可控被动式减摇水舱特性研究及实验验证

摘要

船舶在海洋环境航行时,由于外界环境影响引起的摇荡运动会影响船体的耐波性和适航性,产生的运动速度和加速度会使乘员产生不舒服感,严重的会使船上设备失效,甚至产生人员货物损失,对于单体排水量型船舶,横摇方向是影响最大的,随着船舶减摇技术的发展,减摇鳍、减摇水舱和重物减摇等减摇装置用于减少船体横摇,减摇水舱由于其减摇效果显著,减摇性能与船体航速无关,维修方便和控制简单等优点被广泛应用,特别是科学考察船、救助船等。论文针对减摇水舱型式主要是U形结构,通过对被动式减摇水舱的研究分析了水舱的特性,并在此基础上,研究气阀控制和水连通挡板控制方法,并采用台架试验的方式结合半实物仿真对水舱的特性和控制方法进行了验证。
　　首先,为了分析耦合水舱流体作用的船体运动,基于Hamiltion力学,建立“船舶-减摇水舱-海浪”数学模型,模型考虑船体多自由度运动及非线性因素。针对不同的研究内容,在耦合水舱流体作用的船体6自由度运动模型的基础上,通过降阶、简化,分别得到1自由度非线性横摇模型,3自由度度横摇、纵摇和升沉非线性模型。同时,对关键参数的求解进行了分析。
　　水舱的外部形式结构和内部阻尼结构决定了水舱的主要特性,水舱外部形式和结构边界决定于船体的参数,通过4种不同的船体参数以及不同的水舱设计,分析了与不同船体的适配。对于水舱的内部结构,由于流体流态变化的随机性,以及流体大幅度运动的非线性,国内外学者通常采用计算流体力学CFD进行辅助分析,如流体体积函数(VOF),光滑粒子动力学(SPH)和无网格移动粒子半隐式法(MPS),鉴于算法的准确性和可靠性考虑,采用VOF方法建立水舱计算流体力学的2d和3d模型。并以自由振荡、强制振荡和随机信号作为激励信号,分析水舱内流体的流态变化,包括水舱内水的流速、水流动的周期、阻尼特性和水流动所产生的力矩的变化规律。在理论分析和计算流体力学分析基础上,结合船体结构和水舱布置两方面的约束条件,研究减摇水舱的结构设计方法,包含减摇水舱主要结构尺寸的设计、阻尼结构的设计和相关布置,实现了减摇水舱结构设计软件的编写;采用多目标优化技术,研究针对不同船型空间布局,考虑约束条件,完成水舱结构设计的多目标寻优。
　　建立“船舶-减摇水舱-海浪”仿真系统。分析在环境条件改变时,有义波高,航行速度和航向的不同对船体横摇的影响;分析在船体回转动作,减摇水舱对横倾和横摇的影响;参数横摇情况下,减摇水舱对参数横摇的抑制作用。研究可控被动式减摇水舱的控制方法,包含可变周期宽频减摇水舱和气阀控制两种形式,同时为了减少船体横摇周期统计计算引起的误差,提出了基于小波神经网络半周期预测的方法,较常规的控制方式减摇效果有显著地提高。
　　最后,对减摇水舱摇摆台架的控制进行了改进,提高了频响,可模拟船体的随机横摇运动。构建减摇水舱试验系统,包含减摇水舱控制器样机,半实物仿真系统和实验系统软件三部分。首先为了分析水舱的特性,采用自由振荡试验、强制振荡和随机输入试验的实验方法,实验结果与CFD仿真结果进行相互验证,水舱的固有特性周期、阻尼和频率特性,通过实验得到验证。在半实物仿真系统的支持下,通过摇摆台模拟实际船体的运动,将水舱的液位等信息反馈到系统中,通过控制器实现了水舱气阀的控制,采用摇摆台的力矩伺服控制下,验证控制器设计和控制方法的有效性。

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第1章 绪论

1.1 课题来源、目的及意义

1.2 国内外减摇水舱技术的发展

1.3 减摇水舱理论和试验研究

1.4 研究基础及主要研究内容

第2章 耦合水舱流体作用的船体运动模型

2.1 引言

2.2 船体运动数学模型

2.3 U型结构减摇水舱力学分析

2.4 外部干扰力和控制力分析

2.5“船舶-水舱-海浪”系统的动态方程

2.6 本章小结

第3章 减摇水舱流体特性及结构优化

3.1 引言

3.2 正弦摇摆舱内流体运动分析

3.3 减摇水舱舱内流体CFD分析

3.4 水舱模型CFD仿真

3.4 减摇水舱阻尼结构

3.5 阻尼挡板对固有周期的影响分析

3.6 减摇水舱结构参数多目标优化

3.7 本章小结

第4章 减摇水舱船体适配以及特性分析

4.1 引言

4.2 船体参数适配

4.3 矩形棱柱水舱结构建模

4.4 海况及航行状态对减摇效果的影响

4.5 减摇水舱对参数横摇的影响分析

4.6 减摇水舱对船体回转运动的影响

4.7 本章小结

第5章 U型减摇水舱控制方法研究

5.1 引言

5.2 减摇水舱典型控制方法分析

5.3 基于预测控制的减摇水舱控制方法

5.4 本章小结

第6章 减摇水舱控制器设计及实验验证

6.1 引言

6.2 减摇水舱试验系统组成

6.3 减摇水舱控制系统及样机设计

6.4 两自由度减摇水舱实验摇摆台

6.6 试验方法及实验

6.7 控制器及控制方法验证

6.8 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢