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原文传递某小型太阳能风帆船设计及性能研究

论文题名：	某小型太阳能风帆船设计及性能研究
关键词：	太阳能风帆船;结构设计;强度校核;发电能力;动力性能
摘要：	在全球石油资源日益枯竭和我国“双碳”计划实施的背景下，能源转型逐步加快，风能、太阳能等可再生能源在船舶领域得到广泛应用。其中，海洋观测、海洋牧场巡检类帆船工作中常会遇到风力不足等问题，导致续航力及工作效率受到限制。因此，开发一种能够有效利用自然能源的风帆船具有重要的现实意义。本文首次提出柔性太阳能风帆概念，在此基础上设计了一条18英尺（5.5m）太阳能风帆船并对其性能进行研究。根据规范对双体帆船进行稳性校核，通过数值模拟和理论分析的方法研究其动力性能，并利用有限元分析方法对帆船局部强度进行校核。本文提供了一种太阳能风帆船的设计与性能研究方法，为实船的设计提供依据。主要工作内容如下：　　首先，进行太阳能风帆结构设计及主要元件的配置，包括薄膜太阳能电池的封装、风帆材料和工艺；借助光伏辅助设计软件PVsyst模拟太阳能风帆的发电能力，并搭建一条小型太阳能风帆船，验证其发电性能，计算出14.8平方米的太阳能风帆每年能够产生约546kWh的电能。　　其次，根据《游艇法定检验暂行规定（2013）》对18英尺的一双体帆船的稳性要求进行稳性校核，包括初稳性计算、静水力计算、大倾角稳性和风倾力臂计算。同时对使用太阳能风帆后的双体帆船进行稳性计算，与无太阳能风帆的双体帆船进行对比，分析太阳能风帆对帆船稳性的影响。结果显示，太阳能风帆使双体帆船的重心提高约1.8%，初稳性高降低约1.2％，正稳性范围减小了0.83%，最大复原力矩降低了0.27%。验证了太阳能风帆对双体帆船稳性的影响并不明显。　　然后，通过数值模拟的方法对双体船在不同速度条件下的阻力进行计算，并分析船舶的阻力特性。对双体帆船进行受力分析，建立帆船的力矩和受力平衡方程，通过求解方程得到双体帆船的速度、舵角、航向角以及帆转角的关系，进而分析双体帆船航速随帆转角变化的规律。经计算本双体帆船最大航速约为9节，作为本双体帆船的最大安全航速。　　最后，建立帆船结构简化模型，通过有限元分析的方法对帆船进行局部的强度校核。研究太阳能风帆对双体帆船关键受力结构产生的影响，对比使用太阳能风帆前后帆船局部结构的形变和应力变化情况，校核帆船桅杆、支索以及甲板强度。结果显示，太阳能风帆比普通风帆刚度更大，相同压力下太阳能风帆变形量相比普通风帆更小。因此，在风帆结构只受重力作用时，使用太阳能风帆后桅杆、支索和甲板的应力水平比普通风帆高，而在风压力和重力共同作用下，使用太阳能风帆后桅杆、支索和甲板的应力水平比普通风帆低。因此，风力作用对应力水平的影响大于太阳能风帆重力带来的影响，不需要对帆船局部进行加强。
作者：	刘海龙
专业：	船舶与海洋工程
导师：	魏一;陈化;尹大和
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022