冯亮SRDP项目申请书.doc

项目分类：自然科学类课题来源：设计项目名称：14米级高速救助艇设计项目所属院系：工程学院项目开始时间：2016-6项目结束时间：2017-教师工号：2012040申请理由：经过在大学多个学期的学习，各位组员已经学习掌握理论力学、材料力学、流体力学等系统的理论知识，拥有一定的基础知识的积累；在小学期期间，各个同学也都进行了金工实习，对于工程机械的工具等也有了简单的应用基础，实践能力、动手能力以及理论分析能力都有一定的基础。而且小队成员都为船舶与海洋工程专业，并且在专业老师的带领下自学了一些关于船舶方面的专业软件（如tribon、fluent等）和船体制图，对于船舶的整体把握上要比其他专业更有见解，指导老师冯亮也是在船舶方面的优秀人才。同时，队伍中还有一名参加过全国海洋航行器设计与制作大赛D类名船名舰仿真的队员，在实物模型建造方面有丰富的经验。每一位组员都很渴望在大学期间通过srdp项目进行自我展示，显示自己的能力，在各位组员的不懈努力下，方案逐渐浮出水面，在此期间，我们团结协作不断讨论研究完善方案，显示了良好的团队协作精神，认真工作的良好素质。当然，参加本次srdp项目更重要的目的是为了更好地锻炼自己的动手能力、实践能力，充实在大学期间的生活，促进自己大学的学习生活，增进理论和实践的紧密结合。目的及意义：随着我国改革开放进入深水期，进军海洋必然是我们的发展目标之一，伴随着海洋工程建设，沿海渔业及旅游，娱乐设施的发展，必然要求我国海上救助事业与之适应。当代世界上发达国家的海上救助都非常强调时间和效果，希望在事故发生的第一时间能快速到达海事现场，并能有效开展救助工作。人命救助的关键是时间,而我国目前救助站点建设和船舶配置远远不能适应救助任务的需要,因此在我国发展高速救助艇是非常必要的。高速救助艇对快速性、稳性及操纵性要求极高，此外船上的医疗救助配套设施也占有重要地位。而且我国也是一个海洋大国、拥有漫长的海岸线和星罗棋布的岛屿，为了完成我国领海水域的遇险人员人命救生任务以及对沿海200 海里专属经济区海上作业人员的生命保护，需要大、中、小型各类救助船进行分工协作，对于如此广泛海域、广泛救助对象、协同作业的需要，高性能救助艇是一种很合适的船型，相对而言，它造价低廉，对航道和水域的限制条件小，在沿海水域各种海难事故中将会大有作为。所以引进、开发小型高速救助艇具有极为重要的现实意义。目前我国不仅拥有吊架式全封闭救生艇、自由降落式救生艇、快速救助艇等各种艇型的救生、救助艇，而且涌现出一批品质优良、规模较大的具有国内自主知识产权的救助艇制造商。同时，我们引进了国外知名品牌的救助艇制造商，为我国救助艇产业提供了有力的支持，但我国的救助艇在设计制造上仍处于被动地位，技术创新及产品研发落后于发达国家。要实现我国救助艇产业的健康快速发展，我们不仅要引进、借鉴国外的制造经验，还要突破自己的发展瓶颈，大力创新，研发出具有高性能的新船型。基于此，我们小组打算设计一款以人为本、科技含量高、节能环保的高速救助艇，希望这款救助艇在速度提升基础上有更好的稳性和高效的救助能力。内容与方法：2.1具体包括以下研究目标：设计一款以人为本、科技含量高、节能环保的近海高速救助艇，该艇配备优良医疗设备和专业医护人员，最高航速能达到35节以上，并且能适用于5级海况以上、风力12级条件下的作业，在成本维护方面可实现降低同类船舶建造维护成本费用的3个百分点，尤其自身在恶劣海况下的生存能力高研究内容包括：2.1.1 船体结构设计本船体具有作业海况恶劣等特点。在其使用期内可能遭遇较强风浪流的作用，这些作用一旦产生，将对结构和产生不利的影响。船体结构设计就是对船体结构的构件尺寸，根据所承受的载荷与能力进行计算和校核。我们从安全性、适用性、环保性、快速性、工艺性、经济性等方面，利用TribonM2软件对船体进行初步设计。2.1.1.1船型设计由于该救助艇必须有良好的机动性和考虑到被救助者的救治，所以必须提高该艇的快速性、舒适性和稳性提高快速性：船首为前倾型首，船尾模仿军舰采用方形尾，减小水流的能量损失，形成虚长度，水线面系数较大，有利于初稳性，同时尾部排水体积大，有利于减小尾倾，结构简单、便于建造，最重要的是水流平缓地离开船尾，很好地降低阻力，提高了快速性提高稳性：在左右舷及船舯设置一定舱容的压载舱同时，舷侧的两个压载舱可以起到压载作用。而且，在船首设有淡水舱，当空载出港时，既可起到压载作用，调节船的纵稳性，。2.1.1.2船体材料由于该船设计的目的为了适应恶劣海况下的救援提高其救援的效率，于是为了提高它的速度和自身强度，所以打算采用玻璃钢材料，该种材料质量相对传统钢材来说小了很多，但强度不低，尤其适用于这种用于恶劣海况下实现高效救援的特种船舶2.1.1.3船体内部布置上层建筑方面：设置了几个功能不同的房间，有大厅、餐厅、重症救护室、艇员休息室、驾驶舱和卫生间，为船上人员的居住和医疗提供便利，实现了以人为本的建造理念。尤其是设置的重症救护室可为海上病危人员第一时间提供更加有效的医疗条件，从而了提高救助工作的高效性。舱室设置方面：在左右舷及船舯设置一定舱容的压载舱，舷侧的压载舱纵舱壁为水密舱壁，当舷侧破损时，水密舱壁可以防止海水进入舱内，从而提高了船的抗沉性，同时，舷侧的两个压载舱可以起到压载作用。而且，在船首设有淡水舱，当空载出港时，既可起到压载作用，调节船的纵稳性，还可提供淡水源，为船上的生活及医疗救治提供方便。为了上层建筑留有足够的空间，本作品将救助用具和其他生活设施设置在储物舱内，这样可以提高舱容的利用率，又为主船体的布置提供了便利。2.1.1.4动力装置本船为满足其快速性要求采用800kw以上功率的主机，并利用海上优质的风能和太阳能，打算在船上安置一套太阳能发电和风能发电装置，来提供船上生活用电，必要时候可作为备用能源 2.1.2 船体结构强度分析在船舶设计过程中，船体安全系数要考虑在第一位，以降低船舶作业中的风险。实现这一目标首先要考虑的就是船体强度。利用有限元法，不仅分析精度高，而且能够适应多种复杂形状。其基本思想是将求解域看成由许多称为有限元的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。对预设的4种危险工况进行船体结构分析。 船体放置入水时的危险工况冲上岸时的危险工况大风浪下行驶危险工况结构动力响应危险工况。在船体放置入水时，存在左右平衡失调，船体发生侧翻的危险。在船体冲上岸时，存在船首与地面摩擦碰撞导致船首破损和船首仰角过大导致船体发生后翻危险。船体在大风浪行驶时，考虑到海浪和风对船体的动载荷，船舶稳性和恢复力矩是否满足该工况下的要求，以及船体自身结构的动力响应。船舶的垂荡和纵摇受航向和航速影响很大。当迎浪时，遭遇周期减小，很可能接近船舶纵摇和垂荡的固有周期，从而产生“共振”，影响船体强度的危险。针对以上4种危险工况，我们将会利用Patran软件对其危险工况进行有限元模型的建立和强度分析。2.2研究方法包括：2.2.1利用Tribon进行船体结构设计Tribon系统是由瑞典KCS(Kockums Computer System AB)公司设计开发的一套用于辅助船舶设计与建造计算机软件集成系统。Tribon集CAD/CAM(计算机辅助设计与制造)与MIS(信息集成)于一体， 由于我们设计的是一个船体，通过TribonM3软件对所设计的船体进行建模、型线设计等。我们利用TrbonM3软件对我们设计的船体进行船体设计,包括线型光顺、船体平面模、船体曲面模、性能计算、零件分离等模块。对船体进行全面和具体的虚拟设计。初步完成本次船体设计。2.2.2利用Patran进行船体结构分析在进行船体结构分析时，有限元法是一种广泛而有效的数值分析方法，不仅精度高，而且能适应各种复杂的形状，而Patran有限元分析在船舶设计和建造过程中有着举足轻重的地位。Patran有限元分析的基本思想是将求解域看成由许多称为有限元的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，我们会针对设计的4个危险工况进行强度分析，从而得到问题的解。2.2.3利用犀牛进行3D虚拟模型设计通过模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法称为模型法。模型法借助于与原型相似的物质模型或抽象反映原型本质的思想模型,间接地研究客体原形的性质和规律。犀牛是当今较为流行的一种模具设计软件，主要是因为其功能强大，可以实现本次船体设计和实验的过程3D虚拟，通过动画的形式，通俗而且易懂。2.2.4利用fluent进行船体阻力分析用叠模法对船体的阻力进行计算，叠模法只能计算摩擦阻力与压差阻力，无法计算船舶的兴波阻力，兴波阻力由参考相似船型得到，阻力计算为大致估算。将gambit导出的msh数据文件导入fluent, 检查网格质量，并显示网格显示网格后要光顺网格，并设置相关的参数，并选定常流与端流模式。设置好相关参数后可以计算了，得到阻力系数曲线和相关的流场图片特色与创新：3.1关于整个船的构思特色：本船设计时由于要考虑到其特殊的工作环境，和性能要求，不仅是在船型设计方面通过前倾型首和方形尾来从结构方面减小其阻力提高其快速性，而且对于舱室的合理划分也提高了它的抗沉性和稳性在船上配置完备的医疗设备和医护人员，本艇的最终目标是为了救助那些在海难中的伤员，最大程度的挽救他们的生命，现实中往往一些伤者在没有当场死亡，而是因为得不到良好的医疗救助，死亡在送往陆地的返程过程中。所以能够在救助艇上得到第一时间的有效救助就显得尤为重要。本艇基于此设置完备的医疗场所，分别普通救护室和重症医疗室。3.2创新部分：本船上实现了太阳能风能和常规燃料有机结合的全新动力能源系统，充分利用海上丰富的风能和太阳能，利用这一部分清洁能源作为救助艇的备用能源，平时够用的时候就储存起来，应对突发状况，比如提供手术中设备的能源，最大程度保障伤员的治疗救护。独特的实验模拟流程（过程创新）：由于本队伍所拥有的专业人才较多，能够以专业知识的水准更好的解决3D模拟、实物制作的具体问题，将电脑模拟与实物模拟，将理论分析与具体实验相结合。所以，我们能够以更精准的数据、更完善的材料完成这一次项目。支撑条件分析：（1）7个组员都来自船舶与海洋工程专业，船体结构是我们的强项，船体原理、船体设计、 船体强度分析技术技术、材料力学、理论力学等学科都予以我们强有力的理论支持，而且经过3年的本科学习我们中大多数人都参加过船舶航行器方面的比赛，对于3维模型设计及实物模型制作方面有丰富经验，所有人都能熟练使用CAD软件，两人皆能熟练使用犀牛软件、Tribon、Fluent等船舶方面专业软件，机械结构、机械原理、机械设计、互换性测量技术等技术在动手设计船体时都予以我们团队更好的实践能力，当要购入材料制作模型时能够选择最优的方案（经济性）。（2）在船舶设计方面，TribonM2、Patran有限元分析等软件对于我们设计船体和分析船体提供了软件支持。在软件模拟和实物模型方面，solidworks,犀牛和CAD软件作为机械专业的必修技能，为我们提供了很重要的制图和模拟仿真的技术支持。（3）冯亮老师作为本科生的讲师，为我们提供足够的理论支持。同时冯亮老师是我们学校少数几个船舶老师之一，擅长TribonM2软件的应用，在有限元分析和船体设计方面很深的研究，冯亮老师也有丰富的工作经验，在生产工艺和研究上可以给我们很多帮助。（4）中国海洋大学工程学院的实验室完善，设备齐全，完成样机是得心应手的，同时我们还有慧鱼实验室，在一些机构的可行性研究上，我们可以在慧鱼实验室进行模拟和测试，进行研究分析。（5）图书馆资源、网上图书馆资源丰富，文献资源多而可得。目标与成果：（1） 运用TribonM3软件对船体进行设计，完成一个能够展示船体具体部位的3D虚拟模型，并完成船体总体设计书。（2） 运用Fluent软件完成对救助艇的各种环境下的阻力计算校核（3）运用运用TRIBON M2中的Calc&Hydro模块，得出船舶的各种稳性相关曲线图，并对其进行稳性校核计算（2）运用Patran软件对预先设计的危险工况进行强度计算，获取理论上的本船体强度结构危险工况分析书。（3）运用犀牛软件进行三维仿真，通过动画模拟来展现船体制作的过程和模拟预先设计好的工况情景，并通过3D打印技术和手工加工部分部件的方式完成实物模型的制作（4）进行结果验收，检测反馈问题修改。（5）总结写报告,发表论文。进度安排：2016.042016.5：对TribonM2、Patran、犀牛、Fluent、solidworks软件进行掘地式学习，进一步将船体设计、有限元结构分析学习透彻。2016.052016.06：运用TribonM3软件对船体进行设计，完成一个能够展示船体具体部位的3D虚拟模型，并完成型线光顺