水面船舶运动姿态对声散射特性的影响北大核心CSCD

[目的]为了进一步提高鱼雷通过声自导识别复杂水面目标的精度,对随机起伏海面及水面船舶运动姿态下的声散射特性进行模拟研究。[方法]基于Kirchhoff近似和六自由度运动分解合成的方法,建立水面船舶目标多路径声散射简化预报模型。在该模型中,海面波浪对船舶六自由度运动幅度和周期的影响由经验统计值描述,通过旋转矩阵和平移矩阵,实现目标各顶点在连续运动状态下的坐标变换。基于此,利用所建预报模型,分析不同水平探测角下船舶六自由度运动分别对声散射特性的贡献度和影响。[结果]研究表明:横摇和艏摇对正横探测方位角的声散射影响较大,纵摇对艏、艉向声散射影响较大。此外,建立了船舶运动姿态与目标声散射回波特性的关系。[结论]研究结果可为声呐设备对水面目标主动声探测提供技术支撑。     

船舶舷侧与小型冰山碰撞数值模拟分析

[目的]研究船舶舷侧结构与小型冰山的碰撞问题。[方法]基于罚函数法和任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法建立非线性有限元分析模型,针对某油船的船体双层舷侧结构与球形冰山的相互作用过程进行数值模拟,考虑船体结构的变形、海冰的破坏以及碰撞过程中的水动力作用,分析不同碰撞角度对碰撞速度、碰撞力以及结构能量吸收的影响。[结果]结果表明:该数值模型可以较为充分地模拟舷侧结构与冰山的相互作用过程,在碰撞过程中,其碰撞力的峰值与碰撞角度及冰山是否破碎情况有关;碰撞力峰值随着碰撞角度的增大而增大,相对于其他角度的碰撞,在冰山的垂直碰撞情况下,流体对于冰山的速度有着较为明显的衰减作用;在舷侧各结构构件中,舷侧外板为碰撞过程中主要的吸能构件,且当冰山发生破碎时,因在破碎过程中会消耗能量,结构吸能会相对减少,故碰撞力的增幅会小于未破碎情况。[结论]为保证极地航行船舶的安全,可以适当增加舷侧结构强度,并在遭遇冰山时避免大角度的碰撞。     

不同来流条件下翼型积冰特性及其气动性能衰退规律数值模拟研究北大核心CSCD

[目的]旨在研究在寒冷环境下空气中大量存在的过冷水滴在船舶动力系统进气道中结冰对进气系统气动性能的影响。[方法]首先,以NACA 0012翼型为研究对象,对该翼型的气动性能进行数值计算,通过与实验值对比,验证所建立的模型和数值模拟方法的有效性;其次,采用拉格朗日法对过冷水滴的撞击特性进行数值模拟研究,采用用户自定义函数(UDF)对商业软件Fluent进行二次开发,对不同来流条件下该翼型的水收集系数进行数值模拟分析;最后,结合动网格技术和UDF自编程序对该翼型的结冰特性进行单向耦合的数值模拟研究,并分析结冰后的翼型气动性能。[结果]结果表明,来流攻角和水滴直径对水滴的撞击范围和及收集系数有较大影响,来流速度对水滴的撞击范围影响较小,但对水收集系数有一定影响。此外,在0°攻角条件下,翼型前缘积冰对其气动性能影响较小,但是,在5°攻角条件下,前缘积冰对其气动性能有严重影响。[结论]研究结果可为船舶动力系统进气道结冰预测分析以及后续防冰工作提供参考。     

船舶机舱纵向构件承载强度的建模与分析

船舶机舱纵向构件多级承载强度研究效果不理想,不能有效提高船舶安全性。提出一种船舶机舱纵向构件数字化模拟的承载强度分析方法。该方法对船舶机舱纵向构件结构静动力风荷载和位移方程进行计算,得到纵向构件结构的风振方程,再对结构振型的位移函数进行构造,以船舶机舱纵向构件承载总重作为设计变量和优化目标。实验结果表明,该方法能对船舶机舱纵向构件多级承载强度进行建模分析,同时对相关设计优化具有重要的指导作用。     

基于船舶破损安全性的舱室优化方法

[目的]船舶安全性是船舶最重要的性能之一,而舱室优化与提高船舶破损安全性密切相关,二者之间的关系是一个复杂的多因素问题。[方法]基于SOLAS 2009公约,评估概率破舱稳性,量化危险区域,采用层次分析法(AHP),以分舱指数、危险区域类型和数量为评估指标,求解各指标对船舶破损安全性的影响权重,并以提高船舶破损后的安全性为目标,评估出最优舱室优化方案。[结果]结果显示,调整危险区域边舱宽度、舱室长度及双层底高度均可提高船舶破舱稳性,以及船舶破损后的安全性。[结论]实验结果表明研究危险区域可提高船舶安全性,在基于多准则评估船舶破舱后的安全性上采用AHP方法可行。     

基于机器学习的船舶机舱设备状态监测方法

[目的]为实现船舶机舱设备的智能状态监测,引入机器学习算法,提出一种结合流形学习和孤立森林的船舶机舱设备状态监测方法。[方法]由于船舶机舱设备的状态监测数据是多维度数据,基于该监测系统,通过流形学习来提取有效的数据特征,实现对原始数据的降维,减少数据复杂度。基于孤立森林算法,在仅利用正常工况数据集的情况下,训练并构建多个子森林检测器,用于实现对目标设备的故障监测。在Matlab/Simulink环境下建立大型船舶二冲程柴油机模型,对其正常工况和故障工况下的数据进行仿真,以验证该方案的有效性。[结果]通过状态仿真数据对不同故障监测方案性能的比较,验证了所提故障监测方案具有98.5%的故障检测率和3%的故障虚警率。[结论]所提方法能显著提高船舶机舱设备的故障监测性能。     

喷水推进器流道对船舶阻力性能的影响

[目的]喷水推进船舶的阻力性能与常规船舶有着很大的不同,喷水推进器流道的存在会改变船舶尾部流场,对船舶阻力性能有着很大的影响。[方法]以FA1型三体船为计算模型,利用CFD软件STAR-CCM+,将喷水推进器流道看作附体,对比研究安装不同进流角喷水推进器流道前后船舶尾部流场变化。通过对比流道表面压力分布、船体流线的变化,阐述船舶阻力以及阻力成分产生变化的机理。[结果]结果表明:STAR-CCM+可以实现对于船舶阻力性能的预报;喷水推进器进水流道的安装会增大船舶阻力,主要为压差阻力的增大。[结结论]对进水流道倾角的优化可以增进喷水推进船舶的阻力性能。     

基于交流阻抗技术的涂层性能评价方法

[目的]船舶表面使用涂层涂覆是常见的船舶防腐方法,涂层防腐性能的好坏直接反映船舶表面的腐蚀程度。尽管涂层涂覆作为船舶上有效的防腐技术已经应用了几十年,但始终缺少对涂层防腐性能进行快速有效检测的方法。[方法]通过建立合理的涂层体系等效电路模型,采用交流阻抗检测技术对试验涂层进行盐雾老化和紫外老化涂层性能试验,并利用Matlab数据处理软件对试验结果进行计算分析。[结果]从而得出涂层体系中各等效元件的参数来评估涂层的性能,并制定涂层老化失效电化学评定标准。[结论]盐雾老化和紫外老化涂层性能实验结果表明,基于交流阻抗技术及相应的电化学评价参数能够快速准确地对涂层性能进行综合评价。     

船舶舵机基座轻量化设计

[目的]研究将结构优化设计方法运用于船舶基座轻量化设计的流程及其效果。[方法]选用船舶常用舵机基座为研究对象,利用结构优化软件Hyperworks建立模型并进行优化设计。分析板厚对应力的灵敏度,通过将整体式基座改为柱状式基座并辅以尺寸优化以及拓扑优化手段,获取更为合理的基座形状、板厚分布以及减轻孔位置,从而最终获得最大的轻量化效果。[结果]结果表明:将整体式基座改为柱状式基座,能使该型基座减重12.61%;进一步进行尺寸优化后,该型基座取得了36.6%的减重效果;进行更进一步的拓扑优化后,该型基座更是取得了减重37.7%的显著效果。[结论]所提的轻量化设计流程和方法能为船舶辅助装置实际工程中的轻量化设计提供参考和思路。     

船舶基座阻尼材料敷设优化及实验研究

[目的]船舶基座结构是船舶减振的重要设备,为提高基座结构的减振效果,在结构表面敷设阻尼材料是常用手段。[方法]以基座结构的加速度振级落差为评价指标,应用各向正交惩罚材料密度法(SIMP),建立自由阻尼材料的拓扑优化数学模型。在优化模型中,其约束条件是确保在阻尼材料总使用量一定的情况下实现阻尼材料在基座结构表面的最优分布。最后,以某型船的主机基座为例,在建立的有限元模型的基础上,开展基座结构阻尼材料拓扑优化的数值计算,并利用基座模型实验的方法对拓扑优化数值计算结果进行实验验证。[结果]经验证,获得了阻尼材料的最优敷设方案。[结论]所得成果对船舶基座结构设计和复合材料的应用具有一定的参考价值。     

不同堆垛模式下集装箱船风载荷特性研究

[目的]针对实海域风浪因素的船舶性能评估与优化技术是船舶能效设计的关键环节,而风载荷是实海域船舶风浪环境载荷的重要组成部分。对大型集装箱船而言,堆垛模式对船舶风载荷特性具有显著影响。为定量研究其影响规律,[方法]针对具有相同集装箱装载量但堆垛模式互有差异的10 000 TEU大型集装箱船模型,开展覆盖多风速、全风向角范围的系列风洞实验,并采用CFD数值计算和藤原敏文经验公式等计算方法进行交叉验证。[结果]分析结果表明,船舶横、纵向受风区域的形状参数对于风载荷特性影响显著,呈流线型或阶梯型布置的常规堆垛模式整体上风载荷特性较好,但具有多个空缺的特殊堆垛模式在艏摇力矩等方面占有一定优势。[结论]研究结果可为实际工程中的集装箱堆垛模式设计和风载荷计算评估提供技术参考。     

雷达液位计测距技术在船舶水尺计重中的应用

[目的]传统船舶水尺计重过程中,检视船舶吃水依赖人工目测方法,该方法存在主观性强、准确度及工作效能低等问题。为了解决该问题,[方法]利用在石化行业广泛应用于石油及制品上的雷达液位测距技术,研发一套雷达水尺观测装置,设计优化系列数据计算公式,使其数据结果真实可靠。同时设计雷达和目测检视的对比验证试验,检验其数据结果的准确度。[结果]由雷达传感器、固定支架、显示器等共同组成的雷达水尺检测装置依据靠港船舶的实际应用环境量身打造,并在设计的验证试验中进行试用。[结论]设计定型的雷达水尺检测装置以15船次国际船舶为研究对象,以雷达和人工目测2种方式检视船舶吃水并进行对比试验,数据表明差异范围在0.001~0.022 m之间,平均差异率为0.028%,符合对船舶吃水检视精度的要求。     

基于交互式赋权与证据推理的船舶主机优选

[目的]在节能减排背景下,船舶主机优选是值得深入研究的问题,也是一个复杂的多属性决策问题。[方法]首先,分析船舶主机选型的影响因素,提出主机优选指标体系;然后,采用熵权法确定客观权重,采用偏差熵模型确定主观权重,并设计一种交互式赋权法以确定船舶主机优选指标的综合权重,从而实现客观权重与主观权重的统一;最后,通过证据推理法实现信息融合,对备选方案进行排序和优选。[结果]以某航道管理局船舶建造项目的主机优选问题为例,验证了该方法的有效性与正确性,并总结了指标区间选择对评价结果效用值的影响规律。[结论]研究结果表明,交互式赋权与证据推理相结合的方法可以为船舶主机选型设计提供理论支持。     

面向船舶智能航行测试的变稳船控制系统设计北大核心CSCD

[目的]智能航行控制系统作为智能船舶的大脑和中枢,其控制性能的好坏直接决定船舶航行的安全性和经济性,因此需要对船舶智能航行控制系统进行验证。面向智能船舶智能航行控制系统的验证问题,提出一种通用型验证平台——变稳船。[方法]首先,基于模型跟随原理提出一种变稳船系统架构,分析智能船舶三自由度上的运动特性,然后根据三自由度变稳目标定义位置变稳误差,采用滑模控制技术设计变稳控制器,最后,在Matlab软件中进行仿真验证。[结果]结果显示,提出的变稳控制方法能够有效跟踪模拟待模拟船,实现变稳性能。[结论]所做研究可为智能航行控制系统的验证提供新的思路。     

三体船屈服强度的可靠性研究

[目的]三体船作为一种高技术新型船舶,需要特别关注其结构强度问题。传统的数值方法是以确定性的方法进行分析,然而作用在船体上的载荷、结构形式和材料性能等随机因素均具有不确定性,因此需采用可靠性的方法来计及这些随机因素对船体强度的影响。[方法]将三维势流理论与船体强度直接计算相结合,得到三体船某特殊结构单元von Mises应力的短期时历分布,进而得到应力的长期分布和序列统计的极值分布。综合单元极限强度和载荷要求,列出极限状态方程,得到可靠性指标。对典型结构的失效概率、安全系数进行计算,并对一些随机变量进行影响分析。[结果]研究表明:三体船连接桥处应力集中系数较大,安全系数为0.86,而由于甲板的中和轴较高,甲板安全系数为2.4,材料不确定性对可靠性指标的影响更大。[结论]提出的三体船屈服强度可靠性研究方法可为后续三体船优化提供良好的数据支撑。     

船体大破口损伤下总纵极限剩余承载能力计算

[目的]在大破口损伤下计算船体总纵极限剩余承载能力时,是否计及船舶的浮态变化以及破口位置和大小等非线性耦合因素的影响,是合理评估船舶破损后的总纵极限剩余承载能力时值得深入研究的问题。[方法]以某船船体舯剖面大破口损伤为研究对象,采用Smith方法对船体总纵极限剩余承载能力进行计算分析,重点计算船舶因破损可能导致的不同倾斜角和连续浮态变化的总纵极限剩余承载能力。[结果]结果表明,不考虑船舶浮态变化,仅在船舶正浮状态下扣除大破口结构的计算结果,将会过高估计船舶破损后的总纵极限剩余承载能力。[结论]所用方法较为简便、快捷,可为船舶结构设计以及船舶损伤后的快速决策提供参考。     

船舶中压直流电力系统中模块化多电平逆变器的谐波性能仿真研究

[目的]对船舶中压直流(MVDC)电力系统而言,模块化多电平逆变器(MMC)的应用是目前研究的热点。MMC的输出电压波形是否为正弦波将直接决定MVDC电网和负载的工作性能,因此改善MMC的谐波性能显得尤为重要。[方法]首先,以船舶MVDC电力系统为背景,研究MMC的谐波特性与电压等级、桥臂子模块(SM)数量之间的关系;然后,针对控制器采样周期、载波频率、调制比和桥臂电感值等参数对MMC逆变器谐波性能的影响,开展仿真对比分析。[结果]研究结果表明:较高电压等级的MMC应配置较多的子模块;当明确MMC子模块的数量后,调制比和采样周期是MMC谐波特性的主要影响因素。[结论]所得结论可为中压型MMC逆变器的参数设计提供决策依据。     

船用承压结构变形场混合数字孪生监测模型方法实现

[目的]旨在为实现船舶的全生命健康监测设计一种面向结构健康监测的混合数字孪生系统。可实时采集及反馈关键舱室结构的变形,从而提升航运的信息化和安全管理能力。[方法]首先,采用奇异值分解法对多组载荷形成的物理场信息进行数据压缩降维得到特定的标准正交基,创建基向量与载荷关系的响应面模型,输出基于实时输入载荷的有限元降阶模型。其次,采用基于地统计学的克里金插值算法,按照特定拓扑结构布点,将实时的传感器数据和降阶模型输出的补充点位数据经由卡尔曼滤波算法进行融合修正,共同计算监测对象的变形情况。最后,通过构建变形监测软硬件系统,实现监测物理特性的采集到可视化的全过程。[结果]该系统在预设的载荷下,硬件采集系统能够稳定进行数据采集,配套的应用程序能够按照预期的要求进行实时可视化采集。[结论]该结构健康混合数字孪生系统满足船舶的健康监测需求,对未来船舶的高度一体化、智能化发展具有一定的参考意义。     

船舶运动与液舱晃荡耦合频域计算方法

[目的]随着载液船舶(LNG,FPSO,FLNG等)的大型化以及对作业效率和作业安全性要求的不断提高,液舱晃荡以及由其引起的船舶运动问题愈发严重。为有效解决该问题,[方法]首先,基于三维势流理论和波浪辐射绕射理论,采用高阶边界元法开发波浪与三维结构物作用的计算程序,选取某艘FPSO船型,将本程序的计算结果与采用水动力计算软件AQWA,HYDROSTAR所得结果进行对比,验证程序的准确性;然后,将液舱晃荡水动力系数的频域求解方法与船舶运动的频域求解方法相结合,建立考虑液舱晃荡影响的船舶频域运动方程,获得耦合液舱晃荡后的船舶运动响应;最后,以一艘加载了2个液舱的FPSO船型为例,论证该计算方法的准确性。[结果]通过对比液舱不同装载下的船舶运动响应,发现存在着船舶的横摇共振频率出现偏移、耦合横摇运动幅值存在多个峰值,以及液舱装载不同对船舶运动的影响也不同等现象。[结论]所做研究可为载液船舶运动响应设计提供参考。     

基于变论域模糊方法的电力推进船舶二次调频控制

[目的]针对负荷功率扰动引起的船舶电力系统频率波动问题,[方法]提出引入电池储能单元平衡船舶功率的方法,采用变论域模糊控制对船舶电站进行二次调频控制。以频率偏差及其变化率作为控制器输入,采用增量法设计伸缩因子,在控制规则不变的情况下对论域进行扩大和缩小,以提高控制精度。[结果]仿真结果表明,引入电池单元可减少系统频率的波动次数,缩短频率恢复稳定时间。[结论]与传统的模糊控制相比,变论域模糊控制在外部扰动和参数摄动情况下均具有较好的控制性能,所提方法可保证其较好的鲁棒稳定性与鲁棒性能。