可控被動式減搖水艙特性研究及實驗驗證.pdf

1、船舶在海洋環(huán)境航行時,由于外界環(huán)境影響引起的搖蕩運(yùn)動會影響船體的耐波性和適航性,產(chǎn)生的運(yùn)動速度和加速度會使乘員產(chǎn)生不舒服感,嚴(yán)重的會使船上設(shè)備失效,甚至產(chǎn)生人員貨物損失,對于單體排水量型船舶,橫搖方向是影響最大的,隨著船舶減搖技術(shù)的發(fā)展,減搖鰭、減搖水艙和重物減搖等減搖裝置用于減少船體橫搖,減搖水艙由于其減搖效果顯著,減搖性能與船體航速無關(guān),維修方便和控制簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用,特別是科學(xué)考察船、救助船等。論文針對減搖水艙型式主要是U形結(jié)

2、構(gòu),通過對被動式減搖水艙的研究分析了水艙的特性,并在此基礎(chǔ)上,研究氣閥控制和水連通擋板控制方法,并采用臺架試驗的方式結(jié)合半實物仿真對水艙的特性和控制方法進(jìn)行了驗證。
　　首先,為了分析耦合水艙流體作用的船體運(yùn)動,基于Hamiltion力學(xué),建立“船舶-減搖水艙-海浪”數(shù)學(xué)模型,模型考慮船體多自由度運(yùn)動及非線性因素。針對不同的研究內(nèi)容,在耦合水艙流體作用的船體6自由度運(yùn)動模型的基礎(chǔ)上,通過降階、簡化,分別得到1自由度非線性橫搖模型,

3、3自由度度橫搖、縱搖和升沉非線性模型。同時,對關(guān)鍵參數(shù)的求解進(jìn)行了分析。
　　水艙的外部形式結(jié)構(gòu)和內(nèi)部阻尼結(jié)構(gòu)決定了水艙的主要特性,水艙外部形式和結(jié)構(gòu)邊界決定于船體的參數(shù),通過4種不同的船體參數(shù)以及不同的水艙設(shè)計,分析了與不同船體的適配。對于水艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu),由于流體流態(tài)變化的隨機(jī)性,以及流體大幅度運(yùn)動的非線性,國內(nèi)外學(xué)者通常采用計算流體力學(xué)CFD進(jìn)行輔助分析,如流體體積函數(shù)(VOF),光滑粒子動力學(xué)(SPH)和無網(wǎng)格移動粒子半隱式

4、法(MPS),鑒于算法的準(zhǔn)確性和可靠性考慮,采用VOF方法建立水艙計算流體力學(xué)的2d和3d模型。并以自由振蕩、強(qiáng)制振蕩和隨機(jī)信號作為激勵信號,分析水艙內(nèi)流體的流態(tài)變化,包括水艙內(nèi)水的流速、水流動的周期、阻尼特性和水流動所產(chǎn)生的力矩的變化規(guī)律。在理論分析和計算流體力學(xué)分析基礎(chǔ)上,結(jié)合船體結(jié)構(gòu)和水艙布置兩方面的約束條件,研究減搖水艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,包含減搖水艙主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計、阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和相關(guān)布置,實現(xiàn)了減搖水艙結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的編寫;采

5、用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù),研究針對不同船型空間布局,考慮約束條件,完成水艙結(jié)構(gòu)設(shè)計的多目標(biāo)尋優(yōu)。
　　建立“船舶-減搖水艙-海浪”仿真系統(tǒng)。分析在環(huán)境條件改變時,有義波高,航行速度和航向的不同對船體橫搖的影響;分析在船體回轉(zhuǎn)動作,減搖水艙對橫傾和橫搖的影響;參數(shù)橫搖情況下,減搖水艙對參數(shù)橫搖的抑制作用。研究可控被動式減搖水艙的控制方法,包含可變周期寬頻減搖水艙和氣閥控制兩種形式,同時為了減少船體橫搖周期統(tǒng)計計算引起的誤差,提出了基于小波神

6、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)半周期預(yù)測的方法,較常規(guī)的控制方式減搖效果有顯著地提高。
　　最后,對減搖水艙搖擺臺架的控制進(jìn)行了改進(jìn),提高了頻響,可模擬船體的隨機(jī)橫搖運(yùn)動。構(gòu)建減搖水艙試驗系統(tǒng),包含減搖水艙控制器樣機(jī),半實物仿真系統(tǒng)和實驗系統(tǒng)軟件三部分。首先為了分析水艙的特性,采用自由振蕩試驗、強(qiáng)制振蕩和隨機(jī)輸入試驗的實驗方法,實驗結(jié)果與CFD仿真結(jié)果進(jìn)行相互驗證,水艙的固有特性周期、阻尼和頻率特性,通過實驗得到驗證。在半實物仿真系統(tǒng)的支持下,通過搖擺臺