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。     

基于单参数自调节RM-GO-LSVR的船舶操纵灰箱辨识建模

为实现舵角小、试验数据少条件下船舶操纵辨识建模, 提出了一种船舶操纵运动灰箱模型; 搜集水动力系数已知的船舶运动数学模型作为备选参考模型(RM), 计算被辨识船舶与备选RM的相关系数, 并以此筛选合适的RM; 运用相似准则将观测数据映射到RM的输入值域, 建立被辨识船舶与RM的运动关联, 获得了RM的加速度项, 并使用线性支持向量回归(LSVR)机补偿被辨识船舶和RM加速度项间的误差; 分析了机理模型, 设计了合适的LSVR输入项, 使用全局优化(GO)算法自动调节了LSVR的不敏感边界参数; 基于自航模试验数据训练了灰箱模型, 并与约束模试验(CMT)结果和计算流体力学结果比较, 验证了灰箱模型的泛化能力和预报精度。研究结果表明: 在20°船艏向、20°舵角Z形试验预报中, 灰箱模型所得第一超越角精度至少比CMT、虚拟约束模试验(VCMT)和RM方法所得结果高1°, 灰箱模型所得第二超越角精度至少比CMT和VCMT所得结果高0.4°; 在35°舵角旋回试验预报中, 灰箱模型所得进距精度至少比CMT、VCMT、数值循环水槽试验(NCWCT)和RM方法所得结果高1%, 灰箱模型所得战术直径精度比CMT所得结果低4%, 比NCWCT所得结果高10%;RM方法有助于灰箱辨识建模, GO算法能够优化LSVR的不敏感边界参数, 建立的单参数自调节灰箱辩识建模方法能够实现小舵角、少数试验条件下的船舶操纵辨识建模。     

基于跟驰理论的内河航道通过能力计算模型

为了确定合理的航道建设规模与布局, 分析了航道通过能力的内涵, 给出了航道理想通过能力具体定义, 并运用最优化原理和非线性跟驰理论, 建立了船头间距与船舶速度之间的函数关系, 进而从微观角度建立了航道通过能力的计算模型。结合不同等级航道的实际状况, 对航道通过能力进行了验算, 并与其他模型的计算结果进行对比。计算结果表明: 二~五级航道理论通过能力分别为11.42×10⁴、5.72×10⁴、3.66×10⁴、2.75×10⁴t, 与其他模型的计算结果较为接近, 因此, 以临界船头间距和临界速度为基础的微观模型能够精确计算出各级航道的通过能力。     

基于STL模型的船舶静水剪力与弯矩计算方法

为了提高船舶强度计算精度, 提出了一种基于STL模型的船舶静水剪力与弯矩计算方法。在计算总纵强度时, 采用常规算法计算船舶浮态初值, 然后采用迭代算法计算船舶吃水、横倾角与吃水差; 按照船舶肋位切割船舶外壳得到每个肋位的横剖面, 采用格林公式计算每个剖面水下部分的面积, 纵向积分得到浮力曲线; 通过对船舶舱室STL模型的切割, 离线建立每个舱室的质量分布表, 用舱室实际质量分布代替梯形分布来计算船舶质量分布曲线; 最后基于散货船“太行128”和“SPRING COSMOS”, 通过浮力与质量分布曲线计算了5种典型载况下的剪力与弯矩。计算结果表明: 计算值与采用软件NAPA的设计值相比, 剪力与弯矩的平均误差约为1%, 最大误差为2.6%, 计算误差较小, 因此, 船舶静水剪力与弯矩计算方法精度较高; 采用浮态迭代算法只需计算出船舶任意浮态下的排水体积与浮心坐标, 程序实现简单、稳定与可靠; 静水剪力与弯矩计算方法适用于船舶任意浮态, 通过直接切割船舶外壳计算船舶浮力曲线, 弥补了常规方法只能计算船舶纵向强度的不足; 通过建立舱室的质量分布表与采用舱室的实际质量分布代替传统的梯形分布, 减少了计算量, 提高了计算精度。     

基于傅汝德-克雷洛夫力非线性法的规则波浪中船舶运动数学模型

为准确预报规则波浪中船舶的运动, 提出基于四叉树划分的自适应网格法, 以生成船舶瞬时湿表面, 在船舶瞬时湿表面上计算傅汝德-克雷洛夫(F-K)力与静恢复力; 对于与波面相交的面元, 由于F-K力在波面处剧烈波动, 采用四叉树划分法进一步细分面元; 基于线性理论, 采用瞬时自由面格林函数在船舶平均湿表面上计算扰动力; 为避免瞬时自由面格林函数在自由液面处剧烈波动产生严重数值误差, 舍去扰动势所满足边界积分方程中的水线项, 并对迎浪前进速度为傅汝德数0.2的WigleyⅠ型船舶进行数值计算。计算结果表明: 对低于瞬时波面以下的船体部分, F-K力非线性法所需面元数更少, 为细网格法的1/4~1/8;除不规则频率外, 舍去与未舍去水线项所得水动力系数与试验值的相对误差分别小于33.4%、54.8%, 因此, 舍去水线项所得水动力系数更接近试验结果; 当入射波波幅为0.018 m, 波长与船长比为1.25时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低3.2%、17.0%, 波长与船长比为2.00时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低6.7%、13.5%, 可见, 采用F-K力非线性法能够准确地仿真规则波浪中船舶的运动。     

利用最小二乘法实现2004规范徐变系数的指数函数拟合

对2004年“公路桥规”提出的徐变系数函数先采用基于线性最小二乘法的分段拟线性回归法进行初步曲线拟合,再采用非线性最小二乘法对徐变系数进行进一步的曲线拟合,将徐变系数函数方便准确地拟合成指数函数。解决了在计算徐变时寻求递推公式来求解徐变杆端内力的问题。通过算例,说明该方法实用可行,拟合精度高。     

基于变分模态分解和奇异值分解的结构模态参数识别方法

为了准确获得结构的固有频率、阻尼比与振型, 将变分模态分解与奇异值分解相结合, 提出一种新的结构模态参数识别方法; 基于已有时频参数识别方法, 根据测量的脉冲激励与加速度响应估计系统的频响函数, 对系统的频响函数进行反傅里叶变换得到脉冲响应函数; 对各测点的脉冲响应函数进行变分模态分解, 得到与结构固有频率对应的本征模态分量; 提取本征模态分量的固有频率, 利用与固有频率相近的本征模态分量作为行向量构造奇异值分解矩阵, 对所构矩阵做奇异值分解, 利用最大奇异值重构左、右奇异值向量, 识别结构的振型、固有频率和阻尼比; 通过四自由度质量-弹簧-阻尼模态仿真试验和车体横梁锤击模态试验, 验证了所提出的模态参数识别方法的有效性。研究结果表明: 在四自由度理论模型参数识别中, 系统固有频率和阻尼比的识别结果与理论计算结果的最大相对误差分别不超过0.025%和1.490%, 理论计算与识别的1~4阶振型的模态置信度分别为0.999、1.000、0.999和0.999;在车体横梁锤击模态试验中, 提出方法识别的固有频率和阻尼比与理论计算结果的最大相对误差分别不超过1.57%和1.47%, 且车体横梁的理论振型与识别振型趋势相同。可见, 提出的方法能有效识别结构的模态参数。     

基于胶浆原理的二灰碎石设计方法

为了提高二灰碎石力学强度, 假设二灰碎石为一种三级空间网状结构的分散系, 即微分散系二灰胶浆、细分散系二灰砂浆与粗分散系二灰碎石。基于抗压强度最优原则, 采用垂直振动试验方法(VVTM)确定二灰胶浆与二灰砂浆质量比, 基于密度最大原则, 采用逐级填充法确定粗集料级配, 基于抗压强度最优原则, 确定二灰碎石中二灰砂浆用量。提出了基于胶浆原理的二灰碎石组成设计方法, 并通过室内试验与现场试验对设计方法进行性能验证。验证结果表明: 当石灰与粉煤灰质量比为2:5时, 二灰胶浆力学性能和收缩性能最佳; 当细集料质量通过率的递减系数为0.65, 二灰与细集料质量比为3:2时, 二灰砂浆力学强度最大; 当粒径范围分别为19~37.5、9.5~19、4.75~9.5 mm的集料质量比为17:11:6时, 混合粗集料密度最大; 与传统方法设计的二灰碎石试件力学强度相比, 基于胶浆原理设计的试件早期(7 d)力学强度提高10%以上, 后期(180 d)力学强度提高20%以上; 不同龄期的VVTM试件与现场芯样抗压强度之比平均为0.909, 劈裂强度之比平均为0.904, 而静压成型试件与现场芯样抗压强度之比为0.457, 劈裂强度之比为0.531, 说明VVTM比静压法设计二灰碎石更科学。     

基于尖点突变理论的岩质边坡稳定性分析

建立了岩质边坡稳定性评价的力学模型, 推导了边坡突发失稳的力学条件判据, 应用尖点突变理论对岩质边坡开挖过程中的稳定性进行分析, 比较了刚性极限平衡理论在分析岩质边坡稳定性中存在的不足。计算结果表明: 利用刚性极限平衡法计算的边坡稳定性系数为0.989, 小于1, 即边坡不稳定; 利用尖点突变理论计算的边坡刚度比为1.120, 大于水致弱化系数的倒数0.806, 即边坡稳定, 与实际相符, 因此, 可应用尖点突变理论分析各种影响因素复杂的岩质边坡的稳定性。     

基于粗集理论的交通流丢失数据补齐方法

为了解决交通检测器检测到的数据存在丢失的问题,提出了一种基于粗集理论的丢失数据补齐方法。利用检测到的交通流数据构造信息系统,通过计算扩充可辨识矩阵,并对其进行多次完整化分析,实施丢失数据的补齐,并采用英国南安普敦市的实际检测数据对算法进行了验证。研究结果表明:同一时间段,当仅有一个属性数据丢失时,粗集理论的补齐精度较高,绝对相对误差较小,基本保持在0～5%之间;当不同属性的数据同时丢失时,补齐精度较低,绝对相对误差甚至高达20%;当所有属性数据全部丢失时,补齐精度非常低,可视为无法实现补齐。可见,粗集理论是一种补齐少量丢失数据的有效方法。     

汽车气压制动系统动态分析键图仿真模型

应用键图理论, 研究了汽车制动系统键图模拟的动态仿真过程, 建立了双腔制动阀、管路、气室、紧急继动阀、半挂汽车的键图模型。与传统动力学分析方法对比分析表明, 键图模型变量少, 模型直观, 元件增减方便, 能有效描述汽车气压制动系统各元件制动力的传递关系与控制信号的流向及因果关系, 真实反映汽车的制动特性, 为制动系统的动态仿真及控制研究提供了理论基础。