U型被动式水舱的系统设计与控制研究

论文摘要

减摇水舱是应用最广泛的船舶减横摇装置之一,在各种航速下都能减少船舶的横摇运动,特别适用于经常工作在零航速或低航速的船舶减摇,如车客轮渡、滚装船和科学考察船等。现今装船的减摇水舱装置,无论是被动式或是可控被动式减摇水舱,大多是U型减摇水舱,U型减摇水舱设计方便,易于控制,且减摇效果良好。本文主要是研究U型减摇水舱的系统设计以及被动可控式U型减摇水舱的控制方法,提高水舱的减摇能力。根据拉格朗日动力学方程建立了船舶-被动式减摇水舱系统的数学模型,并推导了装备两个具有不同固有频率的被动式U型减摇水舱的船舶横摇频率响应函数。建立了完整的U型减摇水舱系统设计方法;总结了U型减摇水舱尺度设计;提出了根据船舶工作环境选取减摇水舱固有频率的新方法;分析了减摇水舱在船舶中的垂直位置布置对系统减摇效果的影响;分析了U型减摇水舱阻尼的形成原因,给出了估算水舱阻尼和设计水舱阻尼结构的方法。介绍了被动可控式减摇水舱的控制装置和常用的控制方法,在分析减摇水舱控制机理的基础上,根据力矩对抗原理,提出了可控被动式减摇水舱的新控制方法,并将新型控制方法与传统控制方法进行了对比仿真研究。以一艘滚装船为例,分析设计了一套双水舱系统,并且对装备了单被动式水舱和双被动式水舱的船舶横摇响应进行了仿真分析,通过仿真验证双水舱系统相对单水舱系统的减摇效果。仿真结果表明,装有双被动式减摇水舱的船舶相对于装备单被动式减摇水舱的船舶在更宽的船舶固有频率变化范围内以及更复杂的船舶航行状态下有更好的减摇效果。传统的被动可控式减摇水舱控制方法有各自的优点与不足,新型控制方法的控制效果良好,且有待于进一步优化控制算法,以提高其控制性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、目的和意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 减摇装置概述
• 1.2.2 减摇水舱概述
• 1.2.2.1 减摇水舱的种类
• 1.2.2.2 减摇水舱的发展概况
• 1.2.2.3 减摇水舱试验摇摆模拟台发展状况
• 1.3 本文研究内容和主要工作
• 第2章 减摇水舱的数学模型及减摇原理
• 2.1 被动式减摇水舱的工作原理及数学模型
• 2.1.1 船舶的横摇运动模型
• 2.1.2 被动式减摇水舱的工作原理
• 2.1.3 被动式水舱系统的数学模型
• 2.1.3.1 克雷洛夫—勃拉哥维辛斯基理论
• 2.1.3.2 查克惠克—克劳托理论
• 2.2 双水舱减摇原理及数学模型
• 2.2.1 船舶—双水舱系统的数学模型
• 2.2.2 双水舱系统方程的求解
• 2.3 本章小结
• 第3章 减摇水舱的系统设计
• 3.1 水舱位置的布置
• 3.1.1 垂向布置对船舶—水舱系统横摇质量惯性矩的影响
• 3.1.2 垂向布置对船舶—水舱系统横摇复原系数的影响
• 3.1.3 垂向布置对船舶横摇固有频率的影响
• 3.1.4 垂向布置对船舶和水舱耦合惯性矩的影响
• 3.1.5 双水舱在船舶上的布置
• 3.2 减摇水舱的尺度设计
• 3.3 减摇水舱固有频率的选取
• 3.3.1 被动式减摇水舱固有频率的选取
• 3.3.2 可控被动式减摇水舱固有频率的选取
• 3.3.3 双水舱系统水舱固有频率的选取
• 3.4 U型减摇水舱阻尼研究
• 3.4.1 阻尼产生原因及舱内流体运动状态分析
• 3.4.2 水舱阻尼的估算
• 3.5 本章小结
• 第4章 减摇水舱控制方法研究
• 4.1 可控被动式水舱的控制装置
• 4.1.1 控制阀在水道中的控制
• 4.1.2 气道中的水流控制阀
• 4.2 可控被动式水舱的减摇原理及数学模型
• 4.2.1 被动可控式减摇水舱工作原理
• 4.2.2 被动可控式减摇水舱的数学模型
• 4.2.3 被动可控式减摇水舱的最佳控制相位理论推导
• 4.3 可控被动式水舱的控制方法研究
• 4.3.1 以水舱内流体速度为反馈控制开关信号的控制方法
• 4.3.2 以船舶横摇角速度为反馈信号控制开关的控制方法
• 4.3.3 被动可控式减摇水舱的力矩对抗式控制
• 4.4 本章小结
• 第5章 减摇水舱系统仿真研究
• 5.1 海浪理论及随机海浪仿真
• 5.2 船舶—双水舱减摇系统的仿真研究
• 5.2.1 船舶双水舱系统设计
• 5.2.2 双水舱系统减摇效果仿真
• 5.3 被动可控式减摇水舱仿真研究
• 5.3.1 规则波下的仿真研究
• 5.3.2 随机海浪作用下的仿真研究
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢