船舶海洋工程论文范文参考关于船舶海洋工程的优秀论文范文【10篇】

船舶海洋工程论文范文参考关于船舶海洋工程的优秀论文范文【10篇】 随着计算机技术和数值方法的飞速发展,计算流体力学方法(CFD)开始活跃于船舶与海洋工程的各个领域当中,已有越来越多研究工作基于CFD方法开展研究.然而CFD在船舶与海洋工程中的发展一直受困于多个瓶颈.其中一个关键问题就是动网格技术.在实际船舶工程问题当中,船舶上会安装螺旋桨、舵等活动附体.这些活动附体会对船体的受力和运动等产生较大的影响.在处理这类船、桨、舵相互作用的问题上,不仅需要处理船舶在自由面上的六个自由度运动,同时还需要考虑螺旋桨和舵相对于船体的旋转运动.传统的动网格方法很难同时处理船、桨、舵三者的耦合运动.重叠网格方法是解决这类问题的有效方法之一,并实现船、桨、舵相互作用的数值模拟.重叠网格技术可以破除物体与网格之间的约束关系,能够使船体在自由面上拥有大幅度六自由度运动的同时,让各类附体相对于船体自由地转动.在重叠网格的帮助下,能够有效解决船、桨、舵相互配合等复杂问题的计算.本博士论文的目标是基于开源代码OpenFOAM,深入研究和开发重叠网格技术,并使用重叠网格技术来实现船、桨、舵相互作用等问题的数值计算.本文在基于OpenFOAM的数值方法、数据存储方式以及非结构网格的特点上,利用SUGGAR程序生成重叠网格的插值信息,开发出了重叠网格模块.在该模块的开发过程中分为静态重叠网格和动态重叠网格方法两部分.在静态重叠网格开发中,完成了并行化等功能的优化,提高计算效率,并统一模块接口,使OpenFOAM中的任意控制方程均可以通过该模块来实现重叠网格方法.在并行化过程中,将用于重叠网格通信的插值信息进行重新编号和有效分块,并利用MPI将每块的插值信息传递给对应进程.在插值信息分块过程中,根据网格区域分块的结果进行有效处理,只传递给每个进程所需的信息,避免多余信息的传递,以提高并行效率.与此同时,为了提高重叠网格模块的通用性,并且使其能够用于其它问题以及数学模型当中,本文利用了C+语言中的面向对象的编程思想,公用接口采用抽象类的方法,使函数接口统一.在动态重叠网格的开发中,本文完成了多级物体运动模块的开发以及通信模式的优化.在多级物体运动模块中,船体作为父物体在自由面上进行六自由度运动的同时,螺旋桨和舵作为子物体还能相对于船体进行转动.利用该模块可以实现船、桨、舵相互配合等问题的CFD计算.同时本文基于MPI完成Open FOAM与SUGGAR之间的通信模式的优化.该优化方法将OpenFOAM与SUGGAR分别置于不同进程中运行,并利用延迟算法,使两者能够同时进行计算,有效解决普通动态重叠方法中CFD计算进程闲置的问题,从而大幅度减少动态问题中的计算时间.为了有效解决计算船舶水动力学中的船、桨、舵配合等问题,本文将重叠网格方法与开源CFD工具箱OpenFOAM相结合,开发出面向船舶与海洋工程水动力学的数值求解器naoeFoam-os-SJTU.该求解器具有动态重叠网格的处理计算能力,以及针对重叠网格方法所开发的多级物体的六自由度运动模块,能够用于实现船、桨、舵的相互作用和运动耦合等复杂问题的计算.为了验证该重叠网格模块以及展示重叠网格方法在处理各类复杂问题时的能力,本文进行了自航推进、自航操纵和带桨耐波性三部分算例的验证.第一部分是KCS的自航推进问题.利用重叠网格,解决螺旋桨在船后的旋转问题,完成KCS带桨的自航推进问题的计算,并得出KCS的自航推进因子.第二部分为船舶带桨、带舵的自航操纵问题.在自航操纵计算中,船舶具有六个自由度的运动,并且由螺旋桨提供船舶前行的推力、由舵提供船舶转向的力矩.计算的算例包括KCS的Z形操纵模拟、全附体DTMB 5415M模型的Z型操纵和回转操纵试验计算.第三部分增加了波浪的因素,计算KCS船模在波浪中的螺旋桨推进和船体运动问题.所有算例中的螺旋桨和舵均通过重叠网格方法进行离散,并且能够相对船体进行旋转,以进行船、桨、舵的整体模拟.三部分算例均有模型试验测量结果进行比较和验证,并得到令人满意的比较结果,充分验证了重叠网格方法在处理这类船、桨、舵相互作用问题上的有效性和准确性.通过这三部分算例的计算和验证,证明了重叠网格方法能够实现传统动网格方法所无法实现的船、桨、舵配合等复杂问题的计算,大幅扩展CFD在船舶水动力学中的应用范围. 入水问题作为工程应用中一种比较常见的现象,一直以来都是船舶和海洋工程领域中十分重要的课题.由于涉及到移动物体边界和自由液面,因此能够准确地数值模拟入水过程是具有挑战性的.本文采用自由液面捕捉方法,将自由面作为计算域内的接触间断进行捕捉,建立非均匀不可压缩的欧拉方程作为流场控制方程组.并且利用直角切割网格来离散计算域,通过局部更新物体边界附近的网格信息来解决动边界问题.在此基础上,采用基于单元中心的有限体积法对控制方程进行离散.其中,采用Roe的近似Riemann解算子的复合格式计算流体网格边界处的流通量.边界处的流场变量采用分片线性表达式进行重构,利用最小二乘法求解流场变量梯度,引入限制器来抑制高阶重构方法在间断解附近产生的虚假振动,物体边界处的流通量由Riemann间断理论得出.采用压强分裂算法对压强梯度进行预处理,从而解决由于自由面引起的静压梯度不连续的问题.使用人工压缩法将压强项引入到不可压缩约束方程中,采用双时间推进方法来获得流场的非定常数值解.通过流固耦合算法,将本文方法扩展应用到刚体自由入水问题上.采用二维刚性楔形、圆形剖面常速入水和楔形、船型剖面的自由入水作为实例,验证了本文计算方法的有效性和适用性. 采用上述流场计算方法对双圆柱同步入水问题进行了求解,结果表明双圆柱的相互作用对压强分布和所受水作用力的影响较为显著,并且发现双圆柱半径、间距和入水速度对这种相互作用效果有很大的影响.然后,变换这三个状态参量,设计各种不同的双圆柱同步入水数值试验.根据计算结果,在不同入水阶段,对于附加水作用力分别采用类似正态分布和Weibull分布的解析表达式进行数值拟合.并且通过两个任意双圆柱入水模型对估算表达式进行验证,计算所得结果满足工程精度.这说明本文所得的代数表达式能够用于工程中双圆柱入水的附加水作用力估算.这种思想方法同样可以用于多柱状体的入水分析中. 将造消波理论引入到本文流场计算方法中建立数值波浪水槽.控制圆柱入水的时间和运动形式来研究不同波浪参数对圆柱入水过程的影响.然后在圆柱运动方程中加入绳索张力的作用,从而实现对悬吊圆柱在波浪中入水过程的数值模拟.最后变化计算模型的圆柱运动和波浪参数,分析不同工况下绳索张力变化和重物运动的特性. 将刚架结构有限元理论与本文流场计算方法相结合,并采用单向耦合策略联合计算流场和弹性变形,从而将本文方法扩展应用到水弹性问题的求解中.建立弹性楔形体的自由入水模型,将本文结果与实验数据进行比较,证明了本文方法求解弹性楔形体入水问题的正确性和合理性.然后改变楔形体的入水参数建立不同的模型,分别进行数值计算,并且分析了入水参数对自由入水的弹性楔形体的整体运动和局部变形的影响. 最后针对三维船体从船台上纵向重力式下水这一工程实际问题,采用Fluent软件计算船体下水流场,并在此基础上编制的船体下水三维运动方程的VC源代码来进行二次开发,从而达到动态模拟船体下水过程的目的.对渤海造船厂159000t油船下水实例进行数值计算,结果表明采用本文的下水数值方法分析船体下水过程是准确可行的.然后以大连重工集团的298000t油船首部从H3倾斜平台下水为例,来分析船体和船台各状态参数对下水运动的影响,得到一些有用结论用来指导实船下水工艺. 船舶设计涉及到总体性能、结构强度、阻力与推进、操纵与控制等诸多方面,是一个典型的多学科多目标优化和决策过程.常规的设计方法通过定量分析比较和人工不断试凑的方式来寻找合理的设计方案,难以得到最优结果.智能优化算法则通过模拟自然现象的方式进行寻优计算,具有通用性好、搜索能力强和良好的鲁棒性,可解决搜索空间高度复杂、存在多个冲突目标的优化问题.因此,智能优化算法受到船舶与海洋工程领域的广泛关注,目前主要应用于船舶设计与性能预报中. 本文针对智能优化算法的适用性开展研究.在系统分析主要智能优化算法特点的基础上,分别从总体概念设计、结构材料、操纵控制等三方面的典型问题入手,有针对性地应用智能优化算法解决相关问题,力图拓展其在船舶工程中的应用范围.主要工作如下： 首先,分析了主要的智能优化算法(遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、模拟退火算法和神经网络等),并以典型的旅行商问题为算例,对各类智能优化算法进行了比对研究,进而系统总结了它们的各自特点(如：时间复杂度、空间复杂度和收敛性等),为拓展智能优化算法在船舶工程中的应用奠定基础. 其次,以35000吨载重量的油船为例,以遗传算法为核心基础进行船舶概念设计阶段的多学科多目标优化.本文提出将概念设计的内容分解为系统控制层和浮态稳态子系统、阻力子系统、推力子系统、操纵性适航性子系统和直接成本子系统等五个子系统,获得了综合性能优良的船型及其主尺度参数的全局最优解.在此基础上,对得到的船型进行了旋回操纵运动及Zigzag形机动时的船舶操纵预报,并考察了风、浪干扰作用下船舶旋回运动的安全操纵性,从而从仿真角度证实了优化船型的可行性. 再次,以增韧高强钢为例,以神经网络为核心基础确定其断裂能和聚合强度.增韧高强钢具有强非线性,表现为断面不规则,需要采用内聚力模型进行断裂评定,而测定断裂能和聚合强度一直是令人困扰的难题.本文提出了以神经网络为基础构造响应面的方法来确定内聚力法则中的断裂能和聚合强度,和其他两种方法(直接测定法,曲线拟合法)得到的结果非常吻合.同时,利用所得参数模拟的载荷/位移曲线和试验曲线也非常吻合.验证了方法的准确性与可行性. 最后,以150000吨载重量油船为例,以遗传算法为核心基础进行了航向二阶自抗扰器参数整定.根据自抗扰控制器设计的“分离性原理”,本文提出了一种基于多目标遗传算法的分步优化方法,克服了自抗扰控制器参数整定中通常采用的“试凑法”,具有整定过程简洁、物理意义清晰等特点.对带舵机约束的船舶航向自抗扰控制器进行了整定,控制效果与常用的PID控制器相比,具有能耗小、超调量小、鲁棒性强等优点,证实了所提方法的可行性. 综上所述,本文对五种主要智能优化算法进行了系统研究,总结了各自特点,并应用于船舶工程中的三类不同问题,为拓展智能优化算法在船舶工程中的应用范围进行了有益探索. 船舶减摇鳍是船舶与海洋工程中的一种重要系统,目前已在多种船舶中广泛应用.减摇鳍对于提高船舶耐波性,增加船舶使用寿命,改善设备与人员的工作条件,提高舰艇的战斗力具有重要作用.减小船舶横摇是目前船舶运动控制领域的重要课题之一.本文以船舶减摇鳍系统作为研究对象,对于船舶减摇鳍系统智能控制算法及其虚拟现实环境下的可视化仿真进行了系统深入的研究. 船型方案论证是一个多准则、多目标的决策过程,过去主要靠设计者的经验来完成,船舶工程系统设计基本上还是一种经验设计,这使得最终的决策结果难免带有由于决策者的主观臆断性而可能造成的系统误差.随着现代科学技术的发展,基于人工智能的现代决策方法和理论得到了迅速的发展,并且已经应用于生产和社会活动中的各个方面.在船舶工程领域,采用系统科学的优化方法和智能决策理论等方面的研究已经陆续出现,并且取得了令人瞩目的研究成果.70年代决策支持系统概念的提出将决策