Active control for installation of underwater structures

The trend towards deepwater development requires a new approach to underwater installation of offshore structures. The present method using crane vessels has some drawbacks in operations at more than 2000 m depth. The natural period of the coupled system of the rigged structure and the crane vessel becomes longer, so that it is no longer possible to manipulate the cranes to achieve the desired positioning accuracy. This paper examines the application of an active control technique for underwater installations as one of the solutions to the present problems. An active control technique also has the advantage that it can deal with the structural flexibility which allows the structure to be large and light-weight. This structural flexibility imposes problems of suppressing the elastic responses and securing the stability of the control system. In this paper, anH _∞ controller combined with a low authority control/high authority control (LAC/HAC) feedback controller is designed for cases where structural flexibility cannot be ignored. A robust model-following controller is examined for cases where the structure can be treated as rigid. In order to confirm the control algorithm and verify the possibility of the active control installation method, basin tests are executed using two types of neutrally buoyant flexible models with ultrasound ranging systems and thrusters.     

Phase change analysis of an underwater glider propelled by the ocean＇s thermal energy

The phase change characteristic of the power source of an underwater glider propelled by the ocean＇s thermal energy is the key factor in glider attitude control. A numerical model has been established based on the enthalpy method to analyze the phase change heat transfer process under convective boundary conditions. Phase change is not an isothermal process, but one that occurs at a range of temperature. The total melting time of the material is very sensitive to the surrounding temperature. When the temperature of the surroundings decreases 8 degrees, the total melting time increases 1.8 times. But variations in surrounding temperature have little effect on the initial temperature of phase change, and the slope of the temperature time history curve remains the same. However, the temperature at which phase change is completed decreases significantly. Our research shows that the phase change process is also affected by container size, boundary conditions, and the power source＇s cross sectional area. Materials stored in 3 cylindrical containers with a diameter of 38ram needed the shortest phase change time. Our conclusions should be helpful in effective design of underwater glider power systems.     

水下航行体应用鱼类仿生推进技术的试验研究

水下仿生推进技术将是水下航行体推进技术的革命，这种推进方式是仿生学和水下航行体推进结合的产物，突破了传统的螺旋桨推进理论。初步研究了水下航行体仿生推进技术，以及波状摆动推进中C形起动模式使用不同形状尾鳍的流场结构及动力性能。一般可以将尾鳍形状划分为对称与不对称两大类，选择矩形和三角形作为这两类尾鳍的代表，对其进行了流动显示以及力矩和力测量。研究发现，两种尾鳍模型具有截然不同的流场结构：矩形会在翼尖处产生一个主涡环，而三角形会在尖角上下出现两个涡环。不同的尾迹流场结构有着不同的动力学效果。据此对比分析了不同形状的尾鳍在波状摆动推进中各自的优缺点，在此基础上进一步分析了尾鳍形状在实际工程中的应用。     

液化蒸气爆炸——火球对人体的伤害评价

为了使操作及管理人员对液化蒸气爆炸所产生的火球对人体所造成的伤害有一个具体的评判标准,本文通过数学公式及计算,结合图表,将液化气体容量与伤害范围以及对人体的伤害程度联系起来。通过此评价方法,人们可以方便地了解到爆炸火球与人体伤害程度的关系,以求更好地避免人体伤亡。实验结果证明了该算法的有效性。     

水下非接触爆炸下舰船球鼻艏结构抗爆抗冲击性能数值仿真

球鼻艏作为现代舰船的重要结构,具有降低流体阻力和装载声呐的作用,其结构强度直接关系到舰船的战斗力,而其抗爆抗冲击性能更是影响舰船生命力的重要因素。针对某舰球鼻艏结构,采用ANSYS软件建立有限元模型,并应用ABAQUS对其水下非接触爆炸载荷下的抗冲击性能进行数值仿真计算。计算结果表明,合理的结构设计及材料选择可使球鼻艏结构在不同水下非接触爆炸载荷下的塑性变形均处于安全范围内,并发现其主要薄弱环节位于导流罩与船体外板的连接区域,从而在设计中对薄弱环节进行适当加强。     

实验尺度无人水下滑翔机设计与试验

无人水下滑翔机是一种高效的水下机器人。实尺度滑翔机在一般水池内很难形成稳态的滑翔运动,不便于研究分析其动力学问题,因此设计一种实验尺度的水下滑翔机,详述滑翔机的设计、建模、控制与试验研究。首先,简述实验尺度滑翔机结构,利用CFD软件计算壳体的水动力参数。然后,根据机体的内部质量分布,建立滑翔机的动力学模型。最后,设计垂直剖面运动的线性二次型调节器(LQR)控制器与线性Kalman观测器,并在观察环节加入一定量的白噪声干扰。仿真结果表明,设计的控制器与观测器可在一定量干扰存在的情况下保证机体的正常运行。水池试验的结果表明,设计的滑翔机可在3 m水深范围完成稳态滑翔运动,并具有良好的稳定性及操纵性。     

基于视觉需求的城市水下特长隧道光环境评价与优化综述

为提高城市水下特长隧道的行车安全和运输效率, 总结了城市水下特长隧道光环境典型问题与改善措施, 分别从舒适性、经济性、设置依据、安装形式等方面对洞口遮光设施、出入口加强照明、景观装饰、视线诱导系统4种隧道光环境改善措施进行了比较分析; 依据马斯洛需求层次理论对驾驶人视觉需求进行分层, 提出了包含事故分析、评价体系、优化思路、优化方法的城市水下特长隧道光环境评价体系与优化研究框架。分析结果表明: 城市水下特长隧道光环境主要有出入口的明暗适应、道路线形变化引起的视距不足、中部的视觉参照信息不足、隧道整体空间路权不清晰的问题; 设置视线诱导系统是一项低成本、有效的光环境优化方法, 能满足驾驶人在不同隧道路段上的视觉差异化需求; 驾驶人视觉需求由低到高可以分为功能性、安全性、舒适性、美观性, 并依次对应相应的基本型、安全型、舒适型、韵律型视觉参照系, 可构建以空间路权、人因与驾驶任务、差异化、韵律性为指标的评价体系来评价城市水下特长隧道光环境; 城市水下特长隧道光环境优化应将视线诱导和加强照明相结合, 主要通过视线诱导系统来重构视觉参照系, 隧道接近段、入口段、中间段普通区、出口段应以舒适型视觉参照系为优化目标, 中间段提醒区及唤醒区则应构建韵律型视觉参照系。     

爆炸容器内准静态气压实验研究

  目的  密闭空间内爆炸过程不仅涉及冲击波的传播和反射,还包含复杂的后燃烧效应。后燃烧效应既增强了冲击波强度,还会对最终准静态压力产生较大影响。为对约束空间内爆炸准静态超压进行预测,  方法  基于化学反应分析及能量守恒定律,推导给出一种考虑后燃烧效应内爆炸准静态超压峰值的计算模型,并将模型计算得到的准静态超压与相关文献的实验测量结果及经验公式的结果进行对比分析,以验证所提理论模型的可靠性和准确性。  结果  结果表明：理论模型计算的准静态超压峰值与文献的实验测量及经验公式的结果吻合较好;Anderson经验公式在药量体积比小于0.5 kg/m³的爆炸工况下并不适用,文献[相似文献   

基于Contourlet变换和多尺度Rentinex的水下图像增强算法

  目的  水下图像是水下视觉感知技术领域应用的基础,由于水对光的吸收以及水中颗粒对光的散射作用,使水下图像具有对比度低、边缘模糊等特点,导致图像质量下降。为此,提出一种削弱水介质对水下图像影响的图像增强算法。  方法  首先,研究了水下成像数学模型,并且依据Lambert-Beer定律推导出了未退化的图像数学模型。其次,利用红色暗通道先验（RDCP）理论得到未退化图像模型中的红色暗通道透射率图像,并通过引导滤波算法对该图像进行滤波细化处理,获得了对比度比较高的未退化图像。然后,针对去模糊后水下图像对比度仍然不理想的情况,采用对比度受限直方图均衡化算法（CLAHE）提升水下图像对比度。  结果  基于常用图像评价标准,通过实验评价了本文算法的有效性,  结论  本文算法能够显著提升水下图像信息熵、对比度和平均梯度,更能凸显图片信息的细节特征。     

近距空爆下复合抗爆舱壁变形破坏模式试验研究

  目的  为了提升多次水下爆炸载荷作用下舰船结构的抗爆性能,给出一种模拟多次水下爆炸的数值方法。  方法  通过试验与数值仿真相结合的方法研究多次水下爆炸载荷作用下直径为600 mm、厚为5 mm的背空固支45^#钢板的动态响应,得到钢板的塑性变形历程并分析其塑性变形规律。  结果  结果表明：背空固支45^#钢板在多次水下爆炸载荷作用下的塑性变形形貌呈类球冠形,变形模式以弯曲变形和双向拉伸变形为主。药量与爆距一定时,钢板中心挠度增量随着水下爆炸加载次数的增加而逐渐减小,且第二次爆炸加载后挠度增量为首次爆炸加载后挠度的1/3。总药量不变时,与多次均匀水下爆炸加载结果相比,单次水下爆炸加载后钢板的挠度与厚度减薄率均偏大,中心挠度最大相差20.25%。  结论  试验与仿真结果具有较好的一致性,研究结果可为舰船防护设计提供参考。