基于蒙特卡洛方法的三体船侧体运动响应优化

[目的]为研究三体船侧体布置对三体船运动性能的影响,[方法]基于蒙特卡洛方法和势流理论,提出一种三体船侧体布局对运动性能影响的优化方法,给出多目标的优化模型和计算技术。首先,采用蒙特卡洛方法选取方案,并用AQWA软件(势流理论)计算不同方案的运动响应;然后,通过比较各种方案的横摇、纵摇和升沉运动响应,选取这3个指标均小于原始船型的方案为优化方案。[结果]结果表明:在规则波中,侧体位于主体舯前位置可以减小三体船的运动响应,在不规则波中,可以减小三体船的横摇运动响应;在规则波中,增大侧体与主体之间的横向距离,可以同时减小三体船的横摇和纵摇运动响应。[结论]研究三体船侧体布局对运动的影响时,采用蒙特卡洛方法和势流理论相结合的优化方法可以提高计算效率并保证计算精度。     

三体船横摇运动

介绍了关于三体船横摇运动的研究工作。采用能量法，由自由横摇衰减试验测量数据计算了三体船横摇阻尼系数，分析横摇过程中阻尼非线性作用的特点，讨论侧体横向布置位置、舭龙骨和航速对三体船横摇运动的影响，对线性、非线性方法用于预报三体船横摇运动进行比较分析。三体船模型横摇试验包括静水中的自由横摇衰减试验、规则波中的零速横摇试验。试验中通过系列变化侧体横向布置位置，并对侧体安装舭龙骨进行对比试验，研究侧体布置和舭龙骨对三体船横摇运动的影响。经与试验结果对比，本文对三体船横摇运动预报的结果令人满意。     

可调长度高速三体船的概念及水动力研究

文章提出了一种新型高速三体船,阐述了它的优点及其应用前景。以DTMB5415为基础,构造了高速三体船型,并设计了8种布置情况,然后利用CFD对高速三体船的八种布置情况和单体船匀速航行时候的水动力性能进行了计算,并分析了不同布置情况下的兴波干扰情况和阻力性能,得出高速三体船的最佳布置方案,单位排水量的阻力下降约32%。     

三体船侧体位置优化设计研究

基于二维半理论的计算软件TRIMARAN研究了侧体纵向、横向位置的变化对三体船运动响应的影响,同时研究了船体横摇惯性半径对三体船横摇性能的影响,从而提出一套三体船侧体位置优化方案。通过在低速和高速两种情况下,对三体船侧体纵向、横向位置的变化对三体船的运动响应分析,可以看出:低航速下侧体应布置于靠近主体船艏的位置,有利于三体船运动性能的提升,高航速下则应将侧体放置于主体船尾。同时,根据横摇惯性半径对三体船横摇性能的影响研究表明:三体船的横摇半径越小越能增加三体船的横摇稳定性。     

三体船阻力数值计算及方案优选

采用CFD技术模拟了船池试验三体船型在不同速度下的粘性流场,计算中考虑了自由表面效应影响,数值模拟结果与试验结果进行了比较,然后在此基础上计算了侧体对应于不同纵横向位置时的9种三体船方案的总阻力.分析比较各方案的计算结果后,得出三体船阻力性能较优时侧体布局的一般规律,即侧体纵向位置变化对三体船静水阻力性能影响较大,当侧体横向位置不变,在较高速度时侧体纵向向后布置对阻力性能更有利.最后按阻力性能,从9种计算方案中得出优选方案.     

迎浪状态下三体船垂荡和纵摇运动参数

运用基于势流理论的三维频域格林函数方法对三体船的垂荡、纵摇运动进行参数研究,讨论三体船附体位置对垂荡、纵摇运动的影响。将计算结果与实验结果进行对比,比较结果表明数值计算是可靠的。设计了十二种不同附体位置配置方案,并计算出各个方案在三个航速下的垂荡和纵摇频率响应函数曲线。计算结果表明:(1)航速对三体船的垂荡、纵摇运动影响剧烈,随着航速提高,运动幅值增加明显;(2)当三体船的航速为零时,附体位置对垂荡、纵摇的影响不明显,随着三体船航速的增加,附体位置对垂荡、纵摇影响也随之变大;(3)附体纵向位置变化对垂荡、纵摇的影响要大于其横向位置变化的影响。     

基于耐波性数值仿真的三体测量船片体布局优化研究

无人测量船装备的仪器设备对船舶运动响应相对敏感,对耐波性等方面有更严格的要求,而无人测量船的尺度相对较小,需要布置的设备较多,选用耐波性优良的三体船型作为无人测量船平台是一个的新的尝试。本文通过改变三体船的片体位置的布局来探究最佳耐波性方案,使用大型水动力计算软件AQWA,基于三维势流理论,研究了新型三体无人测量船在航状态下的频域响应和时域响应,计算了片体在不同位置的情况下频域和时域的水动力响应,得到三体船各自由度下的运动峰值对应的频率。另外本文还研究了片体的纵向布置对三体船纵摇的影响。结果表明:在大部分工况下,频域分析的运动幅度大于时域分析;在迎浪情况下,随着片体尾部距离主体尾部越来越大,该三体船纵摇幅度越来越小。     

小型三体风电维护船结构设计及强度分析

根据某小型海上高速三体风电维护船总布置要求,进行结构设计,并在不同工况组合下进行有限元计算分析。根据有限元计算结果分析其应力分布特点,特别是对连接桥高应力集中区域,制定2种不同结构调整方案,通过对2种方案强度分析比较,确定满足海上风电场使用要求的三体船结构方案。     

海上三体风电运维船阻力和运动性能综合研究

结合海上风电运维船的使用要求和三体船型特点,确定小型高速三体风电运维船船型,并寻求特定海况下阻力性能和运动性能优异的侧体布局方案。基于CFD计算静水阻力和规则波中迎浪增阻与运动响应,并预报不规则波中运动有义值和阻力值。通过比较表明,主、侧体艉部对齐时三体运维船的综合性能最优。从而为海上三体风电运维船的设计和性能预报提供参考。     

基于黏流的三体船片体布局优化

三体船片体布置对全船阻力和耐波性有重要影响。论文以一艘三体船为研究对象,采用基于黏流的naoe-FOAM-SJTU求解器预报母型船在Fr=0.18,波长-船长比为1.1时迎浪规则波中的纵摇和垂荡运动。利用船型优化软件OPTShip-SJTU,通过改变片体布置对该船的耐波性开展优化设计。为了减小计算工作量,依据优化拉丁方试验设计,批量评估水动力性能并建立克里金近似模型。通过多目标遗传算法得到优化船型,并对其进行CFD验证,以确保优化结论的可靠性。研究结果表明,合理地设计三体船主体和片体的间距可减轻它们间的兴波干扰并改善其耐波性能。     

三体船分段模型波浪载荷试验研究

三体船的主体与连接桥结构的波浪载荷特性是船舶结构设计者非常关注的问题,目前对于这些载荷特性进行较为全面的模型试验研究在国内很少。该文在拖曳水池和方形水池开展了某三体船的分段模型试验,详细介绍了分段模型的设计原则,对于纵向载荷和横向载荷的测量采用不同的分段布置形式。通过对试验数据的分析及与理论计算的对比,对三体船横摇运动非线性修正方法加以改进,同时研究了该三体船的船舯横剖面和连接桥纵剖面的波浪载荷特征,得出了一些结论,为船舶结构设计提供了确定设计载荷的依据。     

以Rankine源三维面元法求解三体船纵摇与升沉运动

为对三体船的纵摇与升沉运动进行分析,将三维面元法用于三体船在波浪中的纵摇和升沉计算。依据Rankine源格林函数,基于有航速势流理论建立理论计算模型和数值计算方法,对数学三体船型纵摇、升沉运动响应进行计算,并对计算结果规律进行分析。同时,还对其数值进行模型实验验证。根据计算结果,针对侧体布局对三体船在波浪中纵向运动的影响进行了分析。     

基于兴波干扰的三体船构型数字化优化方法

研究了基于主体、侧体间兴波干扰的三体船构型数字化优化方法。根据均匀设计原理建立了不同侧体布局的三体船模型,运用基于细长体理论的数值方法计算了各方案的兴波阻力系数。通过计算兴波干扰值,分析了三体船构型与兴波干扰的关系。最后,根据兴波干扰得出优选方案。     

超细长三体船在不规则波中的运动及载荷响应研究

以1艘超细长三体船为例,分析求解其在不规则波的运动及载荷响应。根据计算,对响应结果进行分析。计算结果表明超细长三体船片体较小,对船舶总纵弯矩及垂向剪力分布的影响较小。但由于船舶重心后移,总纵弯矩及垂向剪力的最大响应也略后移;计算得出的横向弯矩分布规律表明,三体船在船宽方向也可假设成两端简支的单跨梁,据此为校核三体船片体及主体连接结构提供依据。航速不同,导致三体船浮态不同。通过计算分析,得出适合示例三体船的最佳设计航速,可以为三体船设计提供帮助。     

超细长三体船在不规则波中的运动及载荷响应研究

以1艘超细长三体船为例,分析求解其在不规则波的运动及载荷响应。根据计算,对响应结果进行分析。计算结果表明超细长三体船片体较小,对船舶总纵弯矩及垂向剪力分布的影响较小。但由于船舶重心后移,总纵弯矩及垂向剪力的最大响应也略后移;计算得出的横向弯矩分布规律表明,三体船在船宽方向也可假设成两端简支的单跨梁,据此为校核三体船片体及主体连接结构提供依据。航速不同,导致三体船浮态不同。通过计算分析,得出适合示例三体船的最佳设计航速,可以为三体船设计提供帮助。     

基于ISIGHT的三体维护船侧体布局多目标优化研究

运用多学科设计优化平台ISIGHT针对三体维护船阻力性能和耐波性能进行侧体布局多目标优化。首先,将各侧体布局方案的CFD计算结果作为样本点,结合三体维护船的特定工作海况,运用谱分析方法预报不规则波中增阻平均值、总阻力值及纵摇、垂荡运动有义值,建立上述参数随侧体布局变化的近似模型,代替数值计算。然后,以最小化不规则波中总阻力值和纵摇、垂荡运动有义值为优化目标,以侧体纵向位置和横向位置为设计变量,采用设置权重和比例因子的方法确定目标函数,将所建近似模型作为数据库,选用多目标遗传算法NSGA-II,进行侧体布局多目标优化。最终,获得阻力性能和耐波性能综合最优的侧体布局方案。从而为海上三体风电维护船的设计和相关船型的性能预报提供参考。     

非线性兴波数值方法在高速三体船侧体布局方案比较中的应用

为使三体船侧体布局方案阻力性能比较更加可靠,对单体船非线性自由面边界条件的兴波阻力预报程序进行改进,成功开发了考虑升沉和纵倾影响的三体船非线性兴波阻力预报程序,对15种侧体布局方案的Wigley三体船兴波阻力进行计算,并将其与线性薄船理论计算结果、线性自由面条件的Dawson型方法计算结果、模型试验结果进行比较,表明非线性兴波阻力数值方法能够更好地反映三体船兴波阻力特性,用于三体船侧体布局优化设计时较其他2种数值方法更加可靠.     

超细长三体船阻力计算研究

主船体为超细长体,两侧配置两个小侧体而形成的三体船是一种很有潜力的新船型,近年来已引起了广泛的关注。本文对三体船的阻力原理进行了分析,以“相当平板”假设为基础计算摩擦阻力,采用“1＋k”的方法计算形状阻力;采用线性兴波阻力理论建立三体船的兴波阻力计算方法,提出了一套计算三体船阻力的完整方法。经与船模试验结果比较,采用本方法预报三体船的阻力,Cw的计算结果可以定性地反映侧体布置位置对三体船兴波阻力的影响,计算结果比较接近实际情况,具有一定的可靠性,可用于该船型的阻力预报。     

基于涡环栅格法的三体船斜拖水动力数值分析

以三体船的操纵性能预报为背景,基于势流理论的三维面元法,对三体船的斜拖运动进行数值模拟,并求得相应的水动力系数。将传统的运用于机翼升力计算的涡环栅格法(VLM)运用于三体船斜拖运动的数值模拟,船体表面被离散成四边形的网格,网格及尾涡面上布置一个涡环,利用船体表面不可穿透条件以及尾缘处的库塔条件对各单元涡强进行求解,求得各个分布点压强以及船体表面压力分布,并根据压力分布积分求得在不同漂角下三体船舶所受的横向力以及转首力矩。最终由计算结果,求得与漂角相关的水动力系数,并与软件计算结果进行对比分析。     

三体船操纵特性计算机数值仿真

以三体船水动力型和K、T响应型（线性和弱非线性）操纵性运动方程为理论基础,以三体船重心运动轨迹微分方程组为数值仿真基础,采用仿真计算工具Matlab软件,对三体船回转运动轨迹、操纵性曲线以及Z型操纵试验曲线等操纵运动特性诸元进行了仿真计算。通过和单体船的对比分析,所得出的计算结果比较合理,计算结果显示三体船较单体船定常回转特性有所下降,而直线稳定性有所加强,跟从性和转首性有所提高。