详情

原文传递基于水动力在线预报的舰船减纵-横摇方法研究

论文题名：	基于水动力在线预报的舰船减纵-横摇方法研究
关键词：	舰船减纵-横摇;运动非线性预报;WEAR模型
摘要：	舰船在海上航行时，由于受到风、浪等因素的影响，会不断产生摇荡运动，对舰船海上作业各项性能产生不利影响。舰船运动控制对提高舰船的安全性、舒适性和作业能力等具有重要意义。因而，舰船运动控制一直是舰船耐波性研究的热点。　　针对传统减摇控制方法（如PID控制算法）存在自适应性较差、控制参数需要人为调整设定、水动力估计模型不完善等问题，研究提出一种基于舰船水动力在线预报的减摇控制方法。核心思想是通过一种自适应的波浪效应自回归（ Wave Effects based Auto-regressive, WEAR）模型预测舰船运动参数，然后基于动平衡思想，对遭遇的波浪干扰力矩进行实时估计，以此作为舰船减摇控制的依据。水动力估计模型中考虑了纵摇-垂荡运动耦合及舰船运动流体记忆效应两个方面的影响，流场记忆效应通过脉冲响应函数来表达。　　针对安装两对减摇鳍的舰船，研究基于船舶运动基本理论和舰船水动力在线预报模型，分别给出了针对舰船横摇运动控制、纵摇运动控制和减纵-横摇控制的算法。并通过数值仿真、水池试验验证该控制方法在舰船纵摇运动控制和减纵-横摇控制中的可行性。同时，数值仿真和试验结果也给出了该方法的减摇控制性能。　　首先，论文开展了舰船在波浪中的大幅运动预报研究。准确的舰船水动力预报是优化舰船设计性能的关键，也是舰船运动控制的基础。针对舰船的纵-横摇运动控制数值模拟中，对计算效率要求较高，同时兼顾到大幅运动引起的非线性，本文在考虑大幅运动物面非线性的基础上，对现有船舶时域运动预报方法开展系统研究。舰船运动响应时域预报模型中，入射波浪力和静水恢复力考虑物面非线性，在船体瞬时湿表面上积分。辐射力和绕射力基于舰船运动频域水动力系数经傅里叶变换后得到的辐射和绕射脉冲响应函数进行计算，并采用一致性方法处理。在此基础上，为进一步提高该方法对非线性舰船运动响应的预报精度，研究对辐射力预报中的物面处理方法及其包含的各个水动力系数成分对预报精度的贡献进行系统分析，针对高速水面舰船水动力预报问题给出了一种改善的计及辐射力非线性的大幅运动预报方法，并进行了验证分析。结果表明，这种改善的非线性运动预报方法具有更高的预报精度。　　其次，舰船摇荡运动控制中，舰船遭遇的波浪干扰力矩实时估计是控制算法的核心。针对波浪干扰力矩的实时估计问题，研究提出了一种基于自适应波浪效应自回归（WEAR）模型和动平衡思想的舰船水动力在线预报方法。该方法采用 WEAR模型对舰船运动参数进行在线预报，基于预报的舰船运动参数对舰船遭遇的水动力进行估计。而在水动力在线估计中，该方法采用了动平衡思想结合脉冲响应函数方法，在水动力预报模型中考虑了纵摇-垂荡运动耦合及舰船运动流体记忆效应两个方面的影响。而水动力在线预报结果方面，基于某豪华游轮的数值结果表明，无论是在五级海况，还是在六级海况下，本研究提出的基于自适应 WE AR模型结合动平衡思想的舰船水动力在线预报方法是可行的，纵摇、横摇力矩的预报结果具有较高的预报精度。　　再次，针对安装两对减摇鳍的水面舰船的减摇问题，本文提出了一种基于舰船水动力在线预报的减摇控制方法，实现对舰船的纵摇控制、横摇控制和减纵-横摇控制。该方法基于动平衡思想通过 WE AR模型预测的舰船运动参数和舰船水动力预报模型对遭遇的波浪干扰力矩进行实时预报，以此作为舰船减摇运动控制的依据。研究基于舰船运动基本理论和舰船水动力在线预报模型，分别给出了针对舰船横摇运动控制、纵摇运动控制和减纵-横摇控制的算法。并基于数值模拟手段验证该方法的可行性、对比该方法与广泛应用的PID控制方法的减摇效率、定量分析该方法在不同海况下的减摇效率。数值结果表明：本研究提出的基于水动力在线预报控制方法能够有效实现对舰船的纵摇控制、横摇控制和减纵-横摇控制，且在横摇运动控制、纵摇运动控制中，该方法的减摇效率明显高于PID控制方法的减摇效率。该数值仿真验证结果为水池试验方案的设计提供了理论依据。　　最后，为了进一步验证该方法在实际工程应用中的可行性及其效率，研究在拖曳水池中开展了纵摇运动控制、减纵-横摇控制试验。拖曳水池中，船模在迎浪中的纵-横摇运动通过随船的横摇驱动系统来实现。试验设计了规则波和不规则波情况下的一系列工况，通过对比同一工况下减摇前后的摇荡运动时历、功率谱来定性地分析减摇效果，并基于均方根统计值定量地分析控制方法的减摇效率。纵摇运动控制试验结果表明：本研究提出的基于舰船水动力在线预报的控制方法能够十分有效地改善舰船的纵摇运动，在规则波情况下，减摇效率最高超过40%，而在不规则情况下，减摇效率最高超过33%。同时，该控制方法对垂荡运动也能够起到一定的抑制作用。而减纵-横摇试验结果表明：研究提出的基于舰船水动力在线预报的控制方法在舰船减纵-横摇控制中是行之有效，能够同时改善舰船的纵摇和横摇运动。五级海况下，施加减纵-横摇控制时，横摇运动的减摇效率超过40%，纵摇运动的减摇效率超过30%，垂荡运动减摇效率超过25%。
作者：	韩阳
专业：	流体力学
导师：	段文洋
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文