小型水下机器人的总体设计和实现方法

本文以自主设计的小型水下机器人为例,分析了其系统总体设计以及各关键子系统,包括运动系统、供电系统、通信系统、控制系统、勘察系统以及其他系统等设计的要点和方法。机器人采用模块化和便捷化的设计思想,可以进行模块化换装,具备ROV功能多样化。可以对水下一定体积的目标物体进行抓取、捕捞以及深水水域水质采样,设计的机器人外形多镂空,并尽可能减小机器人的体积,使用比较轻便的材料,使得机器人方便携带,便于较偏远地区任务的运输工作。经多次实验验证,该套设计方法同样适用于其他同类型水下机器人的设计和生产。

S型铺管力学计算方法发展现状及技术展望

基于S型铺管技术特点,介绍了国内外管道静力学与动力学分析计算方法、管道触地段与海床耦合分析以及管道与张紧器耦合分析发展现状,对比分析了各种计算方法的优点和使用局限性;在此基础上,指出了未来尚待解决的问题和今后技术的研究方向,为保证S型铺管作业安全和提高作业性能奠定了理论基础。

水下狭窄环境中ROV的自主返回控制

为满足缆控水下机器人(remotely operated vehicle,ROV)在水下狭窄环境中作业完毕后的顺利回收需求,研究仿真ROV的路径跟踪以及动力定位系统。基于非对称ROV构建数学模型,利用李雅普诺夫函数,采用反向递推和反馈线性化,设计了基于反步法的自适应控制器。该控制器通过反馈线性化,将已知非线性参数转化成线性参数,不确定的非线性参数应用自适应控制律进行放宽。通过仿真对该控制器应用于ROV的可行性进行验证表明:基于反步自适应控制以及视线导引的算法,ROV在水下狭窄环境中路径跟踪效果良好,动力定位稳定,鲁棒性良好,能够很好地解决ROV模型的不确定性与非线性问题。该控制器为ROV在水下狭窄环境中的回收作业提供了很好的解决方案。

关于海底S型管道铺设形态分析仿真研究

S型管道铺设形态分析一直是进行海底管道铺设的首要问题,由于管道各部分的受力不同影响了管道各部分形态,从而导致准确计算管道形态具有很大的难度。基于S型管道的形态特点将管道划分为五个部分,提出多分段形态模型数值方法,根据各部分的受力特点建立微分方程,利用管道的几何与力学连续性边界条件通过牛顿迭代法求解管道形态。通过将计算结果与商业软件Orcaflex进行对比,以保证所采用分析方法的准确性。然后考虑了管道嵌入土壤的形态情况,针对管道参数对S型管道形态的影响进行了仿真分析,仿真结果表明管道壁厚与管道直径的变化对S型管道的形态有重要的影响,而且管道嵌入土壤的形态也随着参数的变化具有显著差别。采用多分段形态模型数值方法进行的S型铺管的形态与仿真,对实际的S型铺管作业的管道构形具有很好的指导作用。

钢悬链线立管舷侧安装过程动力学仿真及耦合分析

钢悬链线立管是目前最主要的深水油气开发立管形式之一,在钢悬链线立管的安装过程中,钢悬链线立管极有可能发生大变形导致其拉力与弯矩过大造成管道屈曲变形甚至安装缆绳断裂破坏。本文以陵水17-2工程中钢悬链线立管舷侧安装作业为依托,基于船舶时域运动学理论与有限元法,建立了船舶-钢悬链线立管-安装缆绳动力学模型。首先分析了5个安装阶段时的钢悬链线立管与安装缆绳的静拉力与弯矩情况,其次针对设计海况,在考虑船舶、钢悬链线立管与安装缆绳耦合作用时,对船舶运动与钢悬链线立管的受力与弯矩进行了计算。研究结果表明:在安装过程中钢悬链线立管的拉力与弯矩受船舶运动影响较大,此次研究的耦合动力学模型可以为钢悬链线立管的安装作业设计及施工风险分析提供一定的参考。

基于YOLOv3的水下小目标自主识别

针对智能水下机器人作业时小目标自主识别的需求,提出基于深度学习的YOLOv3算法,通过对水下机器人实采数据进行神经网络权重训练,实现对水下小目标物快速、精确的识别与分类,从而解决在复杂的水下地形和未知作业环境中对水下目标识别问题。并分析算法学习率在水下海珍品数据集上对损失函数值的影响。实验结果表明,基于YOLOv3算法的水下海珍品的目标检测具有强实时性与高准确率,所有目标类别查准率高达99%,物体的查全率在90%以上,可达35帧/秒的检测速率;在网络训练过程中调整学习率有利于加速并降低损失函数值。

吸力锚飞溅区吊装入水速度影响分析

针对吸力锚吊装作业跨越飞溅区时的动力学问题,本文基于雷诺时间平均Navier-Stokes(RANS)方程,采用流体体积函数法求解多相流,对在不规则波浪中不同吊装速度下缆绳拉力与吊物运动进行了分析。通过数值结果与工程实测数据进行对比,验证数学模型的准确性,并研究动态影响因子、特征拉力和运动参数随傅汝德数和速度的变化。结果表明:在实际吊装速度为0.1~0.7 m/s时,即使缆绳的拉力和结构物的运动呈非线性变化,吊装作业中缆绳也不会发生松弛;随着吊装速度的增加,纵向和横向位移的均值增加,最大可达-1.204 m。结构物的横摇和纵摇加剧,而艏摇减弱,但吊装速度最大时艏摇角仍大于0.25°。研究表明:在吊装作业中应当充分考虑吸力锚的水平面非对称运动,仅对其垂向运动进行仿真是不合理的。

吸力锚吊装入水动力学分析

针对吸力锚吊装入水砰击动力学问题,本文基于雷诺时间平均Navier-Stokes(RANS)方程,采用流体体积函数(VOF)法求解多相流,建立了三种不同气体模型,考虑了不可压缩气体、理想气体和比热比为1.4的自定义气体条件下的缆绳拉力和结构物的运动状态,分析了不同可压缩气体条件对吸力锚内部压强的影响。结果表明,气体的可压缩性对缆绳拉力影响较小,但对结构物的运动有较大影响,不同吸力锚内压强差别不明显,比热比的变化对横向和纵向位移影响较小,但随着比热比增加,吸力锚的首摇角明显减小。

输入受限的网络Euler-Lagrange系统有限时间一致性

针对网络Euler-Lagrange系统的有限时间协调一致性问题,考虑控制力矩有界和速度信息不可测的实际情况。基于有限时间控制技术,利用双曲正切函数,设计出了网络Euler-Lagrange系统分布式有限时间一致性控制算法。利用代数图论、Lyapunov稳定性理论和齐次性理论,证明了设计出的控制算法能够使得所有智能体的位置和速度在有限时间内达到一致,并且满足控制力矩有界的条件。最后数值仿真结果表明在控制力矩有界和速度信息不可获取的情况下,所设计出控制算法的有效性和可行性。

实时交互的海洋平台安装虚拟仿真实验设计与实践

根据海洋平台安装课题在实际教学中的需要,搭建实时交互的虚拟仿真实验平台。通过运用Unity 3D,GPU多线程渲染、WebGL等多项技术,实现了导管架海洋平台滑移装船、浮托安装等场景的模拟。以实际教学操作为例,展示了整个海洋平台安装实验的运行过程,将理论知识应用于实践操作,有助于全方位地培养工程应用型人才。

浮托安装系泊系统时域耦合分析

随着平台上部组块重量的增加,浮吊法已经不能满足现在大型平台安装的要求,通过浮托安装方法进行安装大型平台上部组块被工程中逐渐使用,在浮托安装作业时驳船受到锚链与海洋环境等耦合作用,给海上作业带来了极大的风险。本文以文昌9-2/9-3/10-3气田群开发项目中WC9-2/9-3CEP组块整体浮托安装作业为例,研究了浮托安装时受到风、浪、流等外环境影响时驳船与锚链时域耦合动力学问题,分析了驳船的运动与锚链顶端的动态拉力,研究结果为导管架组块浮托安装实际工程的安全应用提供了有力支撑。

船舶与海洋工程学科导学思政探索与实践——以船舶与海洋工程设计制造学术团队为例

在双一流学科建设的时代背景下,各个高校的专业建设正迎来新的发展机遇,尤其对船舶与海洋工程等关乎新时代社会主义建设的国家特色专业更是提出了更高的人才培养要求,哈尔滨工程大学“船舶与海洋工程设计制造”兴海团队以建立科学高效的人才培养体系为目标,着手研究生所处环境、导师自身素质及学习培养模式等关键问题开展导学思政探索与实践,通过导师队伍建设、育人模式融合、奖助体系改革等手段对船舶与海洋工程专业课程进行教学改革,深入探索专业教学思政元素,将思想政治教育与船海专业课程融为一体,实现研究生价值引领与知识传播的有机融合,高质高效践行全员育人、全程育人、全方位育人的三全教学模式。

水下目标三维点云生成优化方法

由于水下光衰严重、能见度低,导致ROV作业时采集的水下图像特征难以提取,重建的水下目标三维点云辨识质量低。本文提出一种改进SIFT尺度空间的水下目标三维点云生成优化方法,该方法增强了特征提取时颜色边缘特征信息的感知,提高了有效特征点匹配数。基于ROV拍摄的水下数据集实验结果表明,相比于SIFT传统算法,该方法图像特征点数量增加2.9倍,匹配数量增加1.78倍,点云数量增加1.04倍,三维重构模型效果显著。因此该方法可在一定程度解决水下图像特征点难检测及生成的三维模型质量差的问题。

船舶拖航系统六自由度操纵运动仿真

研究拖航作业操纵运动对于提高拖航作业的安全性有重要意义,采用MMG分离式船舶运动数学模型,结合拖缆的悬链线张力计算模型,建立由拖轮、拖缆、被拖轮组成的拖航系统六自由度操纵运动模型,编制仿真程序,通过数值计算,对该系统操纵运动进行仿真模拟。以拖轮和导管架驳船的拖航运动为例,分析拖缆长度、拖航速度对拖航系统操纵运动及拖航航向稳定性的影响,模拟该系统在风、浪、流影响下的操纵运动,运动数据实时解算,为在视景模拟平台上进行作业预演,规避拖航作业风险提供理论指导。

基于两种转换函数的真实波浪参数的统计分析（英文）

The probability distributions of wave characteristics from three groups of sampled ocean data with different significant wave heights have been analyzed using two transformation functions estimated by non-parametric and parametric methods. The marginal wave characteristic distribution and the joint density of wave properties have been calculated using the two transformations, with the results and accuracy of both transformations presented here. The two transformations deviate slightly between each other for the calculation of the crest and trough height marginal wave distributions, as well as the joint densities of wave amplitude with other wave properties. The transformation methods for the calculation of the wave crest and trough height distributions are shown to provide good agreement with real ocean data. Our work will help in the determination of the most appropriate transformation procedure for the prediction of extreme values.

船舶路径规划数值仿真

本文对动力定位船舶的路径规划进行数值仿真研究,首先建立船舶的数学模型,通过设定路径点生成的路径与船舶之间的几何位置关系生成追踪策略,计算船舶当前时刻的期望艏向;应用控制算法得到控制船舶达到期望艏向所需的控制力矩;最后计算控制船舶达到期望运动速度所需要的纵向推力。同时分析船舶在波浪环境作用下,按照规划路径移动时的运动响应及推进器推力变化情况。

半潜式平台自由衰减时域运动数值仿真

建立陵水17-2半潜式平台运动学数值仿真模型,并对其不同自由度的自由衰减进行运动仿真。为确保模型的可信度,采用缩尺比模型试验对仿真模型进行校核,将给定初始条件下自由衰减运动响应的仿真结果与模型试验结果进行对比,两者基本吻合。基于自由衰减曲线计算平台阻尼系数,对阻尼力(矩)时历曲线进行数值分析,结果证明可基于该仿真模型开展陵水17-2平台海上作业运动评估。

极端海况下半潜海洋平台拖带系统可靠性分析

为准确评估极端海况下半潜式海洋平台湿拖作业安全性,基于耦合时域分析理论和结构可靠性理论,分析某平台拖带系统在极端海况下的结构可靠性;并根据拖揽所受张力,采用改进的2阶距法,建立载荷概率模型和破断概率模型,得到了极端海况下拖带系统的可靠性指标与失效概率。结果表明:辅拖拖揽的可靠度较低,失效概率最高为1.54×10^(-6),符合可靠性指标要求,该拖航系统满足极端环境工况下平台拖航设计需求。

全回转起重船多系统耦合运动响应仿真分析

根据运动学基本原理,计入船-吊物、船-锚链耦合影响以及起重船自身受到的外环境载荷,建立船舶多系统运动模型。利用MATLAB/Simulink软件进行仿真,对多系统耦合作用下的船舶运动进行数值分析。分别在不同的遭遇浪向角和不同的吊臂回转角下,对船舶在各自由度上的位移进行比较,得到其对船舶运动参数的影响规律。结果表明:起重船运动过程中因计入多系统耦合影响,自身运动也表现出更为符合实际的运动特性,为准确预报全回转起重船多系统的运动响应提供了更为科学的理论依据。

海上吊物六自由度系统动力学特性分析

以海上吊物系统为研究对象,考虑长方体吊物模型六自由度的运动和风载荷,建立广义坐标的第二类拉格朗日方程,并利用高阶的龙格-库塔方法求解该方程。根据牛顿第二定律,推导出吊绳动张力计算公式,对不同吊绳长度、不同起吊速度、不同激励频率时的吊绳摆角、吊物转动角度和动张力进行分析。结果表明:吊绳长度、起吊速度和激励频率的变化均对吊物的摆角和吊绳动张力产生很大影响;吊物的升降对吊绳摆动、吊物转动和吊绳中的动张力有抑制作用,且起升速度越大,对吊物系统的抑制效果越明显,可以通过控制起吊速度和时间来减小吊重的摆动;当激励频率接近于吊物系统特征频率时,会发生共振,因此起吊作业中需要选择合适的吊索长度来避开共振区。