减摇水舱优化设计及控制研究

论文摘要

船舶减摇水舱是一种常用的减摇装置,依靠船舶横摇运动自身所产生的能量使水舱内的水流动产生力矩减少船舶的横摇,具有结构简单,造价低廉,消耗能量低的特点,并且可以在零航速、低航速下起到很好的减摇效果,其中可控被动式减摇水舱能够起到破冰、抗衡倾的作用。减摇水舱被普遍用于RORO船、科学考察船、运输船等船只。课题来源于哈尔滨工程大学“211”重点建设项目“船舶减摇水舱试验装置”,主要进行U型被动式减摇水舱的仿真研究,并针对被动式减摇水舱的结构进行优化设计,在此基础上对可控被动式减摇水舱的控制系统进行硬件设计和软件设计。论文首先研究被动式和可控被动式减摇水舱的减摇机理,针对不同船型分别设计其装载水舱的类型,检验水舱对船舶稳性条件的影响,验证其设计方法的可行性,并讨论安装实船后的使用情况;然后,建立研究过程中所需要的数学模型,包括海浪运动模型、“船舶—被动式减摇水舱”系统模型、“船舶—可控被动式减摇水舱”系统模型;根据以上数学模型对“船舶—被动式减摇水舱”系统进行时域内和频域内的仿真分析,以及航行状态变化对水舱减摇效果影响的仿真分析;针对某型船利用Simulink响应优化工具,对被动式减摇水舱的尺度参数、布置高度和阻尼系数进行多目标优化,寻找最佳参数组合以达到最佳的减摇效果;针对“船舶—可控被动式减摇水舱”系统进行一定的仿真研究,讨论可控被动式减摇水舱的控制方法,并讨论减摇水舱的控制策略;最后,通过比较国外装船的减摇水舱操作系统,结合以往的经验,采用PAC控制器作为可控被动式减摇水舱控制系统的控制器,并进行控制系统的硬件设计和软件设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、意义和目的
• 1.2 国内外减摇水舱的发展和研究状况
• 1.2.1 国外减摇水舱的发展状况
• 1.2.2 国内减摇水舱的发展状况
• 1.3 减摇水舱优化研究状况
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 减摇水舱工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 减摇装置分类及减摇原理
• 2.2.1 减摇装置分类
• 2.2.2 减摇装置的减摇原理
• 2.3 被动式减摇水舱工作原理
• 2.4 可控被动式减摇水舱工作原理
• 2.4.1 可控被动式减摇水舱减摇原理
• 2.4.2 可控被动式减摇水舱控制气阀的配置形式
• 2.4.3 可控被动式减摇水舱控制原理
• 2.5 减摇水舱类型选择及应用
• 2.6 本章小结
• 第3章 “船舶—减摇水舱”系统模型
• 3.1 引言
• 3.2 海浪运动模型
• 3.2.1 规则波
• 3.2.2 海浪谱
• 3.2.3 波倾角
• 3.2.4 不规则海浪模拟
• 3.3 “船舶—水舱”系统受力分析
• 3.3.1 船舶受力分析
• 3.3.2 减摇水舱内的液体受力分析
• 3.4 “船舶—被动式减摇水舱”系统模型
• 3.4.1 被动式减摇水舱运动方程
• 3.4.2 耦合水舱的船舶运动方程
• 3.4.3 水舱方程相关系数的求解
• 3.4.4 水舱固有频率和阻尼系数
• 3.5 “船舶—可控被动式减摇水舱”系统模型
• 3.6 减摇效果的评定
• 3.7 水舱设计方法
• 3.7.1 设计思想
• 3.7.2 约束条件
• 3.7.3 设计步骤
• 3.8 本章小结
• 第4章 “船舶—水舱”系统仿真及结构优化
• 4.1 引言
• 4.2 “船舶—减摇水舱”系统仿真方法
• 4.3 “船舶—被动式减摇水舱”系统仿真分析
• 4.3.1 频域内的仿真分析
• 4.3.2 时域内的仿真分析
• 4.3.3 航行状态的改变对减摇效果的影响
• 4.4 “船舶—可控被动式减摇水舱”系统仿真分析
• 4.5 减摇水舱结构参数优化
• 4.5.1 结构参数优化方法
• 4.5.2 结构参数优化分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 减摇水舱控制系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 减摇水舱控制系统分析
• 5.3 减摇水舱系统控制方法研究
• 5.3.1 减摇水舱工作状态选择
• 5.3.2 控制输入参数的研究
• 5.4 控制器硬件系统设计
• 5.4.1 减摇水舱控制器
• 5.4.2 硬件系统组成
• 5.5 控制器软件系统设计
• 5.5.1 控制器程序软件
• 5.5.2 ISaGraf软件编写控制程序
• 5.5.3 人机界面设计
• 5.6 气动系统设计
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢