多功能油船液货晃荡实验平台研制-大学生科技创新项目申报书.doc

附件1：国家级大学生创新创业训练计划项目申报表推荐学校：（盖章）项目编号：项目名称：多功能油船液货晃荡实验平台研制所属一级学科名称：船舶与海洋工程项目负责人：孙强联系电话导教师：吴文锋 卢金树联系电话：13575617275申报日期：2014.5.28浙江省教育厅 制二一四年五月项目名称多功能油船液货晃荡实验平台研制项目所属一级学科 船舶与海洋工程项目类型（ ）创新训练项目 （ ）创业训练项目 （ ）创业实践项目项目实施时间起始时间： 2014 年 6 月 完成时间：2016 年 6 月项目简介(100字以内） 项目拟研制具备横摇、纵摇和升沉及复合运动的液货晃荡实验平台，能实现针对油船摇晃环境下晃荡载荷特性、泄漏特征与油气浓度场变化规律等多种实验功能。本项目通过理论分析、仿真模拟与样机测试等手段研制晃荡实验平台的机械动力装置及其模糊控制系统，并实现系统的优化。申请人或申请团队姓名年级学号所在院系/专业联系电话E-mail主持人孙强二年级120208127港航学院/轮机工程183680805371522635011成员程如朋二年级120208134港航学院/轮机工程18368081490102771056刘笑二年级120208120港航学院/轮机工程18368080520985508183指 导 教 师第一指导教师姓名 吴文锋单位浙江海洋学院年龄 30专业技术职务讲师主要成果主要从事油船安全及污染控制研究，曾参与完成相关的国家及省部级项目多项，发表论文10余篇，其中检索3篇，参与指导研究生及本科生毕业论文多篇。第二指导教师姓名 卢金树单位浙江海洋学院年龄39专业技术职务副教授主要成果曾完成国家自然科学基金、省重大专项项目、省自然科学基金项目多项，发表论文20余篇，其中检索5篇，获得专利20余项，其中发明专利2项。曾指导学生完成省新苗人才计划5项并发表论文多篇及专利多项。1、 申请理由 1）为满足油船摇晃环境下液舱壁冲击压力场与油气浓度场变化规律等实验研究的需要，本项目拟研制具备横摇、纵摇和升沉及复合运动功能的液体晃荡实验装置。 2）本项目通过理论分析、仿真模拟等手段完成了虚拟样机的设计，验证了可行性。 3）本小组成员曾参与国家级创新训练计划项目，具备较强的实际动手能力和创新精神，有完成本项目的能力。2、 项目方案1 项目研究背景 1）研究背景及现状大型油船(VLCC)、液化石油气船(LPG)、液化天然气船(LNG)和液态化学品船(LCG)等液货船在实际的运行过程中始终伴随的晃荡问题，尤其在航行过程晃荡过程更为明显，产生的冲击力对液舱的安全构成巨大的威胁。晃荡过程还伴随着舱气的挥发，每年的排放量达到400至700万吨，造成了巨大的经济损失和环境损失。因此关注液货船的晃荡问题，加强晃荡相关问题的研究对于解决中国造船业主要面临造船产能总量过剩的结构性矛盾，对于降低液货船运输过程的风险和实现节能减排的目标等具有重要的现实意义。晃荡是一个广义的范畴，它是指容器内流体介质的运动。对于液舱晃荡影响系统运动的研究已有50余年的历史，在航空、航天高科技设备中，如液体火箭、充液卫星、空间站等，晃荡控制始终是国际研究的前沿课题。目前，国内造船界主要围绕晃荡产生的砰击压力及波形问题开展了数值或试验研究。中国油船科学研究中祁江涛等采用 VOF 法对部分充满液舱的晃荡进行了数值模拟。结合动网格技术, 针对二维矩形舱和三维立方体舱及薄膜型舱进行了计算。大连理工大学朱小松等采用光滑粒子水动力学法（SPH）对二维晃荡问题进行了计算和分析。研究了“I”型和“T”型 2 种结构形式对矩形液舱内液体晃荡的抑制效果。通过对不同隔板尺寸的对比研究，得到了隔板高度和宽度对晃荡的影响作用。上海交通大学蔡忠华等利用计算流体动力学(CFD)模型用来模拟液舱的晃动。研究了不同的填充高度和共振频率对最大冲击压力的影响。P.K. Panigrahya等研究了带有挡板的液舱在横向运动的激励下，各点的压力和自由液面的特点 。目前国内外主要的晃荡实验装置有：l 韩国釜山国立大学的晃荡试验平台，能模拟六个自由度的运动。实验平台的最大称重可以达到 4 吨。l 上海交通大学三自由度晃荡装置，他由计算机控制电液伺服运动装置，可以使框架在三自由度范围内运动(纵摇、横摇和升沉)。它由本体，控制部分和信号分析系统三部分组成。实验框架尺度为：1.1米*1.1米 *1.1米。实验框架和内部流体的最大载重为1.5吨。在最大承载条件下，该晃荡实验平台的横摇运动的的振幅3 0，纵摇的幅值20，升沉运动的升程200mm。 晃荡运动频率变化范围为0-1.5Hz，能够实现三个自由度运动及其复合运动。l P.K. Panigrahy 等制作的一自由度晃荡装置。能够实现横摇运动，采用电力驱动，结构最为简单。2）晃荡实验平台的研制意义目前，对液舱晃荡及其相关问题的研究主要集中在数值模拟和模型实验研究。实船测试是研究晃荡载荷特性的另一手段，但由于成本高，目前尚缺少适合的试验平台。因此，对晃荡实验平台的开发设计，得到了越来越多的关注。而目前国内外制作的实验设备，多自由度晃荡实验平台结构复杂，造价昂贵，一自由度晃荡实验平台结构简单，易于实现，实验效果不理想，不接近油船晃荡的实际情况，而具备多种实验功能的实验平台还未见相关研究。因此，为了满足油船摇晃环境下晃荡载荷特性、泄漏特征与油气浓度场变化规律等多种实验需求，有必要对机械结构进行重新设计，并配置合适的液压动力系统，开发一套结构简单而实用的多功能晃荡实验平台。3）项目已有基础学校有相应轮机工程实验室、船舶动力装置实验室、工程实训中心具备高性能计算机及软件平台，振动检测仪和机床等必要设备。4）本项目有关的研究积累和已取得的成绩 查阅了国内外晃荡实验平台研究的大量文献，清楚掌握了相关设备的运行机理； 项目组成员有参加国家创新训练计划的经验，熟悉ADAMS软件和计算机模拟；已开发应用于空气环境的晃荡实验平台，并完成本实验平台机械结构概念设计； 通过ADAMS仿真实现多自由度的基本运动，静力学结构合理，经验证可行。5）缺少的条件特定液舱模型的运动规律有待进一步研究。尚未制作晃荡实验平台实物和相配套的控制、反馈系统，并需优化其运行特性。6）解决的方法 由于油船在真实海洋环境，晃荡过程十分复杂，因此需要查阅大量资料，借鉴前人的实验装置，并以此为基础结合真实海况，确定较为理想的振幅和周期变化范围。 购买及制作相关设备，完成其实物模型。对其机械结构及其控制和反馈系统进行调试和优化。符合相关晃荡实验的要求。2 项目研究目标及主要内容1）研究目标本项目主要研制具备横摇、纵摇和升沉及复合运动的液货晃荡实验平台，实现油船摇晃环境下泄漏特征、液舱壁冲击压力场与油气浓度场变化规律等多种实验功能。 2) 主要内容通过建立晃荡实验平台动力学模型，用ADAMS软件进行计算机仿真，验证运动原理的可行性。通过数值模拟的方法，设计不同的特征参数，监测不同特征参数下晃荡实验平台的运动及应力分布情况。根据理论模型，参考机械设计原理，进行机械部件的设计。确定吊架、框架，相关夹具的尺寸，根据负荷分布，确定相关器具的材料。根据实验负荷要求，确定合适的动力元件和传动元件。在机械部件设计的同时，设计出完善的反馈控制系统，实现对晃荡实验平台的监控和自动控制。根据实验需求，选定传感器、单片机、控制器等硬件，并进行合理的布置，开发出满足实验要求的程序，以实现一定规律的控制。构建出完整的多功能晃荡实验平台模型，能够进行晃荡实验，验证晃荡实验平台运动的可靠性，并对晃荡实验平台运行过程进行记录、分析，调试和优化，使其更加完善。3.项目创新特色概述1）在通常研究晃荡舱冲击力的基础上，拟开发一套研究泄漏特征、液舱压力场与油气浓度场变化规律的多功能实验平台。2）通过模糊控制手段，设计出完善的反馈控制系统，实现模拟舱运动的精确控制。3）针对晃荡情景下油船水下破舱油品泄漏研究的特殊需要，减少传动部件对模拟水池中流场的扰动，首次将传动部件与模型舱的连接转移到水面上。 4. 项目研究技术路线首先根据泄漏实验研究的要求，进行缩尺计算，以确定晃荡实验平台数学模型。根据数据数学模型，用ADAMS软件进行计算机仿真模拟，并进行修正使其满足既定的运动。根据理论模型，参考机械设计原理，进行各机械部件的选用和设计。同时根据实验要求设计出相应的反馈控制系统。最终构建出完整的多功能晃荡实验平台模型，能够进行晃荡实验，验证晃荡实验平台运动的可靠性，并对对该晃荡实验平台进行调试和优化。具体技术路线如图1所示。 图1 技术路线图5. 进度安排 2014.06-2014.09 ADAMS仿真软件、编程、机械设计理论等相关知识的学习； 2014.09-2014.12 多功能晃荡实验平台数值建模及ADAMS仿真； 2014.12-2015.06 构建液舱晃荡系统的机械框架； 2015.06-2015.12 开发晃荡实验平台反馈控制系统； 2015.12-2016.04 完成晃荡实验平台的制作、调试，并申请专利一项； 2016.04-2016.06 相关材料整理，准备结题。 6. 项目组成员分工 1）孙强：利用ADAMS软件对三自由度晃荡实验平台进行仿真，做出虚拟样机； 2）程如朋：机械设计原理的学习，完成动力系统设计； 3）刘笑：学习C语言、单片机等，选取合适的控制元件，设计相应控制程序。三、学校提供条件（包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等）1.实验实训情况 学校有船舶工程技术实训基地、电气自动化技术中心等专业实验室，为本项目的进行提供实验场所。2.配套经费 给与该项目1:1的资金配套，并建立专门账户，保证专项经费专项使用。3.相关扶持政策 学校长期鼓励学生从事实践创新活动，各学院设有学生实践部，专门从事课外实践创新活动，有一系列规章制度和扶持政策。四、预期成果1.作品一件（多功能油船液货晃荡实验平台）；2.专利2件，其中发明专利1件；3.发表学术论文1篇。五、经费预算总经费（元）20000财政拨款（元）10000学校拨款（元）10000注：总经费、财政拨款、学校拨款由学校按照有关规定核定数目进行填写1.调研、差旅费：2000元；2.项目研发的液压元件，小型电机，机械传动元件购置费等：10000元；3.资料购置、打印、复印等费用：3000元；4.论文版面费、专利费等：5000元。六、导师推荐意见该项目研究的多功能油船液货晃荡实验平台，