深海技术科学太湖实验室

太湖实验室总体概况深海技术科学太湖实验室(以下简称“太湖实验室”),是中国船舶集团、江苏省、无锡市深入贯彻落实党中央实施创新驱动发展战略、建设海洋强国重大部署和习近平总书记建设国家实验室重要指示,瞄准国家“十四五”规划深海前沿领域战略布局和地方发展需求,积极投身深海前沿领域国家战略力量建设,承接国家深海前沿领域重大战略任务,为勇攀深海科技高峰、推动科技自立自强贡献江苏担当、中船智慧、无锡实践的创新载体。

深海无线传能技术的发展与展望

深海无线传能技术具有安全、可靠、隐蔽、灵活等特点,可以大大提升水下无人装备的续航能力,支撑其连续、隐蔽作业。本文综述了水下无线传能技术的发展现状,分析了复杂海洋环境对无线传能传输效率、稳定性、低噪声、电磁兼容性、境耐压防腐的影响,综合判断水下无线传能的发展趋势,提炼出水下无线传能的关键技术方向,以期水下无线传能技术为我国海洋装备的发展奠定基础。

深海无人系统大长径比环肋圆柱壳结构设计与试验研究

环肋圆柱壳是深海无人系统广泛采用的一种耐压结构形式,保障其结构安全是系统研制过程中非常重要的一环。针对环肋圆柱壳的结构特征推导了组合结构重量关系式和结构参数简化估算方法,并以一种超长型深海无人系统耐压结构为例,围绕大长径比环肋圆柱壳的结构形式、设计计算、仿真分析、模型验证等开展研究。研究表明提出的大长径比环肋圆柱壳结构设计参数简化估算方法具有较好的适应性。相关计算和分析结果可以为该型深海无人系统结构设计提供技术支撑,也可以为其他类似耐压结构设计提供参考。

深海矿产混输装备防堵塞调控技术与应用研究

为解决深海矿产混输系统中泵管堵塞影响矿物过泵能力的问题,针对3 000米级固液两相流混输装备系统提出深海混输泵防堵塞调控技术方案。通过对混输系统堵塞状态的判断、自动控制策略的研究和混输装备软硬件系统的设计,实现对混输系统的防堵塞调控;通过混输装备系统500米级海试,验证该方案的合理性、可靠性和稳定性,为后续深海混输装备的智能控制研究提供参考。

浅水效应下智能技术试验船回转操纵性数值模拟

本文借助STAR-CCM+软件对考虑浅水效应的智能技术试验船回转操纵性进行数值模拟研究。首先对无界流场中智能技术试验船的流体动力性能评估,并且与试验结果对比验证了计算方法的准确性;在此基础上,通过改变智能技术试验船与池底的垂向距离,模拟不同浅水工况下智能技术试验船回转操纵性能。数值模拟结果表明,浅水效应下智能技术试验船侧向力系数显著增大,对应的偏航力矩系数亦有所增加。相关结论可为智能技术试验船浅水航行时安全性能提供指导。

深海载人潜水器直流无刷电机驱动控制研究

为提高深海载人潜水器电机工作效率和故障诊断能力,并降低系统工作噪声,对直流无刷电机的高效低噪驱动控制技术进行研究。采用具有智能相位控制功能的三相全波正弦波控制芯片TB6605结合智能功率模块(IPM)设计直流无刷电机驱动器。采用单片机对系统的电压、电流、温度、转速、位置信息进行检测,为控制系统提供必要的信息反馈,对应用直流无刷电机的系统状态起到实时信息监测的功能。实验结果表明,研制的直流无刷电机驱动器在电机全转速范围内具有较高的工作效率,额定工况点效率高达90%以上,且在全转速范围内,提高了电机运转的平稳度,降低了系统噪声。研究成果对提高深海载人潜水器电机的工作效率和故障诊断能力,并降低系统工作噪声具有很好的支撑作用。

深海能源基站技术现状与发展趋势

深海能源基站是提高UUV续航力、扩大UUV工作范围的有效手段,将改变未来海战中UUV执行任务方式和作战规则。本文阐述深海能源基站的应用需求和工作特点,分析深海能源基站不同储能技术,重点介绍了国内外在燃料电池和核动力深海能源基站方面研究现状。从储能、部署难易、维护周期和使用方式4个方面,探讨了深海能源基站的未来发展趋势。研究表明,深海能源基站将围绕高能量密度和高功率、小型轻量模块化、长周期隐蔽免维护运行、能量信息非接触式高速同传4个方向发展。

深海载人平台二氧化碳清除技术发展现状及趋势

梳理目前应用在海洋载人领域中的二氧化碳清除技术,指出深海载人平台二氧化碳清除技术的发展趋势。根据某深海载人平台特点,研制了一型二氧化碳吸收装置样机,开展了密闭舱温湿度不受控性能试验。试验结果表明,该设计方案完全满足平台应用需求,可为该类平台内二氧化碳清除设备的设计和使用提供技术支撑。

深海载人潜水器的水下稳性分析研究

水下稳性是深海载人潜水器重要的总体性能之一,通过稳心高(GB)衡量潜水器的稳性,其指标大小与潜水器的操纵和安全息息相关。潜水器在运动过程中,海洋参数随深度变化以及潜水器自身压载变化引起潜水器稳心高发生变化。本文以稳心高基本公式为基础,结合潜水器耐压结构、浮力材料和液压油的浮力损失计算方法,建立深海载人潜水器水下稳心高数学模型,提出一种深海载人潜水器水下稳性分析方法。以“深海勇士”号载人潜水器为研究对象,对深海载人潜水器的水下稳性进行计算分析,得出深海载人潜水器水下稳心高的变化规律,可为深海载人潜水器的设计提供参考。

旋转轴系径向非接触磁力激振技术研究

针对旋转轴系振动试验中需要对转轴进行径向非接触动态线性激振的实际需求,开展了径向非接触式磁力激振器的设计研制及性能试验。首先,采用磁路解析法推导线性化后的径向磁力计算方法;其次,开展了激振器结构和绕组参数的设计,加工出激振器实物并设计了测力结构对其频域作动性能进行全面测试;最后,将激振器用于轴系台架激振试验,提出了一种非接触作动力的换算方法,并将激振结果与力锤激振方式进行了对比,同时研究了激励信号大小以及转速对激振效果的影响。试验结果表明,研制的激振器性能良好,实现了设计目标,试验结果与理论计算结果以及力锤激振结果的误差在合理范围内,验证了该方法的适用性和准确性。

带球封头的钛合金耐压结构深海碰撞动屈曲研究

钛合金深海装备在水下作业时可能会与海山、礁石等海底固定物发生碰撞,这种在高应力状态下发生的冲击碰撞可能会对钛合金结构稳定性造成很大的影响。目前,学术界对于这种在双重载荷环境下发生的结构稳定性问题并没有太多的研究,也没有可供参考的经验公式。在钛合金材料动态力学性能试验的基础上,结合理论分析和大量数值模拟,建立在碰撞力集中载荷和均布压力共同作用下钛合金球柱组合结构的动屈曲判断准则,所得结果可以为深海装备水下航行安全性提供重要参考。

深海装备耐压结构用有机玻璃的蠕变时温等效特性

基于WLF方程和陈化理论推导符合时温等效关系的蠕变本构方程,开展不同温度下的试样压缩蠕变试验,拟合得到有机玻璃的压缩蠕变本构关系,应用有限元方法探究深海装备观察窗蠕变变形的时温等效现象。试验结果显示,符合WLF方程的陈化理论蠕变本构关系能较好地描述深海工况下的有机玻璃压缩蠕变行为;外加应力一定时,有机玻璃在4℃时的蠕变应变-时间曲线相当于将40℃时的蠕变应变-时间曲线沿时间轴拉伸9.36倍,该等效关系可为深海服役环境下有机玻璃耐压结构的加速蠕变试验设计提供参考。

船用变风量空调系统解耦技术研究

分析变风量空调系统在船舶领域的发展现状和技术瓶颈,针对变风量空调系统中的多回路耦合问题,开展系统解耦及调控技术研究。解耦设计技术上,建立变风量空调系统多控制回路数学模型,在此基础上采用前馈补偿解耦方法进行解耦设计,经验证明显降低了控制回路间的耦合作用;调控技术上,创新提出多回路串联延时调控方法,经验证在未进行解耦设计的情况下仍能实现稳定调控,有利于工程实际应用。研究成果能够降低变风量空调系统调控难度,对促进变风量空调系统在船舶领域的应用具有积极意义。

多耐压壳体结构振动传递控制技术研究

相对单耐压壳体,由于多耐压壳体通过舷间连接结构相互耦合,受激励耐压壳体向临近的舷间结构/舷间声介质、临近耐压壳体、轻外壳等主构件传递振动,总体上呈现多路径相互叠加的树形结构,传递路径复杂。采用数值方法,通过建立多耐压壳体有限元模型,基于多耐压壳体耦合特征,分析振动传递路径上基座、激励位置、舷间结构等相关参数对多耐压壳体声学特性影响,从传递路径上开展针对性的结构声学噪声控制技术研究。分析结果可为多体结构的工程设计和振动噪声控制提供有效参考。

万米深海液压系统油液选择与试验分析

当海水深度超过10000 m时,海水环境压力大于100 MPa。环境高压会引起液压油体积变化、黏度特性等参数的变化,均对液压系统的控制和输出特性产生不可忽视的影响,因运行环境特殊,如何选择液压油暂无参照标准。针对上述问题,从工作环境、选择因素、液压油选择评定等方面进行论述,通过开展模拟高压环境下液压油黏度特性和体积变化等试验测试分析,为深海液压系统的设计提供直接参考。

智能信息系统技术在舰船装备中的应用

针对当前船舶信息系统信息化和智能化水平落后、发展滞后问题,为了创新智能信息系统技术,提升舰船装备作战效能,对现有系统的不足进行分析,主要包括顶层设计缺失、资金支持不足等问题。以健康管理应用模型为例,在数据分析和人工智能技术的基础上提出创新方法,可用于实时监控设备状态并预测潜在故障,促进军民技术融合和“产-学-研”联动。研究成果可为智能信息系统技术在舰船装备中的应用提供一定参考。

水下平台中继供电变换技术研究

本文研究了水下平台有缆中继供电模式下的电能变换技术,水面平台交流电能经脐带缆传输至水下平台,通过本文提出的二极管不控整流+四路交错Buck拓扑将波动交流电变换为稳定直流电供给负载,大大提升了水下平台的续航能力和作业效率。分析了该电路的运行原理,最后搭建了一台功率80 kW的电路仿真模型,并在100%负载、50%负载和25%负载工况下进行了仿真,结果显示在各工况下有能效减少纹波,多路交错并联Buck变换器各功率器件应力小,电感设计简单,热设计良好,在大功率应用场合优势非常明显。

基于深海钴结壳采矿车的路径规划方法研究

针对目前深海钴结壳采矿车在采矿时无法达到规划时间和路程代价综合最优,提出一种改进的跳点搜索算法作为全局路径规划算法。首先,基于对采矿车越坡动力学的分析,模拟了具有不同坡度的结核矿区栅格地图,并利用动态跳点搜索算法完成路径规划;其次,采用贝塞尔曲线来平滑路径以减少和优化转弯角度,并设定了最小转弯半径约束以减小采矿车的转弯频率;最后,通过仿真结果表明,改进后的跳点搜索算法相较于其他4种算法,在规划时间上缩短了40%,在规划路径长度和平滑度方面得到5%和10%的提升,相较于单向跳点搜索算法在探索效率上得到较大提升,最终证明了该算法在路径规划时的实时性和路径规划能力的优异性。

深海载人平台舱壁结露调温除湿方法

为降低深海载人平台任务期间舱室降温除湿产生的功率损耗,提高平台能源利用率。提出了舱壁结露以低功耗调节深海载人平台舱室温度与湿度的方法。建立了舱室热传递和含湿量模型,分析了典型工况下结露面积、风速、分段结露方式对舱内温度和湿度变化趋势的影响。结果表明:设置结露区可以实现对深海载人平台舱室温度和相对湿度的超低功耗调节;增大结露区面积可以降低深海载人平台舱室温度和相对湿度,在特定的时间段提高结露区风速可以显著降低舱室相对湿度;采用分段结露方式可以减小海水温度变化带来的舱室温度和湿度波动,使深海载人平台下潜阶段和定深作业阶段均处于合适的温度和湿度范围。舱壁结露降温除湿方法几乎零能耗且仿真计算结果显示该方法可将舱室温湿度调节至接近要求范围,为深海载人平台舱室温湿度控制技术提供参考。

基于气动声学故障诊断技术的风机叶片开裂模型仿真与检测方法研究

随着新能源技术的不断发展,风力发电逐渐成为目前主要的可再生能源发电方式。大型风机的发展对于风力发电行业而言至关重要,但其也存在诸多的运维问题。为了解决风力发电机叶片受载荷不均匀,容易造成尾缘开裂,以及运维困难的问题,通过数值模拟与半经验声学模型结合的方法研究风机叶片开裂状态下气动噪声的变化,并提出采用IEEE2400国际标准进行声学故障检测的理论框架。通过对不同的实验结果以及NREL的半经验模型软件仿真结果分析,得出:所提出的非接触式检测模型可以有效地识别到风机叶片的开裂故障;同时该方法有较强的推广性,可以用于其他的风机叶片故障分析与监测。该模型不仅可以检测风机的叶片开裂故障,还可以用于分析风机运行时的气动声学特征,对于完善风机叶片无损检测、非接触式具有十分重要的意义。