船舶操纵线性水动力导数计算方法研究

以粘性流场中船舶操纵水动力预报为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其动网格技术以及后处理系统,对大型船舶的线性水动力导数进行了数值计算.考虑变舵角、斜航、纯横荡、纯首摇运动状态,得出随船坐标系下作用于操纵运动船体的水动力及力矩,并对之采用最小二乘法进行曲线拟合得到船舶操纵运动的线性水动力导数,数值计算结果与理论估算值吻合.稳定的计算结果表明该方法可用于复杂船舶运动的水动力导数计算.     

粘性流场中船舶操纵水动力导数计算

以船舶操纵水动力预报为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其动网格技术以及后处理系统,对粘性流场中大型船舶操纵水动力导数进行了数值计算.船体按照斜航、不同舵角、纯横荡和纯首摇等状态做运动,得出随船坐标系下作用于其上的水动力及力矩.通过进行基于最小二乘法的曲线拟合,最终求得船舶操纵水动力导数.计算结果表明,纯横荡运动和纯首摇运动的水动力与运动无因次频率呈现较好的线性关系,间接验证了所提出的计算方法适用于复杂船舶运动的水动力导数计算.     

区间参数梁结构热弹耦合效应分析

研究了含有区间参数梁结构在温度载荷和力载荷共同作用下的热弹耦合动力响应问题．建立了热弹耦合动力学有限元模型,给出了对结构瞬态温度场和动力响应进行相互交替迭代求解的耦合计算方法,其中,结构瞬态温度场利用有限差分法求解,结构动力响应则利用时间积分法求解．针对区间变量的有限元方程,基于各变量在区间范围内为均匀分布的近似处理,利用改进的蒙特卡罗方法求解,获得动力响应的区间范围．通过悬臂梁算例,分析了热弹耦合效应对动力响应的影响,并针对结构的弹性模量和热膨胀系数区间范围增大的情况进行了比较和分析,得出这两参数以及结构变形大小是影响耦合效应的主要因素．     

螺旋桨对船舶操纵运动水动力影响的数值研究

船-桨-舵相互作用是影响船舶操纵性能的重要因素之一。本文采用RANS方程求解方法并结合SST k-ω湍流模型，计及自由面兴波影响，螺旋桨用体积力法建模，数值模拟了带桨、舵的全附体集装箱船KCS船模的舵力试验、斜拖试验。为研究螺旋桨对操纵运动水动力的影响，分别对带螺旋桨和不带螺旋桨的船-舵系统进行计算，对比了船模水动力随漂角、舵角的变化情况。研究结果表明：带螺旋桨的船-舵系统的水动力和力矩对舵角的变化更加敏感；螺旋桨的运转主要增大了船艉部的横向力；在舵力试验和带舵角的斜拖试验中，螺旋桨对横向力、转艏力矩有显著的影响。     

船舶螺旋桨流固耦合稳态求解算法

为了研究复合材料变形特性对螺旋桨水动力性能的影响,运用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺时均纳维斯托克斯(PANS)方程和3种湍流模型,计算了螺旋桨的敞水性能并将其和试验结果进行了对比,两者吻合较好,验证了流体计算的准确性.推导了变形后的螺旋桨纵倾、侧斜、叶切面螺距以及拱度等几何参数,并将CFD软件计算和有限元求解耦合起来,即首先利用流体计算软件计算桨叶压力载荷,再将流体载荷通过插值技术传递给有限元,计算出螺旋桨的变形,然后再将变形后的桨叶几何输入流体计算软件,反复迭代,直至结果收敛的过程,实现了螺旋桨稳态性能求解的流固耦合算法.该算法可以计算螺旋桨在不同转速和进速下的应力分布和变形,能够求解螺旋桨变形后的压力分布和水动力性能,适用于复合材料螺旋桨的设计.     

三体船操纵性水动力的势流理论计算

为了研究三体船操纵特性,采用势流理论有升力三维面元计算方法,计算和分析了三体船斜航下的有关操纵运动水动力.在物体表面和尾涡面上布置均匀涡环网格,通过满足物面边界条件和库塔条件,计算物体对流场的扰动速度,进而确定物体受力并分析其规律,在对NACA0012机翼压强分布和单体船模水动力随漂角变化规律验证的基础上,将所提方法推广至三体船在斜航运动时受到的横向力和转首力矩计算.据计算结果,分析了三体船侧体位置对其斜航下操纵运动水动力和操纵运动特性的影响.研究表明,文中计算结果具有较高的准确性和合理性,所提势流理论三维面元计算方法为三体船操纵运动水动力预报和三体船操纵运动特性分析奠定了基础,具有较高的工程应用价值和很好的工程应用前景.     

转叶舵机用复式摆动缸操舵原理

转叶舵机具有结构紧凑、机械效率高、安装简便等优点,在舰船上得到广泛应用。现有转叶舵机为单层液压摆动缸,舵叶转动区间受摆动缸结构限制具有饱和非线性。此外,舵叶受水动力干扰引起的冲舵、滞舵和跑舵现象,严重影响船舶航向控制和舵减摇效果。针对上述问题,以直驱式电液伺服转叶舵机为对象,在建立数学模型,分析水动力对舵角干扰的基础上,提出一种复式结构摆动缸操舵新原理。复式摆动缸采用双层结构,内层为舵驱动缸,外层为力矩解耦缸。内外层转子同向转动,可增大舵叶的工作区间,同时,外层力矩解耦缸转子输出助推力矩作用于舵驱动缸转子,可抵消水动力在驱动缸转子上产生的负载力矩,提高舵叶转动精度,解决舵机运动中的力位耦合问题;内外层转子反向转动,可使舵机及时制动、换向,提高舵机操纵性能。复式摆动缸用于转叶舵机,舵机系统具有较大的稳定裕量,幅值裕度为45.3dB、相角裕度为99.2deg,满足伺服系统设计指标。仿真分析表明,在有外负载干扰下,相较于单层摆动缸加控制策略的操舵方式,复式摆动缸操舵响应速度更快,无超调,达到稳态的速度提升约36%,且稳态误差维持在±0.05°范围内。在跟踪斜率为0.01°/s的斜坡信号时,转舵精度可保持在±0.03°位置误差带内,具有较高的位置控制精度。     

全附体潜艇旋臂水池试验及单平面受力研究

为了研究水下航行器在定常回转中的水动力特性及受力运动规律，以潜艇标模SUBOFF AFF-8为研究对象，在浙江大学旋臂水池中进行潜艇操纵性回转试验.介绍潜艇旋臂水池试验的测试技术，包括模型安装、数据测量及六分力天平的标定与校核.获取水平面和垂直面的旋转导数，与泰勒水池的实验值形成对比.结果表明，浙江大学水池与泰勒水池相比，误差小于10%，证明浙江大学旋臂水池对潜艇操纵性试验的测量具有一定的可靠性.在水平面运动中，纵向力和横向力随漂角的变化曲线以0°漂角为分界点左右对称，横摇力矩和偏航力矩随漂角的增大而增大，垂向力和俯仰力矩随漂角的变化近似呈抛物线分布.垂直面运动时，上浮和下潜运动的力和力矩呈对称分布.角速度越大，纵向力越大，在较高的角速度下，不同攻角下的力差值较大.     

波浪上船体与液舱晃荡耦合的非线性时域模拟

为研究外流场非线性对船体与液舱晃荡耦合运动性能的影响,本文基于势流理论提出一种计算波浪中船体与液舱晃荡耦合的时域混杂法.该方法对外流场的入射波力和静恢复力计算考虑了波浪环境下瞬时湿表面的非线性影响;对于内部流动的液舱晃荡采用时域边界元法,将该舱液面引起的力矩进行修正,实现对规则波不同工况下耦合运动时历的求解.本文以S1...     

浸深比对半浸桨水动力特性影响的数值分析

为了分析自然通气状态下浸深比对半浸桨水动力特性的影响,通过求解RANS方程模拟标准模型841B的流场同时结合VOF方法和滑移网格技术建立了可靠的数值方法,并应用该方法研究了不同浸深下SPP-1桨的水动力特性。分析了不同浸深下半浸桨的敞水性能、力的脉动特性以及尾流场特性。研究结果表明:半浸桨的通气状态与浸深比、进速系数密切相关。在非全浸工况下,推力和扭矩均是随进速增加先增加后减小;全浸工况下与常规桨类似。浸深与通气状态对半浸桨受力的脉动特性影响很大。浸深增加,尾流场更加均匀。尾流场中速度分布在自由液面处发生突变。     

船舶静水航行水动力模型的简化及其应用

针对现有船舶水动力模型考虑因素多、通用性差的缺点,通过简化船体线形、忽略波浪和风向等复杂因素的影响,对船舶水动力模型进行研究。推导静水面船体的迎流区域范围,计算水流作用在船体微小面元上的动压力,得出整船水流总阻力计算模型。在此基础上,给出船体航行动力学模型,分析船舶在静水面航行中动力、水阻力和运动状态之间的关系。将该水动力模型应用于船舶稳定航行控制,结果表明模型具有较好的实用性。     

不同浪向下LNGC旁靠FLNG作业时水动力干扰分析

液化天然气运输船(LNGC)旁靠浮式液化天然气生产系统(FLNG)卸载作业时,两船体之间会产生明显的相互水动力干扰。由于单点系泊的风标效应,目前大多数研究针对迎浪条件下水动力分析.在实际环境中,斜浪对两船运动的影响不可忽视.为此,利用理论分析和模型试验相结合,基于三维势流理论和在两船间自由液面添加人工阻尼的方法,对迎浪和斜浪条件下间隙水体的共振现象和两船的一阶水动力性能进行研究.并采用中场法计算两船的二阶水动力参数,揭示浪向对FLNG和LNGC平均漂移力的影响.结果表明:浪向的变化在一定角度范围内不影响自由面阻尼的取值,但是对间隙水体的共振模态和幅值有影响.浪向的改变影响两船间的遮蔽效应,使得FLNG对LNGC在斜浪下的运动响应产生显著的抑制作用.同时,不同浪向下两船平均漂移力的主要成分也发生变化.     

双桨无人船转弯半径预报

采用安装有2个螺旋桨的模型遥控船为研究对象,采用滑移网格技术建立实尺度三维混合网格,运用SST模型进行计算流体力学(CFD)仿真. 对该船在静止坐标系下进行自航模拟,通过阻力/推力平衡和单个螺旋桨的偏心位置计算单螺旋桨推进下船的转弯力矩. 建立包含船、桨在内的大区域旋转网格,对该船2种工况下的转弯特性进行数值模拟. 通过插值,可得转弯半径. 对左侧螺旋桨转速为7 560 r/min的实船模型进行转弯实验,测出实船的转弯半径. 数值模拟值与实验测量值之间的相对误差为5.56%,验证了该方法的通用性,为后续双桨水面无人船的精确控制提供数据支持.     

98m客滚船船体结构总纵强度计算分析

探讨了印尼98 m客滚船船体结构总纵强度计算方法,采用船体结构分析程序系统(DPP)计算了9种装载状态下的船舶静水弯矩和静水剪力曲线;计算出了最大静水弯矩和最大静水剪力,供校核强度用.为其他采用直接计算法进行总纵强度计算提供参考.     

地震与同震冰滑坡综合作用下动水压力分布规律试验研究

地震作用下常常引发大量的崩塌滑坡,但目前对冰湖溃决风险评估中,一直忽视了地震及同震触发滑坡的综合作用。为研究地震及同震触发滑坡二者综合作用下的动水压力分布规律,首先分别进行地震和冰滑坡作用下的动水压力试验分析,然后设计了在振动台模拟地震过程中加入冰滑坡入水的试验,观察地震与冰滑坡综合作用下动水压力的分布特点。结果表明：地震动水压力沿水深分布表现为上小下大的特点,其结果与Westergaard简要解吻合良好;冰滑坡作用下动水压力沿水深服从上大下小的分布规律,并分析了滑块体积、入水速度及初始水深等因素对最大动水压力值变化的影响,采用试验数据拟合得到冰滑坡入水动水压力值的经验公式;地震和冰滑坡共同作用时动水压力分布曲线近似于两者单独作用下动水压力幅值的叠加,只是综合值小于叠加值;提出地震与同震冰滑坡综合作用下最大动水压力的估算方法。     

多流动区域耦合算法在液力元件中的应用

讨论了多流动区域耦合算法及其在液力元件中的具体应用,给出了液力变矩器和液力偶合器的不同转速、多叶轮流场耦合计算的应用实例。计算结果表明:多流动区域耦合算法比液力元件通过上下游传递边界条件的单个叶轮算法更为先进。基于三维流场数值解计算出液力变矩器与液力偶合器特性,将其与试验结果进行对比后可知,多流动区域耦合算法具有更高的计算精度。     

不同护卫舰船型飞行甲板气流场特征研究

为了研究舰船气流场特征,对简化船型SFS1和SFS2以及实体护卫舰船型进行数值模拟,与风洞实验数据对比验证,分析了飞行甲板周围气流场特征．通过对SFS1船型的计算,得到了舰船中心表面压力系数的分布,发现涡在机库顶端分离、脱落并且再附着于飞行甲板,验证了飞行甲板表面马蹄涡的存在．算例结果表明护卫舰船体结构对空气的阻滞作用是涡分离和脱落的重要驱动力．对于实体护卫舰船型分别计算了0°和右舷30°风向角时的气流场工况,分析发现机库结构的形状和尺寸会影响飞行甲板周围涡旋的强度和位置．在0°风向角时,机库门敞开有助于改善飞行甲板的气流场状况．     

磁悬浮主轴轴承间的耦合研究

分析了磁悬浮主轴轴承间的耦合现象 ,给出了磁悬浮主轴轴承间的耦合力矩的分布图。并且探讨了影响耦合力矩的几个参数对耦合强度的作用 ,并给出了其影响曲线。     

发动机曲轴与正时系耦合动力学研究

为了研究发动机曲轴与正时系的耦合作用,建立曲轴的多弹性体动力学模型,得到了曲轴的扭转振动、曲柄臂圆角的动态应力以及主轴承的弹性流体动力学结果.单独建立了正时系的多体动力学模型,分析了同步带内力及带与各带轮的啮合力.通过联合仿真的方法将曲轴与正时系耦合起来,考虑曲轴正时带轮的力、力矩以及位移的相互作用,得到了曲轴与正时系的耦合动力学结果.结果表明：耦合作用下的曲轴扭振幅略有增加,第一主轴承所受弯矩的变化增加了最大油膜压力以及减小了最小油膜厚度,第一曲柄臂圆角最大应力增加了39%,而正时系动力学受曲轴的影响较小.曲轴扭振实验验证了耦合模型更符合发动机的实际工况.