船舶减摇鳍/减摇水舱综合减摇试验装置研究

论文摘要

目前的减横摇技术主要是采用单独的减摇装置,而单独使用减摇鳍或减摇水舱,在功能上存在局限性。(1)因为鳍的升力与船速平方成正比,所以在航速较高时,减摇鳍的减摇效果明显,在低航速和零航速时,几乎没有减摇作用。(2)尽管减摇水舱能在各种航速下减摇,但与减摇鳍相比,其具有较低的减摇性能。(3)减摇鳍在横浪下减摇效果最好,在其它浪向下的减摇效果不理想甚至不减摇;被动式减摇水舱是依靠水舱本身的横摇固有周期而工作,实际海浪周期与水舱固有周期相差较大时,水舱往往达不到预期的减摇效果,在某些海情下还可能发生增摇。而减摇鳍/减摇水舱船舶综合减摇可以结合减摇鳍和减摇水舱的优点,使舰船在各种航速下都能够有效地减摇。对综合减摇进行理论研究的同时,建立综合减摇试验装置并根据其工作特点,通过合理的分析综合减摇数学模型,研究其在试验装置上的实现方法,并对综合减摇进行试验研究,可为船舶装备综合减摇装置提供理论和试验基础。本文在查阅大量国内外资料的基础上,对减摇鳍/减摇水舱船舶综合减摇的相关理论进行了深入分析和研究,并对其试验装置特性进行了分析,确定了综合减摇在试验装置上的实现方法,并进行了仿真和试验研究。首先,通过分析船舶—减摇鳍系统数学模型和船舶—被动水舱系统数学模型的特点,建立了减摇鳍/减摇水舱综合减摇系统的数学模型;讨论了综合减摇系统中引入减摇鳍和减摇水舱对横摇方程的影响,研究了鳍和水舱的相互作用对静特征数以及综合减摇效果的影响;其次,对综合减摇试验装置进行特性分析,研究了台架模拟船舶横摇方程参数的方法,对试验台架横摇阻尼系数进行了试验研究和分析;在此基础上结合减摇鳍和水舱装置构建了综合减摇试验台,确定了鳍和水舱的相关参数;研究了水舱尺寸的变化对相关参数的影响,并对综合减摇试验台中台架伺服系统数学模型进行了介绍,对海浪进行了理论分析与仿真。再次,结合综合减摇试验装置的特点,提出综合减摇系统在试验装置上实现的关键问题。通过对综合减摇数学模型的分析,提出在综合减摇试验装置上实现综合减摇数学模型的两种方法:按力矩控制原理的二项式法和横摇无因次衰减系数法,并对二种方法进行仿真研究和对比分析。最后,对综合减摇试验装置进行了试验研究。通过试验对力矩反馈的可行性和台架模拟船舶横摇运动的准确性进行测试,对被动水舱的固有周期、被动水舱减摇效果、减摇鳍减摇效果及综合减摇装置减摇效果等进行了试验测试和对比分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、目的和意义
• 1.2 船舶减摇技术的研究现状
• 1.2.1 横摇的危害
• 1.2.2 船舶减摇的方法
• 1.2.3 减摇装置简述
• 1.2.4 综合减摇技术现状
• 1.3 减摇试验装置的发展概况
• 1.4 本论文的研究内容
• 第2章 综合减摇系统的数学模型及理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 船舶横摇数学模型
• 2.3 船舶-减摇鳍系统数学模型
• 2.3.1 减摇鳍减摇原理及数学模型
• 2.3.2 对抗控制原理
• 2.4 船舶-被动水舱系统数学模型
• 2.4.1 被动式减摇水舱的工作原理
• 2.4.2 船舶-被动水舱系统数学模型的建立
• 2.5 船舶-鳍-被动水舱综合减摇系统数学模型
• 2.5.1 综合减摇的优点
• 2.5.2 综合减摇系统数学模型
• 2.6 鳍和水舱的相互影响分析
• 2.6.1 二项式简化原理
• 2.6.2 鳍和水舱静特征数的相互影响
• 2.6.3 鳍和水舱的动态作用对综合减摇效果的影响
• 2.7 本章小结
• 第3章 综合减摇试验装置的特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 试验台架的工作原理
• 3.3 试验台架参数调整方法
• 3.3.1 重心位置调节方法
• 3.3.2 转动惯量调节方法
• 3.3.3 阻尼系数模拟方法
• 3.4 试验台架监控系统
• 3.4.1 控制系统的硬件实现
• 3.4.2 硬件电路的标检
• 3.4.3 监控系统的界面
• 3.5 试验台架横摇阻尼系数的试验研究
• 3.6 综合减摇试验台的构建
• 3.6.1 减摇鳍装置参数
• 3.6.2 被动水舱参数及仿真分析
• 3.6.3 电液伺服系统模型
• 3.6.4 海浪理论及海浪仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 综合减摇系统在试验装置上的实现方法
• 4.1 引言
• 4.2 综合减摇系统在试验装置上实现的关键问题
• 4.2.1 减摇鳍扶正力矩的引入
• 4.2.2 试验台架-被动水舱模型阻尼系数的计算
• 4.2.3 试验台架-被动水舱物理模型传递函数
• 4.3 按力矩对抗原理的二项式法及仿真分析
• 4.3.1 最佳近似解的选取
• 4.3.2 二项式法仿真分析
• 4.4 横摇无因次衰减系数法及仿真分析
• 4.4.1 船舶-水舱系统横摇运动放大因子
• 4.4.2 无阻尼项的船舶-水舱系统传递函数
• 4.4.3 无因次衰减系数法仿真分析
• 4.5 二项式法和无因次衰减系数法对比分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 综合减摇试验装置的试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验台横摇运动试验
• 5.2.1 力矩反馈可行性试验
• 5.2.2 试验台对船舶横摇运动的模拟试验
• 5.3 被动水舱减摇试验
• 5.3.1 被动水舱固有周期测试
• 5.3.2 被动水舱减摇效果评定
• 5.4 减摇鳍减摇性能试验
• 5.5 综合减摇装置试验研究
• 5.6 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