基于三维时域Green函数法的船舶在规则波浪中的运动数学模型

在小时间区域采用级数展开法, 在大时间区域采用渐进展开法, 在大、小时间过渡区域采用精细积分法, 对三维时域Green函数进行数值计算; 采用线性叠加原理求解船舶辐射与绕射问题, 构造出船舶在规则波浪中的运动数学模型, 并采用数值方法计算WigleyⅠ型船舶和S60型船舶以Froude数为0.2迎波浪航行时的水动力系数、波浪激励力与运动时间历程。计算结果表明: 由于不规则频率的影响, 当量纲一频率为1.7时, WigleyⅠ型船舶的垂荡附加质量计算结果比试验结果小44%, 当量纲一频率为2.5时, S60型船舶的纵摇阻尼系数计算结果比试验结果小43%;随着入射波频率的增加, WigleyⅠ型船舶和S60型船舶的水动力系数和波浪激励力的大部分计算结果与试验结果的相对误差小于30%, 且二者的变化趋势一致; 对于WigleyⅠ型船舶, 当波长与船长比为1.25时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小11.3%和4.8%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大48.4%, 纵摇幅值响应因子比试验值小48.4%, 当波长与船长比为1.50时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小3.0%和11.3%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大9.8%, 纵摇幅值响应因子比试验值小23.6%。可见, 采用三维时域方法能准确地仿真船舶在波浪中的运动时间历程。      

半潜式平台水动力参数敏感性分析

文章通过水动力分析软件SESAM主要计算了半潜式平台在不同的参数下的纵摇、横摇、垂荡等重要的水动力性能数据,同时通过与原来数据的比较得到了优化的结论,为新式浮式平台的设计提供一定的参考。     

A study of maneuvering control for an air cushion vehicle based on back propagation neural network

A back propagation (BP) neural network mathematical model was established to investigate the maneuvering control of an air cushion vehicle (ACV). The calculation was based on four-freedom-degree model experiments of hydrodynamics and aerodynamics. It is necessary for the ACV to control the velocity and the yaw rate as well as the velocity angle at the same time. The yaw rate and the velocity angle must be controlled correspondingly because of the whipping, which is a special characteristic for the ACV. The calculation results show that it is an efficient way for the ACV's maneuvering control by using a BP neural network to adjust PID parameters online.     

保吸引子的鲁棒舵减横摇

为满足单舵或联动双舵结构设计舵减摇控制时的单输入要求,使控制器对海浪的扰动具有鲁棒性,针对一类受到持续扰动的系统,提出了保吸引子扰动抑制控制概念.结合反步设计方法、Barbalat引理和Lyapunov分析方法,通过求解代数Riccati方程,得到了该系统的标量自适应鲁棒控制器;将受控系统的状态抑制在一个有界的吸引子内,利用线性矩阵不等式给出吸引子最小化的判据,优化了扰动抑制控制.以渔政船1500HP在小风浪中的弱混沌横摇现象为例,用本文设计的扰动抑制控制器作为操舵力矩进行混沌横摇控制,通过数值仿真验证了保吸引子扰动抑制控制的效果.结果表明:保吸引子控制器使横摇系统的状态快速收敛,并将其抑制在预设的吸引子内,优化吸引子控制器能使吸引子进一步压缩.     

水面高速无人艇运动极短期预报技术

采用基于时间序列的乘积季节ARIMA(求和自回归移动平均)模型以及无人艇模型规则波试验数据,研究了水面无人艇运动极短期预报技术。采用经趋势差分和季节差分后的ARMA(自回归移动平均)模型,运用最小信息准则和白噪声检验方法,验证所选择的最佳模型,并对无人艇进行了20步极短期运动预报。计算结果表明:无人艇船模加速度、升沉、纵摇的前10步短期预报最大误差均不超过6%,随着预测步数的增加,误差有扩大的趋势,加速度的后10步短期预报最大误差达到16.68%。可见,极短期预报技术有效。     

中俄原油管道地基土冻融及热学性质试验研究

中俄原油管道是我国能源战略通道之一,管道穿越大兴安岭多年冻土区,工程地质条件十分复杂,尤其是在伊勒呼里山附近,冻胀和融沉严重影响了管道的正常运营.为了研究伊勒呼里山附近多年冻土的冻融性质与热学性质,对该区段内的冻土进行冻胀、融沉及导热系数试验,并对试验数据进行回归分析与影响因素分析.研究结果表明:细粒土塑性指数小于10时,冻胀率不一定随初始含水量的增加而增加,在研究区域内进行管道垫层施工或挖填材料选择时应选用砂砾或碎石,并做好防排水措施;融沉系数随含水量的增加而增大,随干密度的增加而减小,其中粉土对融沉作用十分敏感,不适合作为管道地基,而细砾才是最佳的冻土地基;导热系数分别随总含水量和干密度的增大而增大,其中粗粒土的导热系数大于细粒土,而冻土的导热系数则比融土的高;当含水量小于10%时,融土的导热系数则高于冻土.不同试验方法所得的结果也具有显著的差异,粗粒土扰动样的导热系数宜采用热流计法测量,细粒土扰动样的导热系数宜采用热线法测量,而原状样的导热系数宜采用比较法测量.     

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。     

Four-degree-of-freedom course stability of an air cushion vehicle

A four-degree-of-freedom mathematical model was established to investigate the course stability of an air cushion vehicle (ACV). The forces of aerodynamic,propeller and rudder were obtained by wind tunnel experiments. A series of constrained model experiments with horizontal-planar-motion-mechanism (HPMM) were conducted to determine the hydrodynamics. The ACV's course stability was analyzed by using Hurwitz deter-mination method with differential equation of perturbation,and the four-degree-of-freedom cours...     

基于ABAQUS的深海采矿扬矿管纵向振动性能

为了研究复杂阶梯状扬矿管在采矿船升沉运动和海流作用下的纵向振动特性，利用连续弹性杆振动理论，对5 000 m长扬矿管纵向振动性能进行分析. 首先，根据达朗贝尔原理建立扬矿管纵向振动数学模型，采用分离变量法推导管道固有频率方程；然后，进行振型的质量归一化处理；最后，利用ABAQUS软件建立扬矿管有限元模型，对管道的纵向动态响应进行研究. 研究结果表明:扬矿管的一阶纵向共振频率处于矿区海浪能量集中的频带内，随着中间矿仓质量的增加扬矿管固有频率减小，中间矿仓质量对高阶固有频率的影响更加明显；随着海浪频率的增加，纵向振幅、轴向力和轴向应力先增大后减小，并在一阶固有频率时达到峰值，其峰值分别发生在扬矿管5 000、0、1 000 m处；随着采矿船升沉幅值的增加，扬矿管的动态响应逐渐增大，当升沉幅值大于1.5 m时，扬矿管动态响应的增长速度变缓；扬矿管发生一阶纵向共振时，振动位移和轴向力先增大后作等幅稳态振荡；随着海水深度的增加，沿管长方向的振动幅值逐渐增大，振动平衡位置发生下移，振动响应时间发生延迟，同时轴向力和轴向应力逐渐减小，且轴向应力在每两级阶梯管间急剧变大.      

Adaptive robust control for an active heave compensation system

Active heave compensation systems are usually employed in offshore and deep-sea operations to reduce the adverse impact of unexpected vessel’s vertical motion on the response of underwater instruments.This paper presents a control strategy for an active heave compensation system consisting of an electro-hydraulic system driven by a double rod actuator,which is subjected to parametric uncertainties and unmeasured environmental disturbances.Adaptive observer and discontinuous projection type updating law with bounded adaption rate are presented firstly to estimate the uncertain system parameters.Then a similar estimation algorithm is designed by using a multiple delayed version of the system to enhance the performance of parameter observation.A reduced order observer is also introduced to estimate unknown wave disturbances.Using the obtained uncertainty information,the resulting control development and stability analysis are implemented based on the Lyapunov’s direct method and back-stepping technique.The proposed controller guarantees the heave compensation error convergent to a bounded neighborhood around the origin.Simulations illustrate the effectiveness of the proposed control system.     

新型非导向防撞垫开发

为降低车辆碰撞护栏端部事故严重度,参考国内外相关标准．依据我国交通流特性,提出非导向防撞垫碰撞试验条件与评价标准,采用理论分析和实车碰撞试验相结合的技术手段．开发出一种新型非导向防撞垫．结果表明,开发的防撞垫能够防护1．5t小型车辆60km／h正面碰撞,碰撞后车辆姿态良好,车体重心X,y,Z三方向加速度最大值分别为18．9g．4．2g,6．1g．防撞垫最大动态变形为1234mm．非导向防撞垫满足评价标准要求,可弥补护栏端部安伞漏洞．     

超前支护桩桩后EPS垫层优化设置的数值模拟

出于减小高切坡超前支护桩桩身荷载、优化超前支护桩设计的目的,提出在超前支护桩后设置聚苯乙烯泡沫(EPS)垫层.运用数值模拟方法,进行了超前支护桩后设置不同厚度、不同类型的EPS垫层情形下的敏感性分析.结果表明:设置EPS垫层后,桩身所受土压力、最大弯矩、最大剪力及桩顶位移均显著减小,在0～0.8 m垫层厚度范围内,随着...     

不平整路面上的汽车动荷载

考虑汽车侧倾因素在路面不平引起汽车动荷问题中的影响,建立了4自由度车辆模型,并据此模型实例分析计算了在路面波幅一定的情况下,汽车在不同波长路面上以不同车速行驶时产生的车辆动荷载。     

单车荷载作用下T型刚构桥车致振动响应研究

根据车辆-桥梁结构振动特性,研究单车移动荷载作用下,T型刚构桥考虑桥面不平顺影响时桥梁振动响应及冲击特性。通过将T型刚构桥离散为三维梁单元有限元模型,车辆简化为九自由度整车模型（考虑车辆俯仰及侧翻）,桥面不平顺激励采用实测和数值模拟（根据国标GB／T7031—86给定功率谱密度曲线采用三角级数叠加法模拟）两种激励;以车轮与桥面相互接触处保持不脱离为条件,建立车辆与桥梁耦舍振动方程,利用模态综合法并结合Newmark—β数值积分方法进行迭代求解。以乔木湾乐安河T型刚构桥为工程背景,研究了单车荷载下,最不利位置处的冲击系数随桥梁结构阻尼、行车速度、桥面不平顺及车辆特性的变化关系,并将数值模拟结果与实测结果对比。研究结果表明,实测冲击系数与数值模拟的冲击系数较好吻合,乐安河大桥冲击系数满足04《桥规》要求。     

不同流速流向下的某型空投水雷水下散布研究

对某型空投水雷在不同流速流向条件下的水下不同深度的散布进行了仿真研究.分析了空投水雷水下无动力运动过程中雷体和尾翼的受力情况,并在运动受力分析的基础上给出了研究其水下散布的数学基础--水下无动力运动弹道仿真数模.用Matlab软件编写了空投水雷水下散布仿真程序,并对不同流速流向条件下多种初始条件的水下不同深度的散布进行了研究,给出了仿真结果和分析.     

小型固态航向姿态系统的设计与应用

随着科技的发展，航向测量系统日益小型化、智能化。小型HPR－1固态航向姿态系统就是在这种背景下研发出来的，以Honeywell公司的HMR3300数字罗盘为核心，内含单片机，外带手持显示控制器的航姿系统。该系统不仅可以完成对航向、倾斜、俯仰等航姿信号的实时采集，而且可以在进行误差补偿之后提供多路满足用户需求的数字量和模拟量的输出。该系统具有体积小、重量轻、精度高、可靠性高和使用灵活等特点，可以应用于无人机导航、车辆、轮船的航向测量等多个领域。     

基于BTT控制的UUV H∞鲁棒自动驾驶仪设计

针对基于倾斜转弯控制技术的无从水下航行器自动驾驶仪三通道之间耦合的问题,提出了应用H∞反馈控制理论对其设计的方法。根据基于过载误差描述的系统状态方程,将控制通道间的耦合因素看作有界干扰,从而对滚动、俯仰和偏航三个通道独立进行设计,并给出了该方法的具体步骤。仿真结果表明,该方法可以很好地抑制耦合干扰,满足设计指标。     

75kg／m钢轨12号菱形交分道岔强度及轨道刚度分析

运用有限单元法建模,分析扣件刚度对菱形交分道岔心轨和尖轨强度的影响以及沟槽开设方式对板下胶垫应力的影响,同时研究准静态轮载作用下轨道变形的合理性。结果表明,尖轨和心轨的强度及板下胶垫的强度均能够满足使用要求;菱形交分轨道刚度的均匀性能满足列车运行速度在120km／h及以下的使用要求。     

Application of method of fundamental solutions in solving potential flow problems for ship motion prediction

A novel panel-free approach based on the method of fundamental solutions (MFS) is proposed to solve the potential flow for predicting ship motion responses in the frequency domain according to strip theory. Compared with the conventional boundary element method (BEM), MFS is a desingularized, panel-free and integration-free approach. As a result, it is mathematically simple and easy for programming. The velocity potential is described by radial basis function (RBF) approximations and any degree of continuity of the velocity potential gradient can be obtained. Desingularization is achieved through collating singularities on a pseudo boundary outside the real fluid domain. Practical implementation and numerical characteristics of the MFS for solving the potential flow problem concerning ship hydrodynamics are elaborated through the computation of a 2D rectangular section. Then, the current method is further integrated with frequency domain strip theory to predict the heave and pitch responses of a containership and a very large crude carrier (VLCC) in regular head waves. The results of both ships agree well with the 3D frequency domain panel method and experimental data. Thus, the correctness and usefulness of the proposed approach are proved. We hope that this paper will serve as a motivation for other researchers to apply the MFS to various challenging problems in the field of ship hydrodynamics.     

CFD Simulations of Oscillating Flow around Solid and Perforated Plates

Damping plates have been used for truss spars in gulf of Mexico to reduce the heave motions. The plates are usually perforated with holes for the passage of marine risers, but the effects of the perforation have not been examined thoroughly. In the present study, a computational fluid dynamics investigation into the hydrodynamic forces is carried out by using FLUENT, which is on two-dimensional perforated plates with varying degrees of perforation in oscillating flow under small Keulegan-Carpenter (KC) number. The numerical results of the hydrodynamic coefficients are presented. The effects of both the perforation ratio (PR) and KC number on the hydrodynamic coefficients of the plates are discussed. Some results of the simulated flow patterns around the plates were also given and discussed.