基于扩张状态观测器的小水线面双体船终端滑模控制

针对小水线面双体(SWATH)船运动控制问题,设计了带有扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)的终端滑模控制器。首先,针对SWATH船在随机海浪作用下的运动问题,建立了带有系统复合扰动的非线性运动模型;进而,考虑到系统存在的参数摄动和海浪扰动的复杂性、随机性,将系统分为内环观测器和外环控制器分别设计;利用一个线性ESO对系统的复合扰动进行估计,并在外环终端滑模控制器中进行补偿;最后,利用Lyapunov理论得到了系统的渐进稳定结论。仿真结果表明,带有ESO的终端滑模控制方法能够有效实现SWATH船的运动控制,线性ESO能够准确估计出系统的复合扰动,且终端滑模控制器能够使系统状态快速收敛。     

鳍参数对某型SWATH船纵向运动稳定性的影响分析

小水线面双体船的控制鳍对其纵向运动稳定性影响较大。本文在SWATH船纵向运动稳定性判定的基础上,以某型SWATH船为例,分析了控制鳍的安装位置、鳍面积等参数变化对其不同航速时纵向运动稳定性的影响。分析结果对SWATH船控制鳍的设计使用具有一定的参考。     

鳍结构对SWATH船纵向稳定性及运动性能的影响

针对保持SWATH船纵向运动稳定鳍的结构尺寸难以确定的特点，从实船对鳍的展长和弦长取值的约束条件出发，利用计算机仿真出SWATH船在40kn的航速范围内保持纵向运动稳定的鳍结构尺寸的变化范围，然后，从这一范围内确定出不同航速且具有一定运动性能要求的鳍尺寸变化范围。以此为基础仿真出了对应于不同航速SWATH船在静水中的升沉和纵摇运动性能指标的变化范围。结果表明，此方法直观、有效，能初步确定稳定鳍尺寸并分析静水中鳍尺寸对SWATH船运动性能影响。     

小型高速SWATH船下体型线研究

根据帐篷函数法和切片理论分别编制了SWATH船的阻力、纵向运动理论预报程序,理论计算值与试验数据相一致.针对小型高速SWATH船主机置于下体后,下体型线的3种典型变化情况,理论分析了下体型线改变对SWATH船的阻力及纵向运动性能的影响,并对其做出综合评价.     

基于多目标遗传算法的SWATH船稳定鳍优化设计

针对稳定鳍的各参数对SWATH船纵向运动性能具有较大影响的特点,建立了稳定鳍的多目标优化模型,并运用基于Pareto解的多目标遗传算法对其求解.然后,以SWATH-6A为例对稳定鳍进行了优化设计.从仿真结果来看,在相同条件下优化得到的稳定鳍能使SWATH船具有更好的纵向运动性能.因此,本文的优化方法是合理的、有效的,有一定应用价值.     

SWATH船运动中断分析和减横摇控制器设计

针对SWATH船实航时产生的水平筛动问题,研究由横荡、横摇和艏摇的耦合运动产生的船舶运动中断(MII),提出设计SWATH船稳定鳍减横摇控制器,减小MII。通过理论分析MII产生原因和SWATH船稳定鳍工作时产生减摇作用的力和力矩特性,验证利用稳定鳍减小SWATH船横摇运动,抑制MII的可行性。在保证SWATH船升沉和纵摇运动的基础上,设计稳定鳍减横摇控制器,减小SWATH船横摇。仿真结果表明,控制器使SWATH具有良好的纵向运动性能,有效减小了横摇运动,抑制MII。     

小水线面双体船稳定鳍装置航行试验研究

小水线面双体船(SWATH)是一种新型高性能船舶,文章对小水线面双体船的运动方程进行简单分析,对SWATH船稳定鳍装置进行实船性能试验,试验结果表明,稳定鳍装置调整船舶纵倾的能力满足设计要求,能够有效改善SWATH船纵向运动的稳定性。     

SWATH纵向运动稳定性分析与航行姿态控制研究

论文参考水翼艇运动方程对SWATH(小水线面双体船)纵向运动进行了理论推导,得出了特征方程。将该方程应用到了某型SWATH中,对该船光体的纵向运动稳定性进行了预报分析。结合空气动力学提出了稳定鳍的设计方法,并对稳定鳍和船舶光体耦合后的运动稳定性进行了预报分析。通过对两次预报结果的分析比较,证明了采用固定式稳定鳍调节SWATH航行姿态的可行性。     

小水线面双体船耐波性能CFD不确定度分析

基于ITTC推荐的CFD不确定度分析规程,开展基于RANS方程的小水线面双体船(SWATH)波浪中纵向运动计算结果的不确定度分析。分别验证计算模型的网格收敛性和时间步长的收敛性,发现相比于网格的疏密,该数值求解模型对于时间步长更为敏感。通过与试验数据进行对比,计算结果基本得到确认,并由此建立了顶浪规则波中SWATH船纵向运动数值计算结果的确认等级。在此基础上,进一步开展了该SWATH船在2个波高多个波长条件下的运动求解,计算结果均与试验结果吻合较好,说明所采用的数值计算模型对于求解SWATH船在波浪中的运动问题具有较好的适用性和可靠性。     

小水线面双体船螺旋桨脉动压力预报方法研究

小水线面双体船(SWATH)因其优异的耐波性能成为当前重要的高性能船舶之一。针对某SWATH试验船,分别采用经验公式估算方法、CFD数值计算方法和船模试验测试方法对其螺旋桨脉动压力进行了预报分析。结果表明,SWATH船在无空泡状态下螺旋桨脉动压力整体较小,在早期设计阶段可以用常用的经验公式进行初步估算;CFD数值计算方法能满足实际工程需要,为SWATH船螺旋桨脉动压力计算和艉部振动控制提供了参考。     

SWATH船纵向运动的分数阶PIλDμ控制

针对小水线面双体船(SWATH)的纵向运动稳定性问题,对某SWATH船设计了一种分数阶PI^λD^μ控制器。首先,在控制器设计过程中,引入ITAE准则获得分数阶PID控制器的优化参数,并以类似方式得到优化参数的最优PID控制器。然后,以SWATH船为研究对象,分别采用分数阶PI^λD^μ控制器和最优PID控制器对其等效Nomoto模型和考虑风浪干扰后的模型进行仿真研究。最后,对它们的控制性能及控制能量消耗进行比对分析。通过分析发现,本文所提出的分数阶PI^λD^μ控制器的控制效果明显优于最优PID控制器,且分数阶PI^λD^μ控制器更为节能。     

SWATH船纵向运动的分数阶PI~λD~μ控制

针对小水线面双体船(SWATH)的纵向运动稳定性问题,对某SWATH船设计了一种分数阶PIλDμ控制器。首先,在控制器设计过程中,引入ITAE准则获得分数阶PIλDμ控制器的优化参数,并以类似方式得到优化参数的最优PID控制器。然后,以SWATH船为研究对象,分别采用分数阶PIλDμ控制器和最优PID控制器对其等效Nomoto模型和考虑风浪干扰后的模型进行仿真研究。最后,对它们的控制性能及控制能量消耗进行比对分析。通过分析发现,本文所提出的分数阶PI~λD~μ控制器的控制效果明显优于最优PID控制器,且分数阶PIλDμ控制器更为节能。     

小水线面船的运动稳定性

SWATH运动稳定性的分析计算在运动方程基础上进行。本文给出小扰动运动方程组。潜体产生的 Munk力矩是导致 SWATH纵向和横向运动稳定与否的重要因素。本文讨论了不带鳍的本体纵向稳定条件 ,以及稳定鳍在增稳和改善运动品质上的作用和优选方法。横倾运动稳定性初步分析时忽略相对高阶小量 Cn,特征方程自然去耦而分解成两个二次方程式 ,便于计算分析。通过目标船的实例分析 ,证明了鳍的作用不单是增稳且能改善运动品质。 Cnβ 是一关键导数 ,直接影响航向稳定性 ,甚至导致横甩。如应用导管螺旋桨将有利于改善稳定性。试验一再表明 :试验结果与计算结果的符合程度让人满意。     

新型综合科学考察船(SWATH)综合航行性能优化设计研究

2500吨级新型综合科学考察船采用小水线面双体船(SWATH)船型,系目前中国自行研究、设计的排水量最大的SWATH.围绕该船设计要求及具体特点,应用中国船舶科学研究中心在SWATH研究领域的最新研究成果一大型化、浅吃水SWATH船型优化设计及性能预报技术,对该船设计开展了系统的综合优化研究.文中给出了针对新型综合科学考察船的优化设计结果,并给出了有关优化方案的阻力、耐波性及自航模型水池试验结果,验证了该船优良的综合航行性能.     

小水线面双体船纵向运动稳定性的简化判据及分析

本文根据劳斯判据分析了小水线面双体船（SWATH）静水纵向运动方程的稳定性，给出了适合于工程应用的纵向运动稳定性简化判据和临界巡航速度的计算方法。通过对三艘SWATH的实例计算，讨论了船形以及鳍的尺度、纵向位置和组合形式的变化对纵向运动稳定性的影响，提出了一种较完善的提高SWATH纵向运动稳定性的途径。     

小水线面双体船在波浪中的运动响应预报

用切片理论方法发展了SWATH船耐波性预报程序，提供了390t方案的油田小水线面交通船计算分析结果，包括规则波中纵向运动频率响应函数的计算及不规则波中各种海况下的运动有义值预报。     

迎浪规则波中小水线面双体船纵向运动及波浪载荷非线性特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中纵向运动及波浪载荷的非线性特性研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了文中方法的有效性;在此基础上,较为系统地分析了SWATH船的垂荡及纵摇运动响应、垂向加速度和波浪载荷的一阶及二阶量随入射波高的变化规律,指出SWATH船的运动响应及载荷与波高存在非线性的关系,尤其体现在响应共振区附近;相比于船体垂荡和纵摇运动,垂向加速度及波浪载荷的非线性特性更为显著.     

小水线面双体船型线设计方法研究

本文在分析小水线面双体船(SWATH)型线特征的基础上,按横剖面形状对SWATH进行分类,并给出相关设计参数.在给定主尺度的情况下,首先生成初始的中横剖面,经修改至满意的形状后,生成初始的横剖面面积曲线和支柱厚度分布曲线,此时可改变曲线的型值点及首尾切向矢量来控制前体、后体形状及平行中体的长度,也可指定排水量和浮心坐标对曲线进行局部调整,按调整后的横剖面面积曲线和支柱厚度分布曲线便可插值生成一系列沿船长方向的横剖面,实现了数学船型的表达.针对其中最为典型和实用的圆弧直线形SWATH船,文中给出了详细的设计方法.利用objectARX,在AUTOCAD环境下进行了软件开发,实现了SWATH船型线的快速设计.该软件采用面向对象和设计模式的思想,具有良好的可扩展性.最后通过对一系列SWATH船的设计,证明了本文方法的正确性和软件实用性.     

迎浪规则波中小水线面双体船纵向运动及波浪载荷非线性特性数值分析（英文）

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中纵向运动及波浪载荷的非线性特性研究。通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了文中方法的有效性;在此基础上,较为系统地分析了SWATH船的垂荡及纵摇运动响应、垂向加速度和波浪载荷的一阶及二阶量随入射波高的变化规律,指出SWATH船的运动响应及载荷与波高存在非线性的关系,尤其体现在响应共振区附近;相比于船体垂荡和纵摇运动,垂向加速度及波浪载荷的非线性特性更为显著。     

一型小水线面双体船的水动力性能与结构设计

简要介绍了中国船舶重工集团公司(CSIS)建立和发展的一种小水线面双体船(SWATH)优化设计工程技术系统.主要包括SWATH船型的概念设计、主尺度与线型优化、有效功率预报、纵向运动稳定性校验及稳定鳍设计、耐波性预报、结构载荷评估、波浪中的船体结构动、静响应分析等有关设计、预报与评估的系统方法.并以一型1500吨级小水线面双体型海洋调查船设计和评估为例对有关设计方法进行了说明和验证,在该船设计中,采用线性和非线性三维水弹性理论来预报载荷与评估在波浪中航行船体的结构安全性,同时在中国船舶科学研究中心(CSSRC)的拖曳水池与耐波性水池中进行了阻力与自航、耐波性与操纵性、波浪载荷等船模拖曳及自航试验.文中还给出了该船有关优化设计及模型试验结果.