有界流场中潜艇水压场特性的预报方法和重要特征

潜艇水压场特性是信息化海战场的重要信息源。基于势流理论研究潜艇水压场特性的工程简化预报方法,构建基于兰金体线型的解析模型和基于回转体线型的数值模型,预估多种线型的潜艇水压场特性,并在验证性研究基础上,揭示潜艇线型、潜深等因素对潜艇水压场负压峰值、负压持续时间等重要特征的影响规律。研究结果表明:随着潜深增大,潜艇水压场负压区形状由单峰值的V形逐渐变为U形,甚至双峰值的W形,线型、潜深等因素对重要特征的影响逐渐增强;同一潜深下,随着航速增大,负压持续时间均呈现先突增、后缓降规律,且无论艇体胖瘦,其水压场重要特征在1倍艇长的横距外均已衰减,即该横距外水雷已难以捕捉其目标特性。

近冰面航行潜体受力及操纵仿真研究

冰层可以为潜体提供良好的隐蔽性,为潜体作战效能发挥提供极大帮助。研究潜体在冰层下航行时的受力及操纵方法,可以为潜体更好地履行使命任务提供有力支撑。以美国SUBOFF潜艇模型为研究对象,采用STAR-CCM+流体计算软件,对不同航速下的潜体近冰面运动进行数值计算分析,计算潜体受力及力矩。将潜体所受力及力矩与潜体空间六自由度方程结合,模拟潜体近冰面航行运动趋势,给出操纵方法。研究表明,近冰面航行会影响潜体航行深度及姿态保持,及时采用降速、首尾舵操舵、纵倾平衡水舱调水等操纵措施可有效控制潜体航行深度及姿态,避免触冰情况发生。

基于STAR-CCM+的全附体潜艇水压场特性及附体影响性研究

潜艇航行引起的流场压强变化称为潜艇水压场,其特性常被应用于水雷,以实现目标探测,攻守兼备。考虑指挥台围壳、尾翼影响,以全附体艇体为研究对象,在验证性研究的基础上,基于粘流理论研究了潜艇水压场特性,揭示了附体对艇体表面、周围流场、水底流场的压强分布影响规律。结果表明:附体对艇体表面的压强分布影响显著,但影响范围局限于附体小区域,而对水底处的水压场影响仅在潜艇近底航行时才略显著,可见非近底航行工况下可忽略附体影响,实现潜艇水压场的快速预报;在研究近水面航行工况时,水面兴波对海底潜艇水压场的分布存在影响,具体影响潜艇水压场的峰值大小和位置等。

输入时延与通信时延下AUV集群的牵制控制

针对时延问题对集群稳定性的影响,对牵制控制策略进行研究,利用反馈线性化将水下无人潜航器(AUV)模型简化为二阶积分器模型,研究了具有时延的水下无人潜航器集群下的编队控制问题,并将一致性控制与牵制控制相结合。分析了输入时延和通信时延对水下无人潜航器集群系统的影响,应用Nyquist判据控制理论进行证明,得到了集群中被牵制水下无人潜航器和未被牵制水下无人潜航器组成的系统能渐进收敛达到一致性的充分必要条件。通过数值仿真验证了定理的正确性。

30万吨级FPSO在位作业工况稳性分析

为保证30万吨级浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)在海上作业时的安全性,对其在位作业工况下的稳性进行分析。计算货油舱的3种典型装载工况,即储油工况、检查工况和维修工况,介绍完整稳性和破损稳性分析采用的规范标准,计算满足稳性规范要求的许用重心高度并绘制其曲线。在此基础上,对相关技术要点进行探讨,提高海洋工程产品的设计研发能力。

基于ENC数据文件的船舶操纵模拟器三维实景建模

为解决Navi-Trainer Professional 5000型全任务大型船舶操纵模拟器无法识别S-57数据格式,致使最新的官方电子海图(ENC)数据文件无法直接应用的问题,采用Scene Editor软件进行海图数据转换,克服船舶操纵模拟器电子海图数据间不融合的问题。以天津港附近水域海图文件转换为例,验证Scene Editor软件进行海图数据转换具有可行性,说明基于ENC数据文件的三维实景建模可广泛应用于船舶操纵的教学、科研和培训。

不同航速下螺旋桨对船舶操纵水动力的影响研究

通过数学模型进行船舶操纵性预报是常用的方法,以往的约束模试验通常仅在设计航速下进行,且MMG船舶操纵运动模型通常认为螺旋桨对船舶操纵水动力的影响可以忽略。但船舶在实际操纵运动的过程中航速会发生很大变化,螺旋桨对船舶操纵水动力的影响可能变得不可忽略,因此有必要开展相关船舶操纵水动力的研究。以KVLCC2为研究对象,对其裸船体、船-舵、船-桨和船-桨-舵系统分别进行不同航速下的约束模试验数值模拟,研究了不同航速下螺旋桨对船舶操纵水动力的影响。研究结果表明:螺旋桨对船舶操纵水动力的影响不可忽略,该影响随着船舶航速的减小而增大,但舵的存在会减弱其影响;螺旋桨对舵效有着较大影响,该影响随着船舶航速的减小也会明显增大。因此在进行船舶操纵性研究时,有必要进行非设计航速下的相关约束模试验。

基于矢量场制导法和模型预测控制的船舶路径跟踪与避碰

为提高船舶路径跟踪和避碰效果,提出了一种基于矢量场制导法的模型预测控制方法.首先,采用矢量场制导算法将船舶的路径跟踪和船舶避碰问题转换为航向控制问题;然后,采用一阶Nomoto响应模型作为模型预测控制的动力学模型,考虑船舶的舵角输入受限问题,引入干扰观测器对模型误差项和环境扰动进行补偿,并应用Lyapunov理论证明了所设计的路径跟踪控制系统的稳定性;最后,设计了基于矢量场制导法的避碰策略,使船舶在路径跟踪的过程中同时完成自主避碰.仿真计算结果表明,开发的方法可以使船舶在波浪干扰作用下准确地跟踪目标路径并有效实现避碰.

基于ASNLS算法的智能浮标浮潜模型参数辨识

[目的]针对智能浮标大深度浮潜模型难以精确量化的问题,提出一种抗数据饱和及测量噪声的最小二乘算法(ASNLS),以实现浮潜多参数识别及深度预测。[方法]首先,在智能浮标浮潜运动灰箱模型中引入其执行机构的非线性动作特性以契合实际模型,并将连续型浮潜运动方程转化为离散模式以匹配实际离散的数据采样方式;然后,将离散型运动方程构造为基于相关函数的表达形式,以减弱噪声对参数辨识的影响;最后,通过调整协方差矩阵的取值,实现该浮潜参数辨识算法的抗数据饱和功能。[结果]基于2021年智能浮标在南海的大深度试验数据,开展了浮潜运动模型参数辨识及深度预测,验证结果表明:相较于传统的最小二乘算法及支持向量机算法,ASNLS算法的收敛速度更快(较最小二乘算法提高了31.8%)、深度预测误差更小(不同深度下的平均绝对百分比误差均小于9%)。[结论]ASNLS算法可为智能浮标的深度控制和预报提供有效的浮潜模型支撑。

斜航工况下吊舱推进器水动力性能数值及试验研究

为了探讨吊舱推进器在斜航工况下的水动力性能变化,以某豪华邮轮吊舱推进器为研究对象,采用STAR CCM+软件基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法并结合标准速系数和偏转角的水动力性能进行数值模拟。同时,利用拖曳水池和吊舱动力仪进行试验研究,并与仿真数据进行比较分析,进一步讨论螺旋桨与吊舱之间的相互作用对水动力性能的影响。结果表明,本文采用的数值模拟方法可较准确预测斜航工况下的水动力性能。螺旋桨推力系数、扭矩系数关于直航工况点对称,其数值随着偏转角的增大而增大;吊舱单元推力系数随着偏转角的增大而减小,吊舱侧向力随着偏转角的增大而增大;螺旋桨单元流场压力和流速在叶梢处达到最大值,吊舱左侧比右侧承担更多的表面压力幅值。

双桨双舵内倾船型的横甩失稳运动预报研究

目前国际海事组织(IMO)已经发布了第二代完整稳性衡准骑浪/横甩直接稳性评估方法的最终指南,如何准确高效地数值预报骑浪/横甩运动是目前骑浪/横甩直接稳性评估方法中亟待解决的关键问题。本文构建一个纵荡-横荡-垂荡-横摇-纵摇-首摇六自由度运动耦合的数学模型,该数学模型首先在纵荡-横荡-横摇-首摇四自由度操纵性数学模型基础上考虑垂荡和纵摇运动的影响,采用基于加强积分的切片法求解垂荡和纵摇运动的幅值和相位,可以有效解决尾浪中高航速船舶直接耐波性时域计算容易发散的问题;其次,船舶在波浪中的Froude-Krylov力和绕射力是通过对船体平均湿表面进行压力积分获得的。同时,在数学模型中还考虑非线性水动力导数、静水横倾产生的水动力和非线性横摇阻尼等因素。在螺旋桨推力和舵力模型中考虑由于波浪粒子速度和船舶速度共存产生的水动升力的影响,舵力模型中还加入了垂荡、纵摇运动对波浪中双舵实时出入水导致的舵力动态变化。最后,以双桨双舵的ONR内倾船型为研究对象,开展尾斜浪中骑浪/横甩数值预报,分析船-波的初始相对位置对船舶骑浪/横甩运动的影响。计算结果表明,文中建立的六自由度骑浪/横甩数学模型具有足够的计算精度,可以用于骑浪/横甩的直接稳性评估。

船舶操纵运动建模方法研究进展与展望

建立精确的船舶操纵运动模型,是保障智能船舶自主航行和测试验证的关键。当前,船舶操纵运动建模方法主要为构建数学模型,并采用系统辨识法计算模型中的水动力系数。随着人工智能技术的发展,黑箱模型和灰箱模型也逐渐被用于船舶操纵运动建模。文章分别针对白箱模型和黑箱模型的关键技术研究现状进行梳理,总结当前操纵运动建模面临的六自由度耦合、模型迁移适用性、实测数据获取与构造等3个问题,并提出对应的3点展望:开展船舶六自由度耦合运动建模,结合先验知识的模型结构设计,船舶操纵试验设计及数据集构造。

基于LSTM-RNN的船舶操纵运动黑箱建模

当无需揭示船舶操纵运动机理过程,而只需对输入输出建立映射时,黑箱建模成为一种有效途径。本文基于长短期记忆-循环神经网络(Long Short-term Memory-recurrent Neural Network,LSTM-RNN)构建船舶航向-舵角黑箱模型,LSTM网络为10-10-1结构,误差指标为RMSE,参数学习采用Adam算法。开展实船Z型操纵实验获取了航向-舵角数据。前70%用于模型训练,后30%用于模型测试。训练后的模型使得RMSE达到设计目标。对测试集数据,训练后模型拟合优度在0.98以上,表明其具有良好的有效性和泛化性。文中航向-舵角LSTM-RNN黑箱模型结构简明清晰,参数明确,易于实际操作使用,为航向-舵角关系建模提供了一种可行方法。

均流工况下的螺旋桨片空泡面积数值模拟

采用数值模拟技术对螺旋桨在均流工况下的空泡性能进行研究。基于RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程,采用SST k-ω(Shear Stress Transfer k-ω)湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,选取合适的网格划分策略和边界条件等关键计算参数,对螺旋桨片空泡面积进行数值模拟。通过比较分析螺旋桨片空泡面积占比的数值计算结果与模型试验结果可知,二者的符合性较好,所提数值模拟方法准确可靠,能满足工程应用要求。随着数值模拟技术的快速发展,螺旋桨空泡性能数值预报正在发挥越来越重要的作用。

基于事件触发机制的船舶补给同步抗干扰控制

[目的]针对多变海洋环境下补给船与被补给船补给作业同步航行控制问题,考虑风浪流引起的海洋环境干扰、船间效应导致的干扰、两船软连接相互作用,提出事件触发下基于干扰估计和补偿的同步抗干扰控制方法。[方法]将补给船受到的干扰建模为一阶马尔科夫过程,描述风浪流引起的海洋环境干扰和未建模动态,将船间效应导致的干扰和两船软连接相互作用等均集中为未建模动态,构造干扰观测器在线估计时变未知有界干扰,在控制设计中利用干扰在线估计值对干扰进行补偿,抵消干扰和不确定性对航行补给控制的影响,设计辅助动态系统来减少推进器控制饱和的影响,引入事件触发机制降低推进器执行频率以避免其过度磨损。[结果]仿真结果表明,本文提出的事件触发机制存在大于0的最小采样间隔且不会在有限时间内发生无限次触发。该控制器可实现补给船与被补给船同步航行,保证控制系统所有信号全局一致最终有界。[结论]仿真结果验证了事件触发干扰估计和补偿控制的有效性。

基于Levy-AVOA优化模糊PID的动力定位船舶循迹控制研究

为了提高动力定位(DP)铺缆船在铺设海底电缆时的路径循迹能力,设计非洲秃鹫算法优化模糊PID的船舶控制器(AVOA-Fuzzy-PID)。船舶运动数学模型采用三自由度,加入风、浪、流作用力模拟海况,以船舶的位置和姿态矢量与实际值的差值作为控制器输入。在传统PID控制器基础上加入模糊控制,根据模糊控制规则寻求K_(p)、K_(i)、K_(d)的调整变化量ΔK_(p)、ΔK_(i)、ΔK_(d)与e和de间的关系,自动调节参数,加强控制器稳定性,使船舶沿规划路径向目标位置航行。采用非洲秃鹫算法结合Levy飞行策略计算船舶模型,通过确定每组最优秃鹫、秃鹫饥饿率、探索和开发4个阶段,并在开发阶段引入Levy飞行策略,增强全局搜索能力,确定秃鹫食物源最优位置,防止结果陷入局部最优,提高计算结果精确性。仿真结果表明,结合AVOA算法的模糊PID控制器能够提高船舶路径跟踪效率,使其跟踪过程较为平顺。通过对比PSO、GA和SSA算法优化Fuzzy-PID控制器参数可以看出,AVOA对K_(p)、K_(i)、K_(d)参数整定收敛速度较快,控制器适应度值较低,寻优精度较高,能够使船舶沿规划路径航行。

船舶操纵运动预报的实现及其在航行安全的应用

在恶劣海况下,船舶操纵变得异常复杂且具有挑战性。因此,船舶操纵运动预报已成为提高航行安全与效率的重要领域。准确的船舶操纵运动预报技术可以为多船避碰、靠离泊工作以及恶劣环境下驾驶训练提供技术参考,以提高航行效率和减少事故风险,还可以为智能船舶自主操纵系统奠定基础。随着信息技术的不断发展,不同船舶操纵运动预报方法被提出,这也相应拓展了船舶操纵运动预报在航行安全方面的应用研究。

基于船舶操纵模拟的郁江特大桥通航安全研究

文章借助Mike 21模型和NT-PRO5000型船舶操纵模拟器对拟建的长塘郁江特大桥桥区开展模拟试验,综合评估了桥区水流条件、通航净宽、通航净高以及桥墩布置的合理性,并优化了桥墩设计布置方案,提出了安全有效的通航保障措施。结果显示:工程前后桥区附近水流流态整体良好,满足通航规范要求;拟建桥梁通航净宽应≥269 m,桥墩间净宽≥292 m,以满足规划Ⅰ级航道代表船型安全航行的要求。研究方法和结果为开展同类型涉水桥梁对通航条件的影响评估提供参考和借鉴。

潜体水下强机动损失浮力时挽回操纵仿真研究

潜体在执行任务过程中,为占领阵位、脱敌或者规避敌攻击,通常采用高航速机动、大纵倾变深、大舵角变向,这种高速变深变向的过程被称为潜体强机动.潜体强机动伴随着航行操纵风险,潜体强机动过程中航速高、舵角大,产生的艇体水动力、水动力矩也呈指数级提高,一旦发生损失浮力、舵卡等险情对于潜体生命力有很大威胁,并严重制约潜体作战效能发挥.为此,进行潜体水下强机动过程中的挽回操纵方法研究便具有十分重要的价值.以某型潜体强机动数学模型为基础,以损失浮力时挽回方法为研究对象,通过数学建模、仿真研究、效能评估等手段对3种挽回操纵方法进行了综合分析,给出了潜体水下强机动挽回操纵建议.

X形艉水下航行体姿态角对舵水动力特性的影响

[目的]X形艉布局的水下航行体及操纵策略特殊,受主体姿态角影响的X形艉舵特性与十字形艉布局的不同。[方法]基于SUBOFF模型的X形艉布局方案,通过数值计算分析变单舵、变单舵耦合攻角以及变单舵耦合漂角时的操纵性水动力特性,并按照现有的船标推荐公式,对舵角/姿态角耦合下的操纵性水动力特性进行拟合研究。[结果]结果表明,X形艉水下航行体变单舵时,舵与主体间存在较强的相互作用,使得两个正交平面内的水动力(矩)存在差异;区别于无主体姿态角时的X舵水动力特性,耦合主体姿态角后的X舵水动力特性明显受到主体的影响。在研究的姿态角及舵角范围内,右上舵和左下舵舵效分别随姿态角的增大而减小和增大。舵导数相对变化量值最大达16%。[结论]研究结果可为X形艉水下航行体操控及仿真评估分析提供参考。