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当期目录

2022年 第17卷  第6期

智能机舱、智能能效及智能平台
舰艇信息基础设施研究进展
马辰, 张小凡, 李宁
2022, 17(6): 1-14. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02599
摘要:
新型舰艇信息基础设施的发展,使得舰艇作战系统及专业应用的设计与开发呈现新特点,其概念组成与组织运用是工程设计领域重要的理论课题之一。为此,梳理不同发展阶段舰艇信息基础设施特点,重点总结美海军全舰计算环境的组成与作用,在新型作战系统架构下定义舰艇信息基础设施的内涵和架构,推演舰艇专业应用与作战系统集成优化模式,提炼舰艇信息基础设施技术特征。从舰艇专业应用模式、信息基础设施建设和信息电子前沿技术3个方面,分析总结舰艇信息基础设施的发展趋势。作为舰艇信息基础底座,加快信息基础设施的高水平建设,能够充分发挥作战系统和应用的效能,提高舰艇战斗力。
无人舰船机舱智能化技术应用探析
徐亮, 郭力峰, 钟琮玮, 钱勤标
2022, 17(6): 15-21, 47. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02602
摘要:
全自主无人舰船正在受到越来越多的关注,机舱智能化技术是无人舰船长航程全自主运维的基础,是实现其任务使命的重要保障。首先综述国内外机舱智能化技术的发展现状,然后,从无人舰船机舱智能化的任务需求出发,分析机舱智能化应用管控的对象范围,并归纳出机舱智能化5个方面的能力目标图像。进而,基于“应用−控制−现场”分级,提出机舱智能化技术应用总体架构和系统组成,以及实现机舱智能化的技术途径。最后,对未来无人舰船的机舱智能化技术发展重点进行讨论。提出的目标图像和应用方案,对无人舰船机舱智能化技术应用总体研究和机舱智能化技术发展具有一定参考意义。
船舶大容量储能系统应用研究综述
方斯顿, 王鸿东, 张军军
2022, 17(6): 22-35. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02363
摘要:
储能系统是船舶中的重要设备,可为各类船舶负荷提供能源。随着电力推进技术的成熟,全电船舶已成为未来船舶设计的主要方向。在此背景下,储能系统将由主要为辅助负荷供能逐步发展到为多类型船舶负荷供能,特别是作为船舶动力系统的重要组成部分与各类船舶主/辅机配合,在满足船舶各类负荷需求的前提下提高船舶的经济/环保特性。功能角色的转变加速了大规模储能系统接入船舶,带来了储能系统的状态估计、能量管理、优化规划等一系列问题。首先,对目前的储能技术进行分类;然后,介绍典型全电船舶的分类方法并指出储能系统的应用场景;最后,提出大容量储能系统接入船舶后带来的若干亟待解决的技术问题,即船舶储能系统分布式控制、船舶储能系统适应性规划与优化,以及船舶储能系统状态评估。所做研究可为未来大规模储能系统在电力化船舶上的应用研究提供参考方向。
船舶综合电力系统重构技术现状及展望
梁正卓, 朱琬璐, 朱志宇, 智鹏飞, 楚浩清
2022, 17(6): 36-47. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02885
摘要:
当前,船舶综合电力系统(IPS)正朝着复杂化、模块化、自动化方向发展,研究快速、稳定、能够应对各种突发状况的船舶综合电力系统重构技术对保障船舶安全和可靠航行具有重要意义。首先,综述当前国内外在船舶综合电力系统重构技术方面的研究进展,讨论集中式重构和分布式重构的特点,并对数学优化算法、启发式算法、人工智能算法等进行归纳总结;然后,分析面对多重并发故障时重构技术所面临的困难与挑战,提出需重点关注混杂系统建模和分层分布式重构框架的建立;最后,从重构模型建立、算法优化、分布式架构等方面对未来船舶综合电力系统重构的发展提出设想和建议。
面向船联网的高效隐私保护联邦学习方法
张泽辉, 管聪, 高航, 高铁杠, 陈辉
2022, 17(6): 48-58. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02594
摘要:
  目的  人工智能技术已经成为提升船舶航行安全水平、降低航运企业运营成本的重要手段。为打破不同船舶公司之间的数据壁垒,进一步提升船舶智能化水平,提出一种面向船联网的高效隐私保护联邦学习方法。  方法  采用联邦学习技术以实现多个船舶参与方协同训练一个深度学习模型,并且使用同态加密方案以保护参与方的本地数据信息。考虑船联网场景,引入稀疏化技术对船舶参与方上传的模型参数进行压缩,从而降低参与方上传的数据量。  结果  理论分析和实验结果表明,所提出的高效联邦故障诊断方法能够有效地降低密码学计算和数据通信的资源消耗,同时保护船舶参与方的本地数据信息。  结论  该学习方法能够为船舶智能化研究提供参考。
基于航行逻辑划分语义标签的可视化分析方法
蔡智媛, 余龙, 杨俊, 张芮菡, 吴曾宇, 王宇林, 李从波
2022, 17(6): 59-69. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02590
摘要:
  目的  旨在探索处理内河实船数据、提高其可理解性和辅助研究识别船舶行为的新方法。  方法  通过构建航行逻辑层级和划分时序数据获得船舶行为的语义标签,设计航行逻辑可视化分析系统,将船舶航行状态与数据可视化相结合,辅助分析数据及研究船舶行为特征。最后,依托数字航道,选择船舶行为复杂的内河航道工作船的数据进行实例检验,利用所提系统分析异常数据并研究船舶行为。  结果  通过航行逻辑的交互可视化,可有效确定无规律的位置跳动异常数据产生的原因及特点,帮助进行异常数据处理,并经过定性分析特征和定量分析阈值,划分出了靠泊与直航状态数据,进一步丰富了船舶行为语义标签。  结论  结合船舶行为语义标签设计的可视化分析系统,通过人机自由交互,提高了数据的可理解性,可辅助异常数据分析处理及船舶行为研究,为数据分析人员提供研究工具。
基于统计学习的船舶泵喷推进系统实船快速性预报新方法
杨琼方, 伍锐, 郑敏敏, 马雪泉, 刘恒, 杨佾林
2022, 17(6): 70-78, 87. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02600
摘要:
  目的  针对“适配于螺旋桨的船尾线型+泵喷推进器”构成的船舶泵喷推进系统,提出一种基于统计学习的实船快速性预报新方法。  方法  以某大型水面船舶泵喷推进系统为对象,通过神经网络学习典型推进泵的推力系数图谱曲线,综合运用船−桨配合时的\begin{document}${K_{{T}}} {\text{-}} J$\end{document}曲线和船体–喷泵配合时的推力特性曲线,建立 “仅需船舶阻力曲线就能实现船舶泵喷推进系统实船快速性预报”的新方法,并基于船模阻力试验、泵喷模型敞水试验及船体−泵喷自航试验的测量换算结果对实船推进性能的预报结果开展精度校验。  结果  校验结果表明:在航速18~30 kn范围内,船舶泵喷推进系统的自航转速、推力和功率的预报误差可控制在5.4%以内,其中设计航速附近的误差甚至小于2%;船体−泵喷的相互作用程度介于船−桨与船体−喷泵之间且幅值相对较小,推力减额系数为趋向于0的极小值,故船舶泵喷推进系统是介于桨轴推进系统和喷水推进系统之间的产物。  结论  该预报方法有利于提升船舶泵喷推进系统实船快速性预报的能力,可为新型舰艇泵类推进系统总体设计/研究提供参考。
基于数据大脑的船岸一体机舱智能运维系统研究设计
许萌萌, 张成伟, 梅顺峰, 刘子杰, 栾天宇
2022, 17(6): 79-87. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02642
摘要:
  目的  为提升舰船机舱运维的智能化水平,针对机舱设备种类多、数量大、耦合关系复杂等特点,梳理机舱运维智能化应用的技术路线,开发船岸一体化机舱智能运维系统。  方法  首先,分析国内外机舱智能运维技术的发展趋势,融合利用健康管理、大数据挖掘、数字孪生、数据轻量化传输等技术优势; 然后,设计符合舰船机舱特点的一体化智能运维系统。  结果  提出了一种基于数据大脑赋能的机舱智能运维系统功能框架、平台设计、运行体系、运行流程及关键技术应用。  结论  研究成果可为舰船机舱智能运维系统设计及应用实践提供参考。
基于全息SDP的船舶推进轴系轴承故障诊断研究
廖志强, 贾宝柱
2022, 17(6): 88-95. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02513
摘要:
  目的  针对船舶推进轴系轴承的故障诊断问题,提出一种基于全息对称点图形(SDP)和相似性识别的可视化诊断方法。  方法  首先,多方位采集轴承振动信号,全面监测轴承发生故障时的规律性冲击在时域和频域中引起的非平稳性变化特征;然后,基于SDP对称点分布原理,将多个维度信号的时域和频谱融合至同一个二维图形,以放大信号之间的差异性;最后,基于相似性识别方法对轴承进行简易诊断。  结果  轴承故障实验平台的验证结果表明,该方法可以实现多个信号的有效图形融合,全面展示设备信号的状态特征,从而准确地诊断故障。  结论  研究成果可为船舶推进轴系轴承的可视化故障简易诊断提供参考。
基于卷积神经网络的蒸汽动力系统故障诊断
苏健, 宋汉江, 宋福元, 张国磊
2022, 17(6): 96-102. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02616
摘要:
  目的  为了提高船用动力系统的故障诊断水平,基于卷积神经网络对船用增压锅炉进行实时诊断研究。  方法  首先,基于GSE平台开发船用增压锅炉的仿真程序,获得模拟故障数据,在此基础上利用卷积神经网络方法建立增压锅炉的故障诊断模型;然后,根据温度、流量等参数的变化趋势,结合先验知识与机器学习方法进行故障识别,并采用混淆矩阵、精确度等评价标准对该方法进行性能评估。  结果  根据特征提取后的数据集与原始数据集的对比结果,模型输出结果的稳定性与模型的泛化能力均得以优化提升,整体故障分类精度可达99.53%。  结论  研究成果可为船用动力系统的智能化监测提供参考。
基于动态特征融合的船舶柴油机进排气系统故障诊断
曹乐乐, 张鹏, 高泽宇, 张跃文, 孙培廷
2022, 17(6): 103-110. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02443
摘要:
  目的  船舶系统由多设备的复杂机构组成,各组件参数具有动态性和非线性的特点,所以故障诊断过程复杂。为提高诊断效率,提出一种动态特征融合方法。  方法  利用分形理论、动态理论及核主元分析(KPCA)法对系统状态数据进行重构、映射及筛选,得到主元特征数据矩阵,求得平方预测误差(SPE)及相应的控制限,构建出基于船舶柴油机进排气系统健康数据的离线监测模型,利用该模型对系统进行故障诊断分析。为验证模型的有效性,选取某船舶柴油机进排气系统的故障数据进行验证分析。  结果  结果表明,动态特征融合分析方法可有效实现对系统动态非线性状态数据的精确分析,实现对系统故障的高效分析和诊断。与KPCA及支持向量机(SVM)方法相比,所提方法具有更好的故障诊断性能。  结论  该方法可实现船舶柴油机进排气系统故障的检测和诊断,提升系统运行的可靠性和安全性。
EEMD改进算法在异步电机轴承故障诊断中的应用
吴勇, 朱建军, 邹奔
2022, 17(6): 111-117. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02215
摘要:
  目的  为了克服传统的集成经验模态分解(EEMD)方法凭经验选取参数(集成次数及白噪声幅值系数)的弊端,同时降低该方法的计算时间成本,提出一种快速集成经验模态分解(FEEMD)方法来提取特征频率。  方法  通过改变添加白噪声的分布密度,得到不同的信号包络线。进一步通过求解移动均值滤波器最优的搜索窗口宽度来实现寻找最优的包络线,从而避免EEMD方法凭经验选择参数的缺陷。同时,在信号中的异常分量分解出来后,对剩余分量进行经验模态分解(EMD),从而进一步节省计算成本。最后,将该方法与Hilbert包络解调技术相结合应用到对异步电机轴承内环故障特征频率诊断中,并与传统的EEMD方法进行比较。  结果  结果表明,FEEMD方法能够更高效地完成对故障频率的提取。  结论  FEEMD方法可克服传统EEMD方法凭经验选取参数的弊端并缩短计算时间,有效应用在轴承故障频率的提取试验中。
基于Stacking的机舱设备剩余寿命预测方法
郭朝有, 许喆, 姚乾
2022, 17(6): 118-125. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02672
摘要:
  目的  在参考中国船级社《智能船舶规范》中智能机舱定义和要求的基础上,探索机舱设备故障预测与健康管理相关技术,开展轴承剩余寿命预测方法研究。  方法  针对常规数据驱动的轴承剩余寿命预测存在预测精度不佳的问题,利用集成学习Stacking融合策略,优选极限梯度提升(XGBoost)与人工神经网络(ANN )为基学习器,岭回归(ridge regression)为元学习器,构建R-A-X(Ridge-ANN-XGBoost)融合预测模型。选用IEEE PHM 2012 Prognostic Challenge同工况下的全寿命周期数据作为数据集设计预测性能对比实验,以MAE和R2为性能评价指标,对比研究基于单一算法、简单平均融合方式以及R-A-X融合方法的轴承剩余寿命预测性能。  结果  结果表明,基于Stacking构建的R-A-X融合预测模型的绝对平均误差(MAE)与决定系数(R2)评价值均优于文中涉及的其他方法,预测精度最高可提升20%。  结论  所提出的方法可提升轴承剩余寿命预测精度,对智能机舱中设备健康管理的实现具有一定的参考价值。
基于维纳过程的船舶柴油机增压器寿命预测
赵思恒, 周航, 周少伟
2022, 17(6): 126-132. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02666
摘要:
  目的  针对船舶柴油机增压器难以收集到全生命周期性能退化数据的问题,提出一种基于维纳过程的寿命预测模型。  方法  首先,采用K-Means模型对增压器实际运行工况进行聚类,提取出典型工况数据;然后,使用贝叶斯突变点检测模型识别增压器的缺陷点;最后,建立基于维纳过程的退化模型,并以某型船用柴油机增压器为应用对象,预测增压器的剩余使用寿命。  结果  结果显示,基于维纳过程的寿命预测方法能够在不需要同类设备历史退化数据的情况下对增压器的剩余寿命进行预测。  结论  所提方法对缺少故障样本的船舶柴油机增压器寿命预测具有一定的参考价值。
基于润滑数值模型和状态参数的艉轴承性能衰变研究
张涛, 郜慧敏, 喻繁振, 杨琨
2022, 17(6): 133-140, 147. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02685
摘要:
  目的  为了实现对船舶艉轴承润滑状态的监测和评估,提出一种结合润滑性能衰变模型和支持向量机(SVM)算法的艉轴承润滑性能评估方法。  方法  针对船舶艉轴承润滑状态难以监测和识别的问题,建立轴承润滑衰变数值模型,并运用实验数据对该模型进行验证,研究载荷、粗糙度和半径间隙对润滑状态衰变机理的影响。基于SVM算法,构建润滑状态分类器,通过网格搜索算法优化超参数,利用不同润滑状态的数据集进行训练,最后实现对艉轴承润滑状态的评估。  结果  结果显示,随着外部载荷、粗糙度和半径间隙的增大,轴承润滑状态恶化的临界速度增大,动压润滑工作范围减小,混合润滑工作范围增大;由仿真数据集对润滑状态识别模型的验证表明,所提的润滑状态识别方法准确率达96.88%。  结论  所提方法能监测轴承的润滑性能特征,有效识别轴承的润滑状态。
基于灰色系统理论的推进轴系负荷预测分析
张玉龙, 吴炜, 周建辉
2022, 17(6): 141-147. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02384
摘要:
  目的  推进轴系是船舶的重要组成部分,而轴承负荷直接影响着推进轴系的运行状态和使用寿命。为此,采用灰色系统理论预测船体变形下的轴承负荷。  方法  首先,根据某57 000 DWT 油轮船体变形引起各轴承相对变位的经验公式,计算轴承相对变位,并将其输入有限元仿真模型,输出各轴承负荷值。在此基础上,引入灰色系统理论中的灰色关联度分析法研究船体变形对各轴承负荷的影响程度,分析各轴承负荷因船体变形引起的相对变化。之后对考虑轴承变位工况下的轴承负荷建立GM(1,1)预测模型,进行船体变形−各轴承负荷的拟合与预测。  结果  结果表明:灰色关联度分析能够有效反映船体变形后对各轴承负荷的影响;船体变形−各轴承负荷GM(1,1)预测模型精度高,预测误差小于6.0%,各模型检验指标能够在一定程度上表征轴承负荷的预测精度。  结论  灰色系统理论在推进轴系负荷研究中是有效且实用的,可以准确预测轴承变位下的轴承负荷,对于实际航行状态下的轴承负荷研究具有一定参考价值。
反馈−前馈变增益迭代学习法在某型电液位置伺服系统中的应用
刘玄, 李维波, 邹振杰, 高佳俊, 詹锦皓
2022, 17(6): 148-154. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02461
摘要:
  目的  为了实现电液位置伺服系统的精确控制,提出一种反馈−前馈变增益迭代学习法。  方法  首先建立电液位置伺服系统的简化模型,然后对迭代学习控制算法进行改进,采用带遗忘因子的变增益学习律,最后开展Matlab仿真对比验证。  结果  仿真结果表明:相较于传统的迭代学习和传统PID控制,改进后的迭代学习算法具有更好的收敛性和更小的跟踪误差,可以使电液位置伺服系统快速精确地跟踪位置曲线,从而提高系统动态特性。  结论  研究成果可为电液位置伺服系统的控制性能优化及实际工程应用提供参考。
基于鲸鱼优化算法的燃料电池/锂电池混合动力船舶能效优化分析
胡东亮, 袁裕鹏, 瞿小豪, 尹奇志
2022, 17(6): 155-166. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02396
摘要:
  目的  为提升船舶的能源利用率,对多因素影响下的燃料电池/锂电池混合动力船舶能效优化方法进行分析。  方法  基于Matlab/Simulink仿真建模软件,建立对象船舶的能效仿真模型,研究通航环境要素对船舶能效的影响。考虑动力源特性和船舶功率需求,提出基于模糊逻辑的功率分配策略,以优化系统能量流动。然后在此基础上,以系统总能耗最低为优化目标,建立考虑多因素的船舶航速非线性优化模型,采用鲸鱼优化算法开展优化模型动态寻优,并进行不同航行方法和航行时间约束下的能效优化分析。  结果  结果显示,在总航行时间不变的情况下,采用所提的考虑多因素的船舶能效优化方法可以降低船舶5.04%的总能耗和13.16%的燃料电池氢气总消耗。  结论  所述方法对船舶节能减排具有积极的作用,同时对提高船舶续航力和经济性具有重要意义。
2022 年 6 期目录
2022, 17(6): 1-2.
摘要:
总体与性能
以型线图为数据输入的CATIA船体建模方法
李井义, 胡勇, 俞峰, 朱军
2022, 17(6): 167-173, 181. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02352
摘要:
  目的  为简化船体建模步骤,提高建模效率,提出一种基于型线图快速实现船体模型创建的方法。  方法  该方法基于CATIA平台,利用应用组件架构(CAA)开发工具进行二次开发。首先,通过读取型线图中型线的几何元素和标注信息,实现型值点由二维到三维的转换;然后,在此基础上完成型线和船体艏、艉圆弧的创建,获得三维线框模型;结合CATIA原生曲面创建命令完成船体三维建模。最后,通过实例对开发的型值提取和艏圆弧生成程序进行稳定性和可靠性验证。  结果  结果显示,编制的程序能够实现型值点、横剖线、水线、纵剖线及除舷墙顶线外其他边界线的自动创建,利用艏圆弧生成程序创建的圆心线和切点线具备易修改、便于用户操作等特点。  结论  根据验证结果可见,以船体型线图为数据输入,结合“创成式模块”和“工程图模块”创建船体模型的方法是稳定可靠的,能够实现船体快速建模,具备一定的实用价值。
基于抗沉干预行为的舰艇进水过程建模与仿真
王式耀, 侯岳, 王康勃, 龚立
2022, 17(6): 174-181. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02312
摘要:
  目的  实战损伤条件下,舰艇进水是舱室进水漫延与舰员抗沉行为相对抗的过程。现有的不沉性理论无法客观、全面评估抗沉干预对战损舰艇进水过程的影响,缺少从全时域的角度对战损舰艇进水过程开展预测的手段。  方法  首先,分析抗沉干预下舰艇破损进水的耦合关系,构建进水过程时域模型,进而给出数值求解算法;其次,结合案例分析抗沉干预要素对不沉性的影响,并开发可视化、交互式的仿真系统。  结果  通过仿真系统实现了进水过程与多种抗沉干预方式的综合评估,是对现有不沉性理论的有效补充。  结论  该成果不仅可帮助设计人员掌握抗沉设计方案对干预进水过程的有效性,指导舰艇抗沉能力的设计;还可应用于抗沉指挥决策的态势预报,具有较高的军事应用价值。
舰船上方拱顶磁场等效面磁荷推算
赵文春, 欧阳剑锋, 刘胜道, 文昊东
2022, 17(6): 182-186. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02304
摘要:
  目的  为了获得舰船上方不同高度平面磁场数据,解决舰船上方拱顶磁场推算到平面磁场的问题,提出用面磁荷法进行舰船上方的磁场推算。  方法  从等效源理论出发,利用拱顶磁场数据进行反演建模,将舰船磁场等效为面磁荷产生的磁场,用面磁荷正演舰船上方的磁场。将面磁荷法推算出的磁场与舰船实际磁场进行对比,验证面磁荷法的可行性。  结果  通过数值仿真计算,舰船磁场垂直分量推算的相对均方根误差为0.44%;利用磁性船模进行实验分析,磁场垂直分量推算的相对均方根误差为7.64%。  结论  仿真和船模实验分析表明,利用面磁荷法进行磁场推算,其推算值与测量值较为吻合,推算的相对均方根误差较小,具有较高的精度,可用于实际工程计算。
初始横倾角对船舶横摇运动响应的影响
章泽文, 娄相芽, 余象鹏, 何林, 柴威
2022, 17(6): 187-192. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02445
摘要:
  目的  系统地研究初始横倾角对随机横浪下船舶横摇运动响应的影响。  方法  以路径积分法为基础,通过数值求解控制横摇运动微分方程概率属性的Fokker-Planck方程,得到横摇运动响应的概率分布。  结果  结果显示,初始横倾角对船舶横摇运动响应谱的影响有限,但对横摇角概率分布以及横摇运动响应极值分布的影响十分明显,且会造成船舶安全性的显著恶化。  结论  路径积分法可作为研究随机海浪下船舶横摇运动特性的有效数值方法。
采用弦式系泊系统的海洋平台水动力性能数值模拟分析
付冲, 赵刘群, 孙雷
2022, 17(6): 193-208. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02338
摘要:
  目的  弦式系泊系统是针对特种海洋平台的永久靠泊需求而提出,需要研究采用该系统的平台的水动力性能,以验证其对永久靠泊需求的适应性。  方法  首先,基于三维势流理论,采用边界元方法建立码头靠泊平台数值模型,并对不同码头潮位条件下的系泊平台进行频域数值模拟;然后,在时域模拟中引入弦式系泊和传统码头缆绳系泊2种不同的系泊系统,模拟系泊平台在极端波浪作用下的表现,参数化分析码头潮位对系泊平台运动响应的影响。  结果  结果显示,弦式系泊系统通过提供全方向的回复力,加强了平台转动运动限制,大幅削弱了系泊平台的横摇运动,能将环境载荷能量转移到平动运动,进而加强了对平台整体运动的限制;系泊平台的运动范围均衡且稳定可控;该系统对平台的运动限制效果受码头潮位变化影响小。  结论  研究表明弦式系泊系统相较于传统码头缆绳系泊更适应特种海洋平台的永久靠泊需求。
一种与障碍物距离可控的水面无人艇路径规划方法
杨兵, 赵建森, 王胜正, 谢宗轩, 张学生
2022, 17(6): 209-215. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02368
摘要:
  目的  为了解决水面无人艇(USV)路径规划中安全性和平滑性方面的问题,提出一种与障碍物距离可控的USV路径规划方法。  方法  首先,结合雷达图像生成栅格化环境信息,利用维诺场算法(VFA)为每个栅格添加危险势场并建立航行界限;其次,建立与航行界限关联的危险度函数对A*算法的评价函数进行改进,利用改进的A*算法进行路径规划;最后,针对航行路径转向角较大的问题,采用梯度下降法(GDM)进行航行路径的平滑处理,得到满足USV实际航行要求的连续平滑路径。  结果  仿真结果表明,所提路径规划方法通过设置不同的航行界限可以实现路径与障碍物之间距离的控制且平滑性符合航行要求。  结论  该方法在USV路径规划过程中具有一定的合理性和有效性,可为USV自主避障决策提供参考。
球形水下机器人滚进特性试验与动力学建模分析
徐鹏飞, 吕韬, 葛彤, 程红霞, 赵敏
2022, 17(6): 216-222. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02583
摘要:
  目的  为了探究球形水下机器人的滚进运动规律,以及质量分布对其运动的影响,对其机械机构进行创新设计及分析。  方法  首先,依据牛顿−欧拉方法建立球形机器人的滚进动力学模型;然后,通过地面滚进试验和水下滚进动力学理论研究,分析机器人的质量分配对滚进运动产生的影响;最后,通过搭建仿真环境和虚拟样机,对球形水下机器人在水下和陆地的滚进动力学进行对比分析。  结果  结果表明,当内置小车以恒定角速度输出时,该球形机器人的运动位移呈波动变化且驱动小车在球壳内的摆角也成周期性变化规律;当增加驱动配重时,小车摆角的周期和幅值均相应变小,球形水下机器人的运动更为稳定。  结论  所做研究可为球形水下机器人的设计优化提供指导。
基于多电机协同推进的遥控水下航行器姿态控制研究
王阳, 曾庆军, 戴晓强, 吴伟
2022, 17(6): 223-235, 251. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02315
摘要:
  目的  为了提高遥控水下航行器(ROV)在复杂水下环境中的姿态控制性能,开展多电机协同推进的ROV姿态控制研究。  方法  首先,针对多电机系统的结构和算法,分别提出一种基于PID速度补偿器的偏差耦合结构和一种新型非奇异终端滑模控制(SMC)算法,并设计一种新颖的基于多电机协同推进的ROV 姿态控制方法;然后,建立ROV的运动学和动力学模型,开展推进器组推力建模分析、解耦简化ROV动力学模型研究;最后,设计一种ROV滑模姿态控制器。  结果  仿真结果表明,所提的结构和算法可提高多电机系统的抗干扰性、同步性和快速响应能力,进而提高ROV姿态控制系统的稳定性与鲁棒性。  结论  所提方法可为ROV姿态控制提供一种新的可用方案。
结构与装置
开孔球面舱壁特征应力组合代理模型预报方法
陈天怡, 和卫平, 刘均, 程远胜
2022, 17(6): 236-243. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02390
摘要:
  目的  开孔球面舱壁结构参数众多,直接利用有限元方法对其开展参数研究费时费力,为此,提出一种特征应力组合代理模型预报方法。  方法  提取开孔球面舱壁的几何特征参数,以此为设计变量构建一般形式的单开孔球面舱壁特征应力代理模型;采用代理模型对特征应力与结构参数进行相关性分析,提出一种缩减设计变量维度的组合代理模型方法,组合代理模型由基于柱−环−球壳参数构建的特征应力代理模型及基于开孔围栏参数和球壳厚度构建的特征应力修正系数代理模型组成。  结果  结果显示,该组合代理模型能降低设计变量的维度,使得精度明显提升,相比直接构建的代理模型,其特征应力最大误差和平均误差分别降低了4.96%~22.95%和0.59%~5.43%;应用单开孔组合代理模型对典型的多个开孔球面舱壁特征应力进行的预报显示,特征应力误差为0.12%~11.42%。  结论  所提的单开孔球面舱壁强度组合代理模型能用于多个开孔球面舱壁特征应力的快速预报。
截卵形弹体侵彻加筋板架结构数值仿真
祝奔霆, 吴国民
2022, 17(6): 244-251. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02460
摘要:
  目的  基于数值仿真,对弹速范围内加筋板架结构的抗侵彻性能、吸能模式及不同加筋类型对弹体飞行姿态的影响进行研究。  方法  应用有限元软件LS-DYNA对截卵形弹体侵彻加筋板架结构的过程进行数值仿真,并将数值仿真结果与实验结果进行对比,验证数值仿真方法的可靠性。改变弹体的初始速度,分别运用动量法、等效质量法对弹体剩余速度进行预报,比较不同方法在各速度段的适用性,提取加筋板架结构不同区域的变形能,从而分析弹体初速度对加筋板架结构吸能模式的影响。最后改变加强筋的结构,分析着弹点与筋相对位置关系对弹体侵彻姿态的影响。  结果  研究表明,当弹体初速度在300~900 m/s范围内时,对于弹体侵彻加筋板架结构的剩余速度预报,等效质量法相较于动量法准确性更高,加筋板架结构的变形能所占弹体损失能量的比例随弹体初速度的增加而减小,T形筋加筋板架结构对弹道的影响程度大于矩形筋加筋板架结构。  结论  相关计算方法及研究结果对加筋板架结构的抗侵彻研究及工程应用具有一定参考价值。
基于陆上振动测试的水中圆柱壳结构声振响应计算方法
李广生, 陈美霞, 原春晖
2022, 17(6): 252-260. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02414
摘要:
  目的  旨在研究建立基于陆上振动测试结果计算水下圆柱壳结构声振响应的方法。  方法  引入轴对称边界元法描述壳体的辐射声场,通过边界元积分方程的数值求解,得到母线上节点声压与速度的关系,再经周向拓展构造出整个壳体外表面的声辐射阻抗矩阵和声振传递函数。基于水下圆柱壳结构低阶振型与陆上圆柱壳相同的假设,结合陆上圆柱壳的模态振型和声辐射阻抗矩阵,计算模态附加质量及模态附加阻尼。  结果  通过研究,建立了基于陆上模态的水中圆柱壳的固有频率计算公式,提出了以空气中振动响应为输入并基于模态叠加法的圆柱壳结构水下振动响应和声辐射特性的计算方法。  结论  通过典型的含内部结构圆柱壳的数值算例结果表明,上述方法能够满足工程所需的精度要求。
船舶护舷结构抗碰撞动态模拟
胡艺, 丁仕风, 周利, 鲍文倩, 赵丽刚
2022, 17(6): 261-270. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02421
摘要:
  目的  旨在研究船舶靠泊时“船体−护舷−码头”的动态耦合作用。  方法  采用非线性有限元方法,建立舷侧与护舷结构有限元模型,模拟船舶靠泊过程中速度、应力、能量的动态演化过程。  结果  结果表明:护舷与码头接触最紧密时,船舶速度降为零,护舷结构动态变形和相互作用力最大;船舶靠泊时,护舷呈现出较强的吸能能力,约占船舶初始总动能的70%,船体结构得到很好的保护。  结论  进一步分析表明:随着初始靠泊速度的提高,护舷效能呈降低趋势;所研究目标船的极限靠泊速度为2.5 kn,推荐安全靠泊速度为2.0 kn,研究结果可为船舶靠泊速度限制和船体结构吸能设计提供参考。