船舶运动的复杂动力特性在我国的研究进展

综述了国内采用非线性动力学理论和方法，研究船舶运动的复杂动力学行为方面的进展．特别总结了在船舶非线性耦合运动、横浪运动、纵浪上参数激励运动和波浪上参数与波浪联合激励运动方面的研究现状及取得的主要成果，介绍了船舶在随机横风横浪中安全池的分析方法及采用Melnikov方法研究船舶倾覆运动特性取得的进展．最后。对船舶非线性运动及其倾覆机理的研究前景做了展望．     

船舶多摆稳性

通过船舶横摇运动微分方程的解，引入虚静倾角概念，讨论连续单摆运动的摆幅曲线，提出船舶的多摆稳性问题，并对“红星２８３”客船船模倾覆试验有关结果进行分析，进而探索船舶倾覆机理。     

波浪激励下红土镍矿运输船舶倾覆机理

选取具有典型流态化货物特征的红土镍矿、高岭土与红砂土进行了临界含水率和流态化试验, 测定了其临界含水率; 利用激励横摇装置开展了不同激励幅值与频率的激励横摇运动试验, 对比了3种不同货物在不同含水率下倾覆力和力矩的时历特性; 设计了倾覆机理试验, 选择临界含水率红土镍矿作为试验样本, 在波浪水槽中造波激励舱段横摇运动, 再现了红土镍矿运输船舶的倾覆过程, 利用高速摄像机记录了自由液面变化情况, 通过图像处理技术对自由液面进行分割, 根据自由液面情况分析了红土镍矿运输船舶倾覆过程中舱段的浮心和重心变化。试验结果表明: 红土镍矿、红砂土、高岭土的临界含水率分别为33.6%、22.0%、39.4%;对于具有不同性质的土, 在相同激励条件下, 晃荡力与力矩呈现出不同的性质; 当相位差为90°与270°时, 不对称力矩较相位差为0°与180°时增大4.37倍; 红土镍矿运输船舶倾覆主要原因为流态化货物晃荡导致横摇力矩增大、动稳性降低而发生倾覆, 同时, 晃荡力矩与货物性质、激励周期、黏性、激励幅值等多种因素有关。     

关于船舶参激横摇船模试验的数据分析

对参激横摇船模试验的数据进行了分析，结果表明：船舶在不同吃水时，或具有不同船型的船舶都有可能出现参数共振现象；参数共振横摇的摇幅可能比主共振横摇摇幅更大，但其频率范围较窄；参激横摇幅频响应曲线具有某些非线性特征，如曲线的倾斜和跳跃现象，这与理论分析是一致的．试验结果还表明该项试验可重复进行，在试验中采用柱形船模有一定的合理性．     

工程船舶作业力矩作用下的横摇运动

应用时域分析法求得了工程船舶在作业力矩作用下的横摇脉冲响应函数，应用１２艘工程船模型横摇水动力系数试验值，计算了横摇响应的运动历程，为此类船舶的横遥角计算和设计提供了依据。     

高速集装箱船舶在海浪中的安全性研究

理论计算方法预报高速集船舶在波浪中的运动规律，讨论船速，波浪 遭遇角及波浪周期对船舶产生剧烈运动的影响和导致高速船在斜浪航行中经以大的横摇运动的原因根据研究，提出确保高速集装箱船舶在海浪中安全航行的具体措施。     

破损进水船非线性横摇系统的数值仿真研究

建立了破损进水船在风浪中的非线性横摇运动数学模型,利用混沌数值方法对具有II类舱进水舱的破损船在规则波激励下的横摇运动进行数值仿真,并探讨不同参数对破损船横摇运动混沌参数区域的影响.结果表明破损船的横摇运动具有不同的运动形式,其运动可能是单频的,也可能包含超谐、次谐以及组合频率等丰富的频率成份,在一定的参数条件下其运动还可能为混沌的.     

风帆助航船舶运动模型

分析了处于复杂环境下的风帆受力, 给出了风帆在最佳攻角下的受力函数。基于船舶运动与主机转速之间的耦合关系, 得出了船舶主机输出转矩与油门杆位置的拟合函数。以76 000DWT大型远洋散货船“文竹海”号为研究对象, 根据实船参数建立了4自由度的风帆助航船舶运动模型。仿真结果表明: 添加风帆后船舶速度增大, 横摇角减小, 但偏航增加。添加风帆后, 在相同时间内船舶行驶的里程、最佳攻角下的船速与横摇幅度都随风速的增大而增大, 但横摇角小于15°, 在安全范围之内。可见, 船舶运动模型符合实际船舶运动规律, 是有效的。     

晃荡冲击影响下的潜艇运动实用稳定性分析

液舱内自由液面的晃荡会影响船舶的稳定性。通过引入实用稳定性的概念,研究了在晃荡影响下的潜艇运动实用稳定性。利用计算流体力学软件对潜艇横摇过程中液舱的液面晃荡进行了模拟计算,根据仿真结果,分析了液舱晃荡对潜艇稳定性的影响,建立了液舱晃荡和潜艇横摇运动的耦合作用模型。通过数值仿真,验证了在液舱晃荡影响下的潜艇横摇运动系统的实用稳定性,从而证明了该方法的可行性。     

用横摇周期检验船舶稳性的实用研究

用实测不规则中的船舶平均横摇周期并参照许用最大横摇周期和常大横摇周期，检验船舶稳性的原理和实际应用。     

Slamming and Green Water Loads on Bow-Flare Ship in Regular Head Waves Investigated by Hydroelasticity Theory and Experiment

With the development of ships towards large scale, high speed and light weight, ship hydroelastic responses and slamming strength issues are becoming increasingly important. In this paper, a time-domain nonlinear hydroelasticity theory is developed to predict ship motion and load responses in harsh regular waves.Hydrostatic restoring force, wave excitation force and radiation force are calculated on the instantaneously wetted body surface to consider the nonlinear effects caused by large amplitude motions of ship in steep waves. A twodimensional(2 D) generalized Wagner model and a one-dimensional(1 D) dam-breaking model are used to estimate the impact loads caused by bow flare slamming and green water on deck, respectively; the impact loads are coupled with the hydroelastic equation in time-domain. Moreover, segmented model tests are carried out in a towing tank to investigate the wave and slamming loads acting on the hull sailing in harsh regular head waves and also validate the numerical results.     

大倾角搁浅船舶扳正过程分析

在研究大倾角搁浅船舶的扳正过程中, 计算了难船扳正力、横倾角和吃水。根据搁浅船舶的受力特点, 建立了其力学模型, 分析了扳正过程中横倾角、吃水、入泥深度与海底泥土性质对船体的影响。利用GHS软件模拟搁浅船舶的扳正过程, 以某搁浅液化气船舶为例, 求解了其扳正过程中船体扳正力、总搁坐力、剪力、弯矩和转矩, 比较了难船不同扳正方案, 分析了难船的扳正方式、搁坐位置、上层建筑与储气罐对难船打捞的影响。分析结果表明: 在扳正过程中, 3个方案的力学参数的变化趋势是一致的。最大扳正力相差较大, 差值为9.1%~20.0%。搁坐力、剪力和弯矩均在横倾角为-55°~-50°时达到最大值, 船体虽然在该阶段不需加载较大的扳正力, 但仍应该注意船体的受力情况。在横倾角为-120°~-100°时, 转矩变化非常剧烈。弯矩和转矩均出现了反向变化的现象, 威胁船体结构的安全, 扳正中应该谨慎处理。选择合适的扳正方案时应该综合考虑扳正力施力点的位置和扳正过程对船体与环境安全的潜在威胁。     

带二维装箱约束的客货滚装船配载决策

客货滚装船长期处于人工配载状态，其独特性导致其无法直接采用已有滚装船配载方法.为提高客货滚装港口配载的决策水平，针对配载过程的两阶段和二维装箱特性，以船舱面积利用率最大为目标，构建客货滚装船配载决策模型.为实现大规模求解，设计偏随机密钥混合遗传算法求解，算法由多阶段启发式嵌入偏随机密钥遗传算法构成.多阶段启发式首先通过首层配载、主体配载和补充配载三段启发式完成初始解构造，其次采用横纵倾优化策略调整船舶稳性.算例研究表明，偏随机密钥混合遗传算法表现良好，且在大规模应用实验中鲁棒性较好，可实现客货滚装船的有效配载.     

带二维装箱约束的客货滚装船配载决策

客货滚装船长期处于人工配载状态,其独特性导致其无法直接采用已有滚装船配载方法.为提高客货滚装港口配载的决策水平,针对配载过程的两阶段和二维装箱特性,以船舱面积利用率最大为目标,构建客货滚装船配载决策模型.为实现大规模求解,设计偏随机密钥混合遗传算法求解,算法由多阶段启发式嵌入偏随机密钥遗传算法构成.多阶段启发式首先通过首层配载、主体配载和补充配载三段启发式完成初始解构造,其次采用横纵倾优化策略调整船舶稳性.算例研究表明,偏随机密钥混合遗传算法表现良好,且在大规模应用实验中鲁棒性较好,可实现客货滚装船的有效配载.     

搁浅船舶扳正过程计算方法

为了研究搁浅船舶的打捞, 计算了船舶扳正过程中搁坐力和纵倾角的变化, 分析了船舶舱室内的自由液面在搁浅船舶扳正过程中的作用。根据搁浅船舶的受力特点, 建立了其力学模型。针对传统搁坐力计算方式的缺点, 利用GHS软件模拟搁浅船舶的扳正过程, 并以某搁浅船舶为例, 求解该过程中各搁坐点的搁坐力、总搁坐力、横倾角和纵倾角。通过仿真模拟, 比较了船舶不同搁浅状态的扳正过程, 分析了搁坐点位置、吃水、船体型线和船舶重力分布对搁浅船舶受力和姿态的影响。分析结果表明: 搁坐点位置相对分散或船体吃水较深时, 船体的纵倾角变化相对较小, 变化量为其他类型的0.1%~2.0%;搁坐点关于船舯非对称产生的总搁坐力变化量相对搁坐点关于船舯对称产生的总搁坐力较小, 前者变化量为后者的35%~65%;舱室内自由液面的存在加大了搁浅船舶打捞的难度, 因此, 在制定打捞方案时应该着重考虑其影响; 施工过程中也应控制搁浅船舶翻转的速度, 避免阻碍扳正工作或对船舶产生进一步的破坏。     

船舶倾斜对不同行人流疏散效率影响的数值分析

为研究船舶倾斜对船上人员疏散过程的影响,在基础社会力模型中引入行人倾斜力和自调整力,构建一种考虑船舶倾斜状态的改进社会力模型,通过比对前人实验结果验证模型的有效性.增加行人视角范围,确定周围行人作用的有效范围;结合MATLAB仿真单向、对向、交叉和多向行人流场景,分析不同倾斜状态对行人疏散速度的影响,并拟合疏散时间随倾...     

基于AIS数据的船舶安全航行水深参考图

通过挖掘海量AIS数据, 提出了一种新的航道水深信息获取方法, 即构建船舶安全航行水深参考图; 采用数据预处理的方法对历史与在线的AIS数据进行清洗和修补, 生成船舶运动轨迹; 选定船舶航行区域的时间与经纬度, 采用K-means聚类算法对船舶航行过程中的吃水数据进行聚类分析, 得到不同安全航行区域的船舶分类, 运用BP神经网络模型预测并补齐AIS数据中缺失的船舶最大吃水信息; 分割船舶历史轨迹, 当子轨迹的时间间隔在10~20min时, 采用Spline插值方法对船舶轨迹中的丢失数据进行插值; 采用凸包构建同类船舶的安全航行水深区域图, 将不同吃水类型船舶的安全航行水深区域图合并, 得到船舶安全航行水深合并图; 将不同吃水类型的船舶安全航行水深合并图与航道图叠加, 得到船舶安全航行水深参考图。试验结果表明: 当聚类算法参数设置为4时, 聚类后得到4类船舶, 对应的船舶最大吃水范围分别为0.1~4.8、4.8~6.6、6.6~10.0、10.0~13.0m, 对应的至少可通航船舶吃水分别为1.8、2.4、3.3、5.0m, 说明船舶最大吃水与至少可通航船舶吃水呈正相关关系; 构建的船舶安全航行水深参考图在电子航道图中覆盖了86%的航道, 并与航道图的深水部分重合率为80%, 因此, 构建的船舶安全航行水深参考图能反映航道水深的真实情况, 满足不同类别船舶的导航需求。     

基于AIS数据的受限水域船舶领域计算方法

为获取受限水域船舶领域, 提出一种利用海量AIS数据建立模型的方法。选取目标船舶的AIS数据, 将其附近水域网格化, 考虑了船舶尺寸, 计算了他船船体出现在每一个网格中的频数, 提取单船网格频数图, 将同一类型的目标船舶网格频数图叠加, 形成了特定类型船舶的网格频数图。将网格频数图按频数填充颜色, 可清晰地显示船舶领域的形状, 利用断面分析测量船舶领域长度。选用上海港南槽水域的AIS数据对方法进行验证, 统计了60~79、80~99、100~119、120~139、140~159m共5类不同长度船舶的船舶领域。分析结果表明: 由于考虑了船舶尺寸, 5类船舶的领域在长轴方向较船首向存在向左舷偏转的夹角, 角度分别为3.37°、9.46°、17.53°、10.78°、8.13°; 船舶领域长度与船舶长度的比值依次递减, 比值分别为6.00、5.80、5.67、5.43、5.13。可见受限水域内船舶领域形状为不规则椭圆, 且船舶领域长度与船舶长度的比值并非为定值。     

基于神经网络稳定自适应的欠驱动水面船舶编队控制方法

考虑具有不确定动态和外界环境干扰的欠驱动水面船舶编队控制问题, 提出一种基于领导/跟随和目标跟踪机制的神经网络稳定自适应控制方法。基于目标跟踪误差设计了运动学跟踪控制器, 推导出跟踪误差的动力学方程, 并利用自适应神经网络估计动力学方程中的不确定项, 构造了神经网络稳定自适应动力学跟踪控制器。应用Lyapunov稳定性理论和串接系统稳定性定理设计了船舶控制器, 并计算了自适应律, 在线调整神经网络权值, 保证编队控制闭环系统跟踪误差一致最终有界。以3艘船舶组成的编队为例, 对控制方法进行了仿真验证。在曲率半径为3倍船长的圆形跟踪路径上, 转向角误差小于15°, 队形跟踪误差的F-范数小于1m;在直线跟踪路径上, 转向角误差小于1°, 队形跟踪误差F-范数小于0.1m。     

干散货运输船舶投资订购的内在影响机制

应用动态计量经济理论与方法, 研究了干散货运输船舶订购的内在影响机制, 分析了3种主要干散货船型的新船价格、二手船价格和期租金率与新船订购量之间的动态关系。研究结果表明: 不同船型的新船价格之间、二手船价格之间均不存在协整关系, 而各种船型的订购量、新船价格、二手船价格和期租金率之间存在协整关系; 船舶订购量与期租金率负相关, 与新船价格正相关; Capsize型船舶的二手船价格与其订购量正相关, Panamax型船舶的二手船价格与其订购量负相关, Handymax型船舶的二手船价格与其订购量关系不显著; 各种船型的期租金率对于船舶订购量的冲击最大; Handy-max型船舶的新船造价对于订购量的冲击在各类船舶中最小; Panamax型船舶的二手船价格对于订购量的冲击是正向的, 而Capsize型船舶和Handymax型船舶二手船价格对于订购量的冲击是负向。