基于有限元分析的船舶零航速减摇鳍升力机理研究

减摇鳍是船舶应用最为广泛的主动式减摇装置,其在船舶高速航行时具有良好的降低横摇的功能。但是,当船舶航行速度较低或者零航速驻停时,减摇鳍的效果会大打折扣,因此,研究船舶零航速时的减摇鳍升力机制,使减摇鳍在船舶零航速下仍具有良好的减摇效果是国内外的研究重点。本文基于有限元分析技术,建立船舶减摇鳍的升力函数模型,研究了船舶零航速时的减摇机理,并在此基础上设计了船舶零航速下的减摇鳍系统。     

特种减摇装置的升力模型优化

减摇鳍是一种特种减摇装置,它在船舶减摇装置中占有重要地位,本文首先对低航速减摇鳍在水中运动所受的作用力进行分析。其次,利用计算流体力学仿真软件Fluent对减摇鳍在低航速状况下进行仿真分析,并利用Matlab拟合出低航速减摇鳍的动态升力模型。最后,对拟合出的动态升力公式进行验证。结果分析表明:拟合出的动态升力公式可以很好的反应减摇鳍在低航速海况下进行主动拍击过程所产生的升力,可以为舰船在低航速海况下设计减摇控制系统提供一定的参考。     

鳍/被动水舱联合减摇理论研究

本文在综合分析减摇鳍与被动减摇水舱两种减摇装置的优缺点的基础上,考虑某些特殊用途的船舶以及一些大型的军用舰艇在全航速下对船舶平衡要求较高的情况,采用了一种优良的全航速下的减摇方案--减摇鳍与被动水舱联合减摇装置.这种减摇装置将减摇鳍与被动水舱有效结合,有效地克服了减摇鳍与被动水舱的缺点,同时也放宽了对鳍静特征数的要求,这对于装有不可收放式减摇鳍的船舶具有实际意义.针对上述联合减摇装置建立了船舶/减摇鳍/水舱的数学分析模型,并进行了分析讨论.通过对一实船的理论计算,结果表明:鳍/被动水舱联合减摇方案与其它减摇装置相比有明显的优越性,这种装置弥补了减摇鳍和减摇水舱具有的缺点,为船舶减摇提供一种减摇的方法.同时,可在此基础上增加装置的功能,达到一定的经济性.     

零航速减摇鳍鳍型参数估算方法

零航速减摇鳍具有双重工作模式,不同生力机理使其流体动力特性存在本质差异,从而导致二者对鳍型参数要求截然不同,为满足零航速模式需求,零航速减摇鳍大多选用小展弦比鳍型,但亦给常规减摇模式带来诸多不利影响.通过分析展弦比、翼梢形状等因素,从双模式对鳍型参数的实际要求出发,应用线性系统理论、对抗控制原理,提出适用于零航速减摇鳍的尺寸参数估算及综合评定方法,得出不可收放式零航速减摇鳍的最佳展弦比范围,为工程化设计提供了必要的理论依据.     

减摇鳍控制策略优化

横摇是对船舶航行影响最大的运动,为减少船舶横摇人们发明了各种减摇手段,减摇鳍是其中最有效的一种。为提升减摇鳍的减摇效果,探索更优化的减摇鳍控制方法,文章主要研究减摇鳍的鳍角反馈与升力反馈之间的区别。研究结果表明:采用升力反馈可以避免采用鳍角反馈控制减摇鳍时在鳍角与升力计算中所产生的映射误差,避开了鳍角与升力间转换的不确定性,提高了减摇效果。     

大型船舶综合减摇系统的研究

本文在分析船舶的综合减摇问题以及船舶主要减横摇装置的优缺点的基础上,针对船舶的减横摇问题,兼顾船舶的静倾问题,提出了可应用于全工况下的船舶综合减摇系统.综合减摇系统是由减摇鳍、减摇水舱和抗静倾平衡水舱组成的.这种综合减摇系统既综合了鳍与水舱的优点,又克服了减摇鳍和减摇水舱各自的缺陷.以高速滚装船为例,建立了"船舶-减摇鳍-被动式U型水舱"系统的运动方程并进行了计算机仿真.通过对仿真结果的讨论和分析得到如下结论:这种综合减摇系统具有良好的减摇能力;在各种航态下(包括零航速)都能达到减摇要求;综合减摇系统的减摇性能远远好于单独使用减摇鳍和减摇水舱的性能.船舶综合减摇系统的提出为大型船舶的综合平衡开辟了新途径,这种设计方法对大型水面舰船、尤其对有舰载机的船舶及两栖作战舰船的综合减摇具有重要意义.     

船舶减摇技术现状及发展趋势

传统的船舶减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱、舵减摇、减摇陀螺、减摇重块等,本文介绍了这些传统的减摇装置的发展现状及近年来出现的新型减摇装置,包括零航速减摇鳍、舵鳍联合减摇、舱鳍联合减摇、Magnus效应回转轴减摇、减纵摇、船舶姿态控制系统等,并对未来的新型减摇装置进行了预测。     

升力/鳍角综合控制减摇鳍的研究

理论上升力反馈控制减摇鳍可屏蔽鳍角反馈控制减摇鳍在鳍角与升力计算中的映射误差,但在实际应用中,升力鳍系统的升力检测问题和传感器的安装问题存在一些技术难点,并不能达到理论上的减摇效果。升力/鳍角综合控制减摇鳍系统应用了信息融合技术,综合了升力和鳍角传感器所提供的局部信息,消除信息之间的冗余和矛盾,利用信息之间的互补来获得对升力信号的相对完整一致的描述。建立了系统的模型,并用该控制方法对系统的融合和减摇效果进行了仿真。结果表明,这种控制系统在各种海况下都能达到减摇要求,而且减摇性能也好于单独使用鳍角反馈和升力反馈的控制系统。     

仿生减摇鳍升力数学模型的全局误差与稳定性

研究了零航速时仿生减摇鳍产生升力的数学模型,讨论了Weis-Fogh 机构如何旋转才能产生船舶减摇所需要的指定升力,其基础为Weis-Fogh 机构理论.首先把问题转化为求解微分方程问题,依据吕卡提方程,给出模型周期解的存在性和稳定性条件;然后采用单步Runge-Kutta方法求出模型的数值解,并分析数值解的全局误差;最后给出保证数值解稳定的条件,并用相应的数值试验予以验证.     

升力反馈控制减摇鳍系统

对减摇鳍的静态、动态水动力特性进行了分析研究,指出影响鳍的动态升力特性的本质原因.讨论了传统的鳍角反馈减摇鳍设计原理存在的问题,指出鳍角反馈在运动过程中不能正确反映鳍的动态水动力特性.在鳍角反馈的基础上,提出了升力反馈控制方式,通过直接测量鳍上的动态升力作为系统的反馈信号.以某型船的减摇鳍设计参数为参考,采用升力反馈控制,以必要的工程条件为限制条件,进行了角度反馈控制与升力反馈控制的对比仿真试验研究.仿真结果对比显示升力反馈控制可以有效弥补鳍角反馈控制方式存在的控制偏差,使减摇鳍系统的综合减摇能力得到显著提高.     

仿生减摇鳍升力模型的数值模拟及分析

船舶在系泊或低航速状态下,发动机主机停止工作,船舶失去自控方向能力,船体随波浪左右摇晃,比航行时摇摆更为剧烈。因此,研究零航速减摇鳍非常重要。文章研究零航速时仿生减摇鳍产生升力的模型,其基础为Weis-Fogh机构理论。首先讨论如何旋转才能产生给定的升力。依据吕卡提方程理论,给出模型周期解的存在性和稳定性条件 采用单步Runge-Kutta方法求出模型的数值解,给出保证数值解稳定的条件。     

大型船舶综合平衡方法研究

本文对大型船舶的减横摇问题进行了讨论,并着重对各种减摇方法优缺点进行了分析.在此基础上针对大型船舶的减横摇并兼顾船舶的横倾问题,提出采用减摇鳍、减摇水舱和抗静倾的平衡水舱组合船舶综合平衡系统.经过分析和讨论,这种综合系统具有明显的优越性.     

Research on roll stabilization for ships at anchor

With the increasing importance of ocean exploitation, providing anti-rolling stability for ships at anchor has become more and more important. The lift-generation theory of traditional fin stabilizers is based on incoming flow velocity, which is not suitable for explaining lift generated at anchor. We analyzed non-steady flows, with forces on fin stabilizers generated by non-incoming flow velocity conditions, and gave a new lift-generation model. The correctness of the model was proven by comparing experimental results of fin stabilizer motion under non-incoming velocity conditions from the fluid computation software with that from the emulator of the lift-generation model. Finally, the model was used in an anti-rolling system on a ship and the reduction of roll was much better than what could be achieved by passive anti-rolling tanks.     

船舶力控减摇鳍模糊控制器设计及稳定性分析

建立了船舶力控减摇鳍控制系统的T-S(Takagi-Sugeno)模糊模型.根据输入采用标准模糊分划的模糊控制系统的定义和性质,通过构建分段光滑的Lyapunov函数提出了一个新的判定闭环T-S模糊控制系统稳定性的充分条件.该方法只需在各最大交叠规则组内分别寻找公共的正定矩阵,减小了以往稳定性判定方法的保守性和难度.在此基础上利用并行分布补偿(PDC)原理,进一步探讨了T-S模糊控制器的系统化设计方法,并具体设计了一种船舶力控减摇鳍的模糊控制器.计算机仿真结果验证了本文模糊控制器设计方法的有效性.     

升力鳍伺服系统非定常水动力特性的研究

重点研究了升力鳍升力及转矩与鳍角的非定常水动力特性。通过对鳍升力和转矩的非定常水动力特性试验数据的分析,提出了升力鳍系统的鳍角与升力的换算关系应建立在非定常水动力的基础上。以Theodorsen理论为基础,利用水动力试验数据,修正了基于Theodorsen理论的计算升力系数的公式,提出了修正的升力转矩非定常水动力的数学模型,经实例计算仿真结果与水池试验结果比较,验证了该数学模型的正确性。利用该数学模型直接计算升力,可以省去复杂的、可靠性低、误差大的升力测量装置及复杂的升力计算。该研究也进一步充实了升力鳍非定常水动力特性的理论研究,解决了升力计算的问题。     

一种新型减摇装置的试验与分析

文章提出了一种新型船舶减摇装置－推力鳍,以解决提高船舶在全航速下的减摇能力问题,并研究了鳍浆组合体的结构形式,不同情况下的升、阻力特性;最后依据试验数据分析了船舶在低航速下的减摇能力。     

齿轮齿条爬升式升船机驱动系统运行可靠性分析

针对升船机运行可靠性问题,以齿轮齿条爬升式升船机驱动系统为研究对象,根据可靠性理论,在统计驱动系统运行维护数据的基础上,综合分析停机故障次数和故障检修停航时间对运行可靠性的影响,计算得出驱动系统及其部件的运行可靠度,提出提高驱动系统运行可靠性的建议:应高度重视驱动齿轮托架机构、电气传动设备、传感检测装置等机电设备的维护检修和优化完善,充分考虑设备检修的便利性;基于停机故障次数和故障检修停航时间的运行可靠度计算分析方法,能准确反映升船机的运行可靠性。     

减摇鳍升力反馈与鳍角反馈控制的对比

该文对照减摇鳍鳍角反馈控制系统,分析了升力反馈控制系统的原理与构成,由于升力反馈控制系统避开了鳍角到升力的不确定性,不需用鳍用到波倾角的转换系数Ka,不用航速调节,浪级调节的不同作用,故此控制具有系统结构简单可行,鲁棒性好及减摇效果高的优点。     

考虑船舶影响的升船机结构动力特性

运用ANSYS有限元软件建立了包含塔柱、承船厢、水体、船舶、提升系统等构件的大型垂直升船机整体模型,计算分析了升船机结构的动力特性。计算结果表明:横荡、扭转、纵荡是承船厢结构低阶主要振型。厢内有船会降低承船厢系统的自振频率,其有船与无船工况下横荡自振频率分别为0. 130 9 Hz和0. 280 5 Hz;升船机整体结构低阶特征振型主要包括整体系统的横向摆动、绕竖向的扭转、纵向摆动。承船厢内有无船舶计算得到的同种振型下升船机整体结构的自振频率相差很小,表明船舶对升船机整体结构自振特性的影响不大;承船厢位置的升高会使得升船机整体结构的自振频率降低;承船厢位置的变化对升船机低阶振型影响较大,对高阶振型的影响较小。