船舶运动的复杂动力特性在我国的研究进展

综述了国内采用非线性动力学理论和方法，研究船舶运动的复杂动力学行为方面的进展．特别总结了在船舶非线性耦合运动、横浪运动、纵浪上参数激励运动和波浪上参数与波浪联合激励运动方面的研究现状及取得的主要成果，介绍了船舶在随机横风横浪中安全池的分析方法及采用Melnikov方法研究船舶倾覆运动特性取得的进展．最后。对船舶非线性运动及其倾覆机理的研究前景做了展望．     

船舶多摆稳性

通过船舶横摇运动微分方程的解，引入虚静倾角概念，讨论连续单摆运动的摆幅曲线，提出船舶的多摆稳性问题，并对“红星２８３”客船船模倾覆试验有关结果进行分析，进而探索船舶倾覆机理。     

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。      

关于船舶参激横摇船模试验的数据分析

对参激横摇船模试验的数据进行了分析，结果表明：船舶在不同吃水时，或具有不同船型的船舶都有可能出现参数共振现象；参数共振横摇的摇幅可能比主共振横摇摇幅更大，但其频率范围较窄；参激横摇幅频响应曲线具有某些非线性特征，如曲线的倾斜和跳跃现象，这与理论分析是一致的．试验结果还表明该项试验可重复进行，在试验中采用柱形船模有一定的合理性．     

工程船舶作业力矩作用下的横摇运动

应用时域分析法求得了工程船舶在作业力矩作用下的横摇脉冲响应函数，应用１２艘工程船模型横摇水动力系数试验值，计算了横摇响应的运动历程，为此类船舶的横遥角计算和设计提供了依据。     

高速集装箱船舶在海浪中的安全性研究

理论计算方法预报高速集船舶在波浪中的运动规律，讨论船速，波浪 遭遇角及波浪周期对船舶产生剧烈运动的影响和导致高速船在斜浪航行中经以大的横摇运动的原因根据研究，提出确保高速集装箱船舶在海浪中安全航行的具体措施。     

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.     

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。     

晃荡冲击影响下的潜艇运动实用稳定性分析

液舱内自由液面的晃荡会影响船舶的稳定性。通过引入实用稳定性的概念,研究了在晃荡影响下的潜艇运动实用稳定性。利用计算流体力学软件对潜艇横摇过程中液舱的液面晃荡进行了模拟计算,根据仿真结果,分析了液舱晃荡对潜艇稳定性的影响,建立了液舱晃荡和潜艇横摇运动的耦合作用模型。通过数值仿真,验证了在液舱晃荡影响下的潜艇横摇运动系统的实用稳定性,从而证明了该方法的可行性。     

用横摇周期检验船舶稳性的实用研究

用实测不规则中的船舶平均横摇周期并参照许用最大横摇周期和常大横摇周期，检验船舶稳性的原理和实际应用。     

Slamming and Green Water Loads on Bow-Flare Ship in Regular Head Waves Investigated by Hydroelasticity Theory and Experiment

With the development of ships towards large scale, high speed and light weight, ship hydroelastic responses and slamming strength issues are becoming increasingly important. In this paper, a time-domain nonlinear hydroelasticity theory is developed to predict ship motion and load responses in harsh regular waves.Hydrostatic restoring force, wave excitation force and radiation force are calculated on the instantaneously wetted body surface to consider the nonlinear effects caused by large amplitude motions of ship in steep waves. A twodimensional(2 D) generalized Wagner model and a one-dimensional(1 D) dam-breaking model are used to estimate the impact loads caused by bow flare slamming and green water on deck, respectively; the impact loads are coupled with the hydroelastic equation in time-domain. Moreover, segmented model tests are carried out in a towing tank to investigate the wave and slamming loads acting on the hull sailing in harsh regular head waves and also validate the numerical results.     

带二维装箱约束的客货滚装船配载决策

客货滚装船长期处于人工配载状态，其独特性导致其无法直接采用已有滚装船配载方法.为提高客货滚装港口配载的决策水平，针对配载过程的两阶段和二维装箱特性，以船舱面积利用率最大为目标，构建客货滚装船配载决策模型.为实现大规模求解，设计偏随机密钥混合遗传算法求解，算法由多阶段启发式嵌入偏随机密钥遗传算法构成.多阶段启发式首先通过首层配载、主体配载和补充配载三段启发式完成初始解构造，其次采用横纵倾优化策略调整船舶稳性.算例研究表明，偏随机密钥混合遗传算法表现良好，且在大规模应用实验中鲁棒性较好，可实现客货滚装船的有效配载.     

带二维装箱约束的客货滚装船配载决策

客货滚装船长期处于人工配载状态,其独特性导致其无法直接采用已有滚装船配载方法.为提高客货滚装港口配载的决策水平,针对配载过程的两阶段和二维装箱特性,以船舱面积利用率最大为目标,构建客货滚装船配载决策模型.为实现大规模求解,设计偏随机密钥混合遗传算法求解,算法由多阶段启发式嵌入偏随机密钥遗传算法构成.多阶段启发式首先通过首层配载、主体配载和补充配载三段启发式完成初始解构造,其次采用横纵倾优化策略调整船舶稳性.算例研究表明,偏随机密钥混合遗传算法表现良好,且在大规模应用实验中鲁棒性较好,可实现客货滚装船的有效配载.     

船舶倾斜对不同行人流疏散效率影响的数值分析

为研究船舶倾斜对船上人员疏散过程的影响,在基础社会力模型中引入行人倾斜力和自调整力,构建一种考虑船舶倾斜状态的改进社会力模型,通过比对前人实验结果验证模型的有效性。增加行人视角范围,确定周围行人作用的有效范围;结合MATLAB仿真单向、对向、交叉和多向行人流场景,分析不同倾斜状态对行人疏散速度的影响,并拟合疏散时间随倾斜角度变化规律。仿真结果表明：船舶倾斜角小于15°的情况下,行人速度会有小幅下降,但对整体疏散过程影响不大;当倾斜角超过15°时,行人行走速度会迅速下降,整体疏散时间也会急剧增加,并与倾斜角度呈六次关系变化。基于此,船舶倾斜状态下的最佳疏散时机为倾斜角小于15°。     

基于AIS数据的船舶安全航行水深参考图

通过挖掘海量AIS数据, 提出了一种新的航道水深信息获取方法, 即构建船舶安全航行水深参考图; 采用数据预处理的方法对历史与在线的AIS数据进行清洗和修补, 生成船舶运动轨迹; 选定船舶航行区域的时间与经纬度, 采用K-means聚类算法对船舶航行过程中的吃水数据进行聚类分析, 得到不同安全航行区域的船舶分类, 运用BP神经网络模型预测并补齐AIS数据中缺失的船舶最大吃水信息; 分割船舶历史轨迹, 当子轨迹的时间间隔在10~20min时, 采用Spline插值方法对船舶轨迹中的丢失数据进行插值; 采用凸包构建同类船舶的安全航行水深区域图, 将不同吃水类型船舶的安全航行水深区域图合并, 得到船舶安全航行水深合并图; 将不同吃水类型的船舶安全航行水深合并图与航道图叠加, 得到船舶安全航行水深参考图。试验结果表明: 当聚类算法参数设置为4时, 聚类后得到4类船舶, 对应的船舶最大吃水范围分别为0.1~4.8、4.8~6.6、6.6~10.0、10.0~13.0m, 对应的至少可通航船舶吃水分别为1.8、2.4、3.3、5.0m, 说明船舶最大吃水与至少可通航船舶吃水呈正相关关系; 构建的船舶安全航行水深参考图在电子航道图中覆盖了86%的航道, 并与航道图的深水部分重合率为80%, 因此, 构建的船舶安全航行水深参考图能反映航道水深的真实情况, 满足不同类别船舶的导航需求。      

干散货运输船舶投资订购的内在影响机制

应用动态计量经济理论与方法,研究了干散货运输船舶订购的内在影响机制,分析了3种主要干散货船型的新船价格、二手船价格和期租金率与新船订购量之间的动态关系。研究结果表明:不同船型的新船价格之间、二手船价格之间均不存在协整关系,而各种船型的订购量、新船价格、二手船价格和期租金率之间存在协整关系;船舶订购量与期租金率负相关,与新船价格正相关;Capsize型船舶的二手船价格与其订购量正相关,Panamax型船舶的二手船价格与其订购量负相关,Handymax型船舶的二手船价格与其订购量关系不显著;各种船型的期租金率对于船舶订购量的冲击最大;Handy-max型船舶的新船造价对于订购量的冲击在各类船舶中最小;Panamax型船舶的二手船价格对于订购量的冲击是正向的,而Capsize型船舶和Handymax型船舶二手船价格对于订购量的冲击是负向。     

山体滑坡灾害险情的水上交通管制模式

为了保障船舶航行安全和维护航道通航效率,以大中规模剧动式岩土混合体滑坡及其涌浪为对象,在大量案例统计资料、物理模型实验、文献查阅及实地调研资料等基础上,根据滑坡变形破坏阶段和环境外力诱发因素研判山体滑坡发生概率,根据滑坡破坏变形阶段、滑坡涌浪规模、环境外力诱发因素、通航环境限制条件研判山体滑坡灾害的海事综合风险;根据其海事风险演变特征,提出以交通管制形式和限航等级为要素的水上交通管制模式,交通管制形式依据山体滑坡灾害发生概率确定,限航等级依据山体滑坡灾害综合海事风险而确定.研究结果表明:当山体滑坡灾害发生概率为0.6、山体滑坡灾害综合海事风险分别取值1.80和2.25时,应分别实施戒备性通航和限定通航形式的限制性通航;当山体滑坡灾害发生概率为0.72、综合海事风险分别取值2.16和2.70时,应分别实施限定船舶对象与限定通航时间相结合的限制性通航和禁航.      

船舶航向不对称信息理论与非线性逆推鲁棒控制算法

应用不对称信息理论和鲁棒控制算法简化非线性逆推算法,针对非线性船舶航向保持系统,设计了其Backstepping逆推控制器,由非线性函数项和常规线性控制器组成,将简化的Back-stepping法与闭环增益成形算法相结合,设计其非线性鲁棒控制器。通过非线性鲁棒控制器的控制能够使船舶无超调、无静差地跟踪设定航向,调节时间为600 s,符合船舶航行的实际情况,控制效果良好;当系统增加干扰后,系统的控制输出除了因干扰产生的抖动外,其跟踪性能仍然较好,航向输出无静差,说明控制器具有一定的鲁棒性;是否全部对消非线性项,对其控制效果相差不大,说明当模型发生参数摄动时,系统的控制性能仍能保证。     

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.     

多层次多目标重点避让船模糊优选模型

为解决船舶避碰自动化领域的多船智能避碰决策问题,建立了多层次多目标重点避让船模糊优选模型。分析了碰撞危险度和避让难易程度对重点避让船决策的影响,通过划分相互关联的有序层次结构使问题条理化,利用多目标模糊优选理论,建立了相应的模糊优选模型,以低层次的输出作为高层次的输入,对每一层次的单元系统进行优化计算,利用相对优属度向量进行排序,确定重点避让船。模拟计算了一艘船同时和7艘目标船相遇时重点避让船相对优属度向量,按相对优属度越大排序越前的原则确定目标船3为重点避让船,决策结果正确,该模型可行。