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2016年  第11卷  第5期

《中国舰船研究》2016年第5期目录
《中国舰船研究》编辑部
2016, 11(5): .
摘要:
[1] 穿浪船船型及相关研究综述…魏成柱,李英辉,易宏(1)[2] 深V船型大型化应用分析…陈林,熊海峰,魏青(9)[3] 维修工具使用的可达域计算及可视化方法…方雄兵,田正东,林锐,李涛涛(14)[4] 狭小工作舱布局优化方法…范文,王军锋(19)[5] 舰载机起降限制区域及主要影响参数…晋文超,李鹏,李亚军,邱辽原(28)[6] 基于层次任务网络的舰载机任务规划…卞大鹏,代丽红,李晶晶 ,祁超(35)[7] 大螺距对转导管螺旋桨的水动力分析…梅蕾,周军伟,倪豪良(42)[8] 舵系统的颤振计算与分析…肖清,谢俊超,陈东阳(48)[9] 船体梁刚度对波激振动影响的比较研究…汪雪良,顾学康,胡嘉骏(55)[10] 移动线载荷板局部非线性响应的网格重划分数值方法…李元泰,赵耀,袁华,王波(63)[11] 舰船集防区对外通道结构变形及气密性仿真分析…杨光,赵尚辉,李天匀,朱翔(71)[12] SIO2气凝胶毡/陶瓷棉/高强聚乙烯多层复合抗弹结构隔热性能试验…郑盼,朱锡,李永清(78)[13] 钢板/凯夫拉层合结构爆炸响应数值分析…袁天,孔祥韶,吴卫国(84)[14] 超声冲击处理改善焊接接头疲劳性能的数值研究…袁奎霖,洪明(91)[15] 基于差异演化算法和残差修正的涡轮增压机组防喘振控制…黄文元,金家善,倪何(100)[16] 自主潜航器姿态控制力矩陀螺群的DSP控制系统设计… 张超华,唐国元,黄道敏,朱秋晨(107)[17] 多供电模式舰船电力系统保护策略…杨云益,钟琮玮,张一山,钱勤标,李玮(113)[18] 细水雾抑制舰船会议室火灾的大涡模拟…袁书生,丁伟锋,赵元立(120)[19] 基于压力敏感性分析的集中冷却系统泄漏诊断…刘倩,张扬,徐新华,谢军龙,王飞飞(128)[20] 以功能为导向的舰船建造质量控制方法…王鸿东 ,梁晓锋,余平,易宏,张裕芳(134)
穿浪船船型及相关研究综述
魏成柱, 李英辉, 易宏
2016, 11(5): 1-8. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.001
摘要:
穿浪船属高性能船舶。由于其特殊和针对性的船型设计,穿浪船在波浪中普遍具有优良的快速性和耐波性。近年来,穿浪船引起了广泛关注并在实际工程中得到推广。比较系统地介绍单体、双体和三体穿浪船船型的现状,从快速性、耐波性及安全性等方面概述穿浪船船体性能研究的进展,评述穿浪船船体性能的预报方法,提出了若干与穿浪船有关的潜在研究方向。
深V船型大型化应用分析
陈林, 熊海峰, 魏青
2016, 11(5): 9-13. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.002
摘要:

将深V船型应用于大型化高速船的实船设计中,采用非线性型线变换生成多样化的型线方案,运用势流CFD方法对各型线方案进行兴波阻力船型优化。通过相同主尺度及设计排水量条件下的船模阻力对比试验,验证了优化后的深V船型可以在保持高傅汝德数Fr阻力性能优势的同时,在低傅汝德数Fr时拥有与圆舭船型相当的阻力性能。运用切片理论对深V船型进行耐波性理论预报,并对预报结果进行耐波性试验验证。试验结果表明,切片理论适用于瘦长型深V船型的耐波性预报。

维修工具使用的可达域计算及可视化方法
方雄兵, 田正东, 林锐, 李涛涛
2016, 11(5): 14-18,41. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.003
摘要:

针对开展虚拟维修时相关仿真软件缺乏维修工具使用时的可达性分析功能之问题,提出一种可达域计算方法以及可达域的三维可视化方法。首先,根据虚拟人手臂结构特点,计算出虚拟人手臂尺寸;在此基础上,结合工具的外沿点位置,给出工具使用时的最远可达距离计算方法;基于该距离值及虚拟人手臂长度值计算可达域几何体放大尺度,利用该尺度可以对工具使用时的可达域进行三维可视化。最后,结合Jack 仿真软件,Tcl/Tk以及Python语言,实现了维修工具使用可达性的分析功能。仿真实例表明:所实现的方法能满足工具使用时的可达性分析,所提供的仿真报告自动生成功能有助于仿真人员编制报告。

狭小工作舱布局优化方法
范文, 王军锋
2016, 11(5): 19-27. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.004
摘要:
针对狭小工作舱作业空间小、时间长、无舒适性的特点,提出一种基于人体疲劳特性的布局优化方法用来减轻肌肉疲劳。首先,利用实验所得人体上肢肌肉疲劳特性值,建立三维人体运动学模型。然后,以坐标变换的方法建立手指空间坐标求解思路,得到全局坐标系中不同位置的疲劳特性值,实现人体上肢作业姿势的生理参数化定义。同时,采用专家评价法与层次分析法相结合,确定待布物的人机权重。最后,以载人潜航器舱室为例,结合蚁群算法对载人潜航器舱内主控台进行布局设计,并采用JACK软件进行模拟验证。结果表明,此布局优化方法可以缓解载人潜航器操作员的疲劳,改善载人潜航器舱室的人机环境。
舰载机起降限制区域及主要影响参数
晋文超, 李鹏, 李亚军, 邱辽原
2016, 11(5): 28-34. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.005
摘要:

舰载机起降作业能力直接反映了航空母舰(简称“航母”)的作战能力。根据美国“尼米兹”级航母的图片资料进行航母船型的设计,通过STF切片理论对本船的运动参数进行理论预报,并结合CV/CVN甲板运动限制准则,利用判断函数,以极坐标图形式直观反映航母运动参数对舰载机起降作业的限制区域和非限制区域。从航母自身运动特性出发,逐项分析航母运动参数对舰载机起降作业的影响,明确提出不同浪向下限制舰载机起降的主要运动参数,并分析影响舰载机起降运动参数的敏感性。为航母设计过程中改善耐波性、扩大舰载机起降作业区域指明优化方向。

基于层次任务网络的舰载机任务规划
卞大鹏, 代丽红, 李晶晶, 祁超
2016, 11(5): 35-41. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.006
摘要:

航空母舰舰载机任务规划问题涉及复杂的资源约束、时态约束、操作规范及设备使用限制,且任务间相互耦合,是一类非确定性难(NP-hard)问题。其计算复杂度随问题规模呈指数增长,采用常规数学建模和求解方法很难解决。针对舰载机任务规划问题,考虑任务的层次性特征,以及时间和空间约束导致的资源冲突,设计资源状态更新机制,提出层次任务网络(Hierarchical Task Network,HTN)规划算法。算例分析结果表明,该规划方法可以充分考虑资源与时间约束,快速为多个带有截止期限的飞行任务提供可行的行动方案。

大螺距对转导管螺旋桨的水动力分析
梅蕾, 周军伟, 倪豪良
2016, 11(5): 42-47,54. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.007
摘要:
基于叶栅理论设计了1台单转子导管螺旋桨和2台不同螺距的对转导管螺旋桨,并采用商用CFD软件对流场进行了数值模拟。对转导管螺旋桨的上游转子螺距比分别为1.451和2.108,下游转子螺距比按消除尾流旋流的原则进行设计。结果表明:随着螺距比的增大,对转导管螺旋桨的推力系数与扭矩系数显著提高,效率略有提高,其最高效率点向右偏移。与单转子导管螺旋桨的对比发现,对转导管螺旋桨能够在更大的螺距比下保持较高的推进效率。
舵系统的颤振计算与分析
肖清, 谢俊超, 陈东阳
2016, 11(5): 48-54. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.008
摘要:

为了研究舵系统水弹性特性,基于二元水翼线性颤振模型对舵系统的颤振特性进行数值计算与分析,计算结果与文献仿真数据较为吻合,验证了模型的有效性。利用该模型计算和分析频率比、重心、扭转刚度等线性参数对舵系统颤振的影响规律。此外,结合两自由度二元水翼任意运动时域水动力计算方法,对舵系统非线性颤振现象进行计算,获取传动间隙等因素对非线性颤振的影响规律。研究结果表明:减小质心到弹性轴的距离、增加舵的扭转刚度,有利于提高颤振速度;间隙等非线性因素的存在可能导致系统出现极限循环振荡,激发噪声,应加以控制。

船体梁刚度对波激振动影响的比较研究
汪雪良, 顾学康, 胡嘉骏
2016, 11(5): 55-62,77. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.009
摘要:

船舶大型化发展的趋势使得其尺度越来越大,而结构轻量化设计的需求则使高强度钢被大量应用于其结构设计之中,相对于传统的小尺度船舶,相对刚度的下降使得船体梁变得越来越“软”,这将导致大型船舶在波浪中航行时船体结构波激振动特性发生变化。采用模型试验和理论预报的方法,研究某大型工程船在不同船体梁刚度下的低频和高频垂向波浪载荷响应。分段试验模型采用2种横剖面惯性矩的钢质梁,用以分别模拟船舶横剖面原始的和变化后的刚度。采用三维水弹性理论对该船在波浪中的响应进行预报,并与模型试验结果进行比较。结果显示:小刚度的船体梁更易在波浪中发生波激振动;频繁的波激振动将导致结构发生严重的疲劳损伤问题。这种刚度变化对船体梁波激振动的影响规律表明,有必要将刚度作为大型船舶结构优化设计的重要参数之一。

移动线载荷板局部非线性响应的网格重划分数值方法
李元泰, 赵耀, 袁华, 王波
2016, 11(5): 63-70. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.010
摘要:
在船舶建造中,常涉及板的焊接、线加热、局部滚压成型等加工方式。该加工方式中的载荷作用区域相对于板的尺度较窄且具有高度的非线性特征,同时载荷稳定移动。把握加工参数与响应的关系在加工过程中很重要。由于载荷移动导致板局部非线性响应的特性不断随之变化,故其相应的计算非常复杂。常规的数值方法是主要采用的手段,但由于该方法在载荷全局作用区域上需预先将网格细密划分,导致计算效率低下。如果考虑到在该加工方式中载荷作用区域之外的大部分区域处于弱非线性或线弹性状态,在数值模拟中将载荷当前作用区域的单元划分细密,远离载荷作用区域划分得相对较粗疏,同时载荷移动时细密网格随着载荷一起移动,即采用网格重划分数值方法来分析上述问题就能节省大量计算时间。针对该方法,重点探究细密网格尺寸以及网格重划分频度对数值计算的影响及其与计算效率和精度的关系,并以板局部滚压成型加工为例进行数值计算。结果表明,该方法可作为移动载荷作用下板局部非线性响应的一种高效的计算手段。
舰船集防区对外通道结构变形及气密性仿真分析
杨光, 赵尚辉, 李天匀, 朱翔
2016, 11(5): 71-77. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.011
摘要:

舰船集防区对外通道中,气密门是气密周界上主要的泄漏点之一。目前气密性评估一般采用实验检测的方法。结合有限元仿真方法,在集体防护系统建造前对气密门的气密性进行初步评估。采用设计波法结合国内外军民船规范,利用有限元软件将长期预报得到的设计波波浪动水压力值、重力、惯性力、静水压力等施加到全舰有限元模型上,全面反映真实受载下舰船在设计波下的响应,进而预报全舰变形情况。选择变形较大的密封结构,分析变形条件下密封结构的密封性能。研究结果表明:借鉴全舰结构强度有限元直接计算方法,能有效分析对外通道的局部变形特征;气密门处的局部变形将导致橡胶密封圈接触压力分布不均。结合局部变形的特点,可对密封结构的优化设计提供参考。

SIO2气凝胶毡/陶瓷棉/高强聚乙烯多层复合抗弹结构隔热性能试验
郑盼, 朱锡, 李永清
2016, 11(5): 78-83,99. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.012
摘要:
为研究高强聚乙烯在高温条件下使用的适用性,以及SiO2气凝胶毡和陶瓷棉的隔温性能,提出SiO2气凝胶毡/陶瓷棉与高强聚乙烯紧密贴合无间隙复合舱壁结构的方案,对结构单元进行模拟标准火源的耐火试验研究,分析耐火材料的失效模式以及不同耐火材料厚度对夹芯结构的影响规律,探讨复合结构舱壁在满足耐火要求的前提下面密度和结构整体厚度的实用性。试验结果表明:适当厚度的SiO2气凝胶毡和陶瓷棉均具有较好的耐火隔温性能,适当增加隔温层厚度能明显提高复合舱壁结构的热防护效果;达到相同隔温效果所需要的SiO2气凝胶毡比陶瓷棉薄,就面密度和结构整体厚度而言,SiO2气凝胶毡更有优势;在带陶瓷的夹芯结构中,陶瓷也能起到一定的隔温作用,综合优化此复合舱壁结构能有效提高舰船舱壁的防护性能。
钢板/凯夫拉层合结构爆炸响应数值分析
袁天, 孔祥韶, 吴卫国
2016, 11(5): 84-90. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.013
摘要:
复合材料层合板在防护结构中得到了越来越广泛的应用,数值模拟是分析这类结构在爆炸载荷作用下动态响应的有效方法之一。基于LS-DYNA软件平台,建立凯夫拉纤维细观结构有限元模型,通过弹体侵彻试验验证该建模方法的正确性,进而采用所提出的建模方法建立钢板/凯夫拉层合板的有限元模型,实现钢板/凯夫拉纤维细观结构有限元模型爆炸响应的数值模拟。研究表明:纤维材料细观结构有限元模型可以较好地模拟弹体侵彻过程以及层合板在爆炸载荷下的破坏模式。计算结果对比显示凯夫拉层对钢板的抗爆性能可起到明显增强作用。
超声冲击处理改善焊接接头疲劳性能的数值研究
袁奎霖, 洪明
2016, 11(5): 91-99. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.014
摘要:

超声冲击处理(UIT)作为一种有效的焊后改善焊接接头疲劳性能的工艺措施,近年来在国内外船舶行业受到了广泛关注。为评价UIT技术对焊接接头疲劳强度的影响,提出一套新的数值分析方法,包括焊接数值模拟、超声冲击处理过程的弹塑性动态有限元分析,以及基于断裂力学的疲劳强度评估。在有限元模型中考虑了实际的工艺参数和超声促成的材料软化效应。以非承载十字焊接接头为研究对象,将预测的超声冲击处理前后的残余应力分布及疲劳强度与实验结果进行对比,两者吻合较好。

基于差异演化算法和残差修正的涡轮增压机组防喘振控制
黄文元, 金家善, 倪何
2016, 11(5): 100-106. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.015
摘要:
某型船用涡轮增压机组在低负荷运行时压气机容易发生喘振的问题。在涡轮增压机组喘振机理分析的基础上,采用差异演化算法辨识机组的理论喘振边界线,并利用机组出厂试验数据和理论计算结果的残差进行修正,避免采用经验值或理想状态下的实验数据作为辨识依据所造成的误差。在辨识得到的喘振边界线和已有涡轮增压机组模型的基础上,研究某型船用增压锅炉涡轮增压机组在低负荷运行时的喘振特性,并通过仿真实验得到压气机转速、增压比、空气流量与防止喘振的旁通阀最小开度与空气旁通流量之间的关系。结果表明:当压气机转速低于额定转速的8.35%时,必须紧急停机后重新启动;当转速高于额定转速的20.37%时,正常情况下不会出现喘振现象;当转速介于额定转速的8.35%~20.37%时,应保持对应的旁通挡板安全开度。
自主潜航器姿态控制力矩陀螺群的DSP控制系统设计
张超华, 唐国元, 黄道敏, 朱秋晨
2016, 11(5): 107-112,142. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.016
摘要:

传统舵面执行机构在自主潜航器低速或零速状态时对其进行姿态控制舵效不足,为改善其操纵性能,引入框架控制力矩陀螺(CMG)作为自主潜航器的姿态控制执行机构,其中驱动系统由4台高速无刷直流电机及4台减速电机组成。考虑到自主潜航器对控制力矩陀螺电机的性能要求,设计了以数字信号处理器(DSP)TMS320F2812为核心的永磁无刷直流电机与蜗轮蜗杆减速电机调速控制系统,包括DSP主控模块、PWM光电隔离模块、驱动模块、JTAG接口模块、RS-232串行通信模块等硬件电路及系统上、下位机的控制软件程序。设计并制作了外围电路板,实现了对无刷直流电机驱动的陀螺转子进行启动停止、转速给定、转速测量等控制任务,以及蜗轮蜗杆减速电机驱动的陀螺框架启停及正反转响应迅速。试验表明,所设计的DSP控制系统能较好地满足自主潜航器姿态控制需求。

多供电模式舰船电力系统保护策略
杨云益, 钟琮玮, 张一山, 钱勤标, 李玮
2016, 11(5): 113-119. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.017
摘要:

同时配置有柴油发电机组和逆变电源的舰船电力系统存在多种供电模式。由于逆变电源与柴油发电机组的短路输出特性不同,各种供电模式下舰船电力系统的短路特性也存在较大差异。传统舰船电力系统保护策略已不能满足多供电模式电力系统保护设计的需求。针对此问题,提出基于断路器本地测量数据、适应多供电模式的系统保护策略,结合低电压加速反时限过流保护技术,对逆变电源及负载断路器进行配置与整定。仿真结果表明,所提出的系统保护策略在逆变电源供电与柴油发电机组供电等模式下,均能实现较好的保护选择性和速动性,可为同类型舰船电力系统选择性保护设计提供参考。

细水雾抑制舰船会议室火灾的大涡模拟
袁书生, 丁伟锋, 赵元立
2016, 11(5): 120-127. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.018
摘要:

舰船会议室因固体可燃物多且密集,采取自动和人工灭火措施是抑制火灾蔓延的最好方法。舰船会议室传统上采用的是哈龙或惰性气体灭火系统,因其固有的缺点,细水雾灭火系统成为有效防止火灾蔓延的替代技术。基于固体可燃物热解燃烧和火灾蔓延大涡数值模拟方法,研究了舰船会议室的门在开启状态下,细水雾灭火喷头的不同水滴平均直径对抑制室内火灾蔓延和烟气运动的影响。结果表明,当水滴喷射初始速度为5 m/s,喷头由自带的温控传感器启动时,采用水滴平均直径小于500 μm的喷头,喷出水雾时会强化会议室内火灾的初期蔓延。综合考虑抑制室内火灾蔓延并防止室内电器设备受到损害,细水雾灭火系统喷头的水滴平均直径选为500~750 μm较好。

基于压力敏感性分析的集中冷却系统泄漏诊断
刘倩, 张扬, 徐新华, 谢军龙, 王飞飞
2016, 11(5): 128-133. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.019
摘要:
针对舰船电子集中冷却系统管网的泄漏故障对系统安全持续运行会造成危害的情况,提出一种应用压力敏感性分析法进行泄漏诊断的方法。采用FlowMaster建立一个电子集中冷却系统管网水力模型,并根据管网实测水力特性进行模型标定,利用该模型模拟管网正常运行及泄漏条件下的运行参数,获得不同泄漏故障方案下的相关性系数表,获取管网不同泄漏故障方案的敏感性矩阵,并采用相关性函数法对实测余差向量与敏感性矩阵进行相关性分析,得到故障分析相关性系数表。研究表明:相关性系数值越大时,对应的泄漏故障方案泄漏点出现泄漏的可能性越大。利用所建立的模型和诊断方法进行了泄漏诊断分析,诊断结果与管网实际泄漏点吻合。
以功能为导向的舰船建造质量控制方法
王鸿东, 梁晓锋, 余平, 易宏, 张裕芳
2016, 11(5): 134-142. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.020
摘要:

长期以来,由于舰船建造工程浩大、过程复杂、工艺繁多,人们对于建造质量如何影响舰船可靠性缺乏系统性的研究。为实现对考虑建造质量影响的舰船可靠性的科学预测和有效控制,从舰船总体功能的角度出发,在现代造船模式背景下,针对舰船建造提出一种以功能为导向的质量控制(FOQC)方法。融合舰船目标功能、质量参数、建造工艺因素,提出舰船建造可靠性预测模型。建立工艺—质量参数及质量参数—特征功能可靠性模型,对预测模型进行量化计算,获得建造质量对舰船可靠性影响的定性与定量分析,并依据分析结果,对关键质量点与关键工艺环节进行控制与优化。以某舰船轴系安装为实例进行分析,验证了方法的可行性与有效性,可为舰船建造质量的定量化检验与评价提供基础性方法的原理指导。