平整冰中破冰船操纵性能初步预报方法

  目的  为了分析冰区航行船舶与碎冰之间的相互作用,  方法  运用离散元模型结合欧拉多相流,对船舶在碎冰区域航行时船体与碎冰之间的相互作用关系进行探索。计算不同航速、不同碎冰密集度下船体的受力情况,并对冰船接触冰时的运动响应进行分析,从直观上解释碎冰阻力的变化原因,以及桨前来冰的运动情况。  结果  得出船体所受冰阻力主要是由碎冰与船体表面的摩擦和碰撞产生,并随航速的增大而增大,但当航速增大到一定值后,碎冰阻力不再增加,甚至还有减小的趋势。  结论  研究的工作可为冰区船型优化及其螺旋桨设计提供理论支撑。     

破冰船冰区操纵性能离散元分析

  目的  极地船舶在极地航行时,复杂的冰阻力不仅会给船舶带来结构上的威胁,还对船舶的操纵性提出了新的挑战,尤其当船舶在层冰区中进行转向运动时,挑战更大。近年来的研究主要集中在船—冰碰撞的强相互作用上,而少有研究流体对冰阻力的影响。  方法  采用非线性有限元法,基于适当的冰材料模型和合理的耦合破坏模式,研究船舶回转运动过程中冰与船之间复杂、强烈的非线性相互作用。同时,采用流固耦合方法,研究流体对船—冰相互作用的影响。  结果  数值结果与经验公式的对比确定了模拟的有效性与可靠性,其中对比有、无流体作用时船舶受到的纵向、横向和垂向冰阻力情况显示,计及流体影响时,船舶的冰阻力在3个自由度上会有明显提升。  结论  船舶破冰回转运动中考虑流体对冰阻力的影响,能准确预测船舶回转时的冰阻力且能有效保证船舶的航行安全。     

豪华邮轮球艏的新型设计

  目的  豪华邮轮的型线优化设计,除了要考虑美学视角因素,更重要的是还要考虑在整个航行阶段都能满足绿色节能、安全舒适等方面的要求,其中针对多航速船舶阻力性能优化进行豪华邮轮的船型设计尤为重要。  方法  首先,基于自主开发的船型优化设计软件OPTShip-SJTU,以某豪华邮轮为原始船型,通过自由变形方法,对船艏、水线、船艉等位置进行局部变形;然后,通过基于Neumann-Michell (NM) 势流理论的兴波阻力求解器NMShip-SJTU进行阻力评估,并结合优化算法得到不同航速下兴波阻力系数最优的船型;最后,采用经过广泛验证的高精度黏流求解器naoe-FOAM-SJTU对优化船型做进一步验证。  结果  结果显示,基于NM 势流理论的兴波阻力优化可以得到多航速下总阻力性能更优的船型,相比基于黏流CFD评估进行优化,更高效,且得到的优化船型在2个航速下总阻力分别降低了0.65%和0.98%。  结论  研究表明,基于数值模拟的船型优化设计流程可以应用于豪华邮轮的阻力性能优化。     

确定多用途冰区航行船舶设计特性最优值的叠加性和互换性方法

  目的  研究冰区船设计参数之间的相互关联性,旨在提出一种多用途冰区航行船舶性能与设计参数之间的优化方法。冰区船作为一个整体系统,其性能指标不是独立的,通过任何一个技术指标能够近似确定其他的技术指标。  方法  采用的方法是在满足设计要求的前提下,选取冰区船各项性能指标的最优值,并采用冰区船单项设计指标最优值的叠加性特性方法,因为每一项船舶技术指标既与其他的技术指标相关,也与船舶的设计参数相关,从而可以初步估算船舶其他尺度指标和设计参数的初始近似值。在初步设计阶段,确定技术指标和设计参数近似值的大致范围会有一定的误差,这些参数在后续设计阶段将进一步细化。在误差范围内对初始值进行调整不会对某个性能指标的最优值产生较大影响,初步设计阶段确定的最优值可作为进一步改善其余船舶技术指标的约束条件,从而可以进一步确定该技术指标的最优值。  结果  采用叠加性优化设计性能指标和参数时,若将初始设计阶段确定的特征参数作为后续设计阶段的设计约束,可以逐次迭代确定目标船的性能指标和参数值。  结论  首先确定船舶参数的设计范围,然后以该确定的船型参数为约束条件,可以进一步细化冰区船的设计指标。     

喷水推进三体船阻力与自航数值模拟研究

  目的  半滑行船型（弗劳德数Fr >0.4）的航行姿态（升沉和纵倾）对船舶阻力性能影响显著,重点探讨半滑行状态下航行姿态对三体船型阻力成分（摩擦阻力和压差阻力）的影响规律。  方法  采用k-ε湍流模型,使用重叠网格技术,对三体船型的静水阻力问题进行CFD数值模拟研究。计算三体船的2种状态（自由航行状态和固定航行姿态的状态）,比较上述状态下的阻力成分,分析航行姿态对阻力成分的影响规律。  结果  计算结果表明,在半滑行状态下,由航行姿态引起的总阻力变化超过20%;航行姿态变化对压差阻力影响显著,约高达50%,而对摩擦阻力的影响则相对较小,不到8.5%;由航行姿态引起的阻力增加,90%以上来自压差阻力的变化。  结论  准确预报航行姿态及由此产生的压差阻力变化对半滑行三体船型非常重要。     

护卫舰球鼻首型线设计的探讨

  目的  为满足某特殊用途舰船的功能需求,需在艏部加装大型球鼻艏作为特种设备的载体。为克服大型球鼻艏作为特型附体给舰船快速性带来的不利影响,对高速船型融合特型球鼻艏的船型方案进行优化设计。  方法  采用逐步趋近分析方法,对该船型及附体进行多方案对比分析,利用数值模拟的方式优选阻力性能好的船型,并通过模型试验进行验证。  结果  结果表明,最终优化形成的圆舭型融合圆柱形球艏船型是满足布置需求且快速性能兼优的船型。  结论  在相同计算条件下,数值模拟能够较精准地预报各船型方案间的阻力差别,所提出的多方案优化设计方法是优化船型行之有效的方法。     

波浪增阻计算方法在船体型线优化设计中的应用

  目的  为了获得兼顾静水和波浪阻力性能的优良船型,以某散货船为研究对象,开展船型综合优化设计。  方法  基于成熟的商用软件STAR-CCM+进行目标船静水阻力性能评估。采用ISO 15016推荐的简化方法和经验方法,以及自主编程开发的二维切片理论方法进行波浪增阻计算。对比分析不同波浪增阻方法计算结果与模型试验结果的差异。  结果  结果表明：二维切片理论方法计算精度较高,且能反映船型对波浪增阻的影响;目标船改型的静水阻力性能与原型相当,改型的波浪增阻和原型相比降低了20%以上,波浪中阻力性能得到显著提升。  结论  通过探讨不同波浪增阻计算方法的工程适用性,为船型综合优化设计提供了有效工具。     

豪华邮轮规范现状及发展趋势概述

  目的  为了认识SOLAS 2020破舱稳性要求对邮轮船型的影响,准确把握设计方案修改对设计周期及建造成本的影响程度,开展满足破舱稳性新要求的邮轮船型升级方案研究。  方法  对SOLAS 2020破舱稳性的要求进行解析,统计分析客船分舱指数水平现状,提出可供选择的船型升级方案,并分别对这些方案的效果及其对原设计方案的影响进行分析。  结果  以某营运中的豪华邮轮为例,开展船型优化升级,使其满足了SOLAS 2020的破舱稳性要求。  结论  结果表明,SOLAS 2020 大幅提高了船舶的破舱稳性要求,这将对船型的开发产生不容忽视的影响,所以必须对船型进行优化才能满足SOLAS 2020新要求。研究得到的船型优化方案可为我国邮轮船型升级提供技术支撑。     

极地科考破冰船冰阻力与静水阻力协同优化设计

极地科考破冰船作为一种需进行破冰作业和远距离大洋航行的特殊船型,在设计上需同时考虑静水阻力和冰阻力的影响。采用CAESES软件搭建优化设计平台,通过自由曲面变形方式对影响冰阻力明显的船首区域进行型线变换,采用势流方法和经验公式分别求解船舶受到的静水阻力和冰阻力。将这2种阻力的加权和作为目标函数,结合NSGA-II算法对阻力最佳的船体线型进行搜索,实现对船型的快速优化。研究结果表明,采用该优化方案能使船体冰阻力下降5%,而静水阻力几乎没有变化,新船型满足所需的阻力优化要求。     

冰载荷下船舶螺旋桨强度的有限元分析

  目的  在冰区航行对船舶螺旋桨强度的要求很高,因此对不同情况下螺旋桨的强度进行研究十分重要。  方法  基于有限元方法,以Workbench为工具,计算在冰区运行的不同纵倾角螺旋桨不同工况下的应力、应变,并在计算前开展网格收敛性研究。  结果  由分析计算结果可知：冰级越低,螺旋桨桨叶受到的冰载荷就越小,应力、应变也越小;部分工况下螺旋桨的应力、应变变化十分类似;较大的纵倾角对螺旋桨桨叶的应力、应变影响较大。  结论  计算结果可为冰区船舶螺旋桨的强度设计提供参考。     

航母舰载机装备体系及指标论证方法

  目的  舰载机保障作业是舰载机出动回收流程中最为关键的环节,通过合理配置保障人员,能够提高舰载机机群的保障能力和出动架次率,从而提高航母的综合作战能力。  方法  针对舰载机保障作业的人员配置问题,结合实际的复杂作战环境,基于舰载机机群保障完成时间、保障人员负载均衡性和累计转移时间,建立多目标的保障人员数量和技能配置的数学模型,并设计整数编码方式和基于事件调度策略的解码方法,提出一种基于改进的NSGA2的人员优化配置算法进行求解。  结果  仿真结果显示,该算法能够对所建立的数学模型进行有效求解,仿真结果满足实际作战需求。  结论  采用改进的NSGA2算法,结合舰载机保障流程、人员数量和技能配置问题,能够给出多目标优化后的舰载机保障方案。     

总体者, 集大成也

  目的  船舶概念设计是通过多个学科分析、协调从而得到综合优化概念方案的过程,也是一项技术难度大、涵盖范围广泛的复杂系统设计问题。同时,与船舶单个子学科技术的迅速发展相比,船舶总体设计优化方法发展相对缓慢。  方法  在阐述船舶分解与协调策略的基础上,采用解析目标分流方法（ATC）,以某油船设计为例,建立由浮态与稳性、阻力与推进（快速性）、操纵性、舱容、经济性共5个学科组成的船舶概念设计优化数学模型,探讨船舶概念设计阶段的总体设计优化问题。  结果  数值算例表明,解析目标分流方法可以较好地解决船舶总体设计学科间复杂耦合所带来的计算困难,具有良好的稳定性与收敛性,  结论  可有效支撑船舶的总体设计优化。     

基于CFD和响应面方法的最小阻力船型自动优化

  目的  为减小高速船舶的兴波阻力,提出一种减阻水翼附体。  方法  水翼附体截面选择NACA 0012翼型,采用经收敛性验证和可靠性验证的数值计算方法,对安装于船艏的不同尺寸、不同安装位置水翼附体的减阻效果进行研究,并进一步分析在船艉加装T型翼的减阻效果。  结果  结果显示,当仅在船艏安装了水翼附体时,在高航速（Fr=0.45,0.494）下总阻力最大可以减小7.38%和6.82%;在船艉加装T型翼后,阻力会进一步减小,在高航速（Fr=0.45,0.494）下总阻力分别可以减小9.35%和11.13%。  结论  所提出的减阻水翼附体可以大幅减小高速船舶的总阻力,提升高速船舶的快速性,能够为进一步改善高速船舶的航行性能提供新的技术手段。     

论绿色航运双燃料电力推动船舶的发展

  目的  针对船舶发电微电网的功率波动平抑问题,提出一种锂电池储能系统（ESS）容量配置的多目标优化方法。  方法  首先,建立以储能系统成本、电网功率波动平抑、能量供求平衡为目标函数的优化设计模型;然后,针对模型优化,设计基于分解的多目标差分进化算法（MOEA/D-DE）的求解方法,并以某双燃料（柴油−天然气）电力推进船舶微电网为对象,使用Matlab编程求得最优解集,按照子目标函数的不同权重分配进行多属性决策;最后,得到不同权重分配方案的最优解。  结果  仿真得到的5种方案的结果都满足功率波动平抑的目标,且成本和储能系统寿命损耗目标受权重分配的影响明显,实现了预期效果。  结论  所提方法对船舶锂电池储能系统容量配置具有参考意义。     

极地航行船舶概念设计多目标优化方法研究

随着北冰洋海冰的融化,北极航线因其带来的巨大商业利益而变得越来越重要。因此,高效环保的绿色极地航行船舶研发显得尤为迫切。本文围绕极地航行船舶的冰/水动力特性,提出了以破冰航行效率作为衡量破冰能力的技术指标,进行了破冰航行效率的理论推导,建立了以破冰航行效率、EEDI和相对回转直径为目标函数的综合性能多目标优化模型,并以一艘油船为例开展了优化研究,为进一步确定极地船舶的主尺度和船型优化提供了方法。     

船舶喷水推进技术发展

  目的  喷水推进船舶的阻力性能与常规船舶有着很大的不同,喷水推进器流道的存在会改变船舶尾部流场,对船舶阻力性能有着很大的影响。  方法  以FA1型三体船为计算模型,利用CFD软件STAR-CCM+,将喷水推进器流道看作附体,对比研究安装不同进流角喷水推进器流道前后船舶尾部流场变化。通过对比流道表面压力分布、船体流线的变化,阐述船舶阻力以及阻力成分产生变化的机理。  结果  结果表明：STAR-CCM+可以实现对于船舶阻力性能的预报;喷水推进器进水流道的安装会增大船舶阻力,主要为压差阻力的增大。  结论  对进水流道倾角的优化可以增进喷水推进船舶的阻力性能。     

月池对钻井船阻力性能的影响研究

  目的  月池是一种从甲板至船底的贯穿船体的开口结构。船舶航行时,月池内流体的复杂流动会给阻力性能带来严重影响。  方法  采用计算流体动力学（CFD）方法对带月池船舶的静水阻力及月池流场进行数值模拟,并对阶梯型与切角型这2种典型月池改进型式的阻力性能进行验证。  结果  结果显示,月池的设置使得船舶总阻力增幅达50.88%,产生的月池阻力与压差阻力的大幅增加值接近,阶梯型和切角型月池对月池增阻的最大降低幅度分别可达80%和40%。流动细节详细呈现了流场内的漩涡运动过程、月池引起阻力增加的规律以及改进型式月池对月池增阻的改善机理。  结论  月池引起的阻力变化与流场内的周期性漩涡运动密切相关,并随航速变化有所差异。阶梯型月池增加了流体运动的阻尼,切角型月池缓解了漩涡对后池壁的强烈作用,能够较好地降低月池引起的增阻。     

舰船结冰预报方法研究

  目的  航行于极地地区的船舶容易出现积冰现象,导致船舶稳性降低,对参数横摇产生不利影响。而现行的《极地规则》中关于积冰的计算没有考虑环境的影响,无法真实反应船舶积冰的实际情况。为此,  方法  借鉴国内外船舶积冰预测模型研究,采用VB和MATLAB软件开发出有关船舶积冰重量及重心位置的数值计算程序,然后针对2艘样船,对其在不同航速及海况组合下进行考虑结冰后的参数横摇第1层薄弱性衡准计算,分析不同因素对船舶参数横摇薄弱性的影响。  结果  结果显示,风速、航速的增加以及温度的下降都会对参数横摇产生不利影响。  结论  所做研究可为船舶积冰计算,以及参数横摇薄弱性衡准在极地航区的推广应用提供参考。     

从客船视角谈大规模海难救助的几点思考

  目的  船舶安全性是船舶最重要的性能之一,而舱室优化与提高船舶破损安全性密切相关,二者之间的关系是一个复杂的多因素问题。  方法  基于SOLAS 2009公约,评估概率破舱稳性,量化危险区域,采用层次分析法（AHP）,以分舱指数、危险区域类型和数量为评估指标,求解各指标对船舶破损安全性的影响权重,并以提高船舶破损后的安全性为目标,评估出最优舱室优化方案。  结果  结果显示,调整危险区域边舱宽度、舱室长度及双层底高度均可提高船舶破舱稳性,以及船舶破损后的安全性。  结论  实验结果表明研究危险区域可提高船舶安全性,在基于多准则评估船舶破舱后的安全性上采用AHP方法可行。     

船舶航向跟踪系统自适应单神经网络控制

  目的  为了最大限度地保障智能船舶运输安全,研究一种与智能船舶正常航行控制策略不同的船舶运动鲁棒控制算法,不追求准确、快速和节能,以智能船舶稳定航行为唯一设计指标。  方法  采用四维Norrbin非线性数学模型和二阶闭环增益成形算法设计控制策略。  结果  得到了航向不稳定船舶保持稳定的鲁棒控制器设计的通用算式,仿真结果验证了所提出控制策略的有效性。  结论  正常海况下,该控制策略的综合性能指标不如以往的控制策略,但在8级风以上的恶劣海况下,能最大限度地保障船舶航行稳定、安全。该控制策略可以作为智能船舶在恶劣海况下安全航行的配套措施。