2011年 第6卷 第5期
为探寻美国航母的防护结构设计思路,对比分析了美国典型航母的防护结构设计型式和特点,结合武器装备的技术发展,分析了美国航母防护结构设计发展趋势。在此基础上,根据现代反舰武器的攻击特性和部分公开的美国核动力航母设计信息,推测了美国现代航母防护结构设计思想和基本结构型式。
单/双圆柱壳体结构是潜艇的两种典型结构形式。以单/双壳体潜艇典型结构为研究对象,分别设计初始深水静压强度相当的典型单/双耐压环肋圆柱壳体结构模型,基于MSC/Dytran罚函数接触算法,开展相同撞击强度载荷作用下结构模型耐撞动态响应特性分析,提取撞击后结构模型中耐压壳体结构的稳定变形位移场,作为MSC/Marc静强度求解的初始位移边界条件输入,通过有限元数值方法,对撞击后典型单/双结构耐压壳体结构的剩余强度特性进行比较分析。分析结果表明,当撞击载荷强度较低时,双壳模型的耐压壳体结构剩余强度较大,随着撞击载荷强度的不断增大,单/双壳结构耐压壳体结构的剩余强度将趋于一致,进一步提高撞击载荷强度,单壳体结构的剩余强度将高于双壳体结构。
在对纵筋环肋圆柱壳结构进行理论分析的基础上,建立了该结构的力学和数学模型,得出计算公式。采用理论设计公式和有限元仿真计算设计一个大比例的舱段模型,并对该模型进行外压试验。通过对理论计算结果、有限元仿真计算结果和试验数据进行对比分析,认为环肋纵筋结构能显著提高结构的承载能力。
在均匀受压下,针对含损伤裂纹缺陷的加筋板的承载力学特性进行研究,探讨了裂纹参数对其承载能力的影响。通过改变加筋板上裂纹的位置和裂纹尺寸,利用非线性有限元分析软件Abaqus对其进行系列非线性仿真分析,得到含损伤裂纹加筋板的破坏力学特性以及破坏模式。结果表明,损伤裂纹会削弱加筋板架的承载能力,并且当裂纹尺寸超过某临界值时,板架的极限承载力会急剧减小。
基于结构动力学优化设计理论,研究了舰船刚性阻振质量基座结构形式的设计方法。在满足基座舱段总重量限制的约束条件下,分别建立了刚性阻振质量布置及截面尺寸优化设计模型,并进行了以基座舱段耐压壳体振动加速度为目标函数的动力学优化设计。通过优化分析,得到了在给定约束条件下减振效果最佳的刚性阻振质量截面尺寸和布置。研究结果表明,刚性阻振质量基座中阻振质量高度越大,基座舱段耐压壳体平均振动加速度级就越小。通过优化设计可以找到满足要求的结构,分析得到目标函数随设计变量的变化趋势,并对此优化方法的有效性进行验证。
圆柱壳梁式弯曲振动是一种常见模态,其基于摆动柱声辐射理论。通过引入修正因子,将无限长柱的声压计算转换到有限长柱的声压计算中,提出一种求解圆柱壳弯曲振动声辐射问题的近似解析法。结合算例,计算了其弯曲振动的远场声学特性,并与广泛应用的边界元进行了比较。结果表明,两者具有较好的一致性,近似解析法简单快速,可作为工程评定方法。
提出了一种基于导纳法和遗传算法的船舶板架结构动力优化设计方法,将板架结构分解成由薄板与梁在相应连接节点处耦合的组合结构,利用其导纳公式推导出带有隔振系统的板架结构在任意位置简谐力激励下的弯曲振动响应,并与边界元法相结合,分析计算板架结构的声辐射特性。数值计算表明,只需取较少的耦合节点即可得到较好的计算精度,避免了大量的有限元计算。在此算法的基础上,使用遗传算法进行考虑声辐射特性的板架结构动力优化设计。为提高优化收敛速度,针对船舶板架结构的特特点,选取纵桁和强横梁剖面惯性矩作为设计变量,减少了设计变量的个数,并建立满足构件剖面尺寸搭配关系要求的、经过优选的剖面尺寸方案库,便于获得满足约束条件的离散优化解。一个船舶板架结构的动力优化实例验证了方法的有效性。
为找出舰船设备在受冲击时的薄弱环节,保证舰船战斗力,有必要分析舰用设备的抗冲击能力。分析了舰用涡轮机组的抗冲击能力,使用ProE软件建立涡轮机组三维几何模型,并利用HyperMesh软件进行有限元网格划分。将有限元模型导入ABAQUS软件,基于显示求解器对涡轮机组抗冲击能力进行时域计算。结果表明：典型部位轴承的响应更剧烈,压气机主轴的响应则相对复杂,应予以保护;涡轮机组在冲击校核工况下具有足够的安全性,且设备的薄弱环节主要集中在框架与底架搭接处,以及轴承、齿轮啮合齿和连接螺栓处等构件连接部位。
以船舶操纵水动力预报为研究背景,以无界流场势流理论为基础,采用边界元法,对目标Wigly船在斜航运动状态下的流场速度和转首力矩进行计算。分析了斜航时船舶周围流场的分布规律,研究了转首力矩随船舶漂角的变化规律。结果表明,该研究对预报斜航时船舶的运动规律具有较好的应用前景。
通过Matlab平台建立翼滑艇推进系统的数学仿真模型,将翼滑艇的快速性指标和经济性指标的加权形式作为推进系统优化目标,并以Simulink进行实时仿真分析。首先,运用改进的混沌优化算法对模糊控制系统进行优化,求解最小控制目标值,然后对转速控制和螺距控制的控制器参数进行优化,并通过模糊控制器对不同工况下主机转速和可调桨螺距进行控制。最后,对比分析了常规模糊控制器与混沌算法优化后的模糊控制器之间的差别。结果表明,优化后的推进系统在进行航速控制时不仅超调量小,而且稳定性好,该优化方法有效可行。
在海洋工程水池试验中,造波机与模型之间的二次波浪反射严重影响试验结果的准确性和可靠性。在势流理论的基础上,采用边界元法建立了二维线性数值波浪水池。通过数值模拟结果与解析解的比较,证实该数值波浪水池的适用性。采用全相位频谱分析方法作为水动力反馈,对入射和反射波进行分离,以分离的反射波信号控制摇板运动以达到吸收二次反射波浪的目的。在此基础上,对摇板式造波机在数值波浪水池中进行了无反射造波仿真试验。仿真结果表明,采用无反射造波后,能有效减弱波浪的二次反射。
基于LSDYNA软件和任意拉格朗日—欧拉（ALE）方法,建立螺旋桨与流体相互作用的有限元模型,数值计算螺旋桨固定桨叶在前方来流下的流体动力特性和结构力学性能,分析总结桨叶后方旋涡运动和桨叶内部应力变化的规律。结果表明,螺旋桨桨叶的不规则形状导致了桨叶后方旋涡的相互作用,桨叶单元所在位置的厚度以及该位置与约束位置的距离决定了单元应力的大小。数值模拟得出的结论对研究螺旋桨＂唱音＂现象有一定的参考价值。
根据螺旋桨的投影原理及其型值参数,建立螺旋桨的三维模型。基于计算流体动力学（CFD）理论和CFD商业软件进行研究,采用分区混合网格方案和动网格技术及旋转坐标（MRF）方法,结合RANS方程和RNG湍流模型对螺旋桨三维粘性流动进行数值模拟,得到该螺旋桨的推力及其转矩。经与试验结果比较分析,证实该方法能实现对螺旋桨的敞水粘性流场模拟,预报其敞水性能。
三体船的研究与应用极大地推进了高速船舶的发展。对三体船耐波性研究的重要工作内容之一是确定其横摇惯性半径,以计算船舶的横摇周期等。由于三体船的特殊结构,横摇惯性半径的确定方法与单体船型有所不同。在三体梁简化模型的基础上,通过对计算结果的拟合与修正,找到了三体船横摇惯性半径计算的相关参数,得出三体船惯性半径的估算公式,并通过算例证明了该估算方法的可行性。
采用CFD软件Fluent对二维矩形液舱不同舱内水深、不同激振频率时的横荡进行数值计算,并将数值结果与实验结果进行比较。结果表明,Fluent可以模拟自由面的翻卷和破碎运动现象,其对于距自由面较深点处流体载荷的计算结果与实验值相符合,但对于自由面附近点,尤其是舱顶上点处的砰击载荷,其计算结果与实验值差别较大。因此,对大幅晃荡的数值模拟仍需进一步研究。
对船用升降机动态特性的研究一直以来都是升降机研究领域的一个薄弱环节。针对船用升降机的特殊性,根据曳引式升降机的物理模型建立升降机垂直方向上的动力学模型,并结合模态分析法研究该模型,得出升降机位置对其固有频率的影响。以船体振动中螺旋桨和主机振动频率为激励频率,将理想电气速度曲线引入系统中,运用Matlab软件模拟系统响应的全过程,得出船用升降机的一些基本运行特性。
基于层合板等效刚度模型,将复合材料舰船结构中的层合板简化为正交各向异性单层板,采用三维退化单层板元建立全船有限元模型,并以调整局部刚度以及网格细化的方式准确反映局部搭接处结构的力学特征。通过对全船模态、刚度和局部应力的有限元分析计算,以及与实验结果的对比,表明所提出的复合材料舰船全船有限元分析建模方法不仅建模工作量小,而且计算精度能满足工程要求。
为解决多波束扫描天线阵中多接收通道的一致性问题,并简化多波束形成所需的复杂波束形成网络,采用电抗加载方法设计了仅需一个输出通道的五元多波束扫描天线阵。仿真结果表明,该天线阵采用MUSIC算法,能实现最多4个信号到达方向（DOA）的较精确估计。另外,对信噪比、采样点数、信号角间距对信号到达方向估计效果的影响进行了定量分析。该天线阵的设计方法与计算结果对电抗加载高频地波雷达（HFSWR）天线阵的优化设计与工程应用具有一定的指导意义。
针对舰艇、轮船等经常处于低频圆锥运动、角机动等恶劣工作环境,传统姿态更新的误差补偿方法在多子样更新中补偿效果较差的问题,提出了一种改进方法。通过建立角增量的2N2阶近似模型并利用其各阶导数之间的解析关系,实现了对等效旋转矢量的进一步修正。使用参数解析法与改进算法分别推导研究了四子样情况下的优化结果,并分析研究了改进算法在四子样以上情况下的适用性。研究表明,与参数解析法相比,改进算法可以在四子样及四子样以上的情况下简单直观地得到更加精准的优化系数,且与四子样参数解析法相比,其误差缩小了2个数量级,同时也比五子样参数解析法更精确。
针对船舶能量管理系统子站向主站发送大容量通用数据帧对实时性的需求,以及接收主站动态配置帧、命令帧和向主站发送故障录波数据帧对通信可靠性的需求,采用CortexM3内核ARM处理器作为硬件平台,移植了LwIP协议栈的实时操作系统μCOSII作为软件平台,构建了满足数据帧实时传输和可靠传输的以太网结构。该设计方案在通信测试实验中具有良好的实时性和可靠性,满足了船舶能量管理系统中传输不同数据帧对通信实时性和可靠性的不同需求。
舰船的部署和修理活动在全寿命期内是按其修理周期结构进行,而编队的使用则需要编队内各舰艇的修理周期结构的相互配合,通过组合优化各舰艇的修理周期结构,可以使编队拥有更多的部署时间。在舰船修理周期结构的定量描述模型基础上,构建了编队的修理调度模型,并采用遗传算法对编队的部署能力进行了优化分析。实例分析结果表明：优化后编队的部署时间可达到近110个月,相对于未优化前提高了50个月。
船舶舱室内的零部件在进行装配拆卸时,需要依据正确可行的路径进出装配体,通常采用路径规划的方法确定拆装路径。针对RRTConCon算法是采用随机采样的方法选取位姿点,在解决船舶舱室内狭窄通道的路径规划上效率不高的问题,提出了一种基于高斯采样的RRTConCon算法（RRTGaussion）,采用高斯分布函数进行分区采样：在大的开阔区域设置较少的采样点,在复杂区域或狭窄通道设置较多的采样点,然后进行局部规划,找出拆装路径。通过在虚拟环境中对该算法进行仿真验证,结果表明,该算法在解决船舶舱室中狭窄通道的路径规划问题上效率高于RRTConCon算法。
科学合理地对舰船维修招标项目进行评标,对提高舰船装备维修质量和维修费的使用效益具有重要意义。针对评标更注重战略性和可持续性的特点,构建了评价指标体系,并采用层次分析法确定了指标权重。在此基础上,运用模糊综合评价法进行评价,减少了主观因素的影响,克服了信息的模糊性。最后通过实例验证了方法的有效性。
