基于舵桨组合模型的动力定位推力分配优化策略

以多用途拖轮船为对象,针对舵桨组合模型在动力定位推力分配中的影响,研究一种舵桨组合推力可行域的凸化处理方法,将舵桨组合等效为在相同位置上两个互相独立且可行域为凸集的推进装置,从而实现其非凸推力可行域的凸化处理;并根据舵桨组合装置的特征,结合增广拉格朗日算法建立目标函数和约束条件,实现动力定位推力分配优化.对不操舵和操舵两种情况下的推力分配优化进行了实例分析,仿真结果表明:舵桨组合推力可行域的凸化处理是可行的,而且能有效地节约能耗,提高多用途拖轮船的机动性和动力定位能力.     

动力定位系统舵桨组合推力分配研究

针对船舶动力定位系统推力分配中舵桨组合的推力建模及优化分配问题,将舵桨组合的非凸推力区域转化成4个凸区域,采用切换控制理论把非线性最优化问题转换为线性最优化问题。将舵、桨组合起来进行推力建模,以最小推力、舵角变化和推力误差为优化目标,对推进器的推力变化率、舵角变化率、推力误差范围和推力大小作了约束,采用多边形的方法把推力范围约束转化为线性不等式约束,基于总功率与总推力误差在不同推力区域设计了切换逻辑,实现了在不同的推力分配器中的切换。实船试验结果表明舵桨组合推力模型及推力分配策略是切实可行的,满足了推力分配的要求,在配备舵的动力定位船上具有良好的应用前景。     

无人艇的双桨双舵推力优化分配仿真

针对无人艇的欠驱动模型特点,建立无人艇双桨双舵系统数学模型,将舵、桨组合起来进行推力建模,以最小能耗为优化目标,对推进器系统中的舵角大小、舵角变化率和螺旋桨推力大小、推力变化率作了约束,建立非线性等式和不等式约束。采用约束条件的非线性优化命令计算方法,对无人艇系统推力分配进行仿真计算。分析结果表明,在实际无人艇航行中,该方法是可靠有效的,具有较高的实时应用能力。     

矢量泵喷推进潜航器回转性能研究

泵喷推进器已经逐渐成为现代潜航器的首选,矢量推进器也在航空航天领域得到了广泛的应用。为了解决传统依赖船舵控制在低航速下控制效率低的问题以及提高潜航器回转性能,矢量推进器在潜航器上的应用已逐步成为国内外关注的热点。本文考虑大舵角（喷管偏角）下潜航器各参数非线性的影响,建立潜航器水平面操纵运动的非线性模型。通过仿真研究分析船-舵-推进器、船-矢量推进器和船-舵-矢量推进器三种不同的控制方法下潜航器在低航速、控制泵喷推进器转速、控制潜航器轴向航速三种不同条件下作水平面回转运动时的回转性能,结果表明矢量泵喷推进器可以有效改进潜航器的回转性能。     

作业型ROV矢量推进建模及推力分配方法

为了研究矢量推进遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle, ROV)的推力分配方法,根据总体结构中推进器的空间分布关系,推导出推进器推力和作用于ROV本体上合推力之间的关系,进而建立了一种过驱动ROV矢量推进系统的数学模型。在Matlab中构建了ROV运动控制的仿真模型,通过直接推力分配法验证了目标ROV矢量推进系统数学模型的准确性。提出了一种将六自由度控制量归一化和伪逆法结合使用的综合推力分配方法,通过仿真验证了该方法可有效解决直接伪逆法出现的推进器饱和问题,可直接应用于解决矢量推进水下机器人运动控制的工程问题。     

海洋工程船推力分配策略

阐述一种处理全回转推进器之间水动力干扰问题的方法。推力分配策略以能量消耗低、首向最优、推力误差小、最小化推进器最大推等为目标建立优化函数,综合考虑到推进器物理条件限制而设置动态推力区域,考虑到全回转推进之间水动力干扰而采用在推力禁区内限制推进器最大推力的方法。最后使用序列二次规划解决以上问题。仿真结果表明,限制推进器禁区内最大推力的方法降低了能量消耗,减少了推进器机械磨损,对于推力分配策略选取是一种合理有效的选择。     

矢量泵喷推进器水动力性能

传统水下航行器采用鳍舵装置控制航向和航速,舵的存在会降低推进器的进流品质,增强推进器的直发声,引起艇体产生结构振动。为解决该问题,设计一种全新的泵喷推进方式,在泵喷推进器的导管尾缘加装一段能调整和控制方向的尾喷管。基于STAR-CCM+软件进行数值计算,结果表明:该矢量泵喷推进器可产生较大的横向操纵力,可实现舵的操纵效果。     

舵前轮缘泵喷推进器的转子轴承力研究

为研究新型的舵前轮缘泵喷推进器的减振降噪效果,采用结构化网格和基于SST k-ω模型的DES模型,对舵前轮缘泵喷推进器的非定常水动力进行了计算,总结了该新型推进器的轴承力特性。先通过采用不同的边界层厚度和网格数量进行计算,总结得到了合适的数值计算方法。再通过分析舵对常规泵喷推进器的转子盘面流场和转子轴承力的影响,证明了舵的存在会增大常规泵喷推进器转子盘面流场的不均匀性和转子轴承力的幅值。最后计算了不同定子布置方式和转子叶数的舵前轮缘泵喷推进器的轴承力,结果表明该新型泵喷推进器能够有效减小轴承力。该研究结果可为进一步降低推进器的噪声提供技术支持。     

半潜式平台动力定位推力系统分配策略研究

为使动力定位推力分配系统在任何时刻均能产生定位所需的力和力矩,保证船舶处于预定位置或航向,在考虑推进器回转速度、额定功率、工作区限制和避免分配矩阵奇异值等约束条件下,采用基于序列的二次规划法在每个控制指令间隔内求解凸二次规划问题,实现了推力在不同推进器之间的最优分配,使系统的总功率消耗达到最小并有效的减少了推进器的损耗,计算实例结果验证了该方法的有效性。     

基于高速射流的喷水推进器压力腔对推力影响的探究

通过对喷水推进器进行水力学分析,建立了喷水推进器的推力模型。围绕基于高速射流的喷水推进技术,采用对比分析的方法建立了两套模型,运用仿真分析的方法和试验验证的方法分别研究了喷水推进器在有压力腔和无压力腔时推力的大小,得出了压力腔对喷水推进器推力大小影响的结论。     

船舶推进节能技术研究与进展

随着船舶燃油价格的上涨,船舶节能技术得到了广泛的关注,本文旨在介绍国内外船舶推进与节能方面的研究与进展。其中包括优秀船型的研究、开发附加流体水动力节能装置、新型高效推进器以及一些特殊船舶节能技术的研究。重点介绍了非对称尾船型、双尾鳍船型、可调距螺旋桨、对转螺旋桨、桨后自由旋转助推叶轮、舵附推力鳍以及一些特殊船舶推进节能装置的研究与应用等。     

基于CFD技术的整流鳍节能效果数值预报

针对节能装置节能效果的预报仍然依赖模型试验,数值预报方法对节能效果的预报存在较多困难的问题,提出了一种基于CFD技术的整流鳍节能效果的数值预报方法。首先,研究了整体求解船-桨-舵相互干扰的水动力性能数值计算方法,计算结果与试验值的比较显示,该数值计算方法具有较好的计算精度。然后,采用上述方法预报了船-桨-舵-整流鳍相互干扰的水动力性能,通过比较有整流鳍和无整流鳍两种情况下,螺旋桨吸收单位转矩所发出的推力,分析了整流鳍的节能效果,得到了节能效果较优的整流鳍,其综合节能效果可达2.78%,从而为船舶节能装置的节能效果预报提供了一种适用的理论研究方法。     

结合功率管理推力分配策略研究

由于动力定位对船舶的推进能力要求比较高,所以采用动态性能更好的电力推进方式已经成为了动力定位船舶的优先选择。对于电力推进船舶来说,推进器是其最大的负载,以起重船为研究对象,除了推进器以外,船上还有起重机和绞锚车等大功率负载。当船上其他大功率负载突然启动或者工作在风浪较大的环境时,会造成整个船舶电网功率波动较大,影响整个船舶电网的稳定性。文章提出自适应组合推力偏置结合功率管理分配方法,当船舶电网功率波动较大时,释放偏置的推力,降低整个船舶电网的功率波动,有助于增强电网的稳定性。     

Circular motion tests and uncertainty analysis for ship maneuverability

Circular motion test data and uncertainty analysis results of investigations of the hydrodynamic characteristics of ship maneuvering are presented. The model ships used were a container ship and two tankers, and the measured items were the surge and sway forces, yaw moment, propeller thrust, rudder normal and tangential forces, pitch and roll angles, and heave. The test parameters were the oblique angle and yaw rate for the conditions of a hull with a rudder and propeller in which the rudder angle was set to zero and the propeller speed was set to the model self-propulsion conditions. Carriage data showing the accuracy of the towing conditions in the circular motion test are also presented. It was confirmed that the uncertainties in the hydrodynamic forces such as the surge and sway forces, yaw moment, rudder tangential and normal forces, and propeller thrust were fairly small. The reported uncertainty analysis results of the circular motion test data may be beneficial in validating data quality and in discussing reliability for simulation of ship maneuvering performance.     

降低船体振动的桨舵偏置设计方案

采用比水面船舶常规桨舵配置多一只舵或少一二只舵，通过合理布置桨舵相对位置，以降低船舶的振动和噪声、提高船舶推进效率、提高船舵控制航向的性能。此方法特别对水面船舶设计有实用价值。     

均流中大型集装箱船桨舵干扰粘性流场的数值计算研究

应用FLUENT软件的滑移网格技术,实现了均匀来流中的桨舵干扰粘性流场计算。考察了桨推力、舵受力,桨舵周围的速度、压力分布。为尝试预报舵空泡性能,还考察了桨舵间距变化对舵面上的压力分布的影响,取得了与舵空泡观察试验一致的结果。本项工作为船后桨舵干扰粘性流场计算提供了基础。     

基于体积力法的半悬挂舵和全悬挂舵回转性对比

针对半悬挂舵和全悬挂舵回转性能差异问题，建立用于模拟螺旋桨推力的体积力模型，评估两种不同形式舵的回转性。对标模KCS船型回转运动进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟，船后螺旋桨作用使用体积力模型替代。开展半悬挂舵回转性CFD模拟，并与试验结果对比验证。设计全悬挂舵并模拟其回转性，与半悬挂舵回转性进行比较。结果显示，半悬挂舵除战术直径与试验结果相差9.48%外，其他回转特性参数与试验结果相差均在3%以内，说明基于体积力法模拟回转性具有较高的可信度。全悬挂舵的回转特性参数均优于半悬挂舵，说明全悬挂舵的回转性能更佳。     

新型船舶运动控制平台及海上试验

研制出一艘以水动力学相似准则缩尺的无人驾驶遥控模型船，模型船装有PC／104为主控计算机的船舶控制器，模型船由岸上主PC机遥控，用Honeywell公司的HMR3000碰罗经测量航导，用差分GPS系统定位，自主控制和推进，该遥控篡自治船舶运动控制已经进行了两次海上试验并取得成功，本文介绍该平台的系统设计，控制系统硬件和软件和海上试验经。     

基于分离涡模拟的对转舵桨水动力性能数值分析

基于OpenFOAM 软件平台,采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)模型,结合滑移网格方法,对一组对转桨和对转舵桨的水动力性能进行数值预报,并利用快速傅里叶变换(FFT)对推力系数进行频谱分析。对转桨数值计算结果与模型试验结果比较,推力、扭矩系数以及推进器效率的误差分别在3%、2%和5%左右,验证了该数值方法的可行性。对转舵桨数值计算结果提示:压差阻力是吊舱和立柱阻力的主要成分,在立柱的前端存在回流,对立柱的优化设计可以从这两方面入手;立柱和吊舱的存在能够减小轴承力导致的振动。