精细时程积分在载荷识别中的应用

在载荷识别的逆问题研究中引入精细时程积分的理论,给出了基于模态分解形式的载荷识别公式,并构造出矩阵表达形式,能利用结构响应数据通过迭代求解瞬态随机外部激励幅值.数值算例结果表明,该方法能较好地识别外部激励,而且在已知激励位置时,识别结果更加可靠,精度令人满意.相对于频域内识别外部激励的传统解法,也提供了一种在计算量和精度上都令人满意的时域方法.     

冰区航行船舶推进轴系扭转振动研究

本文以低速柴油机船舶推进轴系为研究对象,在对4叶螺旋桨单片桨叶与冰块相互作用激励力矩时域曲线基础之上,得到螺旋桨与冰块作用的总激励力矩时域曲线和频域曲线；采用集总参数法和系统矩阵法分别构建轴系振动模型和振动方程,对未考虑冰载荷和考虑冰载荷激励力矩作用下进行了轴系振动理论计算；同时通过实船测试验证了未考虑冰载荷激励力矩作用时振动数学模型和理论分析方法的正确性,对降低船舶轴系振动和提高船舶安全性具有一定的理论指导意义。     

冰载荷下柴油机推进轴系扭振的数值方法研究

本文研究出一种可用于计算冰载荷下柴油机推进轴系扭振的数值方法。先介绍了轴系扭振Newmark时域计算方法理论,针对一个多用途船的柴油机推进轴系,应用该计算方法,对柴油机稳定运行工况下的瞬态扭振进行仿真计算,将时域与频域计算结果进行对比,验证了该数值方法的可应用性;同时,在考虑柴油机调速器的情况下,利用刚性轴模型推导出相关激励载荷,并结合上述时域方法计算了额定转速时冰载荷下轴系的扭振响应,得到了轴系的最大响应幅值,并与无冰载荷冲击下的结果进行对比分析。     

基于ANSYS的高精度管路系统抗冲击仿真方法及试验验证

针对船舶管路系统抗冲击性能仿真方法精度不足的问题,研究用于舰船管路系统的高精度抗冲击仿真方法。采用ANSYS有限元实体建模技术、冲击时域分析法对空间管路系统抗冲击性能进行研究,搭建管路系统抗冲击试验平台,对不同冲击载荷下管路系统的抗冲击性能进行试验验证,最后以舰艇典型管路系统为算例,研究三向冲击载荷作用下舰船管路的抗冲击性能。研究给出了基于接触单元、弹性约束、实体附件单元等高精确的管路建模技术,提出了船舶管路抗冲击时域仿真流程。研究表明,采用时域分析法和实体建模技术满足抗冲击仿真高精度的要求,舰船空间管路系统的横向抗冲击性能较差,法兰、直角弯管处、连接支管处等部位为管路系统薄弱结构。根据仿真结果,文章还提出了一系列用于工程实践的管路优化布置方法。     

主成分分析法激励源识别试验研究

以两端弹性支撑梁为研究对象,试验测量多激励力作用下测点的时域响应,利用主成分分析法进行激励源识别分析,验证该方法的有效性。探究识别激励源数目、主成分频谱特性及贡献率随测点分布和测点数目变化的规律。结果表明,该方法识别的激励源数目是恒定而且正确的,而主成分频谱特性及贡献率则随测点数目和测点分布的不同而有所变化。     

船体结构冰载荷的远场识别方法及试验验证

冰区航行船舶的冰载荷监测系统可实时保障结构安全.常规的冰载荷监测系统通常采用在冰区水线处布置应变传感器进行测量,然而船体结构水线处往往因水密隔舱等密闭结构而难以进入.为克服传感器安装位置的限制,本文提出一种船体外板结构远场冰载荷识别模型.采用狄拉克函数形成监测点载荷-测量点冰激应变间的Green矩阵,并用Picard准则对载荷识别系统的不适定性进行分析.同时,采用共轭梯度最小二乘迭代型算法和移动平均滤波技术提升求解精度及降低噪声信号影响,并将反演模型应用到外板结构的载荷识别试验中,反演的载荷可较好地对应上施加载荷的时域特征且载荷识别精度良好.本文提出的冰载荷识别模型是对原有冰载荷监测方案的扩展,可有效提升监测范围.     

基于频域分析的冰载荷激励下推进轴系扭振计算方法研究及工程软件开发

受全球气候变暖的影响,极地/冰区航线将在可预见的时间内成为一条连接太平洋和大西洋的新航道。在极地/冰区航行技术的研究中,冰载荷激励下推进轴系扭振计算方法的建立是该轴系设计的关键因素。论文开展了3种冰载荷工况下螺旋桨桨叶激励分析,利用Fourier变换将冰载荷时域(以螺旋桨旋转角度度量的)激励信号转化为频域激励信号。并提出在变速系统中将螺旋桨激励谐次与幅值转化为与柴油机转速相同当量系统的方法。基于冰载荷激励研究与分析成果,开发了基于频域分析的冰载荷激励下推进轴系扭振工程计算软件。这项研究为我国自主开展极地/冰区航行船舶推进轴系的研究和设计奠定了基础。     

冰载荷冲击下的船舶推进轴系瞬态扭转振动响应分析

传统的推进轴系扭转振动响应计算聚焦于稳态响应,而传递矩阵法、系统矩阵法,可以取得满意的稳态计算结果,但无法处理冰区船舶、海洋工程船舶所遇到的变载荷、变惯量等瞬态工况。为了克服频域扭振计算方法在处理瞬态条件扭振问题的局限性,使用 Newmark 法从时域求解轴系扭转振动微分方程组,基于该算法对某船推进轴系在冰载荷作用下的瞬态响应做了数值计算。其结果表明,在冰载荷冲击下,轴系瞬态扭矩比稳态扭矩大;通过时频分析,在冰载荷作用期间,出现了明显的螺旋桨叶频激励,因此须避免冰载荷激励产生轴系扭转振动的叶次共振。 Newmark 法扭振计算结果与实船测试结果对比表明,该方法在稳态响应计算和时域曲线上都与实际测量结果基本一致,具有工程实用性。     

单柱式浮式风力机动力响应数值与试验分析

以200 m作业水深的5 MW OC3单柱式浮式风力机为研究对象,采用FAST程序对其在不同海况下的运动进行全耦合时历数值计算,并与采用1∶50缩尺比模型试验所得时历结果进行对比,通过时域以及频域方法对平台主要自由度运动以及系泊拉力进行分析。研究发现:垂向运动带来的自由面记忆效应较纵向和横向小;悬链线式模型所能提供的系泊拉力较张紧式系泊提供的拉力小;风浪联合作用下,风载荷主要激励低频固有频率运动,波浪载荷则主要激励波频运动;平台纵荡和纵摇运动受系泊系统的影响较大,而垂荡运动则不受系泊系统的影响。     

导管架式海洋平台自适应预测逆控制研究

文章提出了一种新的基于动态刚度阵法的导管架式海洋平台模糊神经网络自适应预测逆控制模型。该模型是通过安放在海洋平台桩腿上的压力传感器实时采集海洋平台所受波浪力,然后应用动态刚度阵法快速而准确地计算出平台顶部的响应,再将此响应作为模糊神经网络预测逆控制器的输入信号,预测出下一时刻平台顶部的控制力来对海洋平台振动响应进行控制;同时,通过反馈的自适应预测逆控制器来减小扰动和前馈控制的误差。为了验证该模型的抗干扰能力,文中还对有随机风载荷扰动情况下的导管架式海洋平台主动控制进行了研究。最后的数值算例结果表明,文中所提出的导管架式海洋平台主动控制模型具有较强的抗干扰能力,能很好地解决控制系统中存在的时滞问题,可有效地控制导管架式海洋平台的振动响应。     

基于单水听器的移动声源运动参数估计

文章基于水声信道的多途结构,提出了一种利用舰船辐射噪声的单水听器声源运动参数估计方法。首先分析了自相关和倒谱多途时延估计方法,并针对传播水槽实验中随声源与单水听器距离增加自相关和倒谱时延峰信干比降低的问题,提出了基于自相关和倒谱的联合估计方法,提高了多途时延估计的稳健性;其次针对如何利用估计出的D-SR时延差这唯一信息进行运动参数估计的问题,通过逐步分析说明了径向匀速直线移动声源的运动参数估计问题可以在卡尔曼滤波(Kalman filter,KF)框架下进行求解;最后应用扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)和迭代扩展卡尔曼滤波(iterated extended Kalman filter,IEKF)对水槽实验数据进行处理,所得结果表明:EKF和IEKF都能利用D-SR时延差信息估计出移动声源的距离、深度和速度,并且IEKF比EKF的跟踪效果更好,证明了方法的正确性和有效性。     

基于新型磁链观测器的无速度传感器感应电机控制技术研究

提出一种由补偿式的二阶带通滤波器电压磁链观测模型,基于该补偿电压模型,构成新的磁链估计器.为了解决磁链观测器多平衡状态的问题,提出以提高磁链估计精度的方法、对不同类型感应电动机磁通观测器的控制技术进行研究.对传统的模型参考自适应速度估计方法进行改进,基于补偿式二阶带通滤波器电压磁链观测模式作为参考模型,速度估计的精度提高.同时对基于新型磁链观测器的无速度传感器感应电机控制技术进行研究,然后通过仿真验证.     

船舶自适应逆控制操舵

经典反馈控制将对象动态响应的控制和噪声的消除放在同一个过程中进行,这种方法往往会产生为了满足一个指标而牺牲另外一个指标的矛盾.本文介绍了一种新的控制方法--自适应逆控制,阐述了自适应逆控制的特点,讨论了自适应逆控制系统的三个基本单元--对象建模、逆控制器建模和扰动消除器.自适应逆控制将对象动态响应的控制和噪声的消除分开来考虑,解决了上述经典反馈控制的矛盾.在仿真软件Matlab上进行船舶自动舵仿真时,分别采用了自适应逆控制方案的ELS(增广最小二乘)算法和经典反馈控制的PID(比例积分微分)算法.仿真结果表明了自适应逆控制的优点.     

A nonlinear model reference adaptive inverse control algorithm with pre-compensator

In this paper, the reduced-order modeling （ROM） technology and its corresponding linear theory are expanded from the linear dynamic system to the nonlinear one, and H∞ control theory is employed in the frequency domain to design some nonlinear system＇ s pre-compensator in some special way. The adaptive model inverse control （AMIC）theory coping with nonlinear system is improved as well. Such is the model reference adaptive inverse control with pre-compensator （PCMRAIC）. The aim of that algorithm is to construct a strategy of control as a whole. As a practical example of the application, the nunlerical simulation has been given on matlab software packages. The numerical result is given. The proposed strategy realizes the linearization control of nonlinear dynamic system. And it carries out a good performance to deal with the nonlinear system.     

内模控制及逆系统算法在船舶运动控制中的仿真研究

针对船舶运动中多变量耦合、非线性、滞后、限幅、绿色控制等控制问题,提出运用基于逆系统方法的内模控制方法。该方法采用逆系统方法原理将船舶的非线性模型变换成伪线性模型,对伪线性模型进行内模控制。同时提出内模控制与其他控制策略相结合例如 PID 控制相结合的控制方法以期提升内模控制的控制效果。仿真结果表明,内模控制具有良好的控制效果,而且精度高,鲁棒性好,同时参数调节简单方便。     

基于自适应平方根 CKF 的多传感器混合融合算法(英文)

In the normal operation condition, a conventional square-root cubature Kalman filter (SRCKF) gives sufficiently good estimation results. However, if the measurements are not reliable, the SRCKF may give inaccurate results and diverges by time. This study introduces an adaptive SRCKF algorithm with the filter gain correction for the case of measurement malfunctions. By proposing a switching criterion, an optimal filter is selected from the adaptive and conventional SRCKF according to the measurement quality. A subsystem soft fault detection algorithm is built with the filter residual. Utilizing a clear subsystem fault coefficient, the faulty subsystem is isolated as a result of the system reconstruction. In order to improve the performance of the multi-sensor system, a hybrid fusion algorithm is presented based on the adaptive SRCKF. The state and error covariance matrix are also predicted by the priori fusion estimates, and are updated by the predicted and estimated information of subsystems. The proposed algorithms were applied to the vessel dynamic positioning system simulation. They were compared with normal SRCKF and local estimation weighted fusion algorithm. The simulation results show that the presented adaptive SRCKF improves the robustness of subsystem filtering, and the hybrid fusion algorithm has the better performance. The simulation verifies the effectiveness of the proposed algorithms.     

Uncertainty analysis of extreme mooring loads associated with environmental contours and peak tension distributions

This paper aims to assess the uncertainty on the extreme mooring loads of floating system considering short-term variability. Two environmental contour approaches based on the inverse First and Second Order Reliability Methods are employed to identify critical sea states that may give rise to extreme loads. The uncertainty related to the construction of environmental contours is addressed including significant differences due to marginal distribution fitting, parameter estimation methods and joint models. Three measured datasets are analysed using a known conditional joint distribution and proposed mixed copula model. 3-h time domain numerical simulation for each sea state is conducted and the characteristic extreme responses of mooring lines subjected to design loads are assessed. The uncertainties due to various statistical models including the average conditional exceedance rate method as well as global maxima, peak-over-threshold method combined with Gumbel distribution, Generalized Extreme Value distribution, Generalized Pareto distribution and 3-parameter Weibull distribution are investigated and quantified. It is observed that marginal distributions, joint models and parameters estimation methods have apparent effect on design loads estimation, and the extreme tensions of the semi-submersible platform shows significant difference using various probabilistic models. The results indicate that those epistemic uncertainties should be account for in the reliability analysis or safety factor calibration for mooring systems.     

互相关时延估计器的硬件设计与实现

基于互相关分析的时延估计方法是无源定位领域中一种重要的时间延迟估计算法。文章给出了基于互相关分析的时延估计方法的信号模型,研究了时间延迟估计的数字信号处理算法,在此基础上基于MSP430单片机、TMS320C54X系列DSP处理器及FPGA芯片实现了一种实时互相关时延估计器。水池试验结果表明了该时延估计器的有效性。     

An inverse finite element method for the analysis of VIV data

This paper presents an algorithm for the frequency domain solution of dynamic linear “inverse” problems, that is for the processing of measurement data (strain, acceleration etc.) acquired on a mechanical structure, in order to estimate the loads acting on the structure and its corresponding response. The problem is formulated as a constrained (force equilibrium) optimization (small deviations from measurements, small loads) problem, which is transformed into an unconstrained problem, then into differential equations. The algorithm is applied to the estimation of hydrodynamic forces induced by the shedding of vortices from an offshore oil riser.     

弹性安装设备等效总激励力的计算方法研究

针对弹性安装条件下多机脚设备总激励力估算繁琐的问题,提出一种设备等效激励力的计算方法。该方法将弹性安装的多机脚设备等效为只有一个机脚支撑的设备,将原有的多个隔振器简化为一个具有有效总阻抗的隔振器,利用原机脚隔振器上下端的响应与隔振器的有效总阻抗估算出的激励力,即可等效为该设备的总激励力。为验证该方法的准确性,利用该方法对某船用设备振动激励力进行估算。实验数据分析表明,在临界频率以内,可以忽略隔振器之间的耦合,估算值与实际测量值之间的误差小于5 dB,满足工程要求。