双桨双舵船舶操纵性预报研究

采用MMG数学模型，结合双桨双舵船舶的水动力性能特点，建立了双桨双舵船舶在静水中水平面上的操纵运动模拟模型，应用该模型对一艘双桨双舵船舶在满载条件下的定常回转试验、Z形试验和紧急停船试验进行了数值模拟，得到了表征船舶操纵性的指标．通过将预报的操纵性指标和IMO提出的操纵性标准进行比较，实现了对该船操纵性的定性预报．     

大舵角下船舶操纵性指数K,T简易计算方法研究

根据船舶转向到新航向距离Dnc的计算公式,运用数学方法推导出操纵性指数K,T值的简易计算方法.并与现有其他方法进行对比,将该方法与Z形试验法计算的K,T值代入船舶一阶线性响应模型进行仿真验证,然后与基于船舶智能操控仿真平台的旋回试验数据进行对比,得出在操舵角大于等于20°时,简易计算方法比Z形试验法计算精度更高.因此,提出的简易计算方法对计算大舵角时的船舶操纵性指数K,T值具有可操作性和实用性.     

规则波中船舶运动六自由度数学模型

为了提高船舶操纵模拟器的精度,应用船舶操纵性分离建模理论,基于傅汝德-克雷诺夫假设,将船舶近似为箱型船,估算波浪对船舶六自由度运动的干扰力与力矩,并将波浪的干扰力与力矩作为外力与力矩的一部分,叠加到分离型船舶运动数学模型中,建立了船舶在规则波作用下六自由度船舶运动的数学模型,给出5级海况下船舶全速旋回运动响应的时间历程仿真曲线.仿真结果显示:仿真结果与相关文献结果相近,运动趋势一致,能够满足大型船舶操纵模拟器对船舶运动数学模型仿真的精度要求,同时船舶运动数学模型由3自由度增至6自由度,提高了模拟的逼真度.     

基于OSG和Matlab的船舶启动阶段视景仿真研究

针对船舶操纵模拟器对船舶启动状态研究的需求,以开源工具OSG作为船舶航行模拟器的软件开发平台,以7000DWT油轮的推进装置和舵为研究对象,进行运动模型数学建模,利用MultiGen Creator建立船舶及地理场景模型,并利用OSG各个工作空间功能,对上述模型进行加载,构成临近环境要素。设计运动函数实现船舶从静止至到达额定航速的加减速、转舵和正倒车操作,用MFC对开发的系统进行封装,实现对虚拟船舶驾驶及周边视景的控制,并结合Matlab为船舶航行驾驶模拟器的开发提供一种新的解决方案。     

海洋拖曳系统对船舶操纵性能的影响

将拖曳母船、拖缆和拖曳体视为一个相互作用的整体,利用耦合边界条件,将拖缆顶端和底端的张力与其产生的力矩,分别计入船舶操纵性运动方程和拖曳体六自由度运动方程,结合拖缆的有限差分方程,建立了船/缆/体耦合运动模型,采用数值计算方法,对比分析了海洋拖曳系统对船舶操纵性产生的影响.计算结果表明:当计入拖缆和拖曳体耦合影响后,船舶稳态运动时的速度会降低,改变量为3％～5％;船舶回转机动时,速度、回转半径与横摇角会降低,改变量分别为2％～3％、2％～4％和11％～21％.采用船/缆/体耦合运动模型计算得到的船舶操纵性能符合实际,可为预报海洋拖曳系统的运动信息提供理论依据.     

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。      

基于CFD的30000吨载货教学实习船阻力数值模拟

为了对船舶阻力进行精确预报,选取30000 t载货教学实习船为研究对象,基于CFD对静水中不同航速的船舶阻力进行数值模拟,建立三维船体模型,采用局部加密进行网格处理,使用Standard k-ε湍流模型,利用VOF法追踪自由液面,将结果与船模试验数据进行比较表明,该方法计算速度快,成本低,预报精度较高,具有重要工程意义...     

自由面上作操纵运动三维船体粘性流场数值研究

船舶与土木工程学院张谢东副教授获准国家自然科学基金资助,课题为“自由面上作操纵运动三维船体粘性流场数值研究”. 1.研究目标为 项目的主要研究目标是建立在自由表面上作操纵运动船体的粘性理论计算模型和相应的数值计算方法,开发出一套关于在自由表面上作操纵运动船体三维粘性流场及水动力数值计算的计算机软件.从而提高船舶操纵水性动力理论计算和船舶操纵性预报的精度,填补国内运用粘性流体力学理论研究船舶操纵性的空白. 2.研究内容 项目主要研究在自由表面上作操纵运动三维船体的粘性流动问题.运用现代CFD技术,以粘性流体力学基本方程RANS方程为基础,对在自由表面上作斜航和回转运动三维船体的流场、压力分布以及水动力进行数值计算,以精确地预报三维船体作操纵运动时的复杂流动现象,如三维流动分离和分离涡,精确地预报自由面上作操纵运动三维的水动力.为了验证理论计算的准确性,还将做相应的船模操纵性试验研究. 3.拟解决的关键问题 1) 采用原始变量法模拟船体粘性绕流的关键问题之一是船体坐标网格的生成,这是数值计算的基础,网格结构、类型和尺度将直接影响粘性流场数值计算的精度.因此,本研究的重点将放在对各类网格生成方法比较、不同网格对数值计算的影响以及三维船体网格生成的通用性和局部加密的研究上. 2) 采用N-S方程求解三维船体粘性绕流的另一关键问题是方程的数值离散问题,本项目将对传统的数值离散方法如有限差分法、有限解析法和有限体积法等进行系统的分析、比较,以寻求一种较为稳定和精确的方法,对作操纵运动船舶的粘性绕流进行计算. 3) 湍流模式和壁面处理形式也是影响粘性流动理论计算的精度和效率的一项重要因素,本研究将对适合于作操纵运动尤其是作大角度斜航和回转运动三维船体的粘性流动计算的湍流模式和壁面处理方法进行研究与探索. 4) 同时考虑粘性和自由表面的影响是研究的一个难题,也是将要解决的关键问题. 4.项目创新之处 项目的创新之处是在船舶操纵运动的理论研究中,引入了粘性流体力学的理论和方法,并且首次同时考虑自由表面和粘性对作操纵运动船舶的水动力的作用,运用现代CFD技术及粘性流体动力学方程,分析、计算作操纵运动船舶的流场、压力分布及水动力,从而建立更加合理、精确和完善的操纵运动船舶水动力理论计算模型和数值计算方法. 科技处(余区办) 章爱武     

基于两次聚类的PWARX驾驶行为辨识模型

针对传统基于聚类的PWARX模型依赖先验知识和子空间划分精度不高的问题,提出一种基于两次聚类的PWARX辨识模型改进算法,并将其应用于驾驶行为建模。首先通过近邻传播算法在样本空间上进行聚类,在所得类簇上用线性模型进行拟合,并通过K-means算法在线性模型的参数空间上进行聚类,以获得PWA子模型的区域划分,最后在各个子空间上对PWA子模型进行求解。该算法合理利用了近邻传播算法和K-means算法的特点,通过在样本和参数空间上的两次聚类获得了良好的子模型区域分割效果。并对10名驾驶员的驾驶行为的建模实验结果表明,所提算法的模型辨识的平均准确率达到了91.5%。     

考虑减载移泊的散货港口船舶调度优化

为提高散货港口的服务水平, 充分利用现有泊位资源, 研究了采用减载移泊策略的散货港口船舶调度优化问题; 考虑大型船舶减载移泊对散货港口船舶调度的影响, 以船舶进出港次序、移泊次序和移泊位置为决策变量, 以进出港船舶总等待时间最小为目标函数, 构建了混合整数线性规划模型; 基于模型特点设计了混合算法, 给出了生成初始种群的启发式规则, 提出了新种群的邻域构造策略, 并在模拟退火算法中引入有效的改进措施; 为验证方案及其算法的有效性, 对比了基于实际调研资料设计的方案与采用模型和算法优化的方案, 并分析了船舶乘潮比和进出港时段长度对方案优化结果的影响。研究结果表明: 与采用先到先服务思想和贪婪策略的2种现行船舶调度方案相比, 所得方案的平均优化率分别为11.07%和9.84%;船队规模从20艘增加到50艘时, 混合算法的求解耗时均在2min以内, 且所得目标函数值与下界的平均相对偏差为6.92%;随着船舶乘潮比的增加, 方案优化率和目标函数值先呈指数趋势增长, 而后趋于平稳, 乘潮比为50%左右时出现拐点; 随着进出港时段长度的增加, 方案优化率和目标函数值呈“M”形趋势变化, 且在进出港时段长度为130min左右时方案优化效果最为显著, 表明船舶调度优化模型与混合算法可行。      

Investigation on maneuverability of a twin-screw ship driven by one screw

It is possible for a twin-screw ship that one screw failure occurs during navigation, and the maneuverability in this case should be noticed by ship designers and operators. It is of great significance to evaluate the related risk. Firstly, a mathematical model for the twin-screw ship maneuvering motion with one failed screw is developed based on the maneuvering model group (MMG) equations, and verified by the model test results. Secondly, the maneuvering motions of a twin-screw liquefied natural gas (LNG) ship with one free rotating failure screw or with one locked failure screw are simulated and compared by using the mathematical model. It is shown that the numerical modeling results are in agreement with the model test results. Compared with those of normal navigation, the port turning ability of the ship with one failed port screw is better, but the starboard turning ability and yaw checking ability become worse. The maneuverability of the ship with locked failure screw is better than that with free failure screw, although the ship speed drops obviously.     

船舶进出港低速航向保持

为了在船舶进出港时,船舶处于浅水域并以低速航行,在风、浪等强扰动作用下,增强航向控制性能,减小能源损耗,选择三阶Nomoto模型,将航速和水深变化反映到模型参数的变化上,基于闭环增益成形算法设计出一种具有适应性的鲁棒PID控制器,建立基于风、浪干扰的非线性船舶运动数学模型,并用S函数来实现。用PID控制器对非线性船舶运动数学模型进行控制,在Simulink环境中对各种水深、船速及海况进行航向控制仿真。从仿真曲线可看出其航向跟踪效果良好,静差为0,且施舵合理,所设计的控制器对非线性船舶运动数学模型具有良好的控制性能。     

Research of interaction force coefficients based on model test in loading condition

It is very difficult,for the component-type ship mathematical model,to estimate the interaction force coefficients among the hull,propeller and rudder. Some coefficients such as wake fraction and flow straightening coefficient were studied from the model tests in diffierent loading conditions and the normal force of rudder was tested in captive model tests to obtain the coefficients. From these results of the tests,the flow straightening coefficients increase with the increase of trims or drafts. Similarly,...     

大型船舶操纵性能综合评价

选取 6种典型的大型船舶操纵性能试验数据 ,分析其影响因素 ,并运用 IMO有关船舶操纵性的衡准 ,确定综合评价指标 ,运用层次分析法对其操纵性能进行排序 ,然后对大型油船、散货船和集装箱船的操纵性能进行比较 ,总结出大型船舶的操纵特点 ,并得出对实际船舶操纵具有指导意义的结论     

Experimental Study on Ship-Bank Interaction of Very Large Crude Carrier in Shallow Water

In order to assess the influence of ship-bank interaction on ship manoeuvring motion, planar motion mechanism (PMM) tests on a scale model of the KRISO very large crude carrier (KVLCC2) are conducted in different water depths in circulating water channel (CWC). The asymmetric hydrodynamic derivatives are defined to characterize the bank effect, and they are measured through the straight towing test with varying lateral displacements. The linear and nonlinear hydrodynamic derivatives are determined from the test data of the Fourier integral and mathematical regression model. The rudder and heading angles required at equilibrium conditions in different ship-bank distances are calculated by the manoeuvring model. The directional stability with varying ship-bank distances is studied in terms of eigenvalue analysis. Analysis based on the test results shows that the KVLCC2 model ship appears inherently unstable for keeping course in deep and shallow water conditions. When the ship-bank distance decreases, the increasing ship-bank interaction can dramatically affect some parameters of the criteria for course keeping.     

水工模型中变态船模的相似性

为将变态船模应用在变态水工模型试验中,从理论上对变态船模的运动特性等进行分析。变态船模在水中运动应满足几何相似、运动相似、动力相似、操纵性相似等相似条件。从水工模型相似律入手,讨论变态船模在水工模型中的相似规律。     

船舶航速优化综述

从航速优化模型、油耗预测模型、航速优化模型求解方法与船舶能效管理系统方面, 分析了国内外航速优化研究现状, 探讨了航速优化存在的问题, 并针对这些问题提出了建议。研究结果表明: 在航运市场持续萎靡的情况下, 经济航行将被更广泛应用, 针对航速优化的研究仍然具有重要的意义; 在航速优化模型方面, 目前多集中在以碳排放政策、不确定因素的影响、排放控制区政策、船队调度等为单一优化目标建立航速优化模型, 优化目标主要为成本最小化和利润最大化, 未来应将航速与航线、纵倾、船队部署联合优化, 考虑多种不确定因素、多种优化目标建立航速优化模型; 在油耗预测模型方面, 预测模型主要分为白盒模型、黑盒模型和灰盒模型, 白盒模型具有更好的可解释性, 黑盒模型的预测性能更好, 灰盒模型弥补了白盒模型和黑盒模型的缺点, 将成为未来的研究重点, 未来应基于精确的船舶数据和先进的人工智能算法进行数据学习, 提升油耗预测模型预测准确性; 在优化算法方面, 由于航速优化模型的复杂性, 大多采用启发式算法进行优化求解, 这种算法可以减少优化求解时间和提高求解质量, 未来需要探索更加精确高效的求解算法; 在优化策略方面, 采用大数据分析可以识别天气对航行的影响, 动态优化策略可以补偿环境因素引起的扰动, 能够进一步提升船舶能效水平; 在船舶能效管理系统方面, 船舶能效管理系统主要包括航行数据采集、数据传输、数据储存、数据分析与智能决策等功能, 由于其成本高昂, 目前尚未在船舶上大规模运用。      

船舶航迹复合预测控制模型

为了提高船舶航行控制质量,建立了船舶航迹复合预测控制模型,依据灰色预测模型处理船舶运动控制的不确定量,利用反传多层感知器自适应网络从船舶航行偏差的历史数据中得出控制偏差趋势,根据灰色预测和神经网络预测的误差大小,进行组合模型优选及组合权系数优化,确定航迹最优控制策略。仿真结果表明:当船舶旋回性指数、船舶追随性指数与滞后时间其中一个大于1时,任何参数的改变均会引起PID振荡,而船舶航迹复合预测控制模型能以较少的操舵动作迅速收敛,从而使船舶航迹与预定航线更加拟合,因此,其控制系统的鲁棒性、快速性和稳定性高。     

支主管夹角对X形圆钢管节点轴向传力的影响

为了研究支主管夹角对X形圆钢管相贯节点轴向受力性能的影响,进行相关试验来校验有限元模型,以有限元为手段分析了支主管夹角对X形节点在支管轴力作用下的传力特性和承载力的影响;根据有限元参数分析结果,对支主管夹角较小的节点的承载力提出了改进建议.研究结果表明:节点试件的破坏模式为相贯线附近主管管壁局部屈曲;当支主管非正交但夹...     

Maneuverability Simulations for Twin-Waterjet Propulsion Vessel

Maneuverability is one of the most important sailing performances of vessels. In this article, a motion control model with three degrees of freedom(DoFs) for twin-waterjet propulsion vessel is proposed. The model is developed on the basis of maneuvering model group(MMG) maneuverability equations. A simulation environment is constructed on the Matlab Simulink platform. Standard turning tests and zig-zag tests are simulated by solving the motion control model, and the corresponding maneuverability parameters are calculated. Simulation results demonstrate that the maneuverability parameters are in accordance with the vessel maneuverability standard.The approach may be applied to the rapid prediction of vessel maneuverability.