swah运动特性分析

swah运动特性分析

1模型试验的发现随着sw测试研究的深入，新问题不断发现，新问题需要应用新的知识和技术进行深入研究。为此2004年5月在中国船舶科学研究中心的水池中进行了SWATH模型试验,从中发现了一些问题。在自控试验之前,先进行了鳍的静态和动态特性试验,接着进行了船模非控状态的规则波和不规则波运动特性试验。自控模型试验也是在对应的规则波和不规则波中进行的,结果表明,自控效果还是比较显著的。试验之后,对有关问题还进行了较深入细致的计算和分析。本文将就稳定性与航态问题、波浪上运动特性以及关于自控问题三个方面提出一些见解。2运动稳定性和航态对于SWATH运动稳定性似乎有这样的印象,即低头就是不稳定。诚然,在初期SWATH船模试验中,确有头埋入水中的实例,但这不是唯一的不稳定状态。后来在水池试验时还出现过其他形式的不稳定,如抬头使潜体头部出水和海豚运动状态等。实际上运动稳定性问题和航态问题往往被混在一起了。所以,讨论这个问题,还必须从头说起。2.1在sw海上航行中产生的法向力和倾斜力水面舰船的航行姿态变化取决于航行时产生的水动力和力矩,对SWATH来说,水动力和力矩的作用更为显著。2.1.1swith的攻角问题在光体状况下,法向力分为两部分:水平航行时产生的水动吸力和有攻角时的水动升力。一个流线型体在水下作对称运动时,艏部和艉部处于高压区,舯部则处于负压区。对于单一介质航行的潜艇来说,水动力在垂直方向是平衡的(不计静浮力)。但对于SWATH的潜体来说就不同了,因为潜体中部有割划水面的支柱存在,支柱和大气相通,因此SWATH的法向水动力是不平衡的,就是说有吸力存在。这种吸力使船下沉,到增加的排水量和吸力平衡为止。吸力和水线面面积成正比,又与航速的平方成正比。潜体是细长体,不是理想的升方面。但由于投影面积很大,所以由攻角引起的升力不容忽视,特别是高速SWATH。在航速不高的情况下,水动力的法向分量与排水量储备的比值是小量,但对高速SWATH就必须予以重视。2.1.2兴波的波高相当可观纵倾力矩分为Munk力矩及航行时兴波引起的力矩两部分。Munk力矩是由力偶产生的。理论上说,即使理想流体也存在Munk力矩。早期德国空气动力学家Munk非常巧妙地把这个力矩和附加质量联系起来,因而使计算大为简化。Munk力矩对不稳定起推波助澜的作用。就是说,如果船低头,它就使之进一步低头;反之,就促使进一步抬头。以前总认为SWATH航行时的兴波不足以给SWATH本身带来多大的影响。其实不然,SWATH的兴波毕竟不是单纯支柱的兴波,而是整个船的兴波,特别对于浅吃水的SWATH更为突出,兴波的波高相当可观。从多艘SWATH船模试验都可以看到,兴波波高大,甚至出现潜体露背现象。其波形也不是简单的正弦波。艏部波面急剧上升,并且外翻,然后骤然下降,贴近支柱表面处的波面下降更多,经过较长距离后,波面才平缓上升,以后就接近正弦波了。由于波的特殊形状,造成SWATH纵倾力矩相当可观的变化。显然,纵倾力矩和Fr数v√gL有关。根据中国船舶科学研究中心的试验资料,当Fr较小时,纵倾力矩很小。然后随着Fr增大而出现低头力矩。在Fr=0.28附近出现第一个谷点,在Fr=0.4处出现最大的纵倾力矩谷点。此后随Fr增大纵倾力矩逐步上升,在Fr=0.5后变成抬头力矩;国外资料也定性地证实了这一点。(1)在最大谷点处,对应的兴波长度正好与船长相等。简单的推导便可发现:兴波的波长λ与航速v的关系是λ=2πgv2当兴波长度λ等于船长L时,此时Fr为Fr=v√gL=v√2πv2=1√2π=0.3989≈0.4当兴波长度是船的一半长时,Fr=1√4π=0.282正好是出现第一个谷点时的Fr数。由此可以推想,假如船长是兴波长度的一半,艉部正好处于兴波波谷附近,此时,显然是抬头力矩,很可能是抬头力矩的峰点。自此以后,将不再出现低头力矩了。2.2swth模型的自振航态与运动稳定性有一定的联系,但两者的内涵是完全不同的。运动稳定性的含义是:一个运载工具在某个航态下受到外界干扰而偏离了原来的航态,当干扰消失后,这个运载工具如有恢复到原来航态的趋势,称为具有静稳性;如能恢复到原来航态,则称为具有动稳性。即使SWATH运动是稳定的,航行时受到自身兴波所引起的纵倾力矩作用,这个力矩显然不是瞬息即逝的外界干扰,而是本身固有的持续作用力矩,航态必然发生持久性的变化。Fr<0.4则将出现低头现象,而Munk力矩又将发挥其推波助澜作用,加剧低头。如果SWATH是稳定的,那末只要加大前鳍的角度或减少后鳍的角度就可能抵消低头力矩,把航态纠正过来;Fr>0.53则会出现抬首现象,Munk力矩又将加剧其抬首,反方向调整鳍角能消除抬头;Fr数在上述数字之间,则视情况而定。假如SWATH是静不稳定的,即受干扰后没有恢复原状的趋势,则在Fr<0.4的情况下,低头力矩和Munk力矩使其低头而无恢复能力。在水池试验时,如果船模没有加装上船体部分,模型势必钻入水中。但实船和现有的模型上都装有上层建筑,上船体触水后产生极大的非线性抬头力矩,使SWATH低头到一定程度后趋于平衡。即由原来的不稳定的平衡点分叉到一个非线性的平衡点上。SWATH将埋头前进,航态极不理想,还可能导致航向失稳引起横甩。假如Fr>0.53,SWATH又是静不稳定的,则在抬头力矩的作用下,在Munk力矩的促进下,船将抬头而无恢复的能力,这样必将分叉到另一个非线性平衡解上,此时很可能潜体出水而不再是小水线面船了。在静稳定而又动不稳定的情况下,则可能出现自激振荡。实际上,在水池试验中可以实现这种自振。假如将一个稳定的SWATH模型的尾部加上过多的压载,这样,SWATH的静稳性更大,结果出现了海豚运动,因为此时潜体的头部接近水面,拖曳时很快造成大片前面潜体露水,即所谓通气状态,显然通气部位压力是大气压力,水下部位是负压,使潜体产生低头力矩;同时前鳍浸深小,攻角大,加上潜体露背引起前鳍通气而升力骤降,后鳍处于深吃水和大攻角状态,产生低头力矩较大,三者叠加,促使潜体头部下沉,下沉到足够深度后,露背和通气现象骤然消失,前鳍的升力突然回升,加上原来压载产生的抬头力矩又促使船模抬头。如此周而复始,形成自振荡,这是一个非线性振动现象。逐步减少尾部压载到一定数量后,自振自然消失,船模又恢复稳态航行。2.3重心垂向高度相似常规船模静水拖曳试验,一般认为只要外形相似和Fr数相似即可;至于重心垂向高度相似则被忽视。笔者认为SWATH的静水拖曳试验应当被视为纵向运动稳定性的检验性试验,因而至少纵向稳心高Gml必须相似,并在静水试验之前先做纵倾试验,以确定Gml的真值。3swarth的波浪运动特征3.1模型测试结果描述运动稳定性的运动方程是齐次的;而预报波浪上运动特性的方程是非齐次的,必须加上波浪干扰力与力矩非齐次项。波浪干扰力和力矩包含三个部分,一是浮力变化引起的;二是潜体在波浪中的不定常力和力矩;三是波浪的轨圆运动引起的鳍上力和力矩。按传统方法,计算规则波上的垂荡和纵摇幅值响应算子,再根据海浪遭遇谱计算响应运动谱,最后求得垂荡和纵荡的有义值。据此对两艘完全不同的SWATH进行运动预报,然后和水池不规则波试验结果比较,两者的垂荡和纵摇的有义值相差不大,误差在10%～20%范围内,结果是相当满意的。用上述方法对自控船模规则波中试验结果进行比较,发现规则波上的试验与计算得到的振幅响应算子峰值频率不一致。这样,接下去的计算就没有意义了。查看模型的有关导数的测试结果,发现试验值与计算值相差很大。如zh计算值为8.73,而试验值为12.56。zh仅是浮力随吃水改变的静导数。若非模型水线面型值和理论的不一致,不可能出现如此大的偏差。由于自控船模是玻璃钢制作的,没有办法使用切削机进行加工,因此无法保证线型的精确性,以致导数误差较大。此外,差别较大的还有与Gml有关的mθ。这些静导数对响应算子峰值影响极大,为此,对响应算子进行了修正,计算出来的峰值频率以及响应算子和有义值等都与试验结果接近。由此可见,在进行模型试验前,要严格控制加工精度,特别是水线处的线型。同时,试验前尽可能进行有关导数的测试,而测试时选择的采样频率和测试灵敏度要匹配。此外,线型的变化可以改变响应算子的峰值频率,以此避免不利的频率。3.2模糊学说与概率的关系耐波性评价从另一个角度看,是一个模糊性很强的课题,不可能用简单的几句话对某船的耐波性加以评论,也不可能单凭垂荡和纵摇运动的有义值作出评判。模糊学说和概率论之间有过三次论战。第一次是概率论赢了,因为概率论者宣称:“你们能做的我们都能做,而可能做得更好”。第二次不是真正的论战,而是工程师们将注意力转向模糊理论的工程应用,成功地应用于家电和工程过程控制上,使模糊学说受到了重视。第三次结果是各有千秋,而两者之间变得富有合作性了。模糊理论已经在很多领域获得应用,但在耐波性领域至今尚未应用。笔者对此进行了尝试。3.3加速度与遭遇频率的关系众所周知,人的承受能力不但与加速度大小有关,同时又与振荡频率相关。表述一条船在特定海浪上舒适性的比较合理方法是给出有关位置的加速度数值和遭遇频率(或周期)的关系曲线。用模糊数学的观点看,人的可承受程度是一个模糊集,可以用隶属函数来表示,隶属函数的确定可以根据上述关系曲线的人的忍耐程度测定曲线(如美国加利福利亚的“人的因素”公司提供的系列曲线,用插值法求得)。关于人的承受能力关系曲线,如图1所示。而加速度与振荡频率或周期的关系可以通过规则波试验求得,也可以计算出来。(1)用自控模型试验结果分析,船模对应于实船在有义波高为5m时的艏部加速度af和遭遇频率ωe关系为假定人们觉察不到运动的隶属度为1;从觉察不到到可持续工作的边界为1.0到0.8;而不适边界到不可忍耐的边界取值0.8到0.5;0.5以下为不可忍耐范围。用插值法求得隶属函数μaf如下:这表示当ωe=0.5,人在艏部也觉察不到运动;在ωe=0.6时能感觉到运动,但能持续工作;在ωe=0.7时人们已经感到有些不适,但还可忍耐;ωe=0.8时,人们非但不适,并且接近不可忍耐的地步了;ωe=0.9反而感觉好些;ωe=1.0时比0.9时还要好些。(2)自控情况下,艏部加速度afac与遭遇频率ωe的关系为对应的隶属函数μafac为由此看出:在ωe=0.5仍为觉察不到运动;ωe从0.6到1.0全部都在可持续工作范围内。说明自控效果相当不错。3.4模糊综合评价3.4.1模糊综合评判法由于海浪不是均匀分布的白噪声,而是有限带宽谱,因此必须加权处理。以遭遇谱作为权重,应用模糊综合评判法来评价SWATH在非控和自控情况下人的感受程度。先计算有关遭遇频率的海浪谱值,得如下关系:归一化后,各频率所持的权重为:A=(0.094,0.220,0.228,0.190,0.155,0.114)。3.4.2v值的[2.0]设U={ωe1,ωe2,ωe3,ωe4,ωe5,ωe6}式中ωe1～ωe6为遭遇频率。V={V1,V2,V3,V4,V5}为5种等级,即V={好,较好,一般,较差,差}。用分数表示,即V={1.0,0.8,0.7,0.6,0.5}。对每个因素的评判,实际上是作一个模糊映射。f∼:U→∼f(V)～为模糊的符号即:ωei→(ri1,ri2,ri3,ri4,ri5)=f∼(ωei)以模糊映射的像f∼(ωei)=(ri1,ri2,ri3,ri4,ri5)为行构成的矩阵R为R=(r11⋯⋯⋯r15⋯⋯⋯r61⋯⋯⋯r65)这个矩阵可以从有关隶属函数归一化得到。3.4.3模糊运算的形式Ruc=(100000.40.600000.50.5000000.50.5000.40.6000100)可得综合评判结果AoR=B∼1×5=(bu1,bu2,bu3,bu4,bu5)式中,o代表模糊运算;B是V上的模糊子集。buj=6∑i=1airij=min{1‚6∑i=1airij}j=1,2,⋯,5得出的结果是Buc=AoRuc=(0.1820.2460.2900.1880.095)就是说好与较好占(0.182+0.246)=0.428,还有0.095差的。如用总分数来表示,则有:Buc的总分=(0.1820.2460.2900.1880.095)(10.80.70.60.5)=0.7413.4.4控制bac的效果设自控模型模糊映射矩阵Rac为:Rac=(100000.70.30000.450.650000.10.90000.150.850000.20.8000)则对应得到结果Bac为:Bac=AoRac=(0.40660.5934000)这表明自控之后,好与较好占100%,而总分为0.881,控制效果还是比较显著的。3.5升沉和沉的参数设计在波浪上运动,除垂向运动加速度外,艏艉湿甲板离波面高度的变化值Dzf与Dza,以及重心处升沉h与纵倾角θ也很重要,对这些参数宜根据使用要求作加权处理,并作二级综合评判。由于没有Dzf与Dza的数据,所以二级评判中只加上θ这个参数。选θ的隶属函数为正态型:e-0.1(θ-0)2。3.5.1可控船模数据现在用试验数据来作二级评判,以下数据所有下标为uc的数据为非控船模,ac为自控船模数据。Rθuc=(0.6750.3250000.110.8900000.280.72000000100.180.82000.20.8000)Bθuc=AoRθuc=(0.1110.410.29100.19)3.5.2bac的计算Rθac=(0.850.150000.6750.3250000.620.380000.1450.85500000.80.2000.20.8000)Bθac=AoRθac=(0.420.550.0300)3.62级综合评价3.6.1btucat果生长关于加速度与纵倾两因素所持的权重取:AT=(0.60.4)(即加速度比θ重要),则:RΤuc=[0.1830.2460.290.1880.0950.1110.4100.29100.190]可得BTuc为:BTuc=AToRTuc=(0.1540.3120.2900.1130.113)总分=(0.1540.3120.2900.1130.113)(10.80.70.60.5)=0.7313.6.2swith波浪上的非控船模和初步确定其总分为0.8812。从上述结果可见,应用模糊综合评判方法,能比较全面地评价SWATH波浪上的品质,能充分反映非控船模与自控船模之间差异。应用也较简便。当然,这仅是一次尝试,希望耐波性理论与模糊学说的结合能深入发展下去。4swth的可控系统中国船舶科学研究中心的船模试验证明,SWATH安装自控系统可进一步提高其运动性能,并且随着自控技术的进步和成本的降低,使得在SWATH上安装自控系统成为可能,而且这种自控系统也可以方便地移植到其他高性能船上。4.1缺乏含量、高度有限的缺乏的专墙wratch高性能船舶在波浪上的运动控制,一般说来有两种不同的模式:一是平台航行控制,就是保持航行姿态不变;二是爬浪航行控制,就是保持船与波浪间距离不变,英文称之为contouring。SWATH的支柱高度有限,很难在大浪中作平台航行。而在短浪中爬浪显然也是不合理的。因此,按固定的模式控制都不合适,应当主动而具有智能地选择控制规律,以降低波浪载荷和运动响应,使乘坐品质大幅提高,使结构更为安全。4.2现代控制理论的一些一般方法4.2.1船模控制器的控制指标该方法非常简洁,有很广的应用,而且效果不错。用MATLAB程序,很快就得到结果,但却难以应用于SWATH波浪运动控制上。这是因为lqr方法是建立在Liapunov稳定性理论的基础上的。演示过程中关于性能指标J有这样的推导:J=∫∞0XΤ(Q+ΚΤRΚ)X)dt=-XΤΡX1|∞0=XΤ(∞)ΡX(∞)-XΤ(0)ΡX(0)式中,X为状态矢量;P为正定矩阵;T号为转置运算。这里有个重要假设,就是控制矩阵的特征值均有负实部,而使得X(∞)→0。这与波浪干扰的实际情况不符。因为波浪是持续作用的干扰,X(∞)不可能趋于0。苏联学者Malkin曾指出:Liapunov理论只适用于瞬息即逝的扰动,不适用于持续作用的扰动问题。实际使用结果也证明了这一点。用lqr方法求得控制增益来控制船模,非但不能减少运动幅值,反而造成自激振荡。遗憾的是,一些鲁棒控制理论都要求无穷积分求有限值,这不免把持续作用的干扰情况排斥在外。4.2.2sgath运动学模型预先选定特征值,用极点配置法决定反馈增益,使系统的特征值为预选值。此法计算简便。但耦合性很强的SWATH运动单靠特征值无法决定其运动特性,必须同时用特征矢量,这又使计算复杂化。此外这一方法用于主动控制系统设计也并不有利。4.2.3优化解的突变俄罗斯学者Arnold在其突变理论中指出优化和最优控制问题都可能出现奇异性、分叉和突变,在函数光滑变化的情况下,优化解可能发生跳跃变化。在控制参数较多的情况下进行,为了避免突变发生,要求控制系统有一定的智能水平。4.3gla水翼岩系统主动控制概念首先是航空界于上世纪六十年代提出来的,它是把控制系统融入总体设计之中,以便从根本上提高飞机性能。飞机的主动控制中有一项称为阵风载荷减缓及乘坐品质控制,简称GLA系统,和前面谈到SWATH的控制有很大相似之处。对SWATH来说应称为波浪载荷减缓系统(waveloadalleviation)简称WLA系统。GLA系统是1938年法国人Rene′Hirsch提出的,后因二战而停止研究。二战以后,NACA在一架双发运输机上进行了试验,用伸出机头的风标来感受湍流的垂向速度分量,通过伺服器操纵特别付翼来减缓阵风载荷,如图2所示。试验证明该装置有效。后来该方法逐步发展到大型客机上,根据有关部位的加速度等进行控制,效果很好,在2m/s的垂向湍流扰动下,可实现前座和中座旅客承受加速度小于0.03g指标。水翼艇自控系统有两种最典型的形式。一种是机械式的,即在船的前面左右侧各安装一个滑橇机构,与前水翼相连接(加上弹性和阻尼装置),如图3所示,称之为水鳍系统。航行时滑橇感受迎面而来的波,随波而变,超前地改变前水翼攻角,使船越过波浪。据称,一条11英尺长的小艇竟能越过5英尺的波浪而船身不触水;另一种就是Jetfoil用的水翼自控系统。该系统利用艏部高度传感器,结合纵摇和垂荡反馈进行控制。这种自控系统非常成功,使本身不具备自稳性的深浸水翼艇具有优越的耐波性。4.4无线传感器网络系统飞机的主动控制技术有一些可以移植到SWATH上,如放宽静稳性控制,直接力控制,以及波浪载荷减缓与乘坐品质控制。4.4.1用限制风速说SWATH的航速提高后,Munk力矩将随速度平方上升,恢复力矩则基本上与航速无关,因而到了一定航速时,SWATH将是静不稳定的,必须用鳍来增稳。但过大的鳍尺度可能影响其他性能。如果在总体设计时利用主动控制思想设计优化的鳍,便可既保证运动稳定又保证了其他性能,且能使航行过程中SWATH都保持最优航态。4.4.2力控制移植后为提高SWATH的机动能力,可以将航空界侧向直接力控制移植过来。在SWATH支柱上加装合适的控制面,操纵这些控制面,就可以在航行时产生侧向力使船侧向移动,而不改变船头朝向,有利于其机动、规避和定位。4.4.3水翼基水+扰动控制技术从工程控制论的角度看,控制机理只有两个,反馈控制及扰动控制。反馈是根据输出与预定的要求之间的偏差进行控制的,目的是减少偏差,而不管偏差是为何产生的。扰动控制是根据扰动来进行控制的,目的是消除扰动的影响。最早明确提出这一概念的是苏联Shipanov,但由于单一扰动控制是不稳定的,Shipanov因而受到了批判和不公正的待遇。后来鲁金院士证明了不变性原理,才为扰动控制提供了理论基础。扰动控制必须和反馈控制结合才能达到理想的效果。水翼艇的“水鳍”控制技术就是一个实例。飞机的主动控制特别是GLA系统和水翼艇的自控系统的机理都是扰动控制与反馈控制的结合,SWATH的WLA也应当如此。4.5前悬浮液控制一般在模糊控制下的应用设计SWATH的WLA系统必须选择合适的传感器,如艏部或艉部高度传感器,及多孔侧压管测量来流方向变化;合理布置加速度传感器;选择合理的运动参数,制定合理的性能指标;确定满意的控制规律,保证性能指标能满足要求。笔者针对某一SWATH的控制方程进行了纵向运动控制的计算分析。选择的运动参数除升沉h、纵倾角θ外,还有艏部和艉部湿甲板与波面之间的高度Dzf与Dza以及重心处加速度¨h和纵摇角加速度¨θ。按常数增益法计算出规则波中各有关运动参数的幅值响应算子,得到结果如下:(1)加速度与角加速度的反馈是非常必要的,对减缓加速度等十分有效。(2)波浪的遭遇频率较低时,按Dzf与Dza进行超前控制是有效的;但在高频时作用较小,这可以理解为长波时爬浪有利,而短波时平台航行较佳。(3)只