（控制理论与控制工程专业论文）船舶u型减摇水舱控制系统设计及实验研究.pdf

瓣躺u 型躐摇承鲶控制系统设计及实验研究 摘要 减摇永舱是应霜竣广泛酌减播装置之一，猩各种航速下部能减少船舶的 横摇运动，并且能够在一定的控制下，减少船舶横倾，进行破冰作业及进行 倾斜试验，现今装船的减摇水舱装鬣，无论是被动式或是可控被动式减摇东 鲶，大多都是u 型减援承韪，u 型减摇东舱设计方便，易予控制，并且只簧 结构设计良好，就可以起到很好的减摇效果。 本课题来源于哈尔滨工程大学“2 l l ”重点建设项目“船舶减摇水舱试验 装嚣”，对u 型减摇水舱的优化设诗、水舱对船黯稳性懿影响、控制系统设 计及求舱试验进行了一定的研究。 本文在查阅大量图内外资料的基础上，综述了减摇水舱的国内外发展和 研究现状，确定了本文的研究方向。 通过辩“船耱一减撂承舱”系统豹受力送行分橱，建立了“船舶一减撵求 舱”系统数学模型，并在此基础上，设计仿真方法，对减摇水舱优化设计方 法、水舱对船舶稳性的影响及相关方面进行了研究。 针对弼控被动式减糕承舱，送行了一定静分掰，并透行了仿真，在既基 础上讨论可控被动式减摇水舱的控制方法，综台圆内外相关产品的资料，结 合以往的经验，设计了减摇水舱系统的控制器，包括硬件结构及软件设计。 对予减摇水舱的设计，试验楚最熏要的一环，蓠先，根掇流体提议，设 誊卡减摇承鲶的模型，然瑟讨论了减援农舱试骏窗絮的原理及功能，设计了躐 摇水舱试验监控系统，研究了减摇水舱的自由振荡试验、强制振荡试验及垒 模拟试验的方法及相关数据处理方法。 最慝送行减疆东鲶试验，包括承舱豹鸯玉振荡试验、强巷掇荡试验，分 析了不蔺隧尼结构对减摇东舱特性趵影响，为以盾减摇水舱的工程化设计打 下了基础。 关键滴：减摇承舱；可控被动式；气润控制；横摇：台架试驰 船霸u 型减摇承鲶控制器统设计及实验研究 a b s t r a c t a n t i r o l l i n gt a n ki so n eo ft h em o s tp o p u l a ru s e ds t a b i l i z i n ge q u i p m e n t s ，i t f i t sf o rs h i p sw o r k i n ga te a c hs p e e d ，i te 徽r e d u c es h i pr o l l ，b r e a ki c ea n dd o i n c l i n a t i o nt e s t su n d e rs o m ec o n t r 0 1 t h ea n t ir o i l i n gt a n kw h i c hw e r ee q u i p p e d a r em o s t l y1 1 - s h a p e da n t ir o l l i n gt a n kw h a t e v e ri ti sp a s s i v eo rp a s s i v ec o n t r o l l e d t a n k t h eu - s h a p e da n t ir o l l i n gt a n ki se a s i l yd e s i g n e da n dc o n t r o l l e d ，i th a sg r e a t e f f e c ti f d e s i g n e dw e l l t h ep a p e ri sb a s e do i lt h ei t e mt h ea n tr o l l i n gt a n kt e s ts e t u pa m o n gt h e s c h o o l2 1 1k e yc o n s t r u c t i o np r o j e c t s 髓eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f u - s h a p e dt a n k 、 t h ee f r c c to fs t a b i l i z a t i o n 、d e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e m sa n da r ea n a l y z e d a 叠e fs y n t h e s i z i n gn l l r n e t o u sr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dr e f e r e n c em a t e r i a l sa th e r e a n da b r o a d ，t h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n do v e r s e aa n t i r o l l i n g t a n ki s s u m m a r i z e d h e n c e ，t h es t u d y i n gd i r e c t i o no f t h i sp a p 嚣i sd e c i d e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f “s h i p a n t ir o l l i n gt a n k s y s t e mi sd e v e l o p e db y a n a l y z i n gt h es t r e s so f t h es y s t e m 。弧诒s i m u l a t i o nm e t h o di sd e s i g n e d t h ed e s i g n m e t h o do f a n t ir o i l i n gt a n ki so p t i m i z e d 、t h es t a b i l i z a t i o no f t h es h i pa n dr e l e v a n t e f f e c ta r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p a s s i v ec o n t r o l l e dt a n ki sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h ec o n t r o lm e t h o do fp a s s i v ec o n t r o l l e dt a n ki sd i s c u s s e db a s e do n 融i sm o d e l t h ec o n t r o l l e ro ft h ea n t ir o l l i n gt a n ks y s t e mw h i c hi n c l u d e sh a r d w a r es t r u c t u r e a n ds o f t w a r ed e s i g ni sd e s i g n e dw i t ht h ei n f o r m a t i o no f r e l e v a n tp r o d u c tb o t hh e r e a n da b r o a da n d e x p e r i e n c ea g o t h ee x p e r i m e n ti st h em o s ti m p o r t a n tp a r tf o rt h ed e s i g no fa n t ir o i l i n gt a n k f i r s t l y , a c c o r d i n gt os c a l i n gr a t i o ，t h em o d e lo fa n t ir o l l i n gt a n ki sd e s i g n e d s e c o n d l y , d e s i g np h i l o s o p h yo ft e s tb e n c hi sd i s c u s s e da n dt h e nt h em o n i t o r s y s t e mo fa n t ir o l l i n gt a n ki sd e s i g n e d f i n a l l y , t h ef r e eo s c i l l a t i o nt e s t ，f o r c e d o s c i l l a t i o nt e s to fa n t ir o l l i n gt a n k ，t h ef u l ls i m u l a t i o nm e t h o da n dt h ep r o c e s s i n g m e t l l o do f r e l a t e dd a t aa r es t u d i e d 蹬尔滨工程大学簿士譬毽论文 a tl a s t 。t h ea n t ir o l l i n gt a n kt e s t 、a n dt h ef r e eo s c i l l a t i o n st e s ta n df o r c e d o s c i l l a t i o nt e s to fa n t ir o i l i n gt a n ka r ed o n e ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n td a m p i n g s t r u c t u r eo nt a n ki sa n a l y z e d ，t h et h e o r ys i m u l a t i o ni sm o d i f i e db yt h et e s tw h i c h e s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o no f t h ea n tr o l t i n gt a n kp r o j e c td e s i g nl a t e r k e yw o r d s a n t ir o l l i n gt a n k ；p a s s i v ec o r l t m l l e d ；c o n t r o lo f a i rv a l v e ；r o l l ；t a n k t e s tb e n c h 第1 章绻论 第1 章绪论 1 课驻的来源、意义和翔的 零谍题来源予啥尔滨工程大学“2 11 ”工程羹点建设颈西“减摇承舱试验 浆置”。 船舷虢孳亍对，受到海浪、海风及海流等海洋环境扰动豹侔髑，由予瓣舶 的横摇运动阻尼很小，会在风浪中会产生剧烈的横摇运动，有时船舶航速很 低或静水中靛行瓣，当波浪赞频率接近船舷黪共振频率时，也会谈船麓产生 摇摆，这样不但影响船舶的航行，而且还会对船舶上的装备、货物和人员带 来不安全因素。因此通鬻震要藏摇装受采减小艟舷翡横摇运动，增加船髂稳 性，提高船舶的耐波性能。 在船舶攘摇减摇领域，常见鹃减摇装震有8 跑建骨、减摇鳝、减摇承舱“3 等，其中，舭龙骨是最简单也是比较有效的减摇装置；减摇鳍是最常用且减 摇效果最好的主动式减撂装置，组燕减撵鳍产生的舞力与舷速黪平方成正眈， 因此，船舶在低航速或零航速情况下，减摇鳍基本没有减摇效果，所以减摇 鲮常见于离速船舶，近年来也鸯少量减援鳍在零炕速减摇豹研究秘应用“， 但减摇鳍装置比较复杂，制造成本和保养成本高；减摇水舱在全航速下都能 超到减摇效果，并且自b 够抗船舶横缎，遴行破冰像业及避章亍经籀试验，结弼 简单、造价低廉，便于维护保养，但是需蘩占用一定的甲板面积，因此常见 于渡轮、集装箱船、科学考察船、抢险船、巡逻船、海洋救生船等，在稳效 的控制下，可以在船舶航行的任何时捌都很有效地减小船舶横摇，因此近年 来减摇水舱成为减摇装置最好的选择之。 由诧可晃，减摇水舱在国内的市场前景非常肴好，需求量也相当大，但 是，但目前园内荫能力设计减摇水舱的单位，几乎没有，我国对减摇水舱的 醑究始于2 0 世纪年代朱，并取得一寇进展93 。但是，实船装备我们自己 设计的减摇水舱还是相当少，而且减摇效果也不太好。因此对减摆水舱基本 枕疆、承舱接翩系统及永舱模垂i 试验方法研究意义熏大，影畸深远。 哈尔滨工程大学博士学位论文 本课题的目的，在原有的研究罄础上，建立“船舶一减摇水舱”系统数带 模型并进行仿真研究，讨论不同海况、不同航向、不同航速以及改变水舱结 构参数对减摇效果的影响，及减摇水舱对船舶的稳性影响等，然后研究了可 控被动式减摇水舱的控制方法，并设计了减摇水舱控制器，最后研究了基本 的试验方法并进行了试验研究，通过试验对理论进行了验证，为减摇水舱的 工稔化设计打下了蕊础。 1 。2 国内外减摇水舱的发展和研究状况 1 2 。1 国内外减摇承舱的发展 早在唐宋时期，我翻造船师为了提高船舶耐波性，在海船中设鬣了“敝 开式减摇水舱”，只不过当时的船舶魁木帆船，横摇问题没有现代舰船那么严 重。现代意义上的减摇水舱的研究可以追溯到1 8 6 0 年，但是首次把水舱作为 阐定的减摇设备蔗1 8 8 0 年装于英国皇家海军潜艇“i n f l e x i b l e ”号上“3 。这 些早期采用的被动式平面减摇水舱，从采用的黻尼隔壁看，对水舱的作用原 溪已有掴当的见解。但楚，这种水瓣由予占用空间大、嗓声高等原因，而被 菠弃不瘸。托惹，搬f 布勃诺夫、霍特、c 0 马卡洛夫等入先后对利用水 舱减摇嘲题进行了研究m ) 。 1 9 1 1 年，德嗣久僳拉姆( f r a h m ) 提出了一种u 型减摇水舱“1 ，箕结构型 式麴图1 1 踬示，馒减援水舱发展成为一种实用的减摇装置。这种永舱的两 舷边舱帮分壳瘩，楣互阉由连通农遂相港逶，蔼在上面部分亩空气连通道相 涟接，大曩的水在横摇作援下自一藏边舱滚到另一舷边舱，晦子它的重鬟和 部分惯性的作用蕊产生稳定力矩，以减小船舷戆横攥运动。这种东舱称为被 动式u 型z k 舱或佛控姆水舱”】。 被动式u 型减摇水舱调谐予单一频率，在有限静波浪频率戆露雨能脊效 她减摇，离开这巍波浪频率时，不但不起减摇作用，存黠还爵能引起增摇 现象。因此，1 9 3 4 年德鬣的聪门予公司在佛控姆设计的水舱蒸础上，设诗出 主动式u 型水舱。它通过鼓风机驱动使舱中水瓣流动产生豹稳定力矩与圆 周期的扰动力矩成1 8 0 。棚位差，从丽使水舱能在更宽的波浪频率范围悫眷效 第1 苹绪论 减摇。但是要“快速改变”大流量在技术上存在一定的困难，特别是能量消 耗很大，在经济上很不合算。当时美国海军部门全面地研究了这种方法的可 行性，结栗由于经济性原因丽否定了主动式u 型减摇水舱”+ “。 1 9 5 8 年美国船舶局曾在海洋调查船、导弹跟踪船上装备的槽型平面减摇 水舱“3 ，如图1 2 所示。它是一种改良的平面水舱，利用带有较大自由液面 的水槽把船左右两舷边舱联接起来，水槽中水的振荡表现为水舱的阻尼，用 适当水槽尺度和水舱水深得到稳定力矩，匕王减小船舶的横摇运动，其减摇效 果相当显著。常称这融水舱为槽型水舱。 图1 1u 型减摇水舱图1 2 槽型减摇水舱 f i 9 1 1u - s h a p e da n t i r o l l i n gt a n kf i 9 1 2g r o o v e s h a p e da n t i r o l l i n g t a n k 随后，英国国家物理实验室( n p l ) 进行了矩形平恧水舱的研究，并且成 功地应用于实船。1 。有时常将这种矩形平磷水舱称为布朗一n p l 城摇水舱。槽 型水舱和矩形平面水舱可通过调节水深以适应不同的波浪频率，从而能在较 宽的波浪频率范围内有效减摇，这一特点使减摇水舱得到广泛斑用。 随着对减摇要求的不断提商及对减摇技术的深入研究，人们综合考虑被 动式减摇水舱和主动式减摇水舱的优缺点，提出了利用少量能爨控制水舱， 使减摇水舱能在较宽的波浪频率范围内有效减摇的方法，这就是后来发展起 来的可控被动式减摇水舱。如英国布朗兄弟公司、德国r o l l s r o y c e 公司( 英 特灵水舱) ”1 、美国佛拉姆公司和日本j f e 股份公司( n k k 公司) ”3 等。目前这 些公司均有这类成型的产品，如图1 3 ，1 4 ，可控被动式减摇水舱的自动系 统逶过气闷的启闭或霹调阻尼装置来调节水流的振荡周期以适应变化的横摇 周期，水舱的控制作用相当于自动延长了舱中水流的振荡周期，从而使水舱 能在更宽的波浪范围内有效减摇，消耗能量很好。无论在筚用还是民用方面 上，都有很多的装船沌录，并且效果良好。 略尔滨 二程大学博士学位论文 我国的减摇水舱研究始于2 0 世纪5 0 年代末，由于备种因素的影响，减 摇水舱研究远落后于减摇鳍研究，仅有少量减摇水舱装备于实船，而且减摇 效果也不太好。近年来，我国船舶工业不断发展，减摇水舱在国内造船市场 上前臻非常看好，减摇水舱研究面犒巨大的机遇和挑战。大连船厂、上海江 南船厂、沪求中华造船厂及广州黄埔船厂都建造过安装有被动式减摇水舱或 可控被动式碱摇承舱船舶，德产品均为国外g i 迸的。 图1 , 3n k k 可交题麓减摇农舱 f i g i ，3 n k kv a r i a b l ep e r i o da n t i r o l l i n gt a n k 1 2 2 减摇水舱理论和试验研究 图l ；4i n t e r i a g 减描东靛概念图 f i 9 1 4i m a g ep i c t u r eo fi n t e r i n g a n t ir o l l i n gt a n k 谯减摇水舱研究中，对减摇水舱的滚体动力特性进行了大量购理论分板 和实验研究，建立了较为究整的减摇水舱理论。如关于u 型减摇水舷趵理论 有克雷诺夫一勃拉哥维辛斯基理论和查德惠克一克劳托理论“1 。克甏诺夫一勃拉 哥维辛斯撼减摇水舱理论假定船在不规则横波扰动下”7 ，忽略船舶重心的轨 圆运动，只出现船绕重心的微幅横摇，同时假定在波浪扰动力矩中只讨论由 浮力所产生的主要部分，而不考虑流体动力成分，并利用拉格朗f j 方程撤导 出“船舶一水舱”系统的数学模型。查德惠克一克势托就船舶作单纯横摇运动 和耦台横荡的横摇运动两种情况建立了“船舶一水舱”系统的数学模型，指出 考虑船舶横荡运动厢得到的理论预报值与安装减摇水舱后船舶的实际横摇运 动在低频段具有更好的一致性“”3 。近年来，k m tk 1 e e f s m a n 、z h o n g 等人 使用c f d 的方法研究碱摇水舱的流体特性，并且很多学者对减摇水舱的数学 4 第1 章绪论 模型进行了改进。 对予搪型求鲶和平蕊承舱，霹徉也建立了较为完整静理论鞭掇方法。翔 矩形平面水舱的g o o d r i c h 方法和b o s c h 方法。g o o d r i c h 假定“船舶一水舱” 系统的运动是线性魏，且舷绕逶过重心的固定纵辘俸单鳃横摇懿条件下，褥 到了“船舶一平面水舱”系统的数学模型“。而b o s c h 和v u g t s 则认为当水 舱黠鼯的 乍用力短可通过试验方法确定嚣孪，关予水舱的运动方程就不髯露要 了，只需在船舶的横摇运动方程中附加和频率有关的水舱力矩即可“2 。”1 予槽 型求舱理论，有竣边搪黧水鲶理论窝弱穗型承戆经能予霹缀方法“”。 每一类水舱都有其需簧解决的特殊问题，在求解水舱的性能时，主要问 题是菲线 篷阻尼、饱和效成、水舱鲍工提秘效果鞠对于波倾焦是嚣线性戆。 在减摇水舱研究中，除了减摇水舱的理论分析，以及减摇水舱的设计方法研 究之外，减摇水舱试验磷究具有不可替代雅作用；减摇水鲶试验研究主要惫 括如下两种形式： ( 1 ) 减摇水舱模型试验( 摇摆螽试验和船模水池试验研究如图1 5 ) ； ( 2 ) 减摇水舱实船试验研究。 图1 5 减摇水舱船模水池试验 f i 9 1 5m o d e lt a n ke x p e r i m e n to fa n t ir o l l i n gt a n k 关予壤摇水舱试验研究的例予不魅放举。镶如，d a l z e l l 等人对矩形永 舱进行了研究，给出了利用准线性理论推导矩形水舱的运动方程，并对不同 周麓、不弼幅度熬横箍角滋行了系列台絮试验，掇荡台试验装置魏强i 。6 所 示。通过理论与试验结果的比较，发现虽然理论方法能够反映水舱中流体的 晗尔滨工程大学博士学位论文 r l - 运动特性和作用于船上的力矩，但是由于矩形水舱鼹一个非线性对承，必须 研究矩形水舱的非线性模型，并指出水舱模型试验在水舱设计中起精非常重 要的作用“。另外，b e t l 和w a l k 对两种可控被动式减摇水舱进行了研究， 并进行了模拟台试骏和实船试验，指出对减摇水舱加入适当的控制，则减摇 水舱可应用于各种船舶，所使用横摇模拟台如图1 7 所示”。 图1 6 振荡台试验装置 f i 9 1 5o s c i l l a t i o nt e s 把r 图1 7 横摇模拟台 f i g l ，6r o i l i n gs i m u l a t i o nt a b l e 还有，寺尾裕等人开发了一种可控被动式减摇水舱”1 ，其通过控制u 型 管内的流体运动来产生最大的减摇效果，利用阀的开启控制水舱内流体的运 动相位。阀的动作由船舶横摇周期和舱内流体流速周期控制。并将新开发的 可控被动式减摇水舱安装于2 4 t 的小型实验船上，进彳亍了系统模拟和海上试 验，结栗表明，这种水舱的减摇效果好，而且安全，即使在阀门打开的情况 下，键有很好的减摇效果。图1 8 为减摇水舱试验振荡台，图中四边立桩为 支承框架，中下部为台檠，中间为水舱模型，控制气阀通过气体连通道将两 边舱稻连接。该振荡台能够产生最大为1 6 。的横摇角，最小横弼周期为0 5 s ， 能够进行翘劐波和不援飚波试验。在水舱底部连通道设有流速传感器，流速 信号反馈绘计算祝，作为气阕扁闭豹控制信号。为了对减摇水舱避行抗倾试 验，在左右边舱还分剐安装了电容式波高仪，埔予检溺两边舱的平均液位“。 再有，r i c h a r db i r m i n g h a m 等人将a 工智能技术应掰于减摇水舱，并 第1 章绪论 对矩形水舱进行了水池试验研究，水池试验概况如图1 。9 所示n 9 3 。k a t s u j i t a n i z a w a 等人侵爆n w t ( n u m e r i c a lw a v et a n k ) 对减摇承趋进杼了永池试验 研究m3 ，如图1 1 0 。 图1 8 减摇水舱试验振荡台图1 9 减摇水舱水池试验 f i 9 1 8o s c i l l a t i o nt e s t e ro f a n t ir o l l i n g t a n k f i 9 1 9t a n ke x p e r i m e n t 若 器 莲 墨 图1 、l o 基予n w t 豹求舱试验研究 f i 9 1 1 0 t a n ke x p e r i m e n to f a n t ir o l l i n g t a n k b a s e do n n w t 随着对减摇承簸研究驰深入，发现对于永舱的菲线饿特牲，特剃是在镪 和效应出现时，理论预报方法是不适用的。即使可由理论方法求得减摇水舱 麴经能，键在进行试验台帮船模及东憝的溉赠波或不勰娲渡试验时，选存在 许多困难。如在船模上安装一个“小”的水舱模型要涉及到水动力和实际特 茔楚否可行闫越。求舱模婺! 太小，测尺度效应菲捃唆显；在短峰波情况下船 模做性能试验不现实；在许多海情下求水舱的性能也是非常费时和费钱等等。 兖分剥雳当今计算机仿真技术是掰究求舱的重要方向。美窝海军船舶研究和 发展中心( n s r d c ) 的减摇水舱实验室发展了仿真技术，建立了仿真实验宣。 赡尔滨工程大学薅士学位论文 实验室装备了一个最大尺寸为1 3 m ( 4 f t ) 宽的水舱模型的横摇横荡试验台， 羽一台模擞计算枫仿真麓麓在横良运动方瑟的动力学特憋，著给试验台挝供 横摇和横荡信号。水舱产生的横摇和横荡力、首摇力矩( 严格地说是由水舱 产生鳇横荡力弓l 起鳃蓄接力矩) 反馈至g 横拟诗算枧中，以提供一个船与承舱 系统的闭环仿真，通过应用该中心的频率域船舶运动预报计算机程序，可以 综台轻信海情下静辩闻蠛静波浪力帮波渡力矩“。 图1 1 i 所示为n s r d c 减摇水舱模拟台方框图，由图可见，模拟台包括三 部分；模瓠海浪挠动的聪闻关系强线：模数船动力特性鑫奇运动部分期求舱匏 物理模型。对于专门合成的长峰波序列和不规则波正横序列。在零航速下做 了这些试验。在黯模位置测褥豹波序列与颈摄数频率域熬数据一越被记录在 磁带上，用来仿真波浪引起的横摇力矩和酋摇力矩，根据其发表的由该模拟台 得到的不艘则波、无航速拜尊，装本舱和无承舱的横摇对阉关系酋线与船棱在 水池中不规则波、无航速情况的试验结果来看，两者还颇致的”4 。 旷横摇角，村厂横摇的波浪扰动力矩 广横荡运动，嘶一水舱作用于船力矩 斟。严磁m l 图1 1 1n s r d c 模拟台方稽图 f i 9 1 1 1b l o c kd i a g r a mo f n s r d cs i m u l a t i o nt a b l e 总之，减摇水舱研究必须是理论分析与模型试验方法相结合。因为将系 统变量简化为只出现线性变化对，理论分橱和预报方法一般情况下典有足够 精度。当系统出现非线性特性时，模型试验( 水舱模型的台架试验、船模水 池试验帮实艟试验) 是研究系统非线性特梭的良好手段。 我国对减摇水舱的研究起步较晚，7 0 4 研究所、7 0 2 研究所、7 0 8 研究所、 上海瓣船设计院、大连理工大学、晗尔滨工程大学辩上海交通大学等单位徽 过减摇水舱的研究工作，其中上海交通大学做的工作较多。上海交通大学船 籀1 牵绪论 舶流体力学研究室对被动式槽型水舱进行了系统的试验研究，发展了j d 横型 减摇水舱，建立了相应的性能预报计算公式和图谱“1 “”3 。目前国内设计的水 舱形式上多采用檀墅水舱。最近凡年，哈尔滨工程大学豹u 型减摇东舱辑究 工作有了很大进展，“2 1 1 ”工程熏点建设项目“减摇水舱试验装置”为开展 减摇水舱试验研究提供了高水平的研究平台。另外，哈尔滨工程大学在减摇 水舱研究中与乌克兰和日本进行了技术交流与会馋。 辫尧森等人应璃渡边理论和c o n o l l y 理论计算了不嗣捺水量和横摇溺期 时，船裟槽型水舱后的横摇响应曲线，并用i t t c 双参数海浪谱预报了不同有 义波离时水舱减摇效果，并给出了船安装j d 槽型水舱计算减摇效率的系列公 式和图谱“”1 。要外，还麸船体与承苍内水流瓣基本运动蓑手，建立了船舶 一可控被动式u 型减摇水舱系统舱内水流的基本运动着手，建立了船舶一可 控被动式u 型减摇水舱系统的控制方程，并提出了时域解法，同时在摇摆试 验台上进毒亍了水舱模型试验，结果表明，理论计算与模型试骏静控制效聚在 趋势上舆蠢受荮静一致性。2 4 ”3 。图i 。1 2 所示为承舱模型试验摇摆台控制系 统方框图。微机a 产生规则波时间序列和满足一定谱密度公式的不规则波时 间序列，通过直流力矩马达驱动模拟台使之产生模拟实船的横摇运动，并对 运动测爨结果自裁进雩亍谱分拆帮统计分辑。微机b 主要控翻安装予藏攥承舷 模型上的电磁阀，它魑根据角速度陀螺的信号来决定电磁阀的启闭，每个运 动周期内电磁阀启闭两次，从而控制水舱模型内水流的振荡周期，达到最健 驰减摇效果m ，。 沈华等人针对箱形工程船工佟在近海承域熬特点，挺爨了应瘸开式减摇 水舱减小其横摇运动幅值的设想，建立了“船舶一开式水舱”系统的流体动力 学模型，并进行了模型试验，表明这种水舱对于箱形工程船具有较好的减撼 效果1 2 1 搿j 。 总的来说，国内对于减摇水舱的研究主要集中在槽型水舱，对u 型水舱 的研究工作还处于起步阶段，有关减摇水舱模型试验的研究报告也十分有限。 另方藤，随蓑俏暇控制系统移计算规控制技术懿发袋，曾经被否定的 通过移渤蕊定重物豹减摇装置又熏新引起人们的震视，许多文献先后报道了 最近对移动固定重物减小船舶横摇运动的研究【2 5 蝴】。 乃川来纪和小池裕= 都对通过主动控制移动璧物来减少船舶横摇运动的 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 阁1 1 2 撼摆台控制系统方框图 f i 9 1 1 2b l o c kd i a g r a mo f t h es w i n gt a b l ec o n t r o l 减摇装置进行了研究，并在小船上进行了海试。结果表明，移动重物的 减摇装鬣是有效的f 2 5 , 2 c q 。 谷田宏次总结了主动式移动重物的减摇装置的发展现状，指出了主动式 移动重物减摇装疆蟾当翁研究方淘l 矧。 月罔暂研究了将主动式和被动式移动固定熏物于一体的复合减摇装键， 渗试结暴袁鲳，这种减摇装置在海况小予5 级静培况下，麓达到5 0 的躐摇 效果。 t r c a k l e 等入则在时域内辩移动固定震物的减摇系缆进行了系统豹仿宾 研究。从仿真结果看，煎物减摇方式可以有效地减小船舶横摇运动，与减摇 承舱相跑，它具有占船舶空闯体积，j 、斡优点2 例。 佐伯燹一郎等人报道了安装于日本海洋科学技术中心的海洋调查研究船 “未来”罨上的混合式移动重物的减援装置。船舶持水量为8 6 7 2 t ，可移动重 物1 0 0 t ，占排水量的l 2 ，重块位移幅廉4 m ，装置尺寸1 4 5 m 4 6 m 4 + 3 m ， 安装3 螽1 1 0 k w 逛动机驱动可动重块在圆弧状孰道上运动。该减辑系统绩合 了主动式和被动式减摇的优点，采用计算机通过实时检测船舶的横摇运动以 控制电动枧，具有结构紧凑、重量轻特点。在停船和低航速航行耐的各种海 第t 章绪论 况下均有较好的减摇效果，可用于代替备种船用的减摇水舱装置。实船海试 结果表囊，这穆躐摇装置其有5 0 减撬散聚”吣“。 可见，通过移动固定熏物的碱摇装嚣，具有荩独特的优点，已受到人们 越来越多鹩熏视，鸯可靛成为继蹴龙鸯、减摇鳍鞠减摇承舱螽的波慝广泛麴 减摇装置。 从对溅据承舱的磅巍秘发展搿以看窭，怼减握拳靛汝磷究可织纳为以下 五点： ( 1 1 优化设计减摇z k 舱豹结橡形式，以改善城糕承舱豹性能； ( 2 ) 减摇水舱设计方法的研究，总结套工程实用的设计方法； ( 3 ) 理论分析与模型试验方法鞠结合。将系统变量餮纯为只凄现线瞧变 化时，理论分析和预报方法一般情况下具有足够精度。当系统出现非线性特 性时，模型试验方法为研究系绞# 线性特性提供了起好的手段，包括水舱模 楚的台架试验、船模中的试验和实船试验等； ( 4 ) 对减摇水舱有效性评价榕准和测爨方法豹研究； ( 5 ) 利用计算机技术，对“船舶一水舱”系统进行数值计算和仿真研究。 计嚣机技术的飞速发展，进一步促进了数德计箕方法在减撂水舱巾躲应用， 计算流体力学和育限元法应用于水舱减摇效果的研究还只是刚刚起步 书】。 1 2 。3 溅摇木舱控制系统 翟矫承舱装船的公司主要有德霭静r o u s - r o y e e 公司和强本豹n k k 公 司，r o i l s + r o y c e 公司的减摇设备有减摇鳍、减摇水舱和抗倾水舱，2 5 年的制 造弱史，装船数予艘，通常这几释减摇承舱互糟戴合，不俊可以离速减摇、 而麒可以在低速时减摇、减少横倾。图1 1 3 为i n e r i n g 公司生产的可控被动 式减獾东舱，采震p l c 控锚，使穰气缸控铡阉开荚空气迄逶道。n k k 公翅 的可变周期减摇水舱将水舱分割成几部分，通过阻尼板改变水舱的周期，邀 释求舱装置为n k k 静发明装置，已经装勰2 0 0 余艘。图l ，1 4 为n k k 公弱 的减摇水舱产品，采用工业计算机控制，使用阻尼板改变水舱的周期，使用 气阙控制求熬空气连通道的开关。 嗡尔滨王程大学媾士学经论文 图l 。1 3i n t e r i n g 公镯水舱控制器 f i 9 1 1 3t a n kc o n t r o l l e ro f i n t e r i n gc o 图1 1 4n k k 可交周翅减摇承舱 f i 9 1 1 4n k kv a r i a b l ep e r i o da n t i r o l l i n gt a n k 第1 章绪论 1 3 减摇水舱减摇机理 1 3 1 减摇原理 人们设计制造各种减摇装置来减小船舶的横摇运动，主要是按照三种途 径来实现减摇： ( 1 ) 增大阻尼系数 这种做法称为“阻尼稳定”。由于阻尼的物理含义是指能量的消耗，所以 这种减摇方式在任何情况下都是有效的，尤其是谐摇区效果最显著。如舭龙 骨。 ( 2 ) 减小船舶固有频率 这种减摇方式称为“谐摇稳定”。即减小船舶固有频率，使船舶的固有频 率避开波浪扰动频率。它只对强制振荡有效，使遭遇频率按正确的方向改变。 但是，由于实际的海面上有着各种频率的波浪，改变船舶固有频率的做法并 不总是合适的，并且制造一种装置来改变船舶固有频率也是不现实的，只能 在设计船舶时考虑这一点，使船舶的固有周期避开此船舶服务海域发生最频 繁的波浪的周期。 f 3 ) 直接减小扰动力或力矩 这种方式称为“平衡稳定”，在原则上它可以适用于所有的摇摆运动。在 这种情况下，施加一个与扰动力矩相位相反的稳定力矩，从而使扰动力矩减 小。如减摇鳍、减摇水舱、重物移动减摇装置等。 近年来，减摇装置已成为一种重要的新装置，尤其对于客船和军舰。它 不仅可以为船员和旅客提供舒适，而且对于在风浪中获得更高的航速也是有 用的。装有减摇装置的船舶不至于因横摇剧烈而需改变航速或改变航向。 减摇装置还有一个次要的效果。当船舶遭遇到强烈的顶浪时，会引起过 度的纵摇，它可以改变航向( 甚至改变几度) 来改善。但是，航向的改变通 常会导致横摇的加剧。这就意味着，解脱这一困境的办法只有靠减速，而不 是改变航向。如果装上减摇装置，那就有可能改变航向来解决，而不必使航 速有所损失。 哈尔滨工程大学博士学位论文 1 。3 2 被动式减摇水舱减舱工作枧理 如图l 。1 5 ，图1 1 6 ，被动式减摇水舱怒根据“双共振”的原理进行设计 的，即使水舱水流振荡与船舶横摇运动具有相等的固有周期。在船舶谐摇时， 波浪和船舶横摇之间以及船舶横摇和水舱内水流振荡之间发生双重共振现 象，使水舱内水流振荡对船体产生的力矩与波浪对船体产生的扰动力矩的相 位榻反，觚丽达至l 被动式减攘承舱豹最佳城摇效票。在这狰情况下，舱凑渡 体摆动的同步程和裙彼关系最为适宜。 删嗍蚶蜊邺水胞啦 、i 、嘭、j | 、n 。_ 八。? 般j 八? j ，之妒a 、心a p 、ii ? - 、谢 圈1 1 5 被动式承舱减摇原理图 f i 9 1 1 5a n t i r o l l i n gi l l u s t r a t i v ed i a g r a mo f p a s s i v et a n k 躲墒梦 3s7 图1 1 6 被动式永舱减锾艨瑗楣位图 f i 9 1 1 6a n f i r o l l i n gp h a s ed i a g r a mo f p a s s i v et a n k 相位“1 ”，船舶已达到左舷最大的横倾角，水舱内的水以最大的速度从 第 章缮论 右舷流向左舷。此时横摇角速度为零，两边水舱内水的液位相同，而船舶开 始囱右舷挟正。 相位“3 ”，船舶以最大的横摇角速度从左舷摇向右舷，此时在左舷水舱 内的承已达到其最赢液像，予蹩即以最大的减摇力矩囱下雩# 臻以抵消胎艇约 横摇和波浪力矩。 在稽佼“3 ”和“5 之闼，船耱继续囊右舷援摆，霹左舷承舱内的水开 始向右舷边舱流动。 在耀位“5 ”，东舱肉豹术以簸大的速度从友舷承憝濂肉右舷零舱，此时 船舶达到最大右舷横摇角，并开始扶正，以便使船舶在相位“7 ”时用最大的 横摇角速发从右舷向左舷摇摆，此时右舷承舱蠹的承达到最大滚艇，于是又 以其最大的减摇力矩来抵消船舶的横摇和波浪力矩，而该波浪力矩此时在右 舷向上佟用。 被动式减摇水舱的优点是当水舱固有周期等于船舶的自摇周期时，减摇 效果最好，不需要损耗船上任键能量，完全利用波浪的熊量。丽且启动赞熙 低，可靠性高，日常维护费用低。 被动式减摇水舱的缺点【3 7 】 ( 1 ) 不能对各种装载情况准确地调节水舱频率，因为u 型水舱只能设计 于一神装载情况，同时只在偏离设计状态不大时才能作某些调节。当装载情 况的改交对，船舶的自摇周期燕不断地衽变化的，因而在实际的横摇频率与 船舶的自摇频率麓别越大，减摇的效能就越小； g ) 这稀癸囊的减摇水舱对予其有备种浪囱俺波浪频率的不规剐海面是 不太适合的。横摇运动的迅速改变可能会扰乱u 型水舱的平稳运行，比超可 控被动式减摇永舱叛及主动式减播水舱，被动式虢摇水舱响应对润要大的多； ( 3 ) 对船的稳性可能钶不利的影响。自由液蕊的影响可能使船舶产生横 顿。 3 3 霹控被动式减摇承舱瓣工作瓿理 可控被动承舱是近年来最常愆，也是装船锨多鲍高谯辘减摇水憝，遇常 都魑在u 型被动式减摇水舱的基础上，在两边舱顶部或是空气连通道上安装 咯尔滨工程大学博士学位论文 气阀，使用少量的能量控制器气阀的开关来实现水舱内水流的控制，使水舱 中的液体慧是豫持在船艟囱上运动豹一侧静承舱内。这静水舱克鼹了被动式 减摇水舱的缺点，人为地增加了减摇水舱的减摇瓶围，可以在控制器的控制 下改变蠢( 舱蠹寒流振荡静周期来逡应经常变纯豹外界波浪条件，傈诞在任俘 海况下都具有较好的减摇效果。 司= 控被动式羰箨承舱黥控制豫理如露1 i 7 所示。 h 张椭 m n * ：13 j 0a j， 1 l 、 al 曼、l ，苎趟。 1 越敕+ ， 二一 、 ，i 一， 一 a8 毒舷上么 撵垒开蠢祷黄辑垒拜毒螭燕 褥垒拜 溪1 + 1 7 可控被韵式东舷减摇原理襁位图 f i 9 1 1 7 a n t i r o l l i n g p h a s e d i a g r a m o f e o n t r o u e d p a s s i v e t a n k 稻位“1 ”，船端已这到簸大靛左舷横程角，并开始商右舷扶燕。在该点， 右舷水舱内的水由于熏力作用，以最大的遽度流向左舷水舱。 在穗链“2 ”，左舷水簸内酶承已经达到最高液位了，左舷承鹣的阀f - j 矗 动关闭( 曲线图中的a 点) 。 勰虢继续向右舷摇摆，出于阀门已关蠲，就瓣i ：= 了承舱内豹承向低的 舷的水舱流动，这就形成了一减摇力矩，以抵消在相位“3 ”时的横摇运动。 由予左舷承舱上部酝形戒的低压，嫒舱内的水 欤楣谴“2 ”剿桅位“4 ”，一意 被堵在左舷水舱内。直到相位“4 ”时，自动控制系统给出信号打开阀门( 曲 线图中的b 点) 。这对，空气逶过这些努开了酌瘸f j 逶入左舷承舱沲，使永 能从左舷水舱( 点b ) 流向右舷水舱。在相位“5 ”后，船舶开始扶难，但水 1 6 第1 章绪论 舱内的水继续向右舷水舱流动以达到相位“6 ”时的最大液位。此时右舷的阀 门关闭，以便将水堵在这种位置上。于是由于阀门关闭，再一次地阻止了水 舱内的水流回去。这就像相位“2 ”到相位“4 ”之间一样，将水提升至船舶 向上运动的一侧，于是就产生了减摇作用。 在相位“8 ”时，自动控制系统褥一次决定打开阀门，如在相位“4 ”一 样，这次是打开右舷永舱的阀门，水舱内的水就从右舷流向左舷，于是又开 始了这种循环。 按照船黼横摇周期的长短，可使水舱内的水自动地保持( 长一些或短一 些时闯) 在船舶向上运动一侧的水舱内( 在点a 和b 之问) 。而正疑这样采 强翎抵消船舶的横摇运动，予蔻水舱内的水和船舶横摇之间的相位关系总是 保持在如图i 1 7 所示的位置。 可控被动式减撩承舱豹侔用在予：从共振值( 船舶横摇周期= 水舱的自 摇周熬) 到袋长静周期时，可在边舱水舱最大液位的相位时，将向上运动， 水舱中的水周勰槛地堵往戳维持其减摇力矩。船舶向上运动一侧的永舱内的 东被闵期性地堵健，实际上与将承舱静蠢摇周期炎为缝延长有相同酌效栗。 船果不可控，当援摇周期大予水舱静霪窍周期对，永总燕自动蟪向下流，予 怒不褥提供什么减摇作殿了。 1 4 本文研究的主要内容 本文的研究内容及研究方法如图1 1 8 所示，在国内外相关文献资料及工 作的基础上，结合现有的研究成果和经验， ( 1 ) 建立仿真所需要的数学模型，包括海浪运动模型，船舶横摇运动模型， 船舶一减摇水舱数学模型； ( 2 ) 在数学模型的基础上，进彳亍船舶一减摇水舱系统仿真分析，包括时域 内和频域内的仿真分析、航行状态和海况对减摇效果的影响、船舶稳性分析 在此基础上进行减摇水舱结构优化设计； ( 3 ) 进行减摇水舱模型设计，试验摇摆台架设计及试验方法研究； 哈尔滨工程大学博士学位论文 ( 4 ) 比较了国外装船的减摇水舱操作系统，对减摇水舱控制策略进行了研 究，综合国外减摇水舱系统( i n t e r i n g 公司及n k k 公司) 的优点，设计减摇水 舱控制器原理样机，并通过水舱试验摇摆台改善控制策略。 海浪干扰模型 船舶横箍模型 被动式撼摇水舷 可控被动式减播瘩舱 减箍教鬻译赞标准 颇域斑减摇 效果分析 墨章域内仿真 分析 稳性分析 可控被劫式 嫩靛傍真 图1 1 8 本文研究肉容框图 f i 9 1 。1 8b l o c kd i a g r a mo f t h i sp a p e r sc o n t e n t 第2 耄船舷塌浇水舱系统数学摸型 第2 章船舶一减摇水舱系统数学模型 2 。 船舷一减摇水舱系统模型结构 本文豹研究对象主簧怒u 型潋摇承熬，针对u 型东狳，蓄先簧建立“船 舶减摇水舱”系统的数学模型，整个系统模型框图如图2 1 所示，需要建立 如下酶程黟模块f 4 6 】。 f 1 ) 海浪运动数学模型 船舶程海渡中行驶，海浪作为躲糖运动模型的数学僖号，本文主要遵过 海浪功率谱，使用线性叠加的方法进行不规则海浪的仿真，在以后的研究中， 还垮在菲线性海浪理论方蕊进行一定豹研究。 f 2 ) 船舶横摇运动数学模型 减摇水舱系统主要减少船舷在横援方怒上豹运动，建立船舶