基于RANS和非线性动力学方法的海洋平台供应船水舱减摇预报

在探讨带平面被动式减摇水舱的海洋平台工作船在横浪中的减摇问题上,采用RANS方法进行船舶和水舱的强迫运动模拟,通过数值处理得到船舶和水舱的水动力系数。假设在共振频率下船舶和水舱的横摇运动在达到稳态后可以解耦,由非线性动力学的方法求解船舶横摇运动,并在波浪中进行系列模型试验以研究减摇特性。海洋平台工作船具有多工况的特点,不同载况对应不同船舶固有周期,实际航行中对减摇水舱的使用就是通过改变水舱水深使水舱的周期等于船舶固有周期,而通过上述方法的快速计算,选择合适的水深和阻尼隔板可以达到理想的减摇效果。结论表明该方法可以预报不同方案下的船舶横摇运动,该思路在船舶的减摇水舱设计阶段可以提供参考价值,并且在实船航行中可以提供水深加载指导以适应复杂的多工况航行。文中研究结果被运用于一艘实船航行时水舱加水策略中。     

基于Matlab的船舶减摇水舱自动控制与仿真研究

稳定性是船舶航行质量的重要指标,远洋航行的船舶受到海风、海浪的影响,往往会发生横摇、振荡等运动。其中,横摇是指船舶在风浪作用力下产生的周期性摇摆运动,甚至会引起船舶发生倾覆等危险事故。因此,船舶工业领域投入了大量的物力、财力开发船舶的减摇装置,常见的减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱等。减摇水舱依靠船舶横摇运动的能量使水舱内的水流动,产生的力矩可以有效地降低船舶横摇,具有结构简单、成本低、易于控制等优点,广泛应用于集装箱运输船、科学考察船等。本文针对船舶的减摇水舱,在仿真平台Matlab中研究了减摇水舱的自动控制系统,并进行了减摇水舱的结构优化设计和控制响应的仿真。本研究对改善船舶减摇水舱的自动化水平,提高结构强度有一定的指导意义。     

平面纯被动减摇水舱设计研究

海洋工程船的减摇是适应其服务的海洋与气象环境的实际需要,关系到海工船工作效率、舒适性和安全性。阐述了横摇的减摇基本原理、减摇的运动微分方程式并编制了适用于平面纯被动减摇水舱的计算程序;分析了自摇周期的经验公式的适用性,以及不同减摇水舱尺寸、不同介质对减摇效果的影响;通过对PSV(海洋平台供应船)和AHTS船(多功能海洋锚作拖船)的减摇计算与分析,展望了纯平面减摇水舱实际使用的前景。     

JD槽型水舱特性和减摇性能预报

槽型减摇水舱尺度的变化对船横摇运动有一定的影响。根据上海交大船舶流体力学研究室槽型减摇水舱模型试验的结果,给出JD槽型水舱的阻尼系数值。 用渡边理论和Conolly理论计算了不同排水量和横摇周期时,船装槽型减摇水舱后的横摇响应曲线。用ITTC双参数海浪谱预报了不同有义波高时水舱的减摇效果。 通过回归分析给出槽型水舱减摇效率的计算公式,并与试验资料进行了比较,表明计算公式是满意的。 给出船在安装JD槽型水舱计算减摇效率的公式和图谱以供初始设计时使用。     

可控被动式减摇水舱随机控制策略研究

在"船舶-可控被动式减摇水舱"系统数学模型基础上,根据安装减摇水舱的船舶在随机海浪作用下的横摇运动特点,利用成型滤波器以及在线辨识方法对"船舶-可控被动式减摇水舱"系统横摇运动进行预报,并利用预报信息以及实时测量信号对减摇水舱内液体进行控制,实现船舶横摇运动与水舱内液体运动的相位控制,使减摇水舱在不同航态以及不同海情下均有较好的减摇效果.     

U型水舱在船舶中的垂向布置问题

基于“船舶－被动式U型减摇水舱”系统运动微分方程，分析了U型减摇水舱在船舶中的垂向位置对船舶横摇质量惯性矩、横摇复原系数、横摇固有频率、船舶与水舱的耦合惯性矩等系统方程参数及对船舶横摇运动和舱内液体运动的影响。结果表明，水舱垂向位置高船舶横摇中心越远，由舱内液体引起的船舶横摇质量惯性矩和横摇复原系数越大，船舶横摇固有频率则越小。而耦合惯性矩则随水舱布置高度的变化呈减小的趋势。对于各种不同类型的船舶，存在一个使舱内液体不发生振荡的奇异位置，这时水舱不产生任何的减摇效果，船舶的横摇运动与不安装水舱时相同。利用我校所研制的减摇水舱模型性能摇摆台进行了水舱模型不同垂向布置时的强迫振荡试验，试验结果与仿真结果具有很好的一致性。指出了除水舱固有频率和水舱阻尼外，水舱在船舶中的垂直方向位置也是影响水舱减摇性能和船舶减摇后的横摇运动的主要因素之一，在减摇水舱设计初期应当予以考虑。     

变周期减摇水舱控制与仿真

减摇水舱的设计首先要考虑与船体的适配,同时在设计中要重点考虑水舱的阻尼与周期特性,其中周期特性是水舱最基本的特性参数,适用周期范围越宽,减摇效果越理想。针对变周期减摇水舱的相当长度与一般U型水舱相当长度计算的不同之处——其连通道宽度可调且边舱面积随边舱外壁角变化而变化,通过积分方法推导出了可变周期减摇水舱相当长度的计算公式,提出了一种适用于变周期减摇水舱的估算方法。所设计的变周期减摇水舱采用连通道挡板控制改变周期,避免了气阀控制的时间延迟问题,还可根据船体运动规律调整连通道阻尼挡板以提高减摇效果。以某型船为例,建立了船舶减摇水舱仿真模型。经减摇水舱自由衰减振荡数值仿真方法验证,所提出的周期估算公式可靠。采用该模型研究了变周期减摇水舱的控制方法,结果表明,在其工作范围内,可使横摇角始终保持在8°以内,可以在5.5～18 s的周期范围内有效减摇,大大超过了被动式减摇水舱的工作频带。     

高冰级破冰船大洋航行耐波性能衡准分析

基于切片理论对一艘新型破冰船的运动响应进行分析,采用计算流体力学(CFD)方法对船体自由横摇衰减进行模拟,得出其无因次衰减系数,进而对船舶在各海况下的典型航态进行耐波性分析和短期预报,比较相关耐波性衡准,确定船舶航行过程中遇到的危险工况和晕船概率,并对比船体加装减摇水舱前后的横摇运动响应.结果 表明,该船型线特殊,耐波性较差,在5级海况、横浪条件下,垂荡响应最为明显,且加速度均方根值最大;随着浪向角的改变,横摇有义最大幅值可能达到14.68°,并超出衡准,纵摇有义幅值维持在1.98°以下,且响应变化并不显著;在迎浪状态下航行2h以上容易出现晕船现象,应尽量避免.此外,加装减摇水舱前后船体的运动响应差异明显,减摇水舱的应用效果显著.     

油田守护船减摇水舱设计

为提高油田守护船上船员生活的舒适性和安全性,提升船舶的作业效率,要求船舶具有较好的耐波性。以某油田守护船为例,通过为其设计矩形减摇水舱,减小船舶的横摇幅值,适当增大横摇周期,减少甲板上浪,提升船舶的耐波性。阐述矩形减摇水舱的力学模型和设计原理,并根据设计原理给出该型船舶的可自动调节液面矩形减摇水舱设计方案;通过减摇水舱模型试验和船模水池试验,论证减摇水舱对提升船舶耐波性的真实有效性。通过在船舶试航过程中对减摇水舱系统数据进行收集,证明该型船舶的可自动调节液面矩形减摇水舱设计是成功的。     

海工辅助船可控被动式减摇水舱设计

为减小船舶摇荡,特别是横向摇荡,在提高船舶安全性的同时满足乘客对船舶舒适性的要求,以海工辅助船为研究对象,设计一种可控被动式减摇水舱。按照"双共振"原理,考虑海工辅助船在海上作业时所处的各种环境,以U型可控被动式减摇水舱为基本模型,根据固有周期的经验估算公式,计算出减摇水舱的基本参数,设计轻型海工辅助船减摇装置,并对其效果进行分析。研究结果表明,采用该减摇装置能达到较好的减摇效果。     

基于万吨溢油回收船的平面被动式减摇水舱优化及模型试验研究

为了进一步掌握平面被动式减摇水舱中水位变化对减摇效率的影响规律，为减摇水舱总体设计提供参考。根据目标船和减摇水舱结构特点，选择5档水舱水位和无水状态分别进行静水横摇衰减模型试验、规则波模型试验和4级海况不规则波模型试验，针对减摇水舱水位变化对目标船固有周期、阻尼特性、减摇效率的影响规律进行分析，确定最佳水位区间。研究结果表明，水舱水位增加对目标船横摇固有周期和阻尼系数都有影响，水舱水位在水舱总高50%以内，减摇效率随水位增加而提高，在50%~60%之间减摇效率最高，超过60%时，减摇效率有降低趋势。     

利用台架试验结果计算装有减摇水舱的船舶的横摇响应

本文介绍一种方法,即用被动式水舱台架试验结果来计算被减摇的船舶对横浪的横摇响应。文中指出,装有U形管减摇装置的船舶横摇运动方程,只要稍作修改,就可以合理的精度描述裝有任何类型减摇水舱的船舶的特性。上述方程包含水舱的三个未知数,根据台架试验结果可予以决定。对大多数水舱来说,可以在设计阶段用这种方法足够简单而精确地预测被减摇的船舶运动。     

基于万吨溢油回收船的平面被动式减摇水舱优化和模型试验

为进一步掌握平面被动式减摇水舱内水位的变化对减摇效率的影响规律,以某万吨级溢油回收船为研究对象,选择5档水舱水位和无水状态分别进行静水横摇衰减模型试验、规则波模型试验和4级海况下的不规则波模型试验,对减摇水舱内水位的变化对目标船固有周期、阻尼特性和减摇效率的影响规律进行对比分析。研究结果表明:水舱内的水位增加对目标船的横摇固有周期和阻尼系数都有影响;当水舱内的水位在水舱总高的50%以内时,减摇效率随水位的增加而提高;当水舱内的水位在水舱总高的50%~60%范围内时,减摇效率最高;当水舱内的水位在水舱总高的60%以上时,减摇效率有下降的趋势。     

减摇水舱台架系统中横摇阻尼的模拟实现

在减摇水舱台架模拟实船运动过程中，横摇阻尼的模拟是个技术难点。给出了船舶横摇阻尼和阻尼模拟的理论基础，提出了一种新的阻尼模拟方法，并对阻尼模拟在规则波和不规则波下进行了仿真。结果表明此模拟方法具有可行性，最后应用到减摇水舱台架系统中，实验证明方法行之有效，从而在此基础上做横摇、横荡实验，为实船装备减摇水舱提供试验数据。     

大型船舶综合减摇系统的研究

本文在分析船舶的综合减摇问题以及船舶主要减横摇装置的优缺点的基础上,针对船舶的减横摇问题,兼顾船舶的静倾问题,提出了可应用于全工况下的船舶综合减摇系统.综合减摇系统是由减摇鳍、减摇水舱和抗静倾平衡水舱组成的.这种综合减摇系统既综合了鳍与水舱的优点,又克服了减摇鳍和减摇水舱各自的缺陷.以高速滚装船为例,建立了"船舶-减摇鳍-被动式U型水舱"系统的运动方程并进行了计算机仿真.通过对仿真结果的讨论和分析得到如下结论:这种综合减摇系统具有良好的减摇能力;在各种航态下(包括零航速)都能达到减摇要求;综合减摇系统的减摇性能远远好于单独使用减摇鳍和减摇水舱的性能.船舶综合减摇系统的提出为大型船舶的综合平衡开辟了新途径,这种设计方法对大型水面舰船、尤其对有舰载机的船舶及两栖作战舰船的综合减摇具有重要意义.     

船舶横倾姿态动态调整控制设计与仿真

针对船舶航行过程中,由于不均布载荷和随机海浪的作用导致发生不规则横倾运动的问题,通过集成横摇模型和减摇水舱控制系统,建立Matlab下的船舶浮态调整仿真模型。该模型控制系统采用PID控制算法,通过调整水舱水量保证船舶竖直的浮态位置。同时,分析不同遭遇角、波高下的海浪对船舶姿态的影响,并在该模型基础上设计了Kalman滤波器来滤除波浪干扰信号,确定船舶在不均布载荷作用下的真实横摇角度,证明Kalman滤波的实用性。通过比较仿真结果和理论计算值,确定横倾模型的正确性,同时验证该控制系统有利于提高船舶的横倾稳定性和安全性。     

参数频率响应法在"双水舱"系统中的应用

使用两个具有不同固有频率的被动式U型减摇水舱能给横稳心高变化范围很宽的船舶提供很好的减摇效果,本文给出了参数频率响应法,推导了装备两个具有不同固有频率的被动式U型减摇水舱的船舶横摇频率响应函数,分析了影响船舶横摇频率响应幅值的水舱参数。通过仿真详细研究了水舱参数对船舶横摇减摇的影响。研究结果对于双被动式U型减摇水舱的设计具有重要的指导作用。     

船舶可控被动式减摇水舱的试验研究

可控被动式减摇水舱是一种新型高性能的船舶减摇装置,它是对被动式减摇水舱的一种改进.通过对气体的受力进行分析,推导了气阀的控制方程,在查德惠克U型被动式减摇水舱理论的基础上,建立了"船舶-可控被动式减摇水舱"系统的数学模型,推导了最佳控制策略的理论依据,当横摇角度与边舱液位的相位差成90°时,可控被动式减摇水舱能够得到最大的减摇力矩,减摇效果最佳.通过摇摆台试验确定了水舱模型的固有周期,实现了气阀开启和关闭的最佳控制问题,为实船装备可控被动式减摇水舱提供了试验数据和参考依据.     

破冰船减摇水舱设计

减摇水舱是一种常用的船舶减摇装置,设计时首先要考虑与船体的适配,再尽可能增大减摇水舱的工作频段,以期保证减摇水舱在各种工况下的减摇效果。以某破冰船为例,梳理了该船减摇水舱的设计过程,首先提出减摇水舱的初步方案,再通过理论计算和模型试验,验证和优化减摇水舱的设计,进而指出了破冰船减摇水舱与一般船舶的差异,需注意破冰船舷侧大尺寸结构件对减摇水舱减摇效果的影响以及设计建议。     

U型减摇水舱模型试验与数值仿真

减摇水舱是目前船舶最常用的减摇装置之一,它具有结构简单,造价低廉,便于维护与保养等优点[1,2],普遍应用于 RORO船、科学考察船、公务船、运输船等。目前研究水舱的主要方法是台架试验和船模模型试验,本文针对1500吨海监船做了岸上摇摆台试验,以确定减摇水舱的固有周期接和模拟规则波下的抗摇力矩。由于岸上试验耗时长、代价高[3],本文采用CFD数值方法对水舱的自由衰减和强迫振荡进行了仿真计算,通过与试验值对比发现,CFD计算结果吻合较好,证明了CFD方法在模拟水舱摇摆台试验中的可行性。