基于数字孪生的LNG港池平面优化设计方法及应用研究

为了实现港池水域设计与数字化的融合,优化港池水域平面设计方案,提高LNG船舶进出港的安全性,研究了一种基于数字孪生技术的LNG码头港池水域平面布置设计优化方案。依据LNG船舶和港作拖轮的实体特性,提取几何特征和水动力参数,构建孪生虚拟模型,应用感知数据技术,建立虚实映射关联模型,将LNG船舶和港作拖轮实际的运动状态,与智能数字化的技术精准融合,并在所搭建的虚拟环境中完成进出港和靠离泊测试,根据试验结果优化进出港航道及码头平面布置的设计方案,实现数字孪生技术在LNG码头设计过程的应用。

基于PROSPECT+SAIL模型的遥感叶面积指数反演

以PROSPECT+SAIL模型为基础,从物理机理角度反演植被叶面积指数(LAI)。首先,通过FLAASH模型进行大气校正,使得图像像元值表达植被冠层反射率;然后,根据LOPEX 93数据库和JHU光谱数据库选择植物生化参数和光谱数据,以PROSPECT模型模拟出的植物叶片反射率和透射率作为SAIL模型的输入参数,得到植被冠层反射率,将结果与遥感影像的植被冠层反射率对应,回归出植被LAI;最后,以地面实测数据对遥感反演数据进行验证,并分析了误差的可能来源。

基于SAIL模型模拟的农作物冠层直射与散射光合有效辐射吸收比例特性研究

为明确太阳直接辐射及散射辐射在进入冠层被冠层吸收以及两者对总光合有效辐射吸收比例(FPAR)造成的影响,利用SAIL模型模拟不同条件下的直射FPAR、散射FPAR以及总FPAR,分析影响总FPAR变化的主要因素以及直射FPAR与总FPAR之间的差异。结果表明:FPAR随叶面积指数(LAI)的变化存在饱和现象;能见度为5,15,30 km时散射FPAR对总FPAR的贡献分别是52.6%,29.3%和21.7%,随能见度的变化,直射FPAR与总FPAR间相对误差最大达到13.2%;随太阳天顶角的变化,直射FPAR与总FPAR间相对误差最大达到10.29%,这一误差是由散射FPAR引起的。因此,在进行植被冠层FPAR遥感反演建模时,直射FPAR与散射FPAR需要单独建模,总FPAR则需要根据由天气条件决定的直、散射辐射比例计算得到。

基于PROSPECT+SAIL模型反演叶面积指数的较强适用性植被指数的筛选

基于PROSPECT+SAIL植被辐射传输模型,通过控制不同的植被生化变量、地表参数和土壤光谱参数建立光谱数据集,定量地分析了归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(SR)、土壤调节植被指数(SAVI)等10种常用的植被指数(VIs)对叶面积指数(LAI)的响应.利用敏感性函数定量地筛选出具有较强适用性的转换型土壤调节植被指数(TSAVI).在此基础上,分别建立了TSAVI及常用植被指数NDVI反演LAI的模型.以张掖市南部地区的TM影像为数据源,进行了LAI的反演,并利用黑河生态水文遥感试验获得的中游LAI数据集对模型进行精度评价.结果表明:TSAVI–LAI模型最佳拟合关系为指数形式,其反演结果与LAI实测值的偏差最小(0.200),R2最大(0.686),RMSE最小(0.397).TSAVI可以作为较强适用性植被指数来进行LAI的反演.

基于SAIL模型的HJ-1卫星LAI反演算法研究

基于辐射传输模型和人工神经网络算法,研究出适用于环境一号卫星CCD相机数据的叶面积指数反演算法针对环境一号卫星CCD相机的波段特征,设计出一种新的植被指数HJVI,有效的避免了数据饱和现象,提高了算法的精度。

海上高速航行船舶触礁距离实时计算方法

为了提高船舶航行安全性,并应对航行过程潜在碰撞风险,提出海上高速航行船舶触礁距离实时计算方法。通过航海雷达探测船舶航行环境中的礁石目标,确定极坐标系下的位置坐标后,将其转换地心垂直坐标系下,构建基于PLSTM-FCN的船舶航迹预测模型,从船舶自动识别系统中获取高速航行船舶历史位置、航速、航向、船舶长度、宽度以及吃水深度等AIS数据,将其作为模型输入,模型输出为船舶航行实时位置预测结果,结合礁石目标位置,完成触礁距离的实时计算。实验结果表明,该方法可预测船舶航行航迹,预测MSE值仅为0.002 2;可实现船舶触礁距离的实时计算,计算结果与实际距离误差介于0.77~1.55之间。

IKAROS太阳帆第一阶段展开过程的动力学行为分析

空间结构的在轨展开涉及到复杂的高维强非线性动力学问题,这些动力学问题的建模及仿真技术是航天动力学领域的难题,也是对在轨展开过程施加控制的前提条件。本研究以IKAROS太阳帆在轨第一阶段展开过程为例,基于哈密顿变分原理,建立中心刚体-主动伸长柔性梁耦合动力学模型;采用保结构分析方法,关注动力学系统的局部动力学行为,在恒定转矩驱动和恒定功率驱动两种工况条件下,对IKAROS太阳帆第一阶段展开过程进行仿真;发现两种工况条件下的中心刚体转动角速度演化规律差别显著,恒定转矩做功将导致中心刚体的转动稳定性变差,同时,恒定功率驱动工况下,IKAROS太阳帆第一展开阶段节能效果较好。

基于模型预测控制的无人帆船轨迹跟踪方法

[目的]面向无人帆船在水面、水下跨域异构海洋机器人的协同作业场景,提出基于模型预测控制(MPC)的无人帆船轨迹跟踪方法。[方法]针对“海鸥”号无人帆船,建立其动力学模型及运动学模型,通过分析无人帆船动力学特点及执行器约束条件,构建MPC目标函数及系统约束条件,将无人帆船的轨迹跟踪问题转化为优化问题,并利用Matlab软件开展仿真实验验证。[结果]仿真结果表明,与“帆–舵”分离的PID轨迹跟踪控制方法相比,所提出的无人帆船“帆–舵”联合MPC控制方法更便于添加约束条件,其在风向变化的情况下能以更小的轨迹跟踪误差来更快地收敛于指定轨迹,且其可以实现逆风折线航行。[结论]研究成果可为无人帆船的帆、舵控制提供新的思路,提高其轨迹跟踪能力,进一步为无人帆船与AUV的高效协同作业提供技术保障。

差动操帆对风帆船节能的影响评估

利用风能的翼型风帆助推技术是运输船舶满足EEDI高阶段指标的重要技术措施之一。以一左右舷横向对称布置两对翼型风帆的油船为研究对象,选取典型相对风向角,分别采用烟流流动显示试验和风洞测力试验的方法,从定性和定量两个方面分析双帆横向间距变化及不同操帆控制策略对风帆组气动特性的影响;在此基础上,通过求解计及横倾的四自由度MMG非线性运动方程组,评估压载吃水下双帆横向间距及其操纵控制策略对风帆组节能的影响。研究表明:横风作用下,沿船宽横向布置的两帆间存在着相互干扰,通过合理的操纵控制,可提高风帆组的推进性能;两帆横向间距越小,帆-帆干扰效应越明显,为最大限度地发掘风帆组的整体助推潜力,需要差动操帆的角度也越大;相较同步操帆最优状态的推力增量,同时差动操纵背风侧两帆,风帆组推力增量可再提高约7.7%,压载吃水下风帆组的综合节能收益可达22.7%。

无人帆船翼帆桅杆根部应力影响因素及其影响规律研究

为研究翼帆桅杆根部应力的影响因素及其影响规律,基于等效原理提出了桅杆根部应力的数值计算模型,并通过有限元计算验证了所提模型的准确性。基于所建模型推导发现,对桅杆根部应力造成影响的参数共包含4个外部参数(无人帆船横摇周期、横摇幅值、横摇角度、翼帆偏转角度)和3个翼帆本体参数(翼帆重心高度、翼帆质量、偏心距离)。基于所建模型分析了上述因素对桅杆根部应力的影响规律,发现应力值与横摇周期成递减的负二次幂函数关系,与横摇幅值、翼帆重心高度、偏心距离和翼帆质量成正比,应力值随偏转角度的变化曲线与正弦曲线相吻合,并且在一个横摇周期内应力值曲线呈现正弦波形。最后,针对应力集中于桅杆根部的情况,提出了一种设置加强筋以优化结构的方法,并通过有限元计算和转台晃动实验分析的方法进行了验证,发现所提方法可以有效减小翼帆桅杆工作过程中根部的应力值。

考虑双程声径的走航式水下差分定位方法

水下声学定位中存在收发时刻位置差、声速误差等系统性误差,传统方法无法同时削弱这些误差的影响。针对该问题,本文采用历元间差分削弱系统误差的影响,给出了一种考虑双程声径的走航式水下差分定位方法,对其函数、随机模型进行了推导,并通过仿真和实测算例验证本方法的定位精度水平。结果表明:传统单程非差、单程差分、双程非差以及考虑双程声径的差分方法,对应的观测值残差均方根误差分别为3.460、3.396、1.692和1.471 m,证明本方法有效提高了水下定位的精度,且较适用于深海区域的水下定位。

通航隧洞船舶航行阻力试验研究

为进一步了解船舶在通航隧洞中航行阻力的变化规律,针对大型船舶提出航行阻力估算公式,建立物理模型开展船模试验对公式进行验证与分析。结果表明:阻力实测值与公式拟合程度较高,验证效果良好;隧洞水域横截面积的变化对航行阻力扰动更大,航行阻力对隧洞水域横截面积的敏感性高于航速;航行阻力与航速的二次方成正比,随着通航断面系数的增大而减小。

牵顶伞在降落伞拉直过程中的作用

采用有限元方法,建立降落伞回收系统的多质点动力学模型,研究了牵顶伞在拉直过程中对主伞性能的影响。模型中将柔性大变形的伞绳、伞衣、连接带离散成若干绳段,各绳段假设为质量集中在中心的质点,各质点间以阻尼弹簧连接,其运动由对应绳段的重力、气动力和张力确定。利用该模型对某批次的空投试验进行了仿真,给出了张力、速度、位移等参数的瞬态变化。经过分析表明,牵顶伞能够改善主伞张力分布,抑制伞衣顶部横向摆动。

基于点云的植株表型构建和反射率方向性分析

三维激光扫描可瞬时高效地采集点云信息,在获取植物表型特征上具有独特的优势。植株不规则的几何结构导致了其复杂的光辐射过程。本文使用激光扫描仪采集了四种代表性植株的稠密点云,数字化为三维模型以准确计算结构表型参数。通过将激光点云计算的准确的叶倾角分布和叶面积指数替代传统的SAIL模型中的经验参数,减少了其中间参数,提高了模拟精度。并对模拟反射率和实测反射率进行多角度分析,发现模拟结果在主平面方向有较大提高,垂直主平面方向提高程度相对较弱;植被光谱吸收谷,如450 nm、670 nm,具有较强的光谱异性的同时,结构参数的影响也较为突出,改进后的效果明显,而在近红外反射峰如860nm则无明显改进。通过本文的研究,证明了利用激光快速获取植物表型参数的可行性,并成功利用准确结构参数解决辐射传输中的难点问题。

呼伦贝尔草原FPAR/LAI模型的验证

在呼伦贝尔草原最主要生长季(6、7、8月)对羊草(Leymus chinensis)进行野外实测,分别用PROSPECT模型和SAIL模型对实测数据进行模拟,得到羊草叶片和冠层光谱曲线,分析了曲线特征,并将实测数据通过PROSPECT+SAIL模型模拟,将实测FPAR/LAI和待验证模型模拟FPAR/LAI比较,R2分别为0.863 4,0.841 8和0.640 8,说明该模型对试验地区是适用的。

基于试验方法的运动帆船帆翼空气动力性能研究

帆翼空气动力特性是帆船重要的性能之一,为了掌握帆船比赛中不同航向角时帆翼的空气动力特性,采用了缩尺比为1∶16的几何相似模型进行了单帆帆翼的空气动力性能试验研究,得到了不同航向角下帆翼的推力系数、侧向力系数随攻角变化关系和最大推力系数以及对应侧向力系数曲线。分析发现：在帆船航行中存在死角区,当航行角在此区域内不管攻角如何改变帆船都无前进推力,该帆翼的死角区为0°~10°;航向角小于40°时帆船航行不是理想状态;在航向角在40°~140°之间,最大推力系数随航向角增加而增加,对应侧向力系数则随航向角增加而减小。当航向角为140°时,最大推力系数是全过程中的最大值1.52,对应侧向力系数又是全过程中比较偏小的,所以,当航向角为140°左右时帆船有较理想的航行状态。试验结果和所作的结论,为帆船运动员在奥运会帆船比赛过程中帆翼调整提供了理论基础。

太阳帆动力学建模与姿态控制

对基于控制杆的太阳帆航天器,对其结构进行合理简化,应用矢量力学原理建立了太阳帆航天器刚柔耦合动力学方程,通过求解太阳帆航天器支撑杆的非约束模态,进而给出太阳帆航天器动力学方程的求解方法.结合运行于超地球同步转移轨道上的太阳帆航天器的偏航轴对地定向任务,设计了基于控制杆的太阳帆航天器俯仰轴Bang-Bang PD控制器.数值仿真结果表明,所设计的控制器可以在700 s内实现考虑太阳帆航天器结构振动的偏航轴对地无偏差定向任务.

某工程船在不规则波中的操纵性自航模试验研究

为研究某小型工程船在不规则波中的操纵性能 ,对该船进行了静水和不规则波中的操纵性自航模对比性试验。依据试验所获取的大量数据 ,得到了随机波浪对船舶操纵性影响的规律 ,为进一步开展不规则波中操纵性理论预报提供了可借鉴的资料。

火星环境下降落伞拉直过程的动力学建模

文章在简要介绍火星探测器的物伞系统组成以及火星探测器降落伞拉直过程的基础上,根据拉直过程中各物体的运动属性,建立了火星探测器降落伞拉直过程的三维动力学模型。模型将伞包视为变质量六自由度刚体,进入器视为六自由度刚体,伞绳/伞衣采用质量阻尼弹簧模型,即将伞衣、伞绳、连接绳以及吊带离散成若干绳段,每个绳段处理为质量集中在端点的三自由度质点,各质点之间以阻尼弹簧相连。利用所提出的动力学模型对"海盗号"第一次气球发射试验进行了仿真,并与Moog R.D.的仿真计算结果和试验数据进行了对比,验证了该文数学模型的正确性与有效性。

湍流模型在帆船项目帆翼空气动力性能计算的适用性研究

随着计算机技术的迅速发展,数值模拟已成为帆船帆翼空气动力性能研究的重要工具。利用数值模拟,可实现在较短的时间以内完成多种设计方案的模拟计算,得到帆翼升力、阻力系数等空气动力学特性,为帆船比赛过程中运动员调帆提供技术指导。通过讨论5种湍流模型(S-A模型、standard模型、RNG模型、Realizable模型、SST模型)对于帆翼空气动力性能计算结果的影响,根据与试验结果比较分析,确定了帆翼数值模拟采用Realizable模型。研究结果为下一步数值模拟帆船帆翼空气动力性能打下了基础。