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SHIP ENGINEERING Vb137 No4 20l5 船舶工程 总第37卷,2015年第4期 半潜船压载系统动态建模与仿真研究 许婉莹 ,张维竞 ,于再红2 (1上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;2中国船舶工业集团公司第708研究所,上海200011) 摘要:半潜船通过自身压载水的注入与排出来实现货物的装卸,压载系统的工作影响半潜船的浮 态。对于大型半潜船来说,利用排出压载水实现船舶上浮的水量远大于一般船舶,传统的经验算法多基 于稳态进行估算,计算时间往往大于实际排载时间。文章对水泵排载与重力排载两种排载方式分别建立 动态排载数学模型。建模过程考虑压载水注入排出与船舶浮态的相互影响以及实际管路阻力因素,并针 对重力排载方案提出改进意见。 关键词:半潜船;压载系统;动态建模;仿真 中图分类号:U66483 2 文献标志码:A DOII 1013788cnkicbgc201504042 Research on Dynamic Modeling and Simulation of Ballast System for Semisubmersible Vessel XU Wanying ,ZHANG WeiJing ,YU Zaihong (1State Key Laboratory ofOcean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2Marine Design& Research Institute ofChina,Shanghai,200011,China) Abstract:Thesemi-submersible vesselloads andunloads cargos through theloadingandunloadingofballast water,while the loading and unloading of ballast water can affect thefloating condition ofthe vesse1The mathematical models were builtfor two commonly used types ofballast mannersfree andpump The effects of loading andunloading ofballast water on thefloating condition ofthe ship was taken into accounL same as the pipes resistanceThe results ofsimulation are compared with empirical algorithm and experimental dQta indicating the simulation complies more with the actual situation Key words:semi-submersible vessels;ballast water system,dynamic modeling,simulation 0引言 随着深海石油开发的不断发展,海洋石油和天然 气勘探、开采装备向着大型化发展,对这些大型海上 模块的运输提出了更高的要求。大型半潜式自航船在 海洋开发装备运输安装方面得到广泛的应用。半潜船 通过控制自身压载舱压载水的排放实现下潜和上浮, 从而实现货物的装卸11。与传统的运输船舶相比,半 潜船的压载水系统更为复杂,必须对其压载系统进行 详细的设计和计算分析。 国内高校及研究院所对船舶压载系统进行了一系 列研究2-71,但其大多数均基于相对稳态的假定,即: 压载水的注入与排出对船舶浮态的影响忽略不计以及 水泵一直处于额定工作点进行排载。目前国内设计院 研究所针对半潜船压载的估算方法【8】(以下称为经验 算法)存在一些弊端,本文建立了半潜船压载系统的 动态数学模型建模,采用MatlabSimulink对某半潜船 压载系统的动态变化过程进行仿真分析。 1半潜船自由排载动态建模仿真 半潜船顶层舱室重力自流和压载水泵排载是半潜 船调节水量的重要手段。自由排载仿真中为简化计算, 认为压载水舱是参数不同功能相似的独立模块。因此 先建立该半潜船的自由排载方式的单舱的动态数学仿 真模块。此模块的输入是外界船舶实时吃水,以单舱 的液位高度作为输出。根据船舶线型得到船舶水线面 面积曲线,从而得到压载水舱排出的体积与船舶实时 吃水的数学关系,因此整合成全船自由排载系统的动 态仿真模型。模型仿真中认为当所有压载舱液位都达 收稿日期:201411-12;修回日期:20150126 作者简介:许婉莹(1989一),女,硕士研究生。主要研究方向为轮机工程方向。 一42 船舶机械 从图3可以看出,在压载舱液位高度达到lm(总 高度714m的15)左右时,流量取值较小,排载效 率很低,这与实船试验中得到的“当舱内水量小于15 时,调载效率降低,因此建议尽量避免选用此类舱室 进行调载”的结论相符。在排载过程中,流量Q与时 间f是线性变化的,平均流量Q=Vt=11lm3s。经验 算法中的流量是根据压载首末两个状态的液位差的平 均数(乘以系数05)确定的,取值是定值094 m3s, 时间是168rain。根据比较分析,可以把此系数05换 成07075比较合适,这也在对其他舱室的仿真得到 证实。 2半潜船水泵排载动态建模仿真 由于水泵压载过程中水泵与压载舱直接连接,压 载舱排水速率与压载水泵流量相同,因此,可根据水 泵以及压载状态确定水泵的实时工作点,得到排水流 量。对水泵流量进行积分得到排出的压载水体积,可 以进一步得到水舱液位高度与时间曲线。 21压载水泵排载数学模型 为保证半潜船下潜过程中保持平衡状态,压载水 泵(2台)在实际作用中都是对两个位置对称形状相 似的压载水舱进行排载的,根据管网并联阻力公式, 两支管流量计算公式如下【】0l: 鱼: : (7) Q2 4 6、 其中,K=(1vCd 81是并联管段的流量模数, C=而为谢才系数。船舶管系几乎都为粗糙管, 而且在管中的流动状态均为紊流状态】,根据计算推 理在实际过程中,速度在粗糙区,粗糙管的 计算公 式为: =01(146e+100Re- )。 (8) 其中,e=Ad,d为管路直径,mill,在压载管系 中A=002。 并带入数值计算得N- : r (9) Q2 v2 l l4+1168v2 J 对于排载过程中,近似认为,1= ,则有:V1=1, , Q =Q2=Ql2,Q为水泵也是总管路的流量。水泵流量 扬程曲线经拟合出式(10)。 H=-22109一41517Q+45482 (10) 由能量守恒得到两台水泵压头与水舱的内外压 差,水管阻力(分为直管阻力和附件阻力),压载水动 能之和平衡。综上可得出: r(h)一(h+矗)+ d + Q , 争 =mI-22109一41517Q+45482) (11) 其中, 为管路附件阻力系数,可以根据船舶设 计手册中查阅到;t为压载水舱个数,n=2,4;m为水 泵个数,m=2。 根据水泵的H-Q特性曲线,并且代入某 50000DWT半潜船水泵排载的具体数据,式(12)有 唯一解: Q=l厂( )=一000005h +0008h+05456 (12) 而在排载过程中,舱室排出的水的体积: AV=IQdt=(ho一 )S(h) (13) 对此式进行微分可以得到微分方程: 一dh:一一Q:一 (14) 一=一一=一一 l4 J dt s S 其中,Ah)为水泵流量与压载水舱液位高度的函数 关系,见(12);S为压载水舱横截面积,m2。 22水泵排载仿真模型及结果分析 根据以上建立的动态数学模型,采用Simulink建 立动态仿真模型,由仿真计算,即得到h-t曲线和Qt 分别如图5和图6所示。 12 l0 8 6 4 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 时间s 图5水泵排载压载水舱液位随时间变化曲线 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 时间s 图6水泵排载管道流量随时间变化曲线 (下转第56页) 44 :合 鳃卯 0 O O0 0 0 0O0 0 0 0 船舶电气、导航与自动化控制 6结论 本文设计出一种新的EKF算法,滤波性能较好, 把姿态角误差向量,陀螺零偏误差向量,机动加速度 误差向量作为状态量,改进了原有的卡尔曼滤波算法, 能够得到较高的姿态角精度。从各组实验仿真结果可 以看出,姿态角的误差精度皆不超过001。,证明此 算法能较好地优化姿态角精度,可适用于高低动态环 境中。随着器件成本的不断降低,它可适用于捷联式 航姿参考系统的无人机、机动车辆等。但由于EKF的 计算量较大,计算时间可能较长,若计算失误可能导 致滤波发散,计算效率上有待提高和改进。 参考文献: 【1陈永冰,钟斌惯性导航原理M】北京:国防工业出版 社,2007 2】张帅勇基于MIMU的捷联陨一GPS组合系统研究【D 南京:南京理工大学,2008 3秦永元,张洪钺,汪叔华卡尔曼滤波与组合导航原理 M】西安:西北工业大学出版社,1998 4谭红力航弹族低成本捷联惯导系统关键技术研究D 长沙:国防科学技术大学,2007 = != = = =;= = = (上接第44页) 根据图5本文算法得到的曲线显示在排载过程中 压载水液位高度h近似为一次曲线,压载水排载完毕 需要的时间是2650s结束,经验算法的时间是2782s。 从图6可以看出,压载过程中水泵流量在额定工作点 附近近似线性减小,这与离心泵运行相对稳定的工作 特性是吻合的。水泵工作过程中的平均流量近似为: Q=VO64m s=23 1 0m m,大于压载水泵的额定流量 2200m h,这主要是因为在水泵的设计选择中考虑了 一些余量。因此在经验算法中,采取泵的额定流量作 为泵的实际排载平均流量是趋于保守的,在实际估算 中可以把水泵工作的流量适当增大,综合水泵工作效 率的考虑,这个余量设为5以内比较合适,如果只 是部分排放舱室内的压载水,这个余量要进一步放大, 可以根据流量线性减小的特点近似确定。 3结论 本文以MatlabSimulink软件为仿真平台,对某 50000t半潜船的排载过程进行了动态仿真计算,得到 了半潜船上浮过程中的动态变化过程,下潜过程与上 浮过程相反。可得到以下结论:1)仿真分析中考虑了 压载水吸入或排出与船舶浮态的相互影响,并确定了 压载压载水泵实际工作点,是一个动态的仿真过程; 2)由动态仿真分析得到重力排载流量线性减小,可推 算出经验设计估算中采取的系数偏小,可通过适当增 大系数使之更贴近实际结果;3)水泵工作点因为外界 5肖乾多传感器组合导航系统信息融合技术研究D 哈尔滨:哈尔滨工程大学,2005 6】袁政无人机航姿参考系统开发及信息融合算法研究 【D长沙:中南大学,2012 【7姜朋基于MEMSIMU的捷联式惯性导航系统技术与 实现研究【D1_哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012 8丁君基于微惯性传感器的姿态算法研究D】上海:上 海交通大学,2013 (9】陈宇捷基于MEMS的微小型嵌入式航姿参考系统研 究D】上海:上海交通大学,2009 10杨澜基于多源信息融合的车辆航姿估计技术研究D 西安:长安大学,2013 11Lee S,Lee Park SFlight Test Results of UAV Automatic Control Using a SingleAntenna GPS Receiver CaAA Guidance,Navigation,and Control Confefence and Exhibit,(Austin,TX),2003 【12Cho A,Kim J,Lee SFully Automatic Taxiing,Takeoffand Landing of a UAV only with a SingleAntenna GPS ReceiverCAIAA Infotech Aero space 2007 Conference and Exhibit,2007 = = = = := = = 条件变化会偏移水泵额定工作点,故在经验设计估算 中的平均流量可通过适当放大额定流量值替代。 参考文献: 1冯志根大型半潜船发展前景JJ船舶设计通讯, 2006(1):4945 2张鑫,姚寿广,肖民船舶压载水系统仿真模型研究 华东船舶工业学院学报,2004,1 8(2):1】1 5 3肖民,姚寿广,路诗奎,等船舶压载水系统仿真建模 与控制的研究与实现 系统仿真学报,2006,17(12): 30363039 4乔红宇,肖民船舶压载水系统仿真及稳性调节 江 苏科技大学学报:自然科学版,2006,20(4):161 9 5乔红宇,肖民船舶压载水系统有限元仿真模型研究J 江苏科技大学学报

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