船舶操纵性海试实验虚拟仿真设计与应用

操纵性试验是船舶海试的重要组成部分,可有效评估船舶投入运营后操纵性能的优劣。船舶操纵性海试准备时间长、成本高、风险大,难以开展实验教学。依托虚拟仿真软硬件设施,充分融合虚拟现实技术、3D成像投影技术与船舶操纵性能分析方法,探索新型实验教学模式,完成船舶操纵性海试虚拟仿真设计;并以集装箱船为例,开展实验教学应用研究。船舶操纵性海试实验虚拟仿真有效弥补了海试的诸多不足,为学生沉浸式体验船舶操纵性海试全过程、掌握相关实验规程与分析方法提供良好的虚拟仿真环境。

基于海试数据的水声信号自适应波束形成方法性能分析

为了更好验证自适应波束形成技术的实际应用,本文研究了基于海试数据的不同自适应波束形成方法的性能,对比分析CBF算法、MVDR算法、MUSIC算法的优缺点,总结了各算法适用条件及实用性。研究结果表明,在声呐的实际应用中,CBF算法更适用于实时性要求较高、目标数量较少的方位探测;MUSIC算法更适用于实时性要求不高、目标数量较多、目标数量已知的方位探测;MVDR算法更适用于实时性要求不高、目标数量较多、目标数量未知的方位探测。

大功率海洋装备发动机链条设计与试验

针对大功率海洋装备发动机传动系统高疲劳性能及高耐磨性能的要求,结合啮合特征及受力分析对滚子链的销轴、套筒零部件进行了结构创新设计,并对热处理工艺进行了优化改进。对改进前后的链条进行硬度、耐磨性及抗疲劳性能测试的结果表明,改进后链条的销轴表面硬度可达800 HV_(0.2)以上、内单节压铆力降低了24.7%、链条经150 h磨损测试后伸长率降低了9%,链条疲劳寿命全部满足要求。最后,将改进后的链条装载到大功率海洋船舶发动机中,进行了2 000 h的航海试验,证明了改进后的链条可以满足大功率船用发动机正时链条的要求。该研究突破了中国海洋装备发动机链传动领域的技术难题,使中国成为全球第三个具备大功率海洋装备发动机传动链条生产能力的国家,并为高端制造业中的技术创新提供了宝贵经验。

波浪滑翔器脐带缆结构设计与海上试验

以“先锋”波浪滑翔器为例,介绍其结构组成和性能,重点对脐带缆结构中的柔性铠装缆、接线盒及缓冲减振结构进行详细设计。以类NACA翼型作为截面的铠装缆比传统扁平缆最大可减少40%的流体阻力。铠装缆2根3.5 mm钢丝绳与接线盒通过固定压板和绕柱的连接方式可提供约9994 N承载拉力。基于组合式碟形弹簧的缓冲减振结构可缓冲吸收约115.6 J冲击能量,保证脐带缆结构可承受8级海况产生的周期性载荷。在南海开展为期69 d的海上试验,航行里程为2383 km,在3级海况下平均航速为1.28 kn,虚拟锚泊精度半径小于80 m,验证了波浪滑翔器的海上航行性能。

大型邮轮船体部分航行试验要点分析

为更准确地测试邮轮的快速性、操纵性、舒适性等性能指标,对未来的航行安全提供重要的参考依据,交船前需进行航行试验。本文基于国产首制大型邮轮的实船试航情况,并参照规范和实船数据,分析了大型邮轮航行试验中,船体试验方面的航速测试、操纵性测试和振动噪声测试的流程和要点,并提出相关改进措施,以达到更好的试验结果,满足规范和船东要求,并可为后续建造的大型邮轮提供参考。

深渊生物资源取样装备技术体系研究

针对深渊生物资源研究的需求,自主研发了用于全海深深度的深渊沉积物、水体和宏生物的保压取样装置,深渊沉积物保压转移装置,深渊微生物原位过滤及保存装置和高压培养高压酶学测定装置。在深海模拟环境验证了取样装置在万米深度下的工作性能。相关装置在“探索一号”科考船的TS15、TS21-1和TS21-2大洋科考航次中,搭载“奋斗者”号载人潜器、“2号”深渊着陆器、“原位实验”号着陆器于西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了海上试验,成功获取了万米深度沉积物、水体和宏生物保压样品以及微生物原位过滤滤膜;成功进行了沉积物保压样品的保压转移试验。初步形成了深渊海域生物资源取样的装备技术体系,为深渊海底生物和基因资源开发,深渊生命过程等科学研究提供技术手段。

全浪向波浪增阻预报新方法在实船试航中的应用研究

波浪增阻的正确预报对实船的功率修正具有重要影响,需要恰当消除才能准确评价约定功率下的航速是否达到要求。2022年12月召开的MEPC 79会议正式将ITTC 2021版“实船航速测试分析规程”确定为法定规程,该规程引入了全浪向波浪增阻预报方法SNNM,弥补了现有波浪增阻预报方法的局限。该文重点研究了周期、浪向、波谱以及RAO曲线形状等因素对SNNM预报方法的影响,可用于指导实船试航的功率修正。

风帆构型波浪滑翔器局部路径规划研究

风帆构型波浪滑翔器(sailboat architecture wave glider,SWG)是一种新型单体式欠驱动海洋观测平台。相较于传统波浪滑翔器,风帆构型波浪滑翔器以海洋可再生能源——风能与波浪能为动力,克服了机动性能弱和抗流能力差等缺点,有效实现持续动能转换,执行面向大范围海域快速巡航等任务。考虑到风帆构型波浪滑翔器对风场环境的依赖性,传统路径规划方法对风帆构型波浪滑翔器的适用性很低,因此提出了一种适用于风帆构型波浪滑翔器在风场环境下的局部路径规划算法。所提算法通过改进引力势场与斥力势场,克服了传统人工势场算法中机器人无法到达靠近障碍物的目标点和碰撞远离目标点的障碍物的缺陷。所提算法引入一种风势场,使所提算法针对不同风场规划出不同的路径,并且规划路径满足风帆构型波浪滑翔器的运动学约束。最后通过MATLAB仿真和海试实验,验证了所提出的局部路径规划算法对风帆构型波浪滑翔器的适用性。

400 m级无隔水管泥浆回收系统研发及海试

无隔水管泥浆回收系统可以实现在开路钻井工况下进行泥浆回收循环再利用,具有安全环保、简化井身结构和降低钻探风险等优点。该技术在国外已发展多年并成功推广工业应用,国内目前尚处于跟踪研究阶段。本文介绍了我国首套400 m级无隔水管泥浆回收系统设计研发过程,并通过海试试验验证系统的各项功能及指标。结果表明,所研设备样机搭载于“海洋地质十号”船,设备装船适配合理,最大海试水深384.7 m,设备各项功能性均符合设计要求,成功实现泥浆液位的识别与自动控制功能,全流程验证无隔水管泥浆回收循环钻井技术可行性。

全海深沉积物保压取样装置设计及试验研究

为了实现全海深沉积物保压取样,提出基于着陆器的自密封式全海深沉积物保压取样系统。取样系统主要由深海充油电机、传动机构、取样机构、保压筒、蓄能器、压力传感器和多个高压针阀及不锈钢毛细管组成。为取样器在海底自主取样提供动力,设计了专用于深海超高压的水下电池。整套装置总重60 kg,其中,水下重量45kg。通过设计花瓣压缩环形取样、下端自封闭、两端自平衡的新型取样机构,简化了装置的结构,减轻了装置重量。通过对取样器贯入过程的分析和计算,得到最大贯入力的值为786.5 N。搭建了贯入试验台架以模拟沉积物的取样过程,在不同性质的黏土中测试取样器的取样能力和贯入力,试验结果与计算结果相符合。对于硬塑性、塑性和流塑性3种黏土,取样器的取样体积分别为410、120和20 mL,最大贯入力分别为720、210和20 N。为验证取样器保压筒的密封性能和强度,进行了110 MPa内压试验,保压120 min无压降。为验证取样器在高压下的工作稳定性及保压性能,在60 MPa和100 MPa高压舱内进行了多次测试,试验结果表明,60 MPa下保压率超过90%,100 MPa保压率超过88%。最后,在中国2021大洋科考TS21航次中,取样器搭载“奋斗者号”载人潜器在西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了3次原位测试,所提出的取样器均完成保取样任务,保压率超过80%,共获取保压沉积物样品超过700 mL。

基于声呐图像的深海采矿车组合定位导航算法

实现高精度的定位导航是深海采矿车完成海底工作任务的基础条件。在采矿车行进过程中,声呐设备生成的图像信息能够反映海底场景的变化,从而体现采矿车本身的运动,由此建立了一种声呐图像里程计,并将其与轮式里程计和USBL测量数据相结合提出一种深海采矿车组合定位导航算法。首先对多波束前视声呐图像进行预处理,然后使用Canny算法进行特征检测并对特征点云进行配准,再结合声呐成像原理构建声呐图像里程计运动模型,最后通过轮式里程计运动模型推导预测方程,声呐图像里程计运动模型和USBL测量数据推导更新方程,利用EKF(extended Kalman filter)算法实现基于多传感器融合的定位与姿态估计。海试数据验证了该组合定位算法能实现轮式里程计、声呐里程计和超短基线在速度、位置、艏向角估计、定位速率的精度互补,具有一定的有效性和精确性,该算法为深海采矿车的定位与导航算法研发提供了参考。

沉积物上覆水界面取样器及配套转移装置设计

针对甲烷渗漏区渗漏通量的计算、非保压非气密取样设备导致的样品气体散失、微生物死亡和有机成分分解等问题,设计一种基于重载遥控无人潜水器(ROV)机械手操作的3000 m级沉积物含上覆水保压取样器,以及与取样器配套的保压分离转移装置.该取样器可以实现样品的低扰动原位封装.在保压的工况下,转移装置可以实现上覆水的分离以及沉积物至不同培养釜的转移.基于阈值压力可调的泄压阀,保压转移装置通过压缩内部体积转移上覆水和通过二次取样转移沉积物.结果表明:取样器在南海的3次海试中分别获得了超过700 mL的保压样品,在3000 m的海试中2 h压降仅为1.53 MPa,海试验证了取样器的取样率及保压能力.在30 MPa高压工况下,转移装置完成了沉积物及上覆水分离转移,在转移过程中保持压力波动不超过4.8%.在转移完成后,培养釜中样品的压力相对于取样器中的样品初始压力下降仅为4.7%.

高精度海洋观测浮标运动测量系统设计与试验

海洋浮标受海洋动力环境影响产生运动,会对平台及仪器的可靠性产生影响,甚至会导致测量误差,影响海洋观测浮标工作安全性和数据质量,因而浮标运动姿态的精确测量研究具有重要价值和意义。本文通过搭建微型惯性测量单元(MIMU)与全球导航卫星系统(GNSS)结合的硬件系统,获取浮标运动姿态相关数据,并采用载波相位平滑滤波模型进行数据预处理,融合最小二乘降相关算法(LAMBDA)解算浮标姿态数据,获取高精度动态浮标姿态。经过摇摆台模拟比对实验,系统姿态角均方根误差小于0.5°,水平速度均方根误差小于0.05 m/s。通过实际海试实验,尤其是台风过境期间系统的测试结果,证明该系统工作稳定可靠,无数据发散现象,整体有效数据达到了95%以上。

基于LabVIEW的深海气密采水器测控系统

现有常规CTD采水器测控系统自动化程度低、操作复杂。为此,基于LabVIEW软件开发了深海气密采水器测控系统,研究温度、盐度和深度测量原理,进行测控系统的硬、软件设计。2009年该测控系统在我国"海洋四号"科考船"HY4-2009-2"航次中成功应用,在中国海南试验中实现对深海气密采水器的快速、精确控制,并实时进行温度、盐度和深度等参数的采集、处理、显示和存储。海上试验表明,该测控系统具有测量与控制精度高、运行稳定可靠、自动化程度高、操作简便等特点,获得科研人员较好评价。该方法可推广到其他海洋仪器、设备的测控系统中应用。

蛟龙号载人潜水器的7000米级海上试验

蛟龙号载人潜水器研制是国家863计划重大专项之一,其目标是建造出一台可以执行规定使命任务的产品。海上试验是载人潜水器重大专项的关键阶段,2009年8～10月、2010年5～7月和2011年7～8月,分别完成了1000米、3000米和5000米级的海上试验任务。文章主要介绍了在2012年6月3日～7月16日之间完成的7000米级海上试验,内容包括海上试验的基本情况、海试取得的主要技术和应用成果、海试过程中发现的故障及处理情况以及对今后投入应用的启示,最后给出7000米级海上试验的主要结论。

蛟龙号载人潜水器的5000米级海上试验

“蛟龙”号载人潜水器研制是国家863计划重大专项之一，其目标是建造出一台可以执行规定使命任务的产品。海上试验是载人潜水器重大专项的关键阶段，2009年8～10月和2010年5～7月，分别完成了1000m和3000m级的海上试验任务。论文主要介绍了在2011年7月1日～8月18日之间完成的5000m级海上试验，内容包括海上试验的基本情况、海试取得的主要技术成果、海试过程中发现的故障及处理情况以及对今后技术改进的启示。最后给出5000m级海上试验的主要结论。

静水压力驱动取样器的设计与实验研究

在分析静水压力驱动取样器工作原理的基础上,通过对基于取样管支撑反力控制的"静水压力驱动取样"工作模式触发机制的研究和对基于驱动单元中配流阀阀芯位置控制的"静水压力驱动取样"机理的研究,设计了一种用于海底沉积物取样的新型静水压力驱动取样器。对该取样器机械结构进行了设计,完成了样机制作,最后进行了海试。海试结果证明了该取样器设计的合理性。

混合驱动水下滑翔机水动力参数辨识

与传统水下滑翔机相比,混合驱动水下滑翔机可以分别利用头部的浮力驱动单元和机身尾部的螺旋桨推进单元进行驱动从而实现不同形式的运动,具备低功耗、长航程、良好机动性等特点,具有广泛的应用前景.准确的动力学模型以及精确的水动力参数是实现混合驱动水下滑翔机控制系统设计以及精确导航的基础.在混合驱动水下滑翔机动力学模型已知的前提下获得准确的水动力参数是本文主要研究的问题.本文以天津大学研制的混合驱动水下滑翔机"海燕"作为研究对象,提出一种在有限航行参数条件下,基于大数据统计分析的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)和参数辨识相结合来获取混合驱动水下滑翔机的水动力参数的方法.即首先建立滑翔机的动力学模型,推导出稳态数据与所求水动力参数的关系;然后采用CFD的方法得到其升力系数,根据大量稳态纯滑翔实验数据,结合大数据统计分析,辨识出其剩余水动力参数;最后,根据混合驱动模式下的实验数据辨识出与螺旋桨相关的参数,从而得到其整套的水动力参数.该方法不仅结合了CFD方法具有获取复杂外形结构航行水动力的特点,而且可以有效利用大量现场实验数据,因而能够更加准确地辨识其实际运动.通过运动仿真与试验对比,验证了该辨识方法的正确性和有效性,对滑翔机的研究具有指导意义.

深水海底管线铺设自动焊接技术研究

针对海底管道铺设的需要,完成了管道自动焊设备研制和自动焊工艺开发。焊接工作站采用双车双枪焊接,焊接小车结构紧凑、质量轻,符合海上应用需要。自动焊设备电控系统成功实现了焊车行走同步驱动、车载计算和全位置自动焊,特别是采用CAN总线技术,不仅各个单元之间连接线缆大为减少,而且焊接系统可扩展性得到巨大提高。采用带铜衬垫的内对口器进行打底焊,背面成形良好,尤其是采用窄坡口,大幅度提高了焊接效率。管道焊接接头超声检验和力学性能试验均符合API STD 1104—2005的要求。在建造场地模拟试验的基础上,成功地进行了自动焊海上试验。

海洋微结构湍流垂直剖面仪设计与试验

针对海洋微结构湍流垂直剖面仪测量系统的设计,建立了系统运动坐标系与动力学模型,分析了系统稳态运动特性,推导了剖面仪物理参数计算公式.设计完成海洋微结构湍流垂直剖面仪实验样机,指出样机进行测量工作时应保持的运动角度与运动速度.海试实验结果表明了系统方法的可行性和正确性.