管船的动力定位运动模型,建立基于碰撞-接触原理的V型托辊和托管架模型,设计具有PID伺服系统的张紧器模型,提供连接托管架和船尾的非线性弹性铰接模型。进行时域动态模拟得到结果,通过与非铺管作业工况下的运动响应的对比表明,管线对船舶横摇运动影响较大,对纵摇和垂荡运动有一定程度的影响;管道对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度上的受力影响极大。     

动力定位作用下S型铺管作业耦合运动分析（英文）

文章建立了S型铺管船的船体、托管架和管线动态耦合模型。考虑了海浪、风和海流载荷作用下以及动力定位系统的控制下,分析时域内管道对船舶运动和受力特点的影响。主要包括:建立起重铺管船的动力定位运动模型,建立基于碰撞-接触原理的V型托辊和托管架模型,设计具有PID伺服系统的张紧器模型,提供连接托管架和船尾的非线性弹性铰接模型。进行时域动态模拟得到结果,通过与非铺管作业工况下的运动响应的对比表明,管线对船舶横摇运动影响较大,对纵摇和垂荡运动有一定程度的影响;管道对船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度上的受力影响极大。     

基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制北大核心CSCD

[目的]水下机器人(AUV)在近水面航行时,不可避免地会受到海浪的干扰,海浪干扰导致的纵摇和升沉运动不仅会影响AUV的航行姿态,同时也会导致其航行阻力增加,加剧能源的消耗。为实现AUV航行姿态和航行阻力的加权最优,[方法]建立AUV的六自由度模型并进行纵平面运动的线性化。对AUV的纵摇增阻情况进行研究,利用势流理论的方法,推导AUV的纵摇增阻模型。以纵摇增阻为性能指标,确定控制器中的Q矩阵和R矩阵,并设计减小AUV纵摇的线性二次型控制系统(LQR)控制器。[结果]仿真结果表明,加入LQR控制器后,减垂荡和减纵摇效果分别达到46.64%和77.62%,纵摇增阻减小到原来的1/6。[结论]研究结果显示,基于能量优化的LQR控制可实现纵摇增阻和航行姿态的加权最优,节约能量消耗,增加AUV的续航力。     

基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制

[目的]水下机器人(AUV)在近水面航行时,不可避免地会受到海浪的干扰,海浪干扰导致的纵摇和升沉运动不仅会影响AUV的航行姿态,同时也会导致其航行阻力增加,加剧能源的消耗。为实现AUV航行姿态和航行阻力的加权最优,[方法]建立AUV的六自由度模型并进行纵平面运动的线性化。对AUV的纵摇增阻情况进行研究,利用势流理论的方法,推导AUV的纵摇增阻模型。以纵摇增阻为性能指标,确定控制器中的Q矩阵和R矩阵,并设计减小AUV纵摇的线性二次型控制系统(LQR)控制器。[结果]仿真结果表明,加入LQR控制器后,减垂荡和减纵摇效果分别达到46.64%和77.62%,纵摇增阻减小到原来的1/6。[结论]研究结果显示,基于能量优化的LQR控制可实现纵摇增阻和航行姿态的加权最优,节约能量消耗,增加AUV的续航力。     

多自由度耦合的船舶参数横摇运动分析和数值计算

采用瞬时等效运动下的转换矩阵描述船舶绕多轴同时转动的复杂三维运动。考虑船舶瞬时运动时坐标系的瞬时改变,建立了多自由度耦合运动方程。在理论研究的基础上,推导了船舶表面划分网格后网格特征的数值计算公式,利用瞬时坐标转换矩阵判定水下湿表面新网格,从而得到时域波浪力的数值计算公式。开发了迭代计算时域运动响应的计算程序,用于实船在波浪中的多自由度运动计算。以某C11集装箱船为例,计算其在波浪中的时域参数横摇运动,通过相图和频谱图分析船舶参数横摇特性。计算表明,论文基于坐标转换思想提出的多自由度耦合模型以及建立的参数横摇计算方法是可行的。     

水下机器人近水面横摇运动的解耦控制

水下机器人在近水面低速航行时,为了有效克服海浪干扰的作用,提高水下机器人横摇控制的性能,依据解耦控制理论和零航速减摇鳍的工作原理,在水下机器人水平面运动耦合模型的基础上运用解耦控制方法进行横摇控制.该方法将水平面运动耦合模型分解为横荡、横摇和艏摇三个子系统进行分析,根据期望性能指标配置横摇子系统模型的极点,并将均方差最小线性递推滤波算法引入到状态信号的反馈通路中.通过对各种海情下水下机器人的横摇运动姿态进行仿真,结果表明:该解耦控制方法可应用于水下机器人近水面横摇运动的控制,其控制结果良好.     

船舶大幅横摇运动

本文讨论了六个自由度船舶非线性运动方程.在船舶作大幅横摇运动假定下,采用压力积分方法,利用Taylor展开,导出其他自由度运动对横摇的非线性耦合运动方程.得到其他自由度运动对横摇的非线性耦合系数表达式,以及入射波和绕射波对横摇扶正力矩的非线性影响.结果表明,纵向运动对横摇的非线性静力耦合作用不存在,它们之间的耦合主要是由波浪引起的.     

船舶大舵角转向时艏摇与横摇的耦合仿真研究

摘要：为进一步研究船舶在大幅度转向时艏摇和横摇的耦合机制,在非线性船舶运动数学模型的基础上,进行了不同情形下的操纵仿真试验。试验结果显示在大舵角转向时,船舶的艏摇和横摇运动存在较强的耦合作用,横摇幅度和艏摇幅度存在正相关性。指出大幅度的横摇使艏摇出现相位滞后和偏离基准航向的现象;在横摇过大的情况下,大幅度动舵和加速操纵将导致稳性迅速消失和航向打横。     

基于统一模型的船舶迎浪参数横摇数值预报及其舵减摇研究

国际海事组织（IMO）正致力于第二代完整稳性规范的制定,而参数横摇一直是船舶动态完整稳性研究的热点。文章采用考虑船舶操纵性和耐波性运动耦合的统一模型对迎浪规则波下的船舶参数横摇运动进行了时域数值模拟。在时域模型中,六自由度耐波性运动辐射绕射力采用切片理论计算,并由脉冲响应函数法转化到时域。非线性回复力和入射波力采用瞬时湿表面压力积分方法计算。操纵性运动基于MMG模型,依据统一理论将操纵性与耐波性运动进行耦合计算。文中先应用简化三自由度模型对三艘集装箱船进行了参数横摇样船计算,并进行了初步的模型实验验证,依据结果对比分析了横摇惯性矩、初稳性高和方形系数对参数横摇的影响。基于统一模型分析了操纵性运动对参数横摇的影响,并进行了参数横摇舵减摇研究。     

船舶舵减横摇H∞鲁棒控制系统

研究了船舶舵减横摇鲁棒控制系统设计问题。根据船舶运动和流体力学原理,指出了舵上产生的横摇力矩及船舶航向(艏摇)与横摇的分频特性,是舵-航向/横摇综合控制技术的基础。提出广义输出干扰的概念,将舵减横摇控制系统广义对象的奇异控制问题转化为非奇异标准控制问题,给出了艏摇/横摇耦合运动的线性分式变换模型和广义对象状态空间实现,设计了舵减横摇H∞鲁棒控制系统,并用结构奇异值理论对所设计的系统进行了鲁棒稳定性和鲁棒性能分析。通过数字仿真,证明所设计的控制系统具有良好的减摇控制效果和鲁棒性。     

T型翼主动控制策略的数值研究

[目的]主动控制T型翼对船舶有着较好的纵向运动减摇效果,但最佳的T型翼主动控制策略仍未有定论,因此需对T型翼主动控制策略进行研究计算与分析。[方法]首先,采用细长体理论对Wigley III船型在不同波长规则波中的纵向运动响应进行数值计算;然后,在相同航速与波浪工况下,对加装了主、被动T型翼的船舶纵向运动进行数值预报,分析不同主动控制策略的减摇效果。[结果]计算结果显示:T型翼被动控制在共振区具有较好的减摇效果,长波区和短波区的减摇效果相对有限;纵摇角速度信号控制对纵摇运动和艏部运动加速度的减摇效果非常显著,但对于长波区的垂荡运动会有减益效果;船艏部运动速度信号对纵摇运动和艏部运动加速度的减摇效果较纵摇角速度信号均有10%~20%的提升,并且对垂荡运动的减摇效果也有一定提升。[结论]对于T型翼的主动控制,艏部运动速度信号控制综合考虑了纵摇与垂荡这2种运动,可以实现更好的减摇效果。     

规则波浪中舰船操纵与横摇耦合运动模拟及特性分析

采用六自由度舰船操纵性方程与横摇波浪力矩耦合构成动力学模型,对舰船在规则波浪中的操纵与横摇耦合运动特性进行了模拟研究.其中操纵性方程采用MMG模型,波浪力矩由切片法计算,舰船航向按PD控制.模拟计算了某船正横规则波浪下保持航向的横摇运动,计算结果与单自由度理论结果进行了比较,其幅频曲线与相频曲线两者符合较好,间接证明了耦合构成动力学模型的有效性.在此基础上计算了不同浪向角和航速下的横摇运动,以横摇等值极坐标曲线表征舰船规则波浪中的横摇特性,从而给出了规则波浪下舰船耦合动力学所描述的运动特征.