1 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 船舶零航速减摇相关技术发展综述 2
1.2.1 舭龙骨 2
1.2.2 减摇水舱 3
1.2.3 减摇鳍 6
1.2.4 升力减摇鳍 8
1.2.5 零航速减摇鳍 10
1.3 仿生流体力学研究概况 13
1.3.1 Weis-Fogh机构研究概况 13
1.3.2 扑翼理论研究概况 14
1.3.3 鱼类摆动尾鳍和胸鳍推进研究概况 16
1.4 主要研究工作 17
2 系泊状态船舶减摇理论研究 18
2.1 船舶横摇运动的数学模型 18
2.2 海浪的数学模型 19
2.2.1 海浪的基本特性与数学描述 19
2.2.2 海浪的波能谱 20
2.3 海浪作用下零航速时船舶的横摇响应 21
2.4 减摇水舱的减摇原理 22
2.4.1 减摇水舱工作原理 22
2.4.2 船舶—可控被动式水舱系统数学模型 25
2.4.3 系统方程求解 32
2.5 减摇鳍的减摇原理 38
2.5.1 传统减摇鳍的减摇原理 38
2.5.2 升力减摇鳍的减摇原理 39
2.5.3 零航速减摇鳍的减摇原理 43
2.6 零航速减摇鳍结构及减摇过程研究 46
2.6.1 Weis-Fogh零航速减摇鳍 46
2.6.2 单鳍仿生翼零航速减摇鳍 48
3 减摇水舱控制方法研究 51
3.1 减摇水舱控制机理 51
3.2 可控被动式水舱水流控制阀的配置 52
3.2.1 水道中的水流控制阀 52
3.2.2 气道中的水流控制阀 52
3.3 气阀控制时舱内水的运动 53
3.4 可控被动式减摇水舱的控制输入 54
3.4.1 以边舱水位作为控制输入 55
3.4.2 以船舶横摇角作为控制输入 57
3.4.3 以船舶横摇角速度作为控制输入 57
3.4.4 以水舱连通道水的流动方向作为控制输入 57
3.5 可动控制式减摇水舱最佳控制方法 58
3.5.1 水舱最佳控制原理 58
3.5.2 最佳控制的实现方法 59
3.6 主动控制式减摇水舱 60
3.6.1 水舱主动力的确定 60
3.6.2 主动式水舱控制器设计 61
3.7 减摇水舱系统仿真 64
3.7.1 水舱固有频率对横摇运动的影响 64
3.7.2 可控被动式减摇水舱系统仿真 65
3.7.3 主动式减摇水舱系统仿真 68
4 减摇水舱系统设计 70
4.1 减摇水舱类型选取 70
4.1.1 被动式、主动式和可控被动式减摇水舱的选取 70
4.1.2 U形减摇水舱和自由液面减摇水舱的选取 71
4.1.3 闭式水舱和开式水舱的选取 72
4.2 减摇水舱垂直位置布置问题研究 72
4.2.1 垂向布置对船舶—水舱系统横摇质量惯性矩的影响 73
4.2.2 垂向布置对船舶—水舱系统横摇复原系数的影响 74
4.2.3 垂向布置对船舶横摇固有频率的影响 74
4.2.4 垂向布置对船舶和水舱耦合惯性矩的影响 75
4.2.5 垂向布置对船舶横摇和舱内液体运动的影响 75
4.3 减摇水舱固有频率的选取 77
4.3.1 被动式减摇水舱 77
4.3.2 主动式减摇水舱 78
4.3.3 可控被动式减摇水舱 78
4.4 U形减摇水舱尺度设计 81
4.4.1 减摇水舱尺度参数的确定 81
4.4.2 减摇水舱尺度设计程序 84
4.5 U形减摇水舱阻尼研究 85
4.5.1 水舱阻尼对减摇性能和相位的影响 85
4.5.2 阻尼产生原因及舱内流体运动状态分析 86
4.5.3 水舱阻尼的估算 87
4.5.4 减摇水舱阻尼结构设计 89
4.5.5 减摇水舱边舱液体晃荡问题 91
5 减摇水舱半实物测量系统 93
5.1 减摇水舱测量系统 93
5.2 减摇水舱模型 94
5.3 测量信号和传感器 95
5.3.1 摆动油缸输出转矩信号 96
5.3.2 摇摆台转动角度信号 96
5.3.3 摇摆台转动角速度信号 96
5.3.4 边舱液位高度信号 96
5.4 液位变送器 97
5.4.1 边舱液位测量原理 97
5.4.2 液位变送器的安装 97
5.4.3 液位信号变换电路 98
5.5 气源 99
5.5.1 空气压缩机的选用 99
5.5.2 气源处理设备 100
5.6 气动电磁阀配置 101
5.6.1 闭式水舱气阀的配置 101
5.6.2 开式水舱气阀的配置 102
5.6.3 控制信号的隔离放大 103
5.7 减摇水舱模型性能试验应用软件结构 104
5.8 减摇水舱监控系统 104
6 改进的Weis-Fogh零航速减摇鳍研究 106
6.1 引言 106
6.2 两叶片间无缝隙Weis-Fogh零航速减摇鳍 106
6.2.1 固定弦长Weis-Fogh零航速减摇鳍流场分析 107
6.2.2 流体作用于固定弦长Weis-Fogh零航速减摇鳍翼上的力 111
6.3 叶片间缝隙对Weis-Fogh零航速减摇鳍升力的影响 114
6.3.1 有间隙Weis-Fogh机构减摇鳍环量计算 115
6.3.2 间隙对Weis-Fogh机构减摇鳍环量影响的分析 116
6.4 可变弦长Weis-Fogh零航速减摇鳍研究 117
6.4.1 可变弦长Weis-Fogh零航速减摇鳍升力特性研究 118
6.4.2 可变弦长Weis-Fogh零航速减摇鳍升力特性仿真研究 120
6.5 改进的Weis-Fogh减摇鳍数值模拟研究 126
6.5.1 Weis-Fogh减摇鳍的数值模拟前处理 127
6.5.2 Weis-Fogh减摇鳍的数值模拟结果 129
6.6 相关的流体力学基础理论及若干数学公式 130
6.6.1 流体力学基础理论 130
6.6.2 相关的数学公式 135
7 单鳍仿生翼零航速减摇鳍的研究 138
7.1 引言 138
7.2 无来流流场中鳍的运动规律及相关物理量的定义 138
7.3 升沉耦合纵摇减摇鳍升力模型研究 140
7.3.1 流场无旋运动作用力Fn的计算 141
7.3.2 流体惯性力Fm的计算 144
7.3.3 涡旋引起的附加作用力Fv的计算 146
7.3.4 升沉耦合纵摇减鳍升力仿真研究 147
7.4 单鳍仿生翼减摇鳍的数值模拟 156
7.4.1 数值计算前处理 156
7.4.2 数值计算结果分析 157
8 零航速减摇鳍伺服控制系统研究 167
8.1 控制参数对升力的影响 167
8.1.1 角度脉动对升力的影响 167
8.1.2 转速脉动对升力的影响 168
8.1.3 脉动产生的主要因素 169
8.2 伺服电动机控制方式的选择 170
8.3 电压空间矢量及其选择方式 171
8.3.1 电压空间矢量及其对定子磁链的影响 171
8.3.2 电压空间矢量对电动机转矩的影响 173
8.3.3 电压空间矢量的选择 174
8.4 直接转矩控制的基本结构和工作原理 176
8.4.1 直接转矩控制的基本结构 176
8.4.2 转矩调节 176
8.4.3 磁链调节 177
8.4.4 磁链运行区间判断 179
8.4.5 电压开关状态选择 179
8.5 转矩和磁链的观测模型 180
8.5.1 转矩观测模型 180
8.5.2 磁链观测模型 180
8.6 传统直接转矩控制的脉动分析 181
8.6.1 磁链幅值控制的脉动分析 181
8.6.2 转矩控制的脉动分析 182
8.7 改进的直接转矩控制 184
8.7.1 SVM-DTC控制设计 184
8.7.2 定子磁链幅值控制的收敛性分析 186
8.7.3 转矩控制的收敛性分析 187
8.7.4 SVM-DTC控制仿真研究 189
8.8 零航速减摇鳍伺服控制系统仿真 190
9 船舶零航速减摇鳍控制系统研究 194
9.1 随机海浪仿真 194
9.1.1 海浪波高数字仿真 194
9.1.2 海浪波倾角数字仿真 195
9.2 船舶零航速减摇鳍系统研究 197
9.2.1 升力控制的船舶零航速减摇鳍系统 197
9.2.2 考虑限制作用的控制系统仿真研究 204
9.2.3 水舱与零航速减摇鳍在系泊状态下减摇效果的对比 208
9.3 两对减摇鳍系统 211
9.3.1 两对鳍减摇原理 211
9.3.2 引入两对鳍系统的原因 212
9.3.3 两对鳍系统在零航速减摇中的应用 213
10 零航速减摇鳍升力测量装置研究 217
10.1 常见的升力测量原理 217
10.1.1 基于涡格法的升力测量法 217
10.1.2 基于鳍轴的升力测量方法 220
10.2 升力测量传感器 221
10.2.1 升力传感器的安装原理 221
10.2.2 升力传感器的安装 223
10.2.3 升力传感器的设计 224
10.3 升力测量机构的设计计算 225
10.4 影响基于鳍轴的升力检测方法的因素 226
10.5 测量升力的修正 227
10.5.1 鳍、鳍轴重力、浮力修正 227
10.5.2 船体边界层影响的修正 228
11 零航速升力控制减摇鳍半实物仿真试验研究 230
11.1 鳍升力模拟加载装置 230
11.1.1 升力加载系统 230
11.1.2 加载系统元部件的选取 230
11.1.3 升力加载系统的分析及校正 232
11.1.4 升力加载系统的调试 235
11.2 船舶海洋条件模拟装置 238
11.2.1 船舶横摇模拟转台 238
11.2.2 海浪仿真器 241
11.2.3 角速度传感器 242
11.3 升力控制伺服装置 242
11.3.1 升力测量传感器 242
11.3.2 升力信号的放大与合成 243
11.3.3 不同闭环方式的切换 245
11.3.4 升力传感器的测试 245
11.4 试验及数据分析 247
参考文献 251