"育鹏"轮斜航水动力数值计算及运动仿真

为了建立高精度船舶运动数学模型,以目前国内最大、最先进的大连海事大学教学实习船"育鹏"轮为研究对象,采用计算流体力学方法,分别对该船模压载状态下的直航运动和斜航运动水动力进行数值计算,将直航阻力系数计算结果与船模物理水池试验数据进行比较,验证了计算方法的可行性;对斜航水动力系数和力矩系数利用最小二乘法进行多项式拟合求取相关操纵性斜航水动力导数,代入"育鹏"轮六自由度运动数学模型中,用于预报和运动仿真.将部分仿真试验结果与实船海试数据进行对比,吻合较好,误差均在12%以内,验证了数学模型的正确性,提高了航海模拟器数学模型的精度.     

可调螺距螺旋桨船舶的操纵运动数学模型

为利用模拟器对可调螺距螺旋桨(CPP)船舶操纵运动进行仿真,应用船舶操纵性分离建模理论,基于荷兰船模试验水池B系列螺旋桨的敞水试验结果,利用Akima插值获得了不同类型的CPP在不同螺距比时的四象限推力系数和扭矩系数,求得CPP的推力和扭矩,建立了CPP船舶的平面运动数学模型.模型充分考虑了风、流对船舶操纵的影响,并可适用于CPP船舶常速域和低速域的操纵运动仿真.仿真结果与实船试验结果吻合较好,能够满足大型船舶操纵模拟器对船舶运动数学模型仿真精度的要求.     

吊舱推进船舶运动数学模型及其在航海模拟器中的应用

应用MMG分离建模思想,建立配备吊舱推进器的半潜船四自由度运动数学模型,利用回归公式估算POD桨的推力和扭矩,用经验公式估算伴流分数和推力减额.在航海模拟器中,通过硬件信号控制POD桨的转速和旋转角度,并将其传输给船舶运动数学模型模块,采用四阶龙格—库塔法积分求解船舶运动微分方程组,获得实时船舶运动态势,再将其传递给航海模拟器中的其他模块,实现人—机交互.以半潜船“泰安口”为例,建立POD桨的水动力性能数学模型以及半潜船的运动数学模型.与实船海试试验结果比对,不确定度在20％以内,能够满足航海教学培训和工程论证需要.     

船舶在规则波中纵摇与升沉运动的仿真

对船舶在波浪上纵摇与升沉运动的数学模型进行了介绍和分析，并根据船舶在波浪中运动的特点，对此数学模型的各个系数进行了适当的简化，然后，运用MATLAB语言以SR108集装箱船为例进行了仿真研究，所介绍的数学模型为开发六个自由度的船舶操纵操纵模拟器奠定了技术基础。     

船舶操纵运动仿真及其理论研究

建立了船舶操纵运动仿真数学模型，给出了一种新的风力和风力矩数学模型并预报了船舶在风作用下的操纵运动，提出了估算浅水中船体水动力的方法，预报了船舶在浅水中的操纵性能，研究了边界元理论在船体水动力计算中的应用，并利用理论计算结果，预测了船舶的回转运动及Ｚ形操纵。     

港口航道和码头通航安全评估

为了满足对福建液化天然气站线10万t级液化天然气船舶码头工程通航安全评估需求,就通航安全评估工作中的船舶操纵模拟器运用、船舶运动数学模型的建立、电子海图和码头CAD数据转换及叠加、虚拟通航环境生成、评估仿真模拟试验方案的设计与实施以及船舶航迹带生成系统等关键技术问题进行简要的论述.且运用大型船舶操纵模拟器和船舶航迹带生成系统,对10万t级液化天然气船舶的航行安全问题进行仿真模拟,并对模拟仿真结果进行分析评价,进而提出通航安全方面的合理化建议.     

船舶锚泊操纵运动预报与分析

结合船舶操纵模拟器的开发,建立了船舶锚泊操纵运动数学模型,以预报分析船舶在锚泊操纵全过程中各种动态运动响应.提出了一种较为合理的锚抓底力的数学计算模型,并计入抓底走锚等影响,给出了具体的数值计算方法.整个模型包括：水面船舶采用MMG模型来进行建模,并计入低速时水动力的影响;水下锚链因其运动是一种三维动态运动,采用针对海洋缆索系统的集中质量法来描述其运动;锚自身因其尺度很小,在确定其抓力的基础上将其视为锚链的一个节点,溶入到锚链的运动控制方程中去.最后,应用该模型对一水面船舶进行了锚泊操纵运动计算,并对比分析了不同情况下的锚泊操纵性能,给出了一些规律性的定性结论.     

破舱进水对船舶横摇运动的影响

为研究船舱破损进水对船舶横摇运动的影响,建立了破舱进水船舶在规则横浪中的横摇运动微分方程,将进舱水晃荡产生的动力矩作为作用于船舶的外力矩.利用FLOW-3D对进舱水产生的动力矩进行仿真模拟计算,利用Matlab编程对破舱进水的横摇运动方程求解,计算分析破舱进水晃荡对船舶横摇运动的影响.以一艘拖轮为例,用时域法对不同波浪频率下的横摇运动响应进行计算,对比分析了规则横浪中的完整和破舱状态船舶的横摇运动响应特性.结果表明,在船舶大幅运动时,进舱水液面会成波浪状,产生翻卷和破碎,引起较大的合外力矩,使横摇运动幅值增大,危及船舶安全.     

紧急停船运动数学模型及其仿真研究

基于船舶推进和船舶操纵性理论，建议了一个计算紧急停船运动的数学模型，并对其中的螺旋桨水动力和力矩提出了一种新的处理方法．利用该数学模型对数十艘实船进行了紧急停船仿真计算，并与相应的实船试航、实船试验实测结果进行了比较，吻合很好．验证了该数学模型的正确与有效，可用于计算船舶的紧急停船运动与预报船舶的紧急停船性能．     

六维并联地震模拟器机构的动力学分析与仿真

基于Newton Euler法对三向六自由度(6 PSS)并联地震模拟器进行了动力学分析,分析了地震模拟器运动平台与各构件运动参量之间的关系;考虑重力与惯性力的影响,推导了并联机构杆件和运动平台动力学方程,并消去各构件之间的内力,建立了机构整体动力学方程;基于动力学模型进行动平台各驱动力的数值仿真.结果表明,6-PSS并联机构适用于地震模拟器,所建立的动力学模型能够作为其精确控制的数学模型.     

基于两种螺旋桨建模方法的全附体船模斜拖试验数值模拟

应用计算流体动力学(CFD)方法数值模拟约束模试验以获取船舶操纵水动力导数,是建立船舶操纵运动数学模型的有效方法.在数值模拟全附体约束模试验中,选定合适的螺旋桨建模方法,是既快速又准确地计算船体水动力的关键.应用CFD方法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,分别采用体积力法和基于实桨的滑移网格法对螺旋桨进行处理,数值模拟了全附体KCS船模的斜拖试验;通过水动力数值计算结果与基准试验数据的比较,验证了所采用的数值方法的可靠性.对两种螺旋桨建模方法的结果进行比较可以发现,综合考虑计算成本和计算精度,体积力法可以代替实桨方法进行全附体约束模斜拖试验数值模拟.     

船舶横摇与纵摇运动的非线性耦合方程

以欧拉角描述船舶的摇摆运动,考虑规则波浪力及船舶受定常力矩的情形,将水动力展为Ｔａｙｌｏｒ级数,利用欧拉动力学方程推导出船舶横摇与纵摇二自由度耦合的非线性运动方程,为船舶内共振运动响应动力行为分析奠定基础。     

导管调距桨全回转拖轮停船运动建模与仿真

针对配备了双导管调距桨的全回转拖轮进行紧急停船运动仿真.基于分离型建模思想,建立全回转拖轮的停船运动数学模型.采用塔格尔特剩余阻力图谱获得不同弗汝德数下的剩余阻力系数,建立适用于常速域和低速域的拖轮阻力模型.通过修正后的JD7704导管+Ka4-70螺旋桨图谱与荷兰船模试验水池最新提出的C4-40调螺旋桨图谱,获得不同水动力螺距角与螺距比下的推力系数,建立适用于导管调距桨实际操纵工况的推力模型.仿真结果显示,所建模型可满足拖轮操纵模拟器中全回转拖轮紧急停船运动精度的要求.     

STF切片理论的实用数值计算方法改进

根据STF切片理论,建立船舶在斜浪规则波下直航运动的五个自由度耦合方程,并考虑航速及球鼻艏对水动力系数的影响加以修正.此外,针对原计算公式中横摇阻尼系数项不考虑流体黏性的问题,引入Ikeda半经验公式对该项进行非线性修正,采用辛普森积分法和四阶龙格-库塔微分法分别对船舶水动力系数和各自由度随时间历程的变化进行数值计算.以Wigley系列船型和某教学实习船为例,将水动力系数、波浪扰动力及力矩和各自由度运动幅值与相关试验值、其他文献结果以及商业软件数值仿真结果对比.结果表明,经过非线性修正后,横摇运动响应结果与商业软件数值仿真结果更加逼近,其他自由度的运动响应结果与对应的试验值和其他文献结果也都较为吻合,证明了本文计算方法的可行性,且具有一定的实用价值.     

船舶纵向运动控制模型的建立及仿真

针对船舶在海上运动的情况,提出了一种水动力模型的建立方法.依据切片理论建立了不同浪向下船舶纵向运动的水动力模型.基于船模水池实验,在分析442 t水面舰艇典型海况下水动力系数的基础上,通过仿真研究,推导出一种实时在线的船舶纵向运动控制模型;给出了计算实例并进行了误差均值和误差方差的可信度检验,置信度95%.该模型可实时在线地计算出船舶在任何航向、航速及海情下与频率无关的船舶纵向运动水动力系数,从而得到实时在线船舶纵向运动控制模型.所建立的水动力模型拟合均方差的相对值在0.4%～13.9%,平均拟合均方差的相对值为6.6%.通过MATLAB仿真计算证明:该模型完全能控、完全能观和渐进稳定.     

船间效应影响下的船舶操纵运动仿真

为更好地研究船间效应影响下的船舶操纵运动问题,采用MMG建模思想,将船间效应力及力矩的通用公式叠加到操纵运动方程中.在此基础上,结合PD航向控制和欠驱动航迹控制算法,研究发生船间效应时舵对船舶的控制问题,并应用Matlab进行仿真.结果表明,一定条件下,船间效应对船舶运动的影响可用舵进行控制.     

大攻角情况下破损进水潜艇水下机动性

在美国泰勒海军舰船研究与发展中心发布的潜艇6自由度空间运动方程基础之上,结合潜艇大攻角及螺旋桨变负荷水动力试验研究,考虑大攻角对于潜艇水动力系数的影响,建立了改进的潜艇空间运动模型.分析了潜艇出现大攻角运动的时机,并运用改进的潜艇运动方程仿真计算,研究讨论了破损进水潜艇的水下机动性.改进后的运动方程对于潜艇应急挽回机动过程显示出良好的适用性.     

Kalman滤波技术在船舶动力定位技术中的应用

提出了Ｋａｌｍａｎ滤波技术在船舶动力定位中的应用方法,并以３００ｍ救生母船为实例分析了如何根据船舶的运动方程船舶运动的数学模型,并设计了Ｋａｌｍａｎ滤波器,通过计算机仿真试验说明该滤波器能够较好地估计出船舶的真实船位和艏向。     

循环水槽平面运动机构试验及其斜航试验的数值模拟

为避免拖曳水池对平面运动机构试验的工况限制并提高测量精度,使用循环水槽开展平面运动机构试验.以大型油轮KVLCC2模型为研究对象,在多个工况下对其进行斜航试验、纯横荡试验和纯艏摇试验,测得船舶操纵性运动所需的水动力数据.将研究结果与日本海上技术安全研究所(NMRI)的试验结果进行对比,证明循环水槽平面运动机构试验具备较强的可靠性.此外,采用通用CFD软件对KVLCC2模型在循环水槽中不同漂角的斜航试验进行数值模拟.将计算得到的水动力及力矩与实验数据进行对比,结果表明,该数值模拟方法适用于循环水槽斜航试验的水动力计算.     

船舶操纵运动数学模型预报精度的研究

借助实船操纵性试验数据库，对船舶操纵数学模型进行了一的仿真比较研究，发现纵向阻尼水动力导数Ｘｒｒ，直航时舵处伴流系数ωＲ０，舵处整流系数γ的对预精度有很大的影响，因此利用实船操纵性试验结果，并以单纯形法对上述三个参数进行寻优，从而提高了仿真预报的精度。