航速損失最小的船舶減搖控制策略研究.pdf

1、船舶在風(fēng)浪中航行，由于海洋擾動(dòng)作用必然會(huì)產(chǎn)生大幅值搖擺運(yùn)動(dòng)，其中橫搖運(yùn)動(dòng)對(duì)水面船舶的任務(wù)工作影響最為劇烈，在船舶大幅運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，使得航行阻力增加，可達(dá)到靜水阻力的20-40％，消耗主機(jī)推進(jìn)功率進(jìn)而引起航速下降。隨著全球變暖和能源危機(jī)日益加劇，對(duì)節(jié)能減排和能量消耗的要求也與日俱增。由于國際上已經(jīng)出臺(tái)關(guān)于運(yùn)輸業(yè)能源清潔度方面的法規(guī)，造船和航運(yùn)業(yè)為提高其競爭力，已將航速損失和不同海況下的高額燃料消耗問題作為主要問題攻克。
　　本研究根據(jù)

2、牛頓定律分析船舶水平面三自由度非線性耦合運(yùn)動(dòng)方程，利用隨機(jī)海浪理論建立海浪時(shí)域和頻域干擾模型，并分析對(duì)比PM譜和ITTC雙參數(shù)譜，建立水平面3-DOF運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)。闡述基于減搖鰭和自動(dòng)舵的船舶橫搖減搖原理，最后給出實(shí)際應(yīng)用的船舶線性化橫搖模型。從壓力積分法計(jì)算二階波浪力的原理入手，根據(jù)勢流理論建立船舶橫搖運(yùn)動(dòng)波浪增阻模型。利用海洋工程軟件ANSYS-AQWA針對(duì)60系列船型計(jì)算不同遭遇情況下的船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和二階波浪力，并以此數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，

3、校正模型參數(shù)并驗(yàn)證模型的可行性。分析船舶橫搖運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與波浪增阻在各時(shí)間點(diǎn)的代數(shù)關(guān)系，研究使阻力增加程度最小化的橫搖角（最優(yōu)橫搖角），采用帶有約束的廣義預(yù)測控制方法設(shè)計(jì)帶有航行阻力最小化的船舶減搖鰭控制系統(tǒng)。結(jié)果表明，該種系統(tǒng)與傳統(tǒng)減搖控制相比在減搖效果差別不大的前提下能夠更有效的減少阻力增加。分析船舶靜水阻力的各種組成部分，研究實(shí)用的靜水阻力估算方法。基于擴(kuò)展輻射能量法，分析斜浪下船舶五自由度運(yùn)動(dòng)姿態(tài)引起波浪增阻的決定性因素。給出波浪中

4、航速損失的計(jì)算方法，并著重分析有義波高、遭遇周期等海洋環(huán)境因素對(duì)船舶橫搖運(yùn)動(dòng)作用下航速損失的影響。提出航速損失的評(píng)價(jià)指標(biāo)，依據(jù)減搖鰭翼面的非線性升力特性，設(shè)計(jì)帶有航速損失約束的雙重非線性廣義最小方差減搖鰭控制系統(tǒng)。仿真表明，控制器性能良好且結(jié)構(gòu)簡單容易實(shí)現(xiàn)，考慮惡劣海況船長主動(dòng)降速航行，航速基本能夠維持在設(shè)定航速附近。研究船舶艏搖轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)引起靜水阻力增加的機(jī)理，找到5-DOF運(yùn)動(dòng)姿態(tài)引起航速下降的關(guān)鍵因素。基于對(duì)波浪增阻和靜水阻力的研究