船舶U型减摇水舱控制系统设计及实验研究（可编辑）

1、船舶U型减摇水舱控制系统设计及实验研究 哈尔滨工程大学博士学位论文船舶U型减摇水舱控制系统设计及实验研究姓名:孙伟申请学位级别:博士专业:控制理论与控制工程指导教师:李国斌20060601瓣躺型躐摇承鲶控制系统设计及实验研究摘 要减摇永舱是应霜竣广泛酌减播装置之一,猩各种航速下部能减少船舶的横摇运动,并且能够在一定的控制下,减少船舶横倾,进行破冰作业及进行倾斜试验,现今装船的减摇水舱装鬣,无论是被动式或是可控被动式减摇东鲶,大多都是型减援承韪,型减摇东舱设计方便,易予控制,并且只簧结构设计良好,就可以起到很好的减摇效果。本课题来源于哈尔滨工程大学“”重点建设项目“船舶减摇水舱试验装嚣”,对型减

2、摇水舱的优化设诗、水舱对船黯稳性懿影响、控制系统设计及求舱试验进行了一定的研究。本文在查阅大量图内外资料的基础上,综述了减摇水舱的国内外发展和研究现状,确定了本文的研究方向。通过辩“船耱一减撂承舱”系统豹受力送行分橱,建立了“船舶一减撵求舱”系统数学模型,并在此基础上,设计仿真方法,对减摇水舱优化设计方法、水舱对船舶稳性的影响及相关方面进行了研究。针对弼控被动式减糕承舱,送行了一定静分掰,并透行了仿真,在既基础上讨论可控被动式减摇水舱的控制方法,综台圆内外相关产品的资料,结合以往的经验,设计了减摇水舱系统的控制器,包括硬件结构及软件设计。对予减摇水舱的设计,试验楚最熏要的一环,蓠先,根掇流体提

3、议,设誊卡减摇承鲶的模型,然瑟讨论了减援农舱试骏窗絮的原理及功能,设计了躐摇水舱试验监控系统,研究了减摇水舱的自由振荡试验、强制振荡试验及垒模拟试验的方法及相关数据处理方法。最慝送行减疆东鲶试验,包括承舱豹鸯玉振荡试验、强巷掇荡试验,分析了不蔺隧尼结构对减摇东舱特性趵影响,为以盾减摇水舱的工程化设计打下了基础。关键滴:减摇承舱;可控被动式;气润控制;横摇:台架试驰船霸型减摇承鲶控制器统设计及实验研究,? 徽,. . , .、.髓、 .叠, .,嚣 “? 。弧诒 .、 , .融 ., . . , 蹬尔滨工程大学簿士譬毽论文。、, ,.; ;第章绻论第章绪论.课驻的来源、意义和翔的”工程羹点建设颈

4、西“减摇承舱试验零谍题来源予啥尔滨工程大学“浆置”。船舷虢孳亍对,受到海浪、海风及海流等海洋环境扰动豹侔髑,由予瓣舶的横摇运动阻尼很小,会在风浪中会产生剧烈的横摇运动,有时船舶航速很低或静水中靛行瓣,当波浪赞频率接近船舷黪共振频率时,也会谈船麓产生摇摆,这样不但影响船舶的航行,而且还会对船舶上的装备、货物和人员带来不安全因素。因此通鬻震要藏摇装受采减小艟舷翡横摇运动,增加船髂稳性,提高船舶的耐波性能。在船舶攘摇减摇领域,常见鹃减摇装震有跑建骨、减摇鳝、减摇承舱“等,其中,舭龙骨是最简单也是比较有效的减摇装置;减摇鳍是最常用且减摇效果最好的主动式减撂装置,组燕减撵鳍产生的舞力与舷速黪平方成正眈,

5、因此,船舶在低航速或零航速情况下,减摇鳍基本没有减摇效果,所以减摇鲮常见于离速船舶,近年来也鸯少量减援鳍在零炕速减摇豹研究秘应用“,但减摇鳍装置比较复杂,制造成本和保养成本高;减摇水舱在全航速下都能超到减摇效果,并且自够抗船舶横缎,遴行破冰像业及避章亍经籀试验,结弼简单、造价低廉,便于维护保养,但是需蘩占用一定的甲板面积,因此常见于渡轮、集装箱船、科学考察船、抢险船、巡逻船、海洋救生船等,在稳效的控制下,可以在船舶航行的任何时捌都很有效地减小船舶横摇,因此近年来减摇水舱成为减摇装置最好的选择之。由诧可晃,减摇水舱在国内的市场前景非常肴好,需求量也相当大,但是,但目前园内荫能力设计减摇水舱的单位

6、,几乎没有,我国对减摇水舱的醑究始于世纪年代朱,并取得一寇进展。但是,实船装备我们自己设计的减摇水舱还是相当少,而且减摇效果也不太好。因此对减摆水舱基本枕疆、承舱接翩系统及永舱模垂试验方法研究意义熏大,影畸深远。哈尔滨工程大学博士学位论文本课题的目的,在原有的研究罄础上,建立“船舶一减摇水舱”系统数带模型并进行仿真研究,讨论不同海况、不同航向、不同航速以及改变水舱结构参数对减摇效果的影响,及减摇水舱对船舶的稳性影响等,然后研究了可控被动式减摇水舱的控制方法,并设计了减摇水舱控制器,最后研究了基本的试验方法并进行了试验研究,通过试验对理论进行了验证,为减摇水舱的工稔化设计打下了蕊础。国内外减摇水

7、舱的发展和研究状况.。国内外减摇承舱的发展早在唐宋时期,我翻造船师为了提高船舶耐波性,在海船中设鬣了“敝开式减摇水舱”,只不过当时的船舶魁木帆船,横摇问题没有现代舰船那么严重。现代意义上的减摇水舱的研究可以追溯到年,但是首次把水舱作为阐定的减摇设备蔗年装于英国皇家海军潜艇“”号上“。这些早期采用的被动式平面减摇水舱,从采用的黻尼隔壁看,对水舱的作用原溪已有掴当的见解。但楚,这种水瓣由予占用空间大、嗓声高等原因,而被菠弃不瘸。托惹,搬.布勃诺夫、霍特、.马卡洛夫等入先后对利用水舱减摇嘲题进行了研究。年,德嗣久僳拉姆提出了一种型减摇水舱“,箕结构型式麴图.踬示,馒减援水舱发展成为一种实用的减摇装置

8、。这种永舱的两舷边舱帮分壳瘩,楣互阉由连通农遂相港逶,蔼在上面部分亩空气连通道相涟接,大曩的水在横摇作援下自一藏边舱滚到另一舷边舱,晦子它的重鬟和部分惯性的作用蕊产生稳定力矩,以减小船舷戆横攥运动。这种东舱称为被动式型舱或佛控姆水舱”】。被动式型减摇水舱调谐予单一频率,在有限静波浪频率戆露雨能脊效她减摇,离开这巍波浪频率时,不但不§%起减摇作用,存黠还爵能引起增摇现象。因此,年德鬣的聪门予公司在佛控姆设计的水舱蒸础上,设诗出主动式型水舱?。它通过鼓风机驱动使舱中水瓣流动产生豹稳定力矩与圆周期的扰动力矩成。棚位差,从丽使水舱能在更宽的波浪频率范围悫眷效第苹绪论减摇。但是要“快速改变”大

9、流量在技术上存在一定的困难,特别是能量消耗很大,在经济上很不合算。当时美国海军部门全面地研究了这种方法的可行性,结栗由于经济性原因丽否定了主动式型减摇水舱”“。年美国船舶局曾在海洋调查船、导弹跟踪船上装备的槽型平面减摇水舱“,如图.所示。它是一种改良的平面水舱,利用带有较大自由液面的水槽把船左右两舷边舱联接起来,水槽中水的振荡表现为水舱的阻尼,用适当水槽尺度和水舱水深得到稳定力矩,匕王减小船舶的横摇运动,其减摇效果相当显著。常称这融水舱为槽型水舱。图. 型减摇水舱 图.槽型减摇水舱. ? 随后,英国国家物理实验室进行了矩形平恧水舱的研究,并且成功地应用于实船。有时常将这种矩形平磷水舱称为布朗一

10、城摇水舱。槽型水舱和矩形平面水舱可通过调节水深以适应不同的波浪频率,从而能在较宽的波浪频率范围内有效减摇,这一特点使减摇水舱得到广泛斑用。随着对减摇要求的不断提商及对减摇技术的深入研究,人们综合考虑被动式减摇水舱和主动式减摇水舱的优缺点,提出了利用少量能爨控制水舱,使减摇水舱能在较宽的波浪频率范围内有效减摇的方法,这就是后来发展起来的可控被动式减摇水舱。如英国布朗兄弟公司、德国?公司英特灵水舱”、美国佛拉姆公司和日本股份公司公司”等。目前这些公司均有这类成型的产品,如图.,.,可控被动式减摇水舱的自动系统逶过气闷的启闭或霹调阻尼装置来调节水流的振荡周期以适应变化的横摇周期,水舱的控制作用相当于

11、自动延长了舱中水流的振荡周期,从而使水舱能在更宽的波浪范围内有效减摇,消耗能量很好。无论在筚用还是民用方面上,都有很多的装船沌录,并且效果良好。略尔滨二程大学博士学位论文我国的减摇水舱研究始于世纪年代末,由于备种因素的影响,减摇水舱研究远落后于减摇鳍研究,仅有少量减摇水舱装备于实船,而且减摇效果也不太好。近年来,我国船舶工业不断发展,减摇水舱在国内造船市场上前臻非常看好,减摇水舱研究面犒巨大的机遇和挑战。大连船厂、上海江南船厂、沪求中华造船厂及广州黄埔船厂都建造过安装有被动式减摇水舱或可控被动式碱摇承舱船舶,德产品均为国外迸的。图;减描东靛概念图图 可交题麓减摇农舱 .,.减摇水舱理论和试验研

12、究谯减摇水舱研究中,对减摇水舱的滚体动力特性进行了大量购理论分板和实验研究,建立了较为究整的减摇水舱理论。如关于型减摇水舷趵理论有克雷诺夫一勃拉哥维辛斯基理论和查德惠克一克劳托理论“。克甏诺夫一勃拉哥维辛斯撼减摇水舱理论假定船在不规则横波扰动下”,忽略船舶重心的轨圆运动,只出现船绕重心的微幅横摇,同时假定在波浪扰动力矩中只讨论由浮力所产生的主要部分,而不考虑流体动力成分,并利用拉格朗方程撤导出“船舶一水舱”系统的数学模型。查德惠克一克势托就船舶作单纯横摇运动和耦台横荡的横摇运动两种情况建立了“船舶一水舱”系统的数学模型,指出考虑船舶横荡运动厢得到的理论预报值与安装减摇水舱后船舶的实际横摇运动在

13、低频段具有更好的一致性“”。近年来,. 、等人使用的方法研究碱摇水舱的流体特性,并且很多学者对减摇水舱的数学第章绪论模型进行了改进。对予搪型求鲶和平蕊承舱,霹徉也建立了较为完整静理论鞭掇方法。翔矩形平面水舱的方法和方法。假定“船舶一水舱”系统的运动是线性魏,且舷绕逶过重心的固定纵辘俸单鳃横摇懿条件下,褥到了“船舶一平面水舱”系统的数学模型“?。而和则认为当水舱黠鼯的乍用力短可通过试验方法确定嚣孪,关予水舱的运动方程就不髯露要了,只需在船舶的横摇运动方程中附加和频率有关的水舱力矩即可“。”予槽型求舱理论,有竣边搪黧水鲶理论窝弱穗型承戆经能予霹缀方法“”。每一类水舱都有其需簧解决的特殊问题,在求解

14、水舱的性能时,主要问题是菲线篷阻尼、饱和效成、水舱鲍工提秘效果鞠对于波倾焦是嚣线性戆。在减摇水舱研究中,除了减摇水舱的理论分析,以及减摇水舱的设计方法研究之外,减摇水舱试验磷究具有不可替代雅作用;减摇水鲶试验研究主要惫括如下两种形式:减摇水舱模型试验摇摆螽试验和船模水池试验研究如图.;减摇水舱实船试验研究。图.减摇水舱船模水池试验. 关予壤摇水舱试验研究的例予不魅放举。镶如,等人对矩形永舱进行了研究,给出了利用准线性理论推导矩形水舱的运动方程,并对不同周麓、不弼幅度熬横箍角滋行了系列台絮试验,掇荡台试验装置魏强。所示。通过理论与试验结果的比较,发现虽然理论方法能够反映水舱中流体的晗尔滨工程大学

15、博士学位论文运动特性和作用于船上的力矩,但是由于矩形水舱鼹一个非线性对承,必须研究矩形水舱的非线性模型,并指出水舱模型试验在水舱设计中起精非常重要的作用“。另外,和对两种可控被动式减摇水舱进行了研究,并进行了模拟台试骏和实船试验,指出对减摇水舱加入适当的控制,则减摇水舱可应用于各种船舶,所使用横摇模拟台如图.所示”。图.振荡台试验装置 图横摇模拟台把., 还有,寺尾裕等人开发了一种可控被动式减摇水舱”,其通过控制型管内的流体运动来产生最大的减摇效果,利用阀的开启控制水舱内流体的运动相位。阀的动作由船舶横摇周期和舱内流体流速周期控制。并将新开发的可控被动式减摇水舱安装于的小型实验船上,进彳亍了系

16、统模拟和海上试验,结栗表明,这种水舱的减摇效果好,而且安全,即使在阀门打开的情况下,键有很好的减摇效果。图.为减摇水舱试验振荡台,图中四边立桩为支承框架,中下部为台檠,中间为水舱模型,控制气阀通过气体连通道将两边舱稻连接。该振荡台能够产生最大为±。的横摇角,最小横弼周期为.,能够进行翘劐波和不援飚波试验。在水舱底部连通道设有流速传感器,流速信号反馈绘计算祝,作为气阕扁闭豹控制信号。为了对减摇水舱避行抗倾试验,在左右边舱还分剐安装了电容式波高仪,埔予检溺两边舱的平均液位“?。再有,等人将工智能技术应掰于减摇水舱,并第章绪论对矩形水舱进行了水池试验研究,水池试验概况如图。所示。对减摇承趋

17、进杼了永池试验等人侵爆研究 ,如图.。图.减摇水舱试验振荡台 图.减摇水舱水池试验. .若器莲墨图、基予豹求舱试验研究.随着对减摇承簸研究驰深入,发现对于永舱的菲线饿特牲,特剃是在镪和效应出现时,理论预报方法是不适用的。即使可由理论方法求得减摇水舱麴经能,键在进行试验台帮船模及东憝的溉赠波或不勰娲渡试验时,选存在许多困难。如在船模上安装一个“小”的水舱模型要涉及到水动力和实际特茔楚否可行闫越。求舱模婺太小,测尺度效应菲捃唆显;在短峰波情况下船模做性能试验不现实;在许多海情下求水舱的性能也是非常费时和费钱等等。兖分剥雳当今计算机仿真技术是掰究求舱的重要方向。美窝海军船舶研究和发展中心的减摇水舱实

18、验室发展了仿真技术,建立了仿真实验宣。赡尔滨工程大学薅士学位论文实验室装备了一个最大尺寸为.宽的水舱模型的横摇/横荡试验台,羽一台模擞计算枫仿真麓麓在横良运动方瑟的动力学特憋,著给试验台挝供横摇和横荡信号。水舱产生的横摇和横荡力、首摇力矩严格地说是由水舱产生鳇横荡力弓起鳃蓄接力矩反馈至横拟诗算枧中,以提供一个船与承舱系统的闭环仿真,通过应用该中心的频率域船舶运动预报计算机程序,可以综台轻信海情下静辩闻蠛静波浪力帮波渡力矩“。图.所示为减摇水舱模拟台方框图,由图可见,模拟台包括三部分;模瓠海浪挠动的聪闻关系强线:模数船动力特性鑫奇运动部分期求舱匏物理模型。对于专门合成的长峰波序列和不规则波正横序

19、列。在零航速下做了这些试验。在黯模位置测褥豹波序列与颈摄数频率域熬数据一越被记录在磁带上,用来仿真波浪引起的横摇力矩和酋摇力矩,根据其发表的由该模拟台得到的不艘则波、无航速拜尊,装本舱和无承舱的横摇对阉关系酋线与船棱在水池中不规则波、无航速情况的试验结果来看,两者还颇?致的”。旷横摇角, 村厂横摇的波浪扰动力矩广横荡运动,嘶一水舱作用于船力矩斟。严磁?图.模拟台方稽图. 总之,减摇水舱研究必须是理论分析与模型试验方法相结合。因为将系统变量简化为只出现线性变化对,理论分橱和预报方法一般情况下典有足够精度。当系统出现非线性特性时,模型试验水舱模型的台架试验、船模水池试验帮实艟试验是研究系统非线性特

20、梭的良好手段。我国对减摇水舱的研究起步较晚,研究所、研究所、研究所、上海瓣船设计院、大连理工大学、晗尔滨工程大学辩上海交通大学等单位徽过减摇水舱的研究工作,其中上海交通大学做的工作较多。上海交通大学船籀牵绪论舶流体力学研究室对被动式槽型水舱进行了系统的试验研究,发展了横型减摇水舱,建立了相应的性能预报计算公式和图谱“”。目前国内设计的水舱形式上多采用檀墅水舱。最近凡年,哈尔滨工程大学豹型减摇东舱辑究工作有了很大进展,“”工程熏点建设项目“减摇水舱试验装置”为开展减摇水舱试验研究提供了高水平的研究平台。另外,哈尔滨工程大学在减摇水舱研究中与乌克兰和日本进行了技术交流与会馋。辫尧森等人应璃渡边理论

21、和理论计算了不嗣捺水量和横摇溺期时,船裟槽型水舱后的横摇响应曲线,并用双参数海浪谱预报了不同有义波离时水舱减摇效果,并给出了船安装槽型水舱计算减摇效率的系列公式和图谱“”。要外,还麸船体与承苍内水流瓣基本运动蓑手,建立了船舶一可控被动式型减摇水舱系统舱内水流的基本运动着手,建立了船舶一可控被动式型减摇水舱系统的控制方程,并提出了时域解法,同时在摇摆试验台上进毒亍了水舱模型试验,结果表明,理论计算与模型试骏静控制效聚在趋势上舆蠢受荮静一致性。”。图。所示为承舱模型试验摇摆台控制系统方框图。微机产生规则波时间序列和满足一定谱密度公式的不规则波时间序列,通过直流力矩马达驱动模拟台使之产生模拟实船的横

22、摇运动,并对运动测爨结果自裁进雩亍谱分拆帮统计分辑。微机主要控翻安装予藏攥承舷模型上的电磁阀,它魑根据角速度陀螺的信号来决定电磁阀的启闭,每个运动周期内电磁阀启闭两次,从而控制水舱模型内水流的振荡周期,达到最健驰减摇效果,。沈华等人针对箱形工程船工佟在近海承域熬特点,挺爨了应瘸开式减摇水舱减小其横摇运动幅值的设想,建立了“船舶一开式水舱”系统的流体动力学模型,并进行了模型试验,表明这种水舱对于箱形工程船具有较好的减撼效果搿。总的来说,国内对于减摇水舱的研究主要集中在槽型水舱,对型水舱的研究工作还处于起步阶段,有关减摇水舱模型试验的研究报告也十分有限。另方藤,随蓑俏暇控制系统移计算规控制技术懿发

23、袋,曾经被否定的通过移渤蕊定重物豹减摇装置又熏新引起人们的震视,许多文献先后报道了最近对移动固定重物减小船舶横摇运动的研究【蝴】。乃川来纪和小池裕都对通过主动控制移动璧物来减少船舶横摇运动的哈尔滨工程大学博士学位论文阁.撼摆台控制系统方框图. 减摇装置进行了研究,并在小船上进行了海试。结果表明,移动重物的减摇装鬣是有效的。谷田宏次总结了主动式移动重物的减摇装置的发展现状,指出了主动式移动重物减摇装疆蟾当翁研究方淘矧。月罔暂研究了将主动式和被动式移动固定熏物于一体的复合减摇装键,渗试结暴袁鲳,这种减摇装置在海况小予级静培况下,麓达到%的躐摇效果六。等入则在时域内辩移动固定震物的减摇系缆进行了系统

24、豹仿宾研究。从仿真结果看,煎物减摇方式可以有效地减小船舶横摇运动,与减摇承舱相跑,它具有占船舶空闯体积,、斡优点例。佐伯燹一郎等人报道了安装于日本海洋科学技术中心的海洋调查研究船“未来”罨上的混合式移动重物的减援装置。船舶持水量为,可移动重物,占排水量的%,重块位移幅廉,装置尺寸.×.×,安装螽逛动机驱动可动重块在圆弧状孰道上运动。该减辑系统绩合了主动式和被动式减摇的优点,采用计算机通过实时检测船舶的横摇运动以控制电动枧,具有结构紧凑、重量轻特点。在停船和低航速航行耐的各种海第章绪论况下均有较好的减摇效果,可用于代替备种船用的减摇水舱装置。实船海试结果表囊,这穆躐摇装置其有

25、%减撬散聚”吣“。可见,通过移动固定熏物的碱摇装嚣,具有荩独特的优点,已受到人们越来越多鹩熏视,鸯可靛成为继蹴龙鸯、减摇鳍鞠减摇承舱螽的波慝广泛麴减摇装置。从对溅据承舱的磅巍秘发展搿以看窭,怼减握拳靛汝磷究可织纳为以下五点:优化设计减摇舱豹结橡形式,以改善城糕承舱豹性能;减摇水舱设计方法的研究,总结套工程实用的设计方法;理论分析与模型试验方法鞠结合。将系统变量餮纯为只凄现线瞧变化时,理论分析和预报方法一般情况下具有足够精度。当系统出现非线性特性时,模型试验方法为研究系绞线性特性提供了起好的手段,包括水舱模楚的台架试验、船模中的试验和实船试验等;对减摇水舱有效性评价榕准和测爨方法豹研究;利用计算

26、机技术,对“船舶一水舱”系统进行数值计算和仿真研究。计嚣机技术的飞速发展,进一步促进了数德计箕方法在减撂水舱巾躲应用,计算流体力学和育限元法应用于水舱减摇效果的研究还只是刚刚起步书】。.。溅摇木舱控制系统翟矫承舱装船的公司主要有德霭静公司和强本豹公司,公司的减摇设备有减摇鳍、减摇水舱和抗倾水舱,年的制造弱史,装船数予艘,通常这几释减摇承舱互糟戴合,不俊可以离速减摇、而麒可以在低速时减摇、减少横倾。图.为公司生产的可控被动式减獾东舱,采震控锚,使穰气缸控铡阉开荚空气迄逶道。公翅的可变周期减摇水舱将水舱分割成几部分,通过阻尼板改变水舱的周期,邀释求舱装置为静发明装置,已经装勰余艘。图,为公弱的减摇

27、水舱产品,采用工业计算机控制,使用阻尼板改变水舱的周期,使用气阙控制求熬空气连通道的开关。嗡尔滨王程大学媾士学经论文图。公镯水舱控制器.图.可交周翅减摇承舱. 第章绪论.减摇水舱减摇机理.减摇原理人们设计制造各种减摇装置来减小船舶的横摇运动,主要是按照三种途径来实现减摇:增大阻尼系数这种做法称为“阻尼稳定”。由于阻尼的物理含义是指能量的消耗,所以这种减摇方式在任何情况下都是有效的,尤其是谐摇区效果最显著。如舭龙骨。减小船舶固有频率这种减摇方式称为“谐摇稳定”。即减小船舶固有频率,使船舶的固有频率避开波浪扰动频率。它只对强制振荡有效,使遭遇频率按正确的方向改变。但是,由于实际的海面上有着各种频率

28、的波浪,改变船舶固有频率的做法并不总是合适的,并且制造一种装置来改变船舶固有频率也是不现实的,只能在设计船舶时考虑这一点,使船舶的固有周期避开此船舶服务海域发生最频繁的波浪的周期。直接减小扰动力或力矩这种方式称为“平衡稳定”,在原则上它可以适用于所有的摇摆运动。在这种情况下,施加一个与扰动力矩相位相反的稳定力矩,从而使扰动力矩减小。如减摇鳍、减摇水舱、重物移动减摇装置等。近年来,减摇装置已成为一种重要的新装置,尤其对于客船和军舰。它不仅可以为船员和旅客提供舒适,而且对于在风浪中获得更高的航速也是有用的。装有减摇装置的船舶不至于因横摇剧烈而需改变航速或改变航向。减摇装置还有一个次要的效果。当船舶

29、遭遇到强烈的顶浪时,会引起过度的纵摇,它可以改变航向甚至改变几度来改善。但是,航向的改变通常会导致横摇的加剧。这就意味着,解脱这一困境的办法只有靠减速,而不是改变航向。如果装上减摇装置,那就有可能改变航向来解决,而不必使航速有所损失。哈尔滨工程大学博士学位论文。.被动式减摇水舱减舱工作枧理如图。,图.,被动式减摇水舱怒根据“双共振”的原理进行设计的,即使水舱水流振荡与船舶横摇运动具有相等的固有周期。在船舶谐摇时,波浪和船舶横摇之间以及船舶横摇和水舱内水流振荡之间发生双重共振现象,使水舱内水流振荡对船体产生的力矩与波浪对船体产生的扰动力矩的相位榻反,觚丽达至被动式减攘承舱豹最佳城摇效票。在这狰情

30、况下,舱凑渡体摆动的同步程和裙彼关系最为适宜。删嗍蚶蜊邺四水胞啦、嘭、。.八。/般/八/,之妒、心、 、谢?圈.被动式承舱减摇原理图. 躲墒梦图.被动式永舱减锾艨瑗楣位图. 相位“”,船舶已达到左舷最大的横倾角,水舱内的水以最大的速度从第章缮论右舷流向左舷。此时横摇角速度为零,两边水舱内水的液位相同,而船舶开始囱右舷挟正。相位“”,船舶以最大的横摇角速度从左舷摇向右舷,此时在左舷水舱内的承已达到其最赢液像,予蹩即以最大的减摇力矩囱下雩臻以抵消胎艇约横摇和波浪力矩。在稽佼“”和“之闼,船耱继续囊右舷援摆,霹左舷承舱内的水开始向右舷边舱流动。在耀位“”,东舱肉豹术以簸大的速度从友舷承憝濂肉右舷零舱

31、,此时船舶达到最大右舷横摇角,并开始扶正,以便使船舶在相位“”时用最大的横摇角速发从右舷向左舷摇摆,此时右舷承舱蠹的承达到最大滚艇,于是又以其最大的减摇力矩来抵消船舶的横摇和波浪力矩,而该波浪力矩此时在右舷向上佟用。被动式减摇水舱的优点是当水舱固有周期等于船舶的自摇周期时,减摇效果最好,不需要损耗船上任键能量,完全利用波浪的熊量。丽且启动赞熙低,可靠性高,日常维护费用低。被动式减摇水舱的缺点【】不能对各种装载情况准确地调节水舱频率,因为型水舱只能设计于一神装载情况,同时只在偏离设计状态不大时才能作某些调节。当装载情况的改交对,船舶的自摇周期燕不断地衽变化的,因而在实际的横摇频率与船舶的自摇频率

32、麓别越大,减摇的效能就越小;这稀癸囊的减摇水舱对予其有备种浪囱俺波浪频率的不规剐海面是不太适合的。横摇运动的迅速改变可能会扰乱型水舱的平稳运行,比超可控被动式减摇永舱叛及主动式减播水舱,被动式虢摇水舱响应对润要大的多;对船的稳性可能钶不利的影响。自由液蕊的影响可能使船舶产生横顿。.霹控被动式减摇承舱瓣工作瓿理可控被动承舱是近年来最常愆,也是装船锨多鲍高谯辘减摇水憝,遇常都魑在型被动式减摇水舱的基础上,在两边舱顶部或是空气连通道上安装咯尔滨工程大学博士学位论文气阀,使用少量的能量控制器气阀的开关来实现水舱内水流的控制,使水舱中的液体慧是豫持在船艟囱上运动豹一侧静承舱内。这静水舱克鼹了被动式减摇水

33、舱的缺点,人为地增加了减摇水舱的减摇瓶围,可以在控制器的控制下改变蠢舱蠹寒流振荡静周期来逡应经常变纯豹外界波浪条件,傈诞在任俘海况下都具有较好的减摇效果。司控被动式羰箨承舱黥控制豫理如露.所示。张椭, : /、曼、,苎趟。越敕,、/二一,?一毒舷上 .么 一,褥垒拜撵垒开 蠢祷黄 辑垒拜 毒螭燕溪可控被韵式东舷减摇原理襁位图.稻位“”,船端已这到簸大靛左舷横程角,并开始商右舷扶燕。在该点,右舷水舱内的水由于熏力作用,以最大的遽度流向左舷水舱。在穗链“”,左舷水簸内酶承已经达到最高液位了,左舷承鹣的阀矗动关闭曲线图中的点。勰虢继续向右舷摇摆,出于阀门已关蠲,就瓣:了承舱内豹承向低的舷的水舱流动,

34、这就形成了一减摇力矩,以抵消在相位“”时的横摇运动。由予左舷承舱上部酝形戒的低压,嫒舱内的水欤楣谴“”剿桅位“”,一意被堵在左舷水舱内。直到相位“”时,自动控制系统给出信号打开阀门曲线图中的点。这对,空气逶过这些努开了酌瘸逶入左舷承舱沲,使永能从左舷水舱点流向右舷水舱。在相位“”后,船舶开始扶难,但水第章绪论舱内的水继续向右舷水舱流动以达到相位“”时的最大液位。此时右舷的阀门关闭,以便将水堵在这种位置上。于是由于阀门关闭,再一次地阻止了水舱内的水流回去。这就像相位“”到相位“”之间一样,将水提升至船舶向上运动的一侧,于是就产生了减摇作用。在相位“”时,自动控制系统褥一次决定打开阀门,如在相位“

35、”一样,这次是打开右舷永舱的阀门,水舱内的水就从右舷流向左舷,于是又开始了这种循环。按照船黼横摇周期的长短,可使水舱内的水自动地保持长一些或短一些时闯在船舶向上运动一侧的水舱内在点和之问。而正疑这样采强翎抵消船舶的横摇运动,予蔻水舱内的水和船舶横摇之间的相位关系总是保持在如图.所示的位置。可控被动式减撩承舱豹侔用在予:从共振值船舶横摇周期水舱的自摇周熬到袋长静周期时,可在边舱水舱最大液位的相位时,将向上运动,水舱中的水周勰槛地堵往戳维持其减摇力矩。船舶向上运动一侧的永舱内的东被闵期性地堵健,实际上与将承舱静蠢摇周期炎为缝延长有相同酌效栗。船果不可控,当援摇周期大予水舱静霪窍周期对,永总燕自动蟪

36、向下流,予怒不褥提供什么减摇作殿了。.本文研究的主要内容本文的研究内容及研究方法如图.所示,在国内外相关文献资料及工作的基础上,结合现有的研究成果和经验,建立仿真所需要的数学模型,包括海浪运动模型,船舶横摇运动模型,船舶一减摇水舱数学模型;在数学模型的基础上,进彳亍船舶一减摇水舱系统仿真分析,包括时域内和频域内的仿真分析、航行状态和海况对减摇效果的影响、船舶稳性分析.在此基础上进行减摇水舱结构优化设计;进行减摇水舱模型设计,试验摇摆台架设计及试验方法研究;哈尔滨工程大学博士学位论文比较了国外装船的减摇水舱操作系统,对减摇水舱控制策略进行了研究,综合国外减摇水舱系统公司及公司的优点,设计减摇水舱

37、控制器原理样机,并通过水舱试验摇摆台改善控制策略。颇域斑减摇海浪干扰模型效果分析船舶横箍模型墨章域内仿真分析被动式撼摇水舷稳性分析可控被动式减播瘩舱可控被劫式嫩靛傍真减箍教鬻译赞标准图.本文研究肉容框图。 第耄船舷塌浇水舱系统数学摸型第章船舶一减摇水舱系统数学模型。船舷一减摇水舱系统模型结构本文豹研究对象主簧怒型潋摇承熬,针对型东狳,蓄先簧建立“船舶.减摇水舱”系统的数学模型,整个系统模型框图如图.所示,需要建立如下酶程黟模块】。海浪运动数学模型船舶程海渡中行驶,海浪作为躲糖运动模型的数学僖号,本文主要遵过海浪功率谱,使用线性叠加的方法进行不规则海浪的仿真,在以后的研究中,还垮在菲线性海浪理论

38、方蕊进行一定豹研究。船舶横摇运动数学模型减摇水舱系统主要减少船舷在横援方怒上豹运动,建立船舶横摇运动数学模型,可以通过对照,进行减摇水舱系统减摇效果的评估。本文中讨论线性和非线性蹰秘船舶横摇运动数学模跫。船舶.减摇水舱数学模型.对装有型减摇水舱的船舶避行受力分聿斤,建立数学模型,势考虑籀应的非线性因素,以及气阀控制可控被动式情况下爨力情况。减摇效果评估通过期入水舱及不加入水舱,使厢多种方法进行减摇效果的比较,并和减摇水舱模型试验的结果进行比较,分提减摇效果。结构往纯及控翻算法优化通过整个模型的建立,进行仿舆研究,使用优化算法,进行针对被动式减摇承舱的缩构优优,及针对可控被动式水舱的控制算法优化

39、。然后对整个船舶一减摇水舱系统进行仿真,研究结构优他的方法,及可控被动式减摇承舱鹃最优控制算法,为承舱模型试验、工程化设计打下理论基础。哈尔滨工程大学搏士学位论文?船舶嘲馥蚕磷基爹蟮型卜渤一移鬻糖矿匿麓藕霆。?黧藤雕鞭羹结渤讹控韦黝讹图.“船舶.减摇水舱”系统模型框图. “?.海浪运动模型。.规则波波面可以用简单函数表达的波浪称为规则波。规则波不仅能近似表示涌,丽且也是研究不规则波的基础。如图.所示。一 一式中:为波面升高;幺为波幅,波峰或波谷到静水面间的垂向距离;为波数,。竺:菪国为波浪圆频率,简称频率。第章麓麓一减摇水舱系统数学镁型;目;图.规则波海浪。. .海浪谱海浪是种复杂的随机过程。

40、年代初皮尔生最先将瑞斯关予无线毫噪音静骥论应羽予海浪,从此利用谱班随辊过程接述海浪成势主要的研究途径。至今为止已提出多种描述海浪的方式,如,谱皮尔逊.莫颠瓣维奇、第三疆国琢船舶结构会议双参数谱、谱秽广义耩受叶变换模型等文圣常等.等等。它们都把海浪看作平稳正态过程,而且其商各态历经性。零文中主要使鼹革参数谱帮嚣参数谱进行镄真。至今所掇出数大多数谱都具有翔下的缝擒:动参一歹其中,指数常取,为?,式中及霹中包含风要素风速、风时、风距或波要素波高、周期。常见几种海浪功率谱有如下几种。谱式?为年根据北大西洋嶷测资料,分析得到的功率谱,适用于充哈尔滨工程大学潜±学位论文分成长的海浪模拟,.谱为经

41、验谱,所依锯的资料比较充分,适用方便而且可以蠢接积分,所以自年代中期以后,在海浪工程和船舶工程得到了广泛的应用,荩表达形式如下,如图所示,分别为有义波离,的功率谱密度监线。国一孑,为藿力加速度,为有义波商。式中.。,巧.双参数谱因为只有有义波赢绣。一个参数,在有些时候不是以表征复杂的海浪情况,因此引入了勇一个参数特征周期:,.式中、为,.舡咝,.;式中特征周期秘单位戈。对予双参数海浪谱,不仅适用予充分成长的海浪,也适用于成长中的海浪或含有涌浪成分的海浪。方向谱以上两种谱描述的都是长峰波的海浪谱,是假定海浪是向单方向传播的,实际海浪除了沿主浪向传播外,还向其他方向传播扩散,称为短峰不援鲥波。短蜂

42、不规波可以看成由不同传播方向的长峰不规则波叠加而成的。称为方向谱。方向谱的表达式通常引入方向扩散函数鸭印,即脚,睁纠,臼 式中: 毋为缌成波与主滚向盎奄夹囊;国,彩的一般形式为地。”蚓要 。第章船舶槭摇水舱系统数学模型图.单参数谱,。波鬏煮海浪嚣船麓豹横撼子撬办麓主要与渡额惫育关,在对器舷魏横摇运动及控制系缆研究对,嚣霉考虑海浪波颧热聪。对船舶及纂控制琴绞的影响,海浪渡簇熊墨褫为零均毯斡乎蠡蘧穰过穰孙。波倾角谱和波筒频谱的关系为瑟一国等&鼢考虑黔熊瓣凡强尺寸对波镶煮豹影嗡,锬餍秦效浚额角拦。程褥掰。,校攒鼹艟摇摆理论,口。,为露散波颓系数,。枷为蠢效波倾角谱,如式罐所示。甜辍;鼢对予麓

43、型一般是麓心短嚣逡孛鼢鼹麓,在溪褥嚣避戆蕊茧渡串,有效渡哈尔滨工程大学博士学位论文倾系数。可近似表示成驴叫喀式中:。为船舶由基线算起的重心高度;为船舶的吃水。根据勃拉维新颠基的理论,为有限吃水修正系数,为吃水和波长之比%和壤向棱形系数。的函数;。为有限船宽的修正系数;。瓦导 ,。为求线弱系数。当船以一定航速和浪向航行时,如图.所示,波浪实际作用于船体上的频率已不同予自然频率,而是表现为遭遇频率脚., 因此,作为干扰输入的风浪谱密度应以出。表示,根据能餐等效原则,遭遇频率能量谱密度与自然频率能量谱密度函数之间有如下的关系。横浪海浪”渣“图遭遇角示意图. 第章船舶谶摇水舱系统数学模型.国。:生芦根

44、据能量守恒,存在以下关系墨国国&。对.式进行求罨矗啦一三竺矿筘爨能波缘热谱变换妻珏下式?。慨。/.。不规则海滨模拟在进行船§.撼摇东舱系统的仿真时,海渡佟为输入信号,本节研究刁;规则海浪的数值模拟方法,研究海浪对船舶产生的扰动。模拟不规则波海浪的方法有很多,遥常这些方法主要建立在线形波渡瑷论熬基磁上。紫爝豹主要有线性波浪叠加法和线性过滤两种方法【。文中使用线性波浪叠加法。波浪为一平稳隧扭过程,可以出不因周期和不弼隧祝初糖垃的余弦波叠加而成,文中研究圈定位置的波浪遥渤,海面上一点的波高。旦乞岛 为波动承霹稠对予静永嚣懿瓣对惑淡;蠡为第个组成波的振幅;为圄频率畔竿,为周期;为第个

45、组成渡的初提位,取在霈范围内均匀分布驰随枫数。这里通过频谱来模拟海浪。设欲模拟的对象谱靶谱,沏的能量绝大部哈尔滨工程大学博士学位论文分分布在。范围内,其余部分可略面不计,把频率范围划分成个区闯,葵闯距国。,一搿,取西,¨/,刚?扛丽将代表个区瓣内波悲的个余弦波动雯如起来,都德到海浪的波瑟。筝磅:兰缸瓤嚣讴。晒手赢 为第个组成波的代表频率。图为有义波裹为的波高仿真熙线及功率谱分析。对予有效渡顿是,考虑灌遇焦,禳撵式.中豹功率谱戳及能量守恒原则,可以得到式.。掰。:&彩,画。晚.; .图.有义波高为时海浪波商仿真 第章船舶.减摇水舱系统数学模型.船舶横摇运动模型.船舶横摇模型如果

46、船舶的横摇运动角度很小时,可以采用线性横摇理论来分析船舶横摇运动,依据理论,不考虑和其他自由度运动的耦合作用,使用绕工轴摆动的角度、角速度、角加速度来表征横摇运动情况,规定从船尾向船首看,以顺时针方向为正。船舶线性横摇如式但.。以矿最妒。】, ?式中,以为船体本身惯性矩和附加惯性矩之和,称为总惯性矩,如式.以虬.县为线性横摇阻尼力矩比例系数,如下式所示占。.为船舶横摇阻尼力矩的线性比例系数,如式。鼍式中,为船舶排水量,为初稳心高为波浪扰动力矩,如下式所示?口。为对应与横摇力矩的等效波倾角,称之为横摇波倾角有效波倾角。整理得到下式:,啊。 .式中两边都除以,。,整理得到下式庐庐四睨。.晗容滨王糕

47、大学蒋±学瘦论文式中,吩横摇嗣有角频率,一.,。瓦阻尼因予,唯志使用传递幽数的形式表示根据?式,磷究不嗣戳尼情况的幅频特性和相颓特性,如图.所示。嘲啪,筹一鬲蒜雨蝴毗雌 脯却刀蓄硪撂。;、×?童垒毫蛩釜.二茹”。三篙互,:、若懿。、心霪。髦§÷侣、±二?.。嘏。频率圈.横撵频率响应爨线.如果船舶在同步周期波浪上运动设。掰。% ?方程的褥解势一氮哆一考第章船麴塌摇求舱系统数学模型式中蠛值丸象式?的结论在求取谐摇时的减摇效率时使用。船舶横摇的线性模型在船舶小辐值运动对麓够很好的播述船舶的横摇运动,但是,随着横摇幅值的增大,非线性因素就会产生作用,在

48、这神情况下,如果忽略稚线性函素的影响,仿真将会如糯错误的结果。弓起船舶非线性横摇的主要有横摇恢复力矩的非线性以及横摇阻尼力矩的非线性,船舶的线教横摇运动模型如下式,。,岁骂声十毽乒眵痧十:挈。 .式中,:和,分别是式?左侧第:项、第三项的非线性系数。公式两侧同时除以,十。,得到下式致乒寿:岛乒,国;掰。 ,式中的非线性参数、:、,、;通过船模试验或是经验公式得到。.。船舶横摇相关参数求解船舶横摇的惯性力矩由两部分组成:船舶本身的惯性力矩和船艏运动弓超船傣酣近流体的辩濒转动惯往力斑。蝇。擘式中:为摊水量,为重力加速发,;为惯性半径,通常.。/,为船宽.旦四急 式中:为吃水。为豁艟两技闼长嘹尔滨工

49、程大学薄圭学位论文船舶横摇阻尼力矩的计算当攮攥熊较小,邸溺。时,激尼力矩怒横摇角速度的线性函数,即转。式中:。为线性阻尼系数,由下式鑫算:,。 为翅稳睦高,为无嚣凌飙尼系数,显.丽隔丸式中:为船舶长度,为船舶的型深,丸为横摇平均幅值,平均取,?。横摇周期搬据桎埃尔公式四丽半成可以采用公式:.下计算,式中是一个经验常数.。决定予船熬和负载。船舶固有频率为疗?。.船舶一减摇承舱系统模型。船舶一减摇水舱系统受力分橇,船舶鲍受力分辑将摇摆的船舶看作为在液体介质中摇摆的绝对刚体,则可以将作用在船第章麓舶.减摇承舱系统数学模型舶上的力分为以下五种基本组别:鬟力;摩擦力;摩擦力所起熬作用是次要静,它只是稍微

50、增嬲阻尼力。困魏,可以完全不予考虑。承舱内液体相对躲移动对静阻力;液体相对移动时的阻力也形成作用在船舶上的力矩。但是此力矩的大小,秘其媳馁铡力矩以及稳定力矩援较是缀小的,因此戳恁涛不予以考虑。船舶本身的惯性力;农压力。水压力和波浪的要素之间以及和船舶的运动之间有复杂的关系存在。它也可以分为两种缀别:寝黪水申佟用的承殛力,秘由予持淘船舶瓣波浪律瘸而造成的附加水压力。在静水中乍用的承压力,按其本质可以分为两类力艨组成:流体静力,它等于流体动力中静力部分的合力和流体动力。流体静力黪主矢量缎成了可按陋基米德定律泉确定的流体静浮力,或支持力。由于摇摇谶船体浸没体积的形状和大小有所改变,所以浮力宜于设想为由下列两个部分所组成:浮力的主蒙部分:它等于船舶在平衡位置时水下部分体积的水重墩;浮力的附加部分:由于漫没体积的大小或形状和平衡位置时的情况毙较有所政变而有静;此附翔部分通常形成圆复力或回复力矩,箕大小国船舶离开平德位置的偏移值确定。它趋使倾斜的般舶回到平衡位置。涸复力是彳擘为基本的一顼列入在摇摆方程式之内的,在形成摇摆中它起到主要作用。船舶由于回复力或回复力矩才获得在静水中作振荡运动的畿力。流体动力有两种:眶尼力,箴阻力;惯性力。隧力礤认势幽两部分缀成:波浪飘力,由予在形成和维持崮摇摆的船舶所扩散出的波浪上消耗能量而造成的;旋涡阻力,主要由于在形成旋涡眙容滨