一种有效的船舶混沌运动自适应控制方法

针对船舶航行中的混沌运动控制问题,对部分参数不确定的船舶操纵运动非线性模型,提出一种有效的自适应控制方法。基于Lyapunov稳定性理论,证明在本文所提控制器作用下,系统的平衡状态渐进稳定。仿真实验表明,采用本文所提方法能够对船舶转首操纵运动中出现的混沌状态进行有效控制,具有计算量小、方法有效、易于实现等优点。该方法不受系统不确定参数变化的影响,具有良好的应用价值。     

纵浪上基本参数共振对船舶稳性的影响

本文建立了在纵浪上航行船舶的非线参数激励横摇运动方程。     

船舶在纵浪中的运动稳性分析

基于非线性动力学理论，分析船舶在纵浪上的运动响应和运动的稳定性。首先建立描述船舶在纵浪上运动的垂荡—横摇耦合运动方程，利用多尺度法，求得垂荡—横摇耦合运动的亚谐共振解。其次，对船舶运动的稳态响应进行稳定性分析，得到亚谐共振情况下，船舶运动稳态响应的分布图，并揭示了船舶运动的某些非线性特征。     

规则纵浪中船舶参数激励横摇运动研究

考虑船舶横摇运动中恢复力矩及阻尼力矩的非线性,建立船舶在规则波浪中参数激励下的非线性横摇运动方程,并对规则纵浪中船舶参数激励横摇运动进行研究,探讨船舶发生参数激励横摇运动的条件及大幅横摇的动力学特征,分析船速、波高及波长等因素对参数激励横摇运动的影响。     

规则纵浪中船舶参数激励横摇运动的鲁棒控制

为有效控制船舶在参数横摇运动中的失稳状态,根据规则纵浪中船舶参数横摇系统的非线性数学模型,设计了一种具有鲁棒性的非线性控制器.采用精确反馈线性化方法将纵浪中船舶参数横摇系统的非线性模型线性化,然后用闭环增益成形算法设计出非线性鲁棒控制器.在考虑不同的干扰和模型摄动情况后进行了仿真试验.仿真结果表明该控制策略对于船舶参数横摇系统十分有效,且鲁棒性能令人满意.算法的设计过程简单,物理意义明显.     

船舶横摇混沌阈值的数值方法研究

为计算梅尔尼科夫函数的简单零点,文章比较分析了两种数值算法:类帕德逼近和高斯—勒让德积分,作为验证,计算了某激励频率下系统的李雅普诺夫指数谱。然后选取某型船,采用梅尔尼科夫函数方法计算了横摇动力系统的混沌阈值,观察了横摇系统的安全池随外激励增大而逐渐破损的过程,并追踪了破损域中某点的相轨迹。研究计算表明:类帕德逼近可以较精确地得到同(异)宿轨道的参数方程,但在方程的设解形式上需要一定的技巧性,且计算量较大;高斯—勒让德积分不关注参数方程具体形式,处理简单,便于工程计算。     

Backstepping的船舶运动RBF-NN稳定性控制研究

针对船舶运动的非线性模型,设计了一种船舶航行的稳定性控制算法。首先将被控系统分解成与系统阶数相同的子系统,然后利用Backstepping技术,分别为每个子系统设计虚拟控制律,迭代得出虚拟输入控制律,其中的非线性未知函数用RBF-NN逼近,随着迭代次数的增加利用一阶低通滤波器解决计算量膨胀问题。最后通过Lyapunov第二判断法分析验证控制系统的稳定性,基于MATLAB仿真试验,结果表明该方法能够实现船舶航行的稳定性控制。     

船舶在随浪中的运动与横甩预报

本文在水平的随船坐标系下,建立了船舶在波浪中的六自由度操纵运动方程。进行船舶在波浪中的回转运动和Z形操纵运动模型试验,验证数学模型的正确性。通过不同波浪和航速条件下船舶Z形操纵运动的模拟计算,预报船舶在随浪中的横甩,预报结果与试验结果比较一致。     

基于随机Melnikov方法的甲板上浪船舶混沌运动研究

应用随机Melnikov方法和庞加莱截面研究甲板上浪时船舶的混沌运动。考虑甲板上浪对船舶静稳性的影响,建立随机横浪中船舶横摇运动方程。由随机Melnikov过程结合均方准则确定船舶产生混沌运动的参数域,计算不同参数域中船舶横摇响应的庞加莱截面和时间历程。结果表明,增加船舶阻尼将抑制混沌运动的发生。甲板上浪时船舶横摇响应的庞加莱截面上有两个吸引域,船舶运动过程有两个横摇中心。在非混沌参数域中,船舶只围绕其中的一个横摇中心运动;在混沌参数域中,发生由一个横摇中心到另一个横摇中心的随机跳跃。     

船舶电力系统的混沌振荡分析

为了研究船舶电力系统在周期电磁扰动下发生混沌振荡的规律,应用Poincare映射法给出了系统发生混沌的必要条件,同时应用Lyapunov指数判别系统在扰动下的动态行为,得出了系统发生混沌时扰动幅值和扰动频率的取值范围.仿真结果表明,Poincare映射法简单直观,可以给出系统运行的具体形式,同时和Lyapunov指数法相结合可以为抑制或消除船舶电力系统中的混沌提供数值计算依据.     

顶浪规则波中小水线面双体船纵向运动特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,采用Overset技术处理船体运动,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中运动响应特性及其产生机理的研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了本文方法的有效性;在此基础上,分析了船体运动响应曲线中各峰值产生的原因及片体间相互干扰对SWATH船在波浪中运动响应的影响,发现其中一个峰值出现的原因为遭遇频率接近船体运动固有频率,由此发生共振;另一个峰值的出现则可能与SWATH特殊的船型及附体配置有关.由于SWATH船片体间的水动力干扰效应,SWATH船在波浪中运动响应峰值较单个片体响应峰值明显减小,且出现的位置向低频方向移动.     

Influence of varying restoring moment curve on parametric roll motion of ships in regular longitudinal waves

This paper examines the influence of stability characteristics on roll motion in the main parametric resonance region. For this purpose, parametrically exited roll motion was modeled as a single degree of freedom system considering heave and pitch effects by means of time varying restoring moment. In addition, restoring moment variations in waves with respect to time and instantaneous roll angle was modeled analytically using the restoring moment curves for the wave crest and wave trough conditions. Roll responses were evaluated in frequency domain by solving the model with an averaging method. Notable correlation between the stability of roll responses and moment curves were observed. The results revealed that, the ratio of metacentric height (GM)between the wave trough and wave crest affects the stability of the trivial solution. Furthermore, the shape of the restoring moment curves in wave trough and wave crest conditions affects the stability of the non-trivial solution or, in other words, the pitchfork bifurcations.     

迎浪船舶的参数横摇分析

  目的  参数横摇是船舶在波浪中的特殊失稳现象,现有研究认为,波浪经过船体时稳性参数的变化是激发船体横摇的主要原因,但其力学机理并不明确。  方法  首先,基于惯性坐标下的垂荡和纵摇耦合运动方程,以及船体坐标下的横摇运动方程,建立垂荡、纵摇和横摇的混合动力学模型;然后采用所提出的摇荡耦合切片计算方法,数值计算船舶参数横摇运动,分析数值计算的横摇运动规律,并基于能量原理提出发生参数横摇的衡准。  结果  研究结果表明,船舶发生参数横摇的力学机理是,在横摇角增大过程中回复力矩系数吸收的能量小于横摇角减小过程中回复力矩释放的能量;发生参数横摇的衡准是,回复力矩系数一阶谐波分量的相位角位于[0,π]内。  结论  明确参数横摇力学机理有助于深入认识参数横摇失稳模式的物理本质,提出的参数横摇衡准对于船舶第2代完整稳性衡准的制定具有参考意义。     

舰船操纵运动时高频波浪力的算例

  目的  切片理论方法在舰船耐波性设计中有着广泛的工程应用,该方法是针对切片平均位置来计算水动力,本质上缺少船体垂荡、纵摇与横摇的运动耦合性。为有效耦合船体垂荡、纵摇与横摇的运动,  方法  基于广义纵倾角和广义吃水增量的参数,以及船体坐标系下瞬时波面方程的解析表达式,以满足波面处压力为零的条件修正波面下压力分布的计算公式（史密斯效应）;基于波面方程和压力分布修正公式,给出瞬时波面下船体切片的静水力与傅汝德-克雷洛夫波浪扰动力之和的计算方法,惯性水动力和阻尼力则采用经验公式估算。建立船体垂荡、纵摇与横摇耦合的时变系数动力学方程,采用AutoCAD图形面域技术开发计算软件,数值计算规则波浪中舰船的耦合摇荡运动。  结果  数值计算结果表明,大波高时横摇幅频曲线呈现出较为显著的因摇荡耦合导致的非线性效应,同时在横摇共振区内有明显的波浪传播方向的横摇偏摇现象。  结论  所得计算方法对于舰船高海况下的耐波性预报将产生积极的作用,计算软件可以作为耐波性设计选型的评估手段。     

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。     

顶浪规则波中小水线面双体船纵向运动特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,采用Overset技术处理船体运动,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中运动响应特性及其产生机理的研究。通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了本文方法的有效性;在此基础上,分析了船体运动响应曲线中各峰值产生的原因及片体间相互干扰对SWATH船在波浪中运动响应的影响,发现其中一个峰值出现的原因为遭遇频率接近船体运动固有频率,由此发生共振;另一个峰值的出现则可能与SWATH特殊的船型及附体配置有关。由于SWATH船片体间的水动力干扰效应,SWATH船在波浪中运动响应峰值较单个片体响应峰值明显减小,且出现的位置向低频方向移动。     

Stochastic averaging for estimating a ship roll in random longitudinal or oblique waves

In this work, the C11 container ship is taken as an example to analyze its rolling performances in random longitudinal or oblique waves. Firstly, a dynamic model of C11 roll in random waves is improved, and it is verified by the model test and numerical simulation. Mathematically, this dynamic model is a one-dimensional stochastic differential equation with random parametric (and external) excitation. Secondly, an enhanced stochastic averaging method is proposed to solve this stochastic differential equation. The validity of the solutions was verified by Monte Carlo simulation. At last, the probabilistic characteristics of the extreme rolling response were investigated based on the calculated results using enhanced stochastic averaging method. According to the analysis, some advices for ship's manoeuvring can be put forward when ships are navigating in random waves.     

Coupled motions of two ships in irregular waves in time domain

A three-dimensional time domain approach is used to study the coupled motions of two ships with forward speed in waves. In this approach, the boundary condition is satisfied on the mean wetted hull surface of the moving bodies and the free surface condition is linearized. The problem is solved by using a transient free-surface Green function source distribution on the submerged hulls. After solving the response amplitude operator, the method of spectral analysis is employed to clearly express the motion energy spectrum and significant amplitude of two ships. For verifying the code, two same circular cylinders at beam wave are selected to calculate coupled motions by comparison with the results obtained by 3D frequency method which has been proved to be efficient for solving such problems.Two Wigley ships of different sizes with the same forward speed are chosen for numerical calculation of the interaction effect, and some useful suggestions are obtained for underway replenishment at sea.     

横向规则波作用下的船舶倾覆

运用安全池理论研究了某近海干货船在横向规则波作用下的船舶倾覆问题.用阿当姆斯预估-校正法数值求解时域内单自由度非线性横摇方程.采用三维格林积分方程法计算水动力系数的频域特性.分析了非线性横摇方程中势流阻尼、非线性阻尼以及在横向规则波作用下波高和频率对安全池的影响.