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2023年 第18卷 第5期
2023,
18(5):
1-10. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02451
摘要:
数字孪生是在计算机系统中对物理实体进行全面精准刻画的数字化模型，其应用可助力提升水路运输智能化管理水平。基于大数据监测与分析、数字孪生体构建、虚实模型的信息实时匹配与交互和数字驱动控制，以及动态可视化等水路运输数字孪生关键使能技术的分析，详细阐述基于数字孪生的船舶系统智能制造、运营管理、全生命周期智能运维、虚拟场景构建与虚拟实验的研究与应用现状，在此基础上，对水路运输装备的数字孪生技术进行归纳与展望，为数字孪生技术在水路运输领域的发展与应用提供参考。
数字孪生是在计算机系统中对物理实体进行全面精准刻画的数字化模型，其应用可助力提升水路运输智能化管理水平。基于大数据监测与分析、数字孪生体构建、虚实模型的信息实时匹配与交互和数字驱动控制，以及动态可视化等水路运输数字孪生关键使能技术的分析，详细阐述基于数字孪生的船舶系统智能制造、运营管理、全生命周期智能运维、虚拟场景构建与虚拟实验的研究与应用现状，在此基础上，对水路运输装备的数字孪生技术进行归纳与展望，为数字孪生技术在水路运输领域的发展与应用提供参考。
2023,
18(5):
11-21. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02799
摘要:
为提升船舶动力工程的总体正向设计能力，研究船舶动力系统工程的数字化设计方法。将基于模型的系统工程（MBSE）方法理论与系统工程方法进行融合，基于自主研发的V-Dats软件平台和图形化的SysML语言，从发电机组辅助系统的需求、行为、结构和参数4个维度进行建模，完成了系统需求—功能—逻辑—物理的过程分析，得到了系统需求架构、功能架构及物理架构模型，并在系统层级开展了闭环验证和确认。通过总结船舶动力工程总体设计流程的体系顶层框架，提出了基于MBSE的总体正向设计方法，研究成果可有效支撑船舶动力工程总体论证与设计。
为提升船舶动力工程的总体正向设计能力，研究船舶动力系统工程的数字化设计方法。将基于模型的系统工程（MBSE）方法理论与系统工程方法进行融合，基于自主研发的V-Dats软件平台和图形化的SysML语言，从发电机组辅助系统的需求、行为、结构和参数4个维度进行建模，完成了系统需求—功能—逻辑—物理的过程分析，得到了系统需求架构、功能架构及物理架构模型，并在系统层级开展了闭环验证和确认。通过总结船舶动力工程总体设计流程的体系顶层框架，提出了基于MBSE的总体正向设计方法，研究成果可有效支撑船舶动力工程总体论证与设计。
2023,
18(5):
22-30. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02792
摘要:
目的 数字孪生技术和物联网技术在结构健康监测得到了广泛的应用，但在特殊压力容器装备中的应用尚处于萌芽阶段。 方法 鉴于压力容器全生命周期安全监测要求，通过物联网实现对结构的温度数据采集，采用VUE+Flask框架编写结构监测系统。通过Three.js库建立容器模型，利用温度数据实现数字孪生模型的实时驱动，另外为检验系统的可行性，在ANSYS仿真的基础上开展相关温度实验。 结果 实验证明基于压力容器结构的数字孪生关键技术可以实现场景感知、数字挖掘、信息反馈等功能。 结论 该系统架构有良好的参考价值，物联网技术与数字孪生技术深度融合，可为我国战略性高端产品和重大关键装备的发展作出贡献。
2023,
18(5):
31-39. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02875
摘要:
目的 为改善传统船舶机舱仿真交互系统仿真形式单一、沉浸感和真实感较差的问题，设计并实现一种分为半实物（HIL）仿真和三维虚拟现实（VR）系统两个部分的新型沉浸式船舶机舱仿真交互系统。 方法 采用实时仿真技术，VR系统与HIL仿真系统基于5G网络融合，同时对沉浸式立体投影系统和多站位VR系统进行集成与数据整合。 结果 实现了整个系统的实时交互与协同操作和HIL与VR系统的系统状态实时同步；给出了VR系统内部的同步特性，实现了三维图像的实时同步，同时增加了多站位VR系统协同交互操作的功能。 结论 设计的新型沉浸式船舶机舱仿真交互系统在船舶智能运维管理和人员操作培训等方面具有指导意义。
2023,
18(5):
40-49. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02790
摘要:
目的 针对过盈配合组件装配质量难以控制的问题，提出一种基于数字孪生的过盈配合组件装配质量监测方法。 方法 结合数字孪生技术，构建过盈配合组件装配质量监测系统框架；综合分析实际装配过程，设计基于压装力的装配过程实时监测流程；结合压装过程中压装力历史数据，建立了基于Markov的压装力状态预测模型。综合比较理论压装力、实际压装力以及压装力预测状态，实现过盈配合组件装配质量的综合判断。 结果 以典型船用行星减速器输出轴与太阳轮过盈配合为例进行验证，验证结果表明，该方法可实现在装配过程中关键点压装力的实时采集和监测，预测未来质量特征点的压装力状态，同时，实验结果与模型预测结果具有一致性。 结论 以数字孪生为基础监测过盈配合组件装配质量的方法是有效可行的，研究结果对机械产品智能化装配过程中质量监测的实现具有重要参考意义。
2023,
18(5):
50-56. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02833
摘要:
目的 曲轴是船用柴油机的关键部件，为实时监测柴油机运行状态下的曲轴应力，保障船舶安全可靠运行，提出基于数字孪生的曲轴应力预测方法。 方法 基于数字孪生思想，提出船用柴油机智能运维的构架，以某型直列6缸船用中速柴油机为研究对象，在实机可获得数据的基础上，实现基于数字孪生的曲轴健康状态评估。首先，基于径向基（RBF）神经网络，利用缸盖振动加速度信号对缸内压力进行识别，计算曲柄销载荷，利用有限元法对曲轴进行应力和疲劳分析，获得影响曲轴寿命的关键位置，应用反向传播（BP）神经网络构造曲轴受力和应力的降阶模型。 结果 模型的缸压和曲轴应力预测误差均小于5%，应力预测的时间缩短到秒级，可实现孪生模型的实时/准实时更新。 结论 研究成果可为柴油机零部件的状态实时监测和智能运维提供新思路。
2023,
18(5):
57-64. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03082
摘要:
目的 高保真有限元模型和有效的载荷识别技术对于船体结构健康监测及评估至关重要。为此，提出一种基于改进粒子群算法的模型修正和载荷识别方法。 方法 使用rastrigin函数对改进粒子群算法和经典粒子群算法进行对比。采用工字梁结构，在梁中间位置施加压力，在其表面粘贴有限数量的应变片，并将其分为用于模型修正和载荷识别的实测点与用于验证的监测点两部分。进行对工字钢分块弹性模量的修正验证，并进行基于修正后的数值高保真模型的载荷识别验证。 结果 在利用rastrigin函数对改进粒子群算法的测试中，改进粒子群算法在不同粒子数下都表现出更好的全局最优解搜寻能力。在工字钢试验中，划分的两部分弹性模量在通过改进粒子群算法23步迭代后收敛于最优解。通过将试验监测点的应变数据与进行模型修正后得到的应变计算结果进行对比，应变相对误差在2%以内，验证了模型修正方法的正确性。此外，通过载荷识别方法识别出结构外载荷压力大小，识别计算值与试验施加载荷误差在2%以内，识别载荷与修正模型结合计算出的监测点应变值与试验数据相比误差最大值为3.74%，验证了载荷识别的有效性。 结论 所提方法在对结构全局状态反演时具有较好的精度表现，能够为船体结构健康监测、剩余寿命预测以及预测性维修提供技术支撑。
2023,
18(5):
65-72. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02898
摘要:
目的 旨在分析极地低气温环境温度及压载水容量对极地船舶压载舱温度场分布的影响。 方法 采用流体体积法（VOF）模型模拟气−液两相，标准k-ε湍流模型模拟流体运动，建立极地船舶压载舱热传递的数值分析模型，分析低气温条件下压载舱温度场的动态变化过程，揭示多环境温度和多装载高度对压载舱温度场的影响机制。 结果 随着热传递的持续发生，舷侧压载舱水线以上区域的温度快速下降，降温区分别沿横向向舱内延伸和沿舱壁向下延伸；当压载水较多时，由于水的热容大，舱室温度场相对稳定，但空气热容低、温度场变化大，易出现气旋并进一步影响计算域的温度场分布；在相同压载水容量条件下，外界环境温度越低，内外温差越大，热交换越剧烈，压载舱温度变化越迅速。 结论 采用VOF两相流模型和标准k-ε湍流模型可以较好地揭示极地低气温环境下压载舱温度场的时空演化特征，分析内、外部热边界条件变化对压载舱温度场变化的影响，可为极地船舶压载舱防寒/防冻结提供必要的技术参考。
2023,
18(5):
73-82. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02936
摘要:
目的 旨在系统性研究小型无人双体船的水动力性能。 方法 基于STAR-CCM+数值仿真软件，数值模拟小型无人双体船在不同弗劳德数Fr下静水状态和自航状态时的水动力性能。仿真选用非稳态RANSE模型，使用动态流体相互作用（DFBI）模型和重叠网格功能模拟双体船的纵倾与垂荡，并采用体积力法代替推进器的作用。使用摩擦阻力系数经验公式验证小型无人双体船在静水状态下的仿真结果，同时将自航试验结果与自航状态下的仿真结果进行对比以验证仿真结果的准确性。 结果 结果表明，当推进器转速为3 000 r/min时，小型无人双体船在自航状态下的总阻力与静水航状态下的相差21.099%；在不同的推进器转速下，小型无人双体船在自航状态下的推力仿真值与试验值间的相对误差均小于10%。 结论 仿真值与试验值的对比验证了仿真的可靠性，采用体积力法研究的船体在自航状态下的水动力性能与静水状态下的差异较大，所用数值方法可为进一步预报双体船的水动力性能提供参考。
2023,
18(5):
83-91. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03056
摘要:
目的 为进一步提高水下凹面目标散射声场的计算速度和精度，开展水下角反射组合体声散射特性的研究。 方法 基于Kirchhoff近似和射线追踪基本理论，考虑角反射体的多次散射和遮挡影响，建立水下角反射组合体声散射预报的简化模型，提出水下角反射组合体目标散射声场的快速预报方法，即改进板块元法（PEM）。通过此方法，计算三角形三面角反射体散射声场，并通过有限元仿真予以验证；在此基础上，以八面角反射体为基元，研究八面角以及组合多面角反射体结构的特性、集群强散射目标回声特性和基于空间的强散射目标特性。 结果 研究表明：改进的PEM法可以准确和快速地计算角反射体的散射声场；八面角及组合多面角反射体的散射声场随入射波频率、角度和组合体间距等的变化而改变。 结论 研究结果可为水下无源干扰体模型设计提供重要的技术支撑。
2023,
18(5):
92-103. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03011
摘要:
目的 为提高舰载机保障效率，开展一站式保障模式下航空保障资源性能指标的优化设计研究。 方法 建立以最小化保障时间为目标的舰载机甲板作业调度模型，将航母舰面航空保障资源性能指标视为满足区间约束的自变量，构建双层优化模型；基于分层优化策略，采用哈里斯鹰优化算法求解性能指标问题，设计改进的引力搜索算法（GSA）求解甲板作业调度问题。 结果 通过多种典型任务场景的算例仿真，得到了不同出动模式下的最优资源配置方案与保障作业调度方案，验证了求解算法的有效性。 结论 利用所提出的方法可以有效求解一站式保障资源性能指标与保障作业调度的联合优化问题，为一站式保障资源的配置优化提供了一定的理论支撑。
2023,
18(5):
104-110. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02946
摘要:
目的 针对可潜浮式沉积物捕获器（FST）的时变姿态会影响采样效率的问题，对全采样流程内FST的质心偏移规律及姿态角变化进行定量分析与评估。 方法 设计一种包含采样模块及浮力调节模块的FST，然后利用SolidWorks软件进行建模，建立坐标系；通过Matlab软件完成静力学分析，模拟得到全流程内各时刻FST质心相对于坐标原点的偏移量；基于力矩平衡公式，推导因质心偏移造成的机体姿态变化；运用平面射影定理，定量分析姿态变化对有效采集面积的影响。 结果 结果显示，质心偏移被限制在以载体坐标系原点为圆心、半径为\begin{document}$ 8 \times {10^{ - 3}}\;{\text{m}} $\end{document} \begin{document}${x_{\text{g}}} \in ( - 6 \times {10^{ - 3}}\;{\text{m}}, 3 \times {10^{ - 3}}\;{\text{m}})$\end{document} \begin{document}${y_{\text{g}}} \in ( - 1 \times {10^{ - 3}}\;{\text{m}}, $\end{document} \begin{document}$ 7 \times {10^{ - 3}}\;{\text{m}})$\end{document} \begin{document}$ \theta \in ( - 1.5^\circ , 16.6^\circ ) $\end{document} \begin{document}$\phi \in ( - {2.6^ \circ }, {16.8^ \circ })$\end{document} \begin{document}$ \theta = 14.7^\circ , \phi {\text{ = 13}}^\circ $\end{document} 结论 研究工作可为FST的稳性分析和浮力调节系统设计提供有益的参考。
2023,
18(5):
111-120. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02882
摘要:
目的 针对当前艉滑道式回收技术中的高精度回收引导控制要求，提出一种面向艉滑道回收的无人艇（USV）自适应级联跟踪控制方法。 方法 建立欠驱动无人艇运动模型，基于艉滑道式回收技术要求，利用滤波算法实现对母船航行状态和回收位姿的预测；引入平行接近制导思想，结合滑模变结构控制理论，构建出稳定的级联控制系统，以解决无人艇回收过程中的跟踪控制问题。 结果 通过采用李雅普诺夫理论和级联定理分析系统的稳定性，证明无人艇能够稳定跟踪目标。 结论 仿真结果表明，所提控制方法可使无人艇具有稳定的跟踪性能，且对不确定性干扰表现出较强的鲁棒性。
2023,
18(5):
121-132. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02973
摘要:
目的 旨在通过建模获取内河航道智能船舶自主避碰会遇场景。 方法 从船舶自动识别系统（AIS）及雷达数据采集与融合方法入手，建立船舶航行数据采集与融合系统，然后以三峡−葛洲坝两坝间的航道为例采集船舶航行数据，分析船舶主要避碰会遇场景要素，提出一种内河航道船舶避碰测试会遇场景参数化建模方法，并通过设定相关参数实现船舶避碰会遇场景的自动生成。随后，以两船及多船会遇局面测试场景为例，生成一系列测试场景，并进行仿真测试。 结果 结果显示，参数化场景生成方法可有效支撑内河船舶自主避碰算法测试的开展。 结论 所做研究可为提升内河智能船舶避碰测试的实用性提供依据。
2023,
18(5):
133-140. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02759
摘要:
目的 船舶中剖面优化具有设计变量多、约束条件复杂的特点。相关研究多采用智能优化算法直接嵌套规范校核软件（如Mars2000）的优化方法，计算量较大。为此，提出基于敏度排序的中剖面快速优化方法。 方法 首先计算各个约束特征量关于各设计变量的敏度，根据敏度信息得到各特征量不满足约束时的设计变量调整次序，并判断各特征量是否只与局部构件相关。优化迭代时，根据当前方案的约束不满足情况，结合敏度信息做变量调整，并进行周期性的敏度更新。最后引入基于坐标轮换法的小范围调整方法进一步提升优化效果。 结果 某油船中剖面算例优化结果表明，所提方法可实现结构减重5.195%。 结论 与直接嵌套Mars2000的智能优化算法相比，本方法在优化效果相当的情况下，计算量仅为前者的5.58%左右，成本优势明显。
2023,
18(5):
141-149. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02765
摘要:
目的 中央大厅是邮轮上层建筑中一种重要空间功能性舱室，其结构具有板厚薄、跨度大、支撑少、载荷复杂等特点，为结构设计带来了较大的难度。亟需提出一种可靠便捷的中央大厅结构分析评估方法，用以指导结构设计工作。 方法 以中国船级社（CCS）《邮轮局部结构直接计算指南2021》为主要依据，结合中央大厅结构载荷特点，开展邮轮中央大厅结构直接计算研究。直接计算研究中，结构所受载荷被等效并简化为总纵弯矩载荷、垂向剪切载荷、以及局部甲板载重的叠加。 结果 结构直接计算结果与全船有限元仿真结果吻合较好，验证了将直接计算流程应用于邮轮中央大厅结构设计研究的可行性。 结论 研究结果可为大型邮轮中央大厅结构设计计算流程提供参考。
2023,
18(5):
150-156. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02876
摘要:
目的 为了提高船体板极限强度评估的准确性，对船体板开展循环载荷下基于弹性安定临界状态的极限强度非线性有限元数值模拟。 方法 采用有限元软件ANSYS，重点研究理想弹塑性模型、循环塑性Chaboche材料模型对达到弹性安定临界状态后船体板焊接残余应力释放及极限强度的影响。 结果 结果显示，焊接残余应力经过第1次循环后基本得到释放，在达到弹性安定状态后船体板残余应力趋于稳定；在循环载荷下达到弹性安定状态后，算例采用Chaboche模型所得极限强度要高于理想弹塑性模型。 结论 在开展循环载荷下基于弹性安定临界状态的船体板极限强度非线性有限元数值模拟时，应选择将材料强化与鲍辛格效应考虑在内的材料模型，所得结果对进一步研究船体结构在循环载荷作用下的极限强度有一定的参考价值。
2023,
18(5):
157-165. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02996
摘要:
目的 针对船舶耐内压方舱结构性能评估方法尚不明确、舰船通用规范要求并不完全适用的问题，开展适用于船舶耐内压方舱结构的应力分析方法和强度评估衡准研究。 方法 基于弹性力学理论分析ASME BPVC中常用的Mises和Tresca两种屈服准则，根据安全性原则确定Tresca屈服准则为适用于船舶耐内压方舱结构的分析准则；以舱壁板架为基本单元，基于ASME BPVC对船舶耐内压方舱结构进行应力分类，得到4个典型评估位置，即板格中心、板格短边中点、板格长边中点和板格角点；为减少工程计算量，基于应力线性化理论，提出板单元有限元分析的应力分量理论公式和数值计算方法；同时建立板架实体单元有限元模型，对比两种模型下结构强度评估结果。 结果 与实体单元模型准确结果相比，板单元应力分析误差基本在3%左右且板单元结果普遍偏大，结合船、核结构安全保守性评估原则，可认为基于板单元有限元模型和ASME BPVC的船舶耐内压方舱结构强度评估方法满足工程需求。 结论 所做研究可为船舶耐内压方舱结构应力分析和强度评估提供参考，对攻克核动力装置上船面临的技术瓶颈问题具有重要意义。
2023,
18(5):
166-172. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03256
摘要:
目的 为分析冲击损伤对层合板压缩强度和失效行为的影响，对冲击后的编织碳纤维复合材料层合厚板开展面内压缩试验和数值仿真研究。 方法 通过建立有限元模型，开展层合板冲击后的压缩仿真分析，采用Fortran语言编写用户自定义材料子程序（VUMAT），实现改进的Hashin失效准则和基于损伤变量的材料退化模型在ABAQUS/Explict中的应用；从压缩强度和压缩破坏模式两方面将数值模拟与试验结果进行对比，验证所建立数值模型的有效性。 结果 结果显示，冲击损伤会降低层合板的压缩强度，无损层合板的压缩失效模式为端部破坏，冲击后的层合板会出现横贯试件中部的截断式破坏；冲击后的压缩强度会随冲击能量的增大而降低，但压缩强度与冲击能量之间并不存在线性关系；层合板损伤行为的拓展与压缩载荷的历程密切相关，压缩载荷在达到层合板破坏载荷的阈值之前，层合板的损伤几乎没有发生拓展，一旦压缩载荷达到阈值，损伤将沿宽度方向迅速拓展，最终发生横贯整个模型宽度方向的压缩损伤。 结论 所做研究可为斜纹编织碳纤维复合材料层合厚板的抗冲击性能评估提供参考。
2023,
18(5):
173-179. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02942
摘要:
目的 为了评估反舰导弹内爆载荷冲击下舰载设备生命力，提出一种舰载设备的冲击响应失效分析方法。 方法 对典型船体结构在内部爆炸载荷作用下的冲击响应进行数值模拟，计算冲击响应谱，确定舰载设备所在位置的冲击环境。 结果 通过典型位置的冲击响应谱，得到了不同位置处舰载设备在不同安装频率下的冲击响应参数，通过与冲击设计值对比并建立失效概率模型，形成了针对设备的冲击响应失效分析方法。 结论 采用所提方法可以计算典型舰载设备的失效概率，能为舰载设备在内爆载荷下的毁伤评估与失效分析提供参考。
2023,
18(5):
180-193. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03080
摘要:
目的 加筋板结构参数对其抗水下爆炸性能有重要影响，需要对加强筋高度、加强筋数目、加强筋厚度等参数的具体影响进行分析。 方法 基于耦合欧拉−拉格朗日（CEL）方法开展数值模拟研究，分析加筋板结构参数对结构抗爆性能的影响。基于加强筋在水下爆炸载荷作用下的吸能规律，引入系数来表征加强筋的影响程度，提出一种考虑加强筋系数的等效厚度计算方法。 结果 对加筋板抗水下爆炸能力影响显著的3个因素分别是加强筋高度、面板厚度和加强筋厚度，翼板厚度影响较小。在结构质量改变量相同的情况下，横/纵向加强筋高度对加筋板破口面积的影响是翼板厚度的2.5倍，面板厚度和横/纵向加强筋腹板厚度对破口面积的影响是翼板厚度的2倍。随着加强筋高度、加强筋数目、加强筋厚度等参数的增加，加筋板结构强度和抗水下爆炸能力增强，损伤程度减小。采用考虑加强筋系数的等效厚度计算方法得到的相关性系数为−0.94，该方法能较好地反映加筋板抗水下爆炸的能力。 结论 研究结果可以作为舰船结构抗水下爆炸载荷评估的基础，为舰船抗爆结构设计提供参考。
2023,
18(5):
194-206. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02805
摘要:
目的 旨在研究单侧触水弹性边界下复杂形状薄板的自由振动特性。 方法 选取包络复杂形状薄板域的矩形域并将薄板位移用矩形域内的改进傅里叶级数表示，结合Rayleigh积分建立表面声压和薄板位移的关系，并将积分式转换到局部极坐标中以避免奇异性，针对局部极坐标中该变限积分中的边界曲线难以获得显式表达式的问题，用“以直代曲”的方式处理结构边界曲线以简化Rayleigh积分，基于能量原理建立了分析单侧触水复杂形状薄板自由振动特性的半解析方法。 结果 给出了单侧触水矩形薄板、圆形薄板和一些复杂形状薄板的算例，与有限元及文献结果对比验证了该方法的收敛性和准确性，并讨论了弹性边界对薄板附加虚拟质量增量因子（added virtual mass incremental， AVMI）的影响规律，各阶AVMI因子在边界位移弹簧无量纲化刚度为103附近出现最大值，此时结构受流体影响相对最大。 结论 该方法适应性较强，计算效率较高，揭示了流体中复杂形状薄板的自由振动规律，具有一定的工程指导意义。
2023,
18(5):
207-215. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02795
摘要:
目的 旨在研究不同桨叶参数变化对大侧斜螺旋桨振动模态的影响规律。 方法 以某大侧斜螺旋桨为研究对象，开展系列变参数方案设计和振动模态有限元计算，并采用模型试验对数值方法进行有效验证。最后，通过计算结果分析得到不同设计参数对桨叶各阶固有频率及衰减系数和桨叶振型的影响规律。 结果 计算结果表明，桨叶的固有频率随剖面厚度、盘面比、毂径比的增加而增大，并随其侧斜角度的增大而减小，研究参数中以剖面厚度和侧斜对桨叶固有频率的影响为最大；流−固耦合效应对一阶固有频率衰减系数影响为最大，剖面厚度分布整体的增加和外半径的增加均对减小一阶固有频率衰减系数有利，反之，盘面比的增加、侧斜平衡点的内移和大纵倾角对减小一阶固有频率衰减系数不利；系列变参数设计方案的一阶振型基本一致，表明剖面厚度和侧斜等设计参数变化主要影响桨叶的高阶振型。 结论 研究结果可为大侧斜螺旋桨设计过程中振动模态优化控制提供指导和参考。
2023,
18(5):
216-223. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03007
摘要:
舰船的固定磁场主要通过消磁主电源输出的脉冲电流实现退磁，其消磁效果将直接影响舰船的磁隐身水平。通过梳理不同类型储能型消磁主电源系统的组成结构，综述其工作原理和优缺点，展望了大型舰船储能型消磁主电源系统的技术发展趋势，提出了锂电池储能式和高速电机储能式消磁主电源系统的拓扑结构，总结了多消磁主电源的解耦补偿和消磁电流同步控制技术等关键技术问题，可为大型舰船储能型消磁主电源系统的设计提供参考。
舰船的固定磁场主要通过消磁主电源输出的脉冲电流实现退磁，其消磁效果将直接影响舰船的磁隐身水平。通过梳理不同类型储能型消磁主电源系统的组成结构，综述其工作原理和优缺点，展望了大型舰船储能型消磁主电源系统的技术发展趋势，提出了锂电池储能式和高速电机储能式消磁主电源系统的拓扑结构，总结了多消磁主电源的解耦补偿和消磁电流同步控制技术等关键技术问题，可为大型舰船储能型消磁主电源系统的设计提供参考。
2023,
18(5):
224-233. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03049
摘要:
目的 为提高混合动力船舶的系统稳定性和效率，提出一种基于粒子群优化阈值的多堆燃料电池系统功率分配策略。 方法 针对多堆燃料电池和蓄电池并联构成的混合动力源系统，设计基于粒子群优化算法（PSO）的模糊逻辑能量管理策略。根据推进系统负载功率和蓄电池荷电状态（SOC），灵活调控燃料电池单体工作组数及其输出功率，并采用PSO来优化系统的控制阈值。 结果 Matlab/Simulink仿真结果表明：该能量管理策略可以迅速满足复杂多变的负载功率需求，从而提高混合动力源的系统效率；相较于传统的能量管理策略，基于模糊逻辑和基于粒子群优化阈值的能量管理策略的氢气消耗量分别下降了18.96%和31.48%。 结论 该智能能量管理策略适用于混合动力船舶多堆燃料电池，可有效提高混合动力源的系统效率并降低氢气消耗量。
2023,
18(5):
234-243. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02980
摘要:
目的 旨在应对超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环发电系统外界条件扰动对运行参数可能造成的影响，保证系统高效、安全稳定地运行。 方法 基于Matlab/Simulink平台搭建简单S-CO2布雷顿循环发电系统动态数值仿真模型，并进行系统瞬态运行特性分析；模拟冷却器参数发生变化时热力循环系统运行参数的变化规律，分析冷源温度波动对系统各部件进出口参数和系统循环效率的影响以及调节手段。 结果 结果显示，由搭建的系统瞬态仿真模型所得结果与实验结果间的最大误差为3.658%；冷却水温度升高2 K会导致压缩机入口温度升高1.4 K，系统需300 s恢复稳定；增加PID控制系统后，压缩机入口温度变化幅值降低50%，系统稳定时间减少62%。 结论 建立的模型能够准确反映系统运行情况，由冷却水温度升高和流量增加对系统影响的对立性为基础而搭建的PID控制系统能够保证系统内CO2工质始终处于临界点以上，可以保障系统安全稳定运行。
2023,
18(5):
244-250. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02858
摘要:
目的 为解决舰艇舱室内部空间复杂狭小导致人工检测噪声困难的问题，提出基于目标导向RRT算法的机械臂局域空间规划方法。 方法 以六自由度机械臂为载体，在机械臂末端安装工装夹具，并以舱室内部的4个固定点为基准点，研究机械臂在局域空间内的遍历轨迹规划。其中，以基准点1为例，对其6个测量面、147个测点的噪点进行测量。通过噪声信号与空间待测点位姿信息的匹配分析，反馈当前测点的环境噪声，形成声压云图。 结果 结果显示，针对4个基准点所对应的测点，机械臂可以实现对所有测点的轨迹规划与噪声测量，且无碰撞发生。 结论 所提方法能够实现在狭小舱室局域空间内的智能规划以及内部噪声检测，具有实用价值。
2023,
18(5):
251-259. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02929
摘要:
目的 为了提高机械臂姿态估计精度和实时性，提出基于RGB图像梯度特征向量映射的机械臂姿态重建方法。 方法 首先，采用方向梯度直方图算法（HOG）计算系列机械臂图像纹理梯度特征，再通过训练深度神经网络（DNN）建立图像特征向量与机械臂关节角度向量之间的映射关系；然后，使用用于预训练的向量映射模型对机械臂运动帧图像进行快速姿态估计；最后，采用合成数据技术生成模型的训练和测试数据集。 结果 试验结果显示，目标机械臂3个关节的角度预测误差平均值为2.92°，单帧图像姿态估计耗时0.08 s。 结论 研究表明，所提方法具有较好的预测速度和精度，仅利用RGB图像信息可实现端到端的机械臂姿态估计。
2023,
18(5):
260-268. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03092
摘要:
目的 领域自适应技术被广泛应用于轴承的变工况故障诊断问题，但大多只关注全局域分布而忽略同类别下的子域分布，且域不变特征的质量易受到强噪声影响，导致变工况下的诊断精度大幅下降。为此，提出一种基于自注意力子域自适应对抗网络的故障诊断方法。 方法 首先，利用融合卷积注意力模块提取源域与目标域振动信号中与故障相关的域不变特征，并结合对抗网络和子域自适应模块减小不同工况数据在全局域和局部域边缘分布差异，提高数据的可迁移性。然后，采用Adam优化器对网络进行反向传播优化和超参数调优，减少损失误差，提升模型的诊断性能。最后，由故障模式分类器输出目标域测试集上的诊断结果，并采用渥太华轴承数据集验证方法的有效性。 结果 结果表明，所提方法在强噪声变工况下的故障诊断精度超过96%，明显优于其他方法。 结论 研究成果可为滚动轴承变工况下的故障诊断提供参考。
2023,
18(5):
269-275. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02977
摘要:
目的 针对传统船舶主机的故障诊断模型难以采用实时数据及时更新，且船舶主机还存在监测点多但故障样本少的问题，提出一种能够处理不平衡数据并可以在线更新模型的故障诊断方法。 方法 首先，采用主成分分析法（PCA）对监测样本进行降维和特征提取，降低训练模型的复杂度；然后，通过SMOTETomek构造故障样本以平衡训练集；接着，针对诊断模型难以实时更新的问题，引入结合正则化方法且具备在线更新功能的在线贯序极限学习机（OSELM）模型；最后，以主机燃油系统为例验证OSRELM模型的可行性，并采用不平衡船舶主机数据进行消融实验以验证整体模型的有效性。 结果 结果显示，所提方法在原始模型的基础上可使诊断精度提升29.73%。 结论 研究表明所提方法较其他同类方法具有更高的诊断精度，波动幅度较小，具有较好的稳定性；且在样本不平衡的情况下，对于故障类样本仍具备较强的识别能力，适用于船舶主机故障诊断方面的研究。
