破损进水船非线性横摇系统的数值仿真研究

建立了破损进水船在风浪中的非线性横摇运动数学模型,利用混沌数值方法对具有II类舱进水舱的破损船在规则波激励下的横摇运动进行数值仿真,并探讨不同参数对破损船横摇运动混沌参数区域的影响.结果表明破损船的横摇运动具有不同的运动形式,其运动可能是单频的,也可能包含超谐、次谐以及组合频率等丰富的频率成份,在一定的参数条件下其运动还可能为混沌的.     

可控被动式减摇水舱的建模与气阀控制规律研究

基于查德惠克被动式减摇水舱理论,分别建立了单侧气阀和两侧气阀控制的可控被动式减摇水舱系统数学模型.推导了最佳相位关系和气阀控制规律的理论依据,对不规则波作用下的可控被动式减摇水舱系统进行了仿真研究.仿真结果表明,水舱内水的流动与船舶横摇运动基本符合最佳相位关系,气阀控制规律是可行的.通过对单侧或者两侧气阀进行控制,都能够使水舱内水流的振荡周期及时地适应变化的横摇周期.两侧气阀控制的减摇效果要优于单侧气阀控制.     

波浪激励下红土镍矿运输船舶倾覆机理

选取具有典型流态化货物特征的红土镍矿、高岭土与红砂土进行了临界含水率和流态化试验, 测定了其临界含水率; 利用激励横摇装置开展了不同激励幅值与频率的激励横摇运动试验, 对比了3种不同货物在不同含水率下倾覆力和力矩的时历特性; 设计了倾覆机理试验, 选择临界含水率红土镍矿作为试验样本, 在波浪水槽中造波激励舱段横摇运动, 再现了红土镍矿运输船舶的倾覆过程, 利用高速摄像机记录了自由液面变化情况, 通过图像处理技术对自由液面进行分割, 根据自由液面情况分析了红土镍矿运输船舶倾覆过程中舱段的浮心和重心变化。试验结果表明: 红土镍矿、红砂土、高岭土的临界含水率分别为33.6%、22.0%、39.4%;对于具有不同性质的土, 在相同激励条件下, 晃荡力与力矩呈现出不同的性质; 当相位差为90°与270°时, 不对称力矩较相位差为0°与180°时增大4.37倍; 红土镍矿运输船舶倾覆主要原因为流态化货物晃荡导致横摇力矩增大、动稳性降低而发生倾覆, 同时, 晃荡力矩与货物性质、激励周期、黏性、激励幅值等多种因素有关。      

舰艇灾害场景模拟在抗沉训练中的应用研究

为了让参训人员真正从能力和心理上同时得到训练,必须建立与舰艇实际灾害场景相似的抗沉训练环境.文中根据舰艇横摇运动微分方程,研究了摇摆抗沉舱的横摇运动模拟及控制,通过求解作用在破口上的3种压力变化,研究了舰艇在复杂海况舱体破口水流压力的模拟和控制.     

潜艇内置式调整水舱的有限元计算

内置式调整水舱属于耐压液舱,而耐压液舱是耐压结构中最复杂的结构.参照前苏联的“耐压液舱强度和稳定性的计算方法”,设计了单壳体潜艇的内置式调整水舱的新结构形式,确定了主要参数,并在耐压液舱承受与舷外水相等的压力时,对内置式调整水舱区域的耐压船体、耐压液舱壳板、实肋板等结构进行了有限元计算.     

倾斜船舶在随机海浪中的生存概率分析

应用安全池思想研究随机海浪中倾斜船舶大幅横摇运动及倾覆概率问题．船舶横摇运动微分方程充分考虑了船舶阻尼和恢复力的非线性以及海浪激励的随机性．应用谐加速度方法求解船舶非线性横摇运动微分方程．绘制了船舶在不同倾斜角下的安全池，并据此得出了船舶的安全概率．研究表明：倾斜角对船舶的稳性影响很大，在同等激励下，倾斜角越大，船舶的安全池面积越小，倾斜船舶在较小的海浪激励下就可以倾覆。     

风帆助航船舶运动模型

分析了处于复杂环境下的风帆受力,给出了风帆在最佳攻角下的受力函数。基于船舶运动与主机转速之间的耦合关系,得出了船舶主机输出转矩与油门杆位置的拟合函数。以76 000DWT大型远洋散货船"文竹海"号为研究对象,根据实船参数建立了4自由度的风帆助航船舶运动模型。仿真结果表明:添加风帆后船舶速度增大,横摇角减小,但偏航增加。添加风帆后,在相同时间内船舶行驶的里程、最佳攻角下的船速与横摇幅度都随风速的增大而增大,但横摇角小于15°,在安全范围之内。可见,船舶运动模型符合实际船舶运动规律,是有效的。     

舰载直升机甲板牵引系统运动稳定性分析

为了研究舰船上直升机牵引系统的动力学性能,分析影响其稳定性的主要因素,建立了运动甲板上牵引系统力学模型,分析了船体横摇、纵摇和垂荡3个自由度的耦合运动对直升机牵引系统产生的惯性力、轮胎垂直载荷对轮胎侧偏刚度的影响.在此模型基础上,推导了具有周期系数的四自由度扰动方程,运用Floquet理论分析直升机牵引系统运动稳定性.结果表明:2级以上海况下,牵引系统的临界速度与陆地上相比大幅度降低,最小降幅为70%;随着直升机与牵引车质量比的减少和牵引车后轮侧偏刚度的增大,牵引系统的稳定性提高.     

潜艇储备浮力论证研究方法分析

运用模糊综合评判方法对潜艇储备浮力的选取进行论证评估,讨论了在“小分舱大储备浮力”以及“大分舱小储备浮力”两种不同观点下潜艇储备浮力论证的评估模型.通过对航速、水面抗沉性、结构和系统3个不同因素对潜艇储备浮力影响的模糊评估分析,对各种储备浮力值的优劣进行评判,确定储备浮力的最佳值,为潜艇储备浮力设计的选优提供依据.     

基于ADAMS的船用浮式起重机补偿装置平台运动学分析与研究

如何减小波浪对舰船工作所造成的影响已经成为舰船发展中极具挑战性的问题.本文以荷兰某公司设计的三自由度波浪补偿控制平台为研究对象,在分析该结构补偿装置平台的空间结构和空间姿态的位置解算的基础上,运用ADAMS软件完成该平台在横摇、纵摇及横荡三种运动复合运动下的运动学正、逆解仿真与分析和动力学仿真与分析,为波浪补偿装置平台的设计提供可靠的的理论数据基础.     

Influence of excitation frequency on slosh-induced impact pressures of liquefied natural gas tanks

Liquid sloshing phenomena in No. 2 tank of 140 km³ liquefied natural gas (LNG) carriers have been studied numerically and experimentally. The scale of the model tank was selected as 1/55.9. Roll and pitch motions were tested. For measuring impact pressures, seventeen pressure sensors were installed on the tank model. A large number of excitation frequencies and filling heights were investigated. The experimental results showed that when the frequency of tank motion is close to the natural frequency of fluid inside the tank, large impact pressures may be caused. Resonance frequencies and maximum impact pressures of different filling height were presented. Among all the experimental situations, the maximum impact pressure always occurs at the place near 70% height of tank where should be especially concerned. A computational fluid dynamics (CFD) model was developed to simulate the sloshing in the tank. The model was based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations, with a standard κ-ɛ turbulence model. The volume of fluid (VOF) method was used to predict free surface elevations. Dynamic mesh technique was used to update the volume mesh. Computations for pressure time histories and peak pressures were compared to experimental results. Good agreement was observed.     

薄膜型LNG船船体结构晃荡强度研究

船体结构晃荡强度评估是保证薄膜型LNG船（No96型）安全航行的重要环节.参考一般液货船舶及薄膜型LNG船绝缘层晃荡强度评估方法,结合其自身特点,提出完整的针对No96型LNG船船体结构的晃荡强度评估方法.以某薄膜型LNG船为例进行了晃荡强度评估整个流程计算,并针对膨胀珍珠岩密度展开讨论.     

基于多物质ALE的列车水箱晃动三维模拟及箱壁动应力研究

列车中水箱晃动问题是典型的流固耦合非线性行为,同时也涉及到多相流之间的相互耦舍问题．基于多物质ALE（ArbitraryLagrange—Euler）方法建立了列车水箱晃动三维数值模型,数值模型求解采用考虑流固耦合负载平衡的区域分解并行计算技术,分析列车制动工况下水箱中水的大幅晃动及箱壁动态应力变化行为．分析结果表明,制动减速度超过0．8m／s2时水箱应力峰值呈非线性增大趋势;储水量增加,水箱最大应力相应增加;水箱中设置防波板,可明显降低水流对箱壁的冲击作用．     

液罐车液体侧向晃动多质量椭圆规摆模型

为深入研究液罐车整车侧向动力学行为, 探讨了椭圆形(圆形) 截面罐体等效机械液体侧向晃动模型; 基于计算流体动力学(CFD) 软件FLUENT, 评价了椭圆规摆(TP) 模型的预测精度, 分析了充液比、罐体截面椭圆率和激励频率对模型预测精度的影响; 提出了广义多质量TP模型, 通过合理分配液摆各部分质量及其间距来适应罐体截面椭圆率和充液比的变化; 基于Lagrange方法推导了广义多质量TP模型动力学方程, 给出了双质量TP (DMTP) 模型的质量比和质量间距参数的获取方法和拟合表达式, 并采用CFD方法评价了DMTP模型的预测精度。分析结果表明: 由TP模型得到的晃动力矩总体较CFD方法的小, 随着充液比和激励频率的增加, 预测误差变大, 充液比由30%增加到80%时, 峰值晃动力矩预测误差由15%增加到65%左右, 这主要是由于TP模型是在液体小初始倾斜角自由晃动条件下拟合所得, 当充液比和晃动频率较高时, 液摆的摆臂长度和参与晃动的液体质量都小于实际情况; DMTP模型在大部分充液比、罐体截面椭圆率和激励频率条件下都有相对稳定且较高的预测精度, 激励频率分别为0.2、0.3Hz时, DMTP模型的最大晃动力矩预测均方根误差均值和标准差分别比TP模型小54.2%、43.9%和45.1%、31.2%, 预测精度较TP模型有明显提高, 特别是能够较好地弥补TP模型在高充液比时预测误差较大的不足。      

Computational Fluid Dynamics Uncertainty Analysis for Simulations of Roll Motions for a 3D Ship

The roll motions are influenced by significant viscous effects such as the flow separation.The 3D simulations of free decay roll motions for the ship model DTMB 5512 are carried out by Reynold averaged NavierStokes(RANS) method based on the dynamic mesh technique.A new moving mesh technique is adopted and discussed in details for the present simulations.The purpose of the research is to obtain accurate numerical prediction for roll motions with their respective numerical/modeling errors and uncertainties.Errors and uncertainties are estimated by performing the modern verification and validation(VV) procedures.Simulation results for the free-floating surface combatant are used to calculate the linear,nonlinear damping coefficients and resonant frequencies including a wide range of forward speed.The present work can provide a useful reference to calculate roll damping by computational fluid dynamics(CFD) method and simulate a general ship motions in waves.     

Rigid-liquid-flexible dynamic formulation for a two-dimensional tank undergoing translational and rotational motion

Considering rigid-liquid-flexible coupling effect, dynamic formulation for a two-dimensional rectangular tank with liquid sloshing connected to a flexible beam is proposed. Differing from the traditional formulation which considered either the rotational motion or the translational motion of the tank, this formulation can be applied for rigid-liquid-flexible coupling dynamic analysis of tank undergoing translational and rotational motion based on the theorem of momentum and the theorem of moment of momentum. Furthermore, stiffening terms are included in the dynamics equations of the flexible beam. Firstly, the dynamic equations of the rigid-liquid coupling system and the flexible beam are derived, respectively, and then by introducing the Lagrange-multipliers, the rigid-liquid-flexible coupling equations can be combined with acceleration constraint equations. Finally, the mix differential-algebraic equations are solved to investigate the rigid-liquid-flexible coupling dynamic performance of the system.     

船舶编队控制综述

研究了船舶编队控制的特点,从船舶编队控制结构、编队路径规划、编队运动建模和编队运动控制4个方面分别对现状和方法进行分析;介绍了船舶编队控制原理,描述了船舶编队领导-跟随结构、虚拟结构、图论结构、基于行为结构的数学表示方法及应用场景;针对船舶编队路径规划,总结了编队环境建模、全局路径规划和局部避碰规划等最新方法及其特点,展示了基于粒子群优化算法的船舶编队局部避碰效果;针对船舶编队控制运动建模,构建了考虑干扰、控制时延和约束的船舶编队水动力模型,并将该模型在船舶编队过闸控制场景中进行了验证;针对船舶编队运动控制,归纳了典型集中式、分散式和分布式编队控制器特点,指出分布式编队控制器具有更好的鲁棒性和可扩展性,设计了基于分布式模型预测控制的编队航行控制器。研究结果表明:目前船舶编队控制技术瓶颈主要体现在有人/无人编队共融、岸端驾控为主的内河船舶编队控制、不确定干扰下的船舶编队控制、通信受限下船舶编队鲁棒控制、特殊水域船舶编队控制和船舶编队控制一致性等方面;在未来船舶编队发展中,应重点解决船舶编队分布式协同控制、船舶编队任务多元化控制、基于生物群体机制的船舶编队控制、特殊水域船舶编队控制、人工智能技术在船舶编队控制中的应用等问题。      

保吸引子的鲁棒舵减横摇

为满足单舵或联动双舵结构设计舵减摇控制时的单输入要求,使控制器对海浪的扰动具有鲁棒性,针对一类受到持续扰动的系统,提出了保吸引子扰动抑制控制概念.结合反步设计方法、Barbalat引理和Lyapunov分析方法,通过求解代数Riccati方程,得到了该系统的标量自适应鲁棒控制器;将受控系统的状态抑制在一个有界的吸引子内,利用线性矩阵不等式给出吸引子最小化的判据,优化了扰动抑制控制.以渔政船1500HP在小风浪中的弱混沌横摇现象为例,用本文设计的扰动抑制控制器作为操舵力矩进行混沌横摇控制,通过数值仿真验证了保吸引子扰动抑制控制的效果.结果表明:保吸引子控制器使横摇系统的状态快速收敛,并将其抑制在预设的吸引子内,优化吸引子控制器能使吸引子进一步压缩.     

Experimental Investigation into the Effect of Roll Amplitude on Roll Damping

An in-house large eddy simulation(LES) code has been developed in the previous study. In order to validate the code for simulation of roll motion, effect of roll amplitude on forced roll damping is experimentally investigated in a circulating water channel at Shanghai Jiao Tong University(SJTU). KRISO very large crude carrier 2(KVLCC2) is taken as a target ship, and a model with a scale of 1 : 128.77 is manufactured. Tests are carried out for the ship model at shallow draft with frequencies around its natural roll frequency, where natural roll frequency is attained via free roll decay. Six forced roll tests with roll amplitudes ranging from 1?to 4?are performed experimentally, and three forced roll motions are simulated with the in-house LES code for middle section of the ship model. Discrepancies between the computed roll damping coefficients and the ones from forced roll tests are quite small. By means of particle image velocimetry(PIV), velocity fields in the vicinity of the ship model, and generation and evolution of vortices near the ship bilge are measured in detail. It is shown that roll amplitude has a significant effect on the vortex behavior, and therefore on the magnitude of roll damping coefficient. Further experimental and numerical investigation into roll motions with large amplitudes is planned.