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2016年  第11卷  第4期

《中国舰船研究》2016年第4期目录
《中国舰船研究》编辑部
2016, 11(4): .
摘要:
[1] 基于相对熵排序的舰船甲板气流场评价方法…李想,黄胜,王超,王国亮(1)[2] 基于三维CAD模型的复杂艏、艉船型曲面快速光顺方法及实现…周春凯,董枫,罗亮,陈顺怀,廖显庭(7)[3] 江海直达船艏部结构入水砰击试验…彭晟,吴卫国,夏子钰(14)[4] 新型高速艇的CFD模拟和对比分析…魏子凡,井升平,杨松林(22)[5] 基于体积力法的全附体KCS型船模PMM运动数值模拟…王慧婷,毕毅(29)[6] 基于涡格法的螺旋桨剖面拱线设计…饶志强,杨晨俊(38)[7] UR-S11A对集装箱船直接强度的影响…郑祖园,王德禹(44)[8] 六层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的冲击实验…张振华,牛闯,钱海峰,王媛欣(51)[9] 球柱结合壳焊趾表面裂纹坐标变换有限元建模方法及应力强度因子计算…闫小顺,周心桃,黄小平(59)[10] 压缩载荷下金属波纹夹层梁稳定性试验与数值分析…吴晖,何书韬,刘均,张玉龙,王智慧,曾广武,程远胜(67)[11] 基于不同模型的正交加筋板低频振动和声辐射分析…高双,朱翔,李天匀,王迪(72)[12] 基于有限元能量流的混合结构间耦合损耗因子…陈景昊,吴卫国,林永水(79)[13] 浸没圆柱壳低频自振频率计算中流固与声固耦合模型统一性分析…杨国栋,李天匀,朱翔,郭文杰(87)[14] 动载荷施加方式对船舶设备—基座系统建模方法的影响…郁扬,杨德庆,刘见华,石嘉欣(93)[15] 船机电系统自主控制平台及资源分配策略…岳林(102)[16] 遗传粒子群优化算法在船舶动力定位控制中的应用…薛彩霞,袁伟,俞孟蕻,樊冀生(111)[17] 船舶蒸汽管网水力热力耦合计算方法…徐鹏,宋振国,陈汝刚,吴炜(116)[18] 基于超松弛解析迭代方法的多导体传输线电磁脉冲响应计算方法…郭俊,李妮,张建功,谢彦召(121)[19] 高隔离度和ns级响应时间的主动式射频前端限幅设计方法…杜平(126)[20] 舰船备件配置研究现状与思考…王鸿东,易宏,梁晓锋,余平(133)
基于相对熵排序的舰船甲板气流场评价方法
李想, 黄胜, 王超, 王国亮
2016, 11(4): 1-6. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.001
摘要:
为有效开展对大型舰船甲板气流场的评估工作,提出一种基于相对熵排序的气流场评价方法。首先,数值模拟3艘国外大型舰船同一工况条件下的舰面空气流场状态,给出起飞、降落跑道气流场速度和甲板面压力变化等评价气流场的关键参数,然后,根据这些指标参数建立舰船甲板气流场的评价指标体系,其重要程度需依据相关领域的多位专家通过商讨后得出,最后,引入相对熵的概念改进传统的TOPSIS方法,对3艘舰船的气流场方案进行综合评价。应用实例表明,该方法可为舰船甲板气流场评价提供一种可行、有效的新途径。
基于三维CAD模型的复杂艏、艉船型曲面快速光顺方法及实现
周春凯, 董枫, 罗亮, 陈顺怀, 廖显庭
2016, 11(4): 7-13. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.002
摘要:

利用船舶型值和复杂艏、艉特征参数等数据,结合三维CAD设计软件进行初步建模,提出一种基于三维CAD软件模型的复杂艏、艉船型曲面快速光顺方法,实现复杂艏、艉船型曲面的快速三向光顺。利用生成的光顺仿真模型和曲面求交算法,获得艏、艉部位任意型值点数据。该方法将拼接和光顺处理分为三个阶段来实现,即曲面重建、G1光顺拼接、曲面微调3个阶段。相较于三维CAD软件中基于单个控制点调整的曲面拼接光顺方法,该方法能够大幅提高曲面拼接与光顺的处理效率,同时曲面的内在连续性和型值点数据精度也得到了保证。

江海直达船艏部结构入水砰击试验
彭晟, 吴卫国, 夏子钰
2016, 11(4): 14-21. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.003
摘要:

新一代江海直达船主要呈宽扁型且吃水较浅,由江入海航行时会发生船艏底部和外飘砰击,严重的砰击会造成船舶主动失速甚至结构损伤,影响船舶与人员安全。传统的理论和相关经验公式很难预报宽扁肥大的艏部结构的砰击载荷。相较于传统的简化模型试验方法,本文基于相似理论设计了与某新型江海直达船艏部结构相似的三维木质模型。采用落水试验的方法进行了一系列的不同落水高度及不同入水角度的入水砰击试验。研究江海直达船艏部结构所受砰击载荷特点,得到砰击压力峰值及其分布规律,同时发现了小角度入水情况下(入水攻角α<5°)的空气垫效应,空气垫延缓并减小了砰击压力峰值。此外还回归了0°~15°入水攻角下的底部砰击压力预报公式,可供结构设计时参考砰击载荷的选取。

新型高速艇的CFD模拟和对比分析
魏子凡, 井升平, 杨松林
2016, 11(4): 22-28. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.004
摘要:
高速艇具有体积小、航速高、智能等优点,可以完成搜救、探测、导航和作战等多种任务,广泛应用于军民用领域。研究高速艇的阻力性能对艇体的型线设计和艇体的流体动力学性能分析都显得十分重要。设计一种新型高速艇,通过NUMECA系列软件对不同的高速艇进行数值模拟计算,以研究此类新型高速艇的水动力性能。研究表明:加装水翼或防飞溅条均可增加艇体的升力,使艇体更快地处于滑行状态,安装了防飞溅条的翼滑艇的阻力性能良好。
基于体积力法的全附体KCS型船模PMM运动数值模拟
王慧婷, 毕毅
2016, 11(4): 29-37,66. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.005
摘要:
为高效、精确地求解船舶操纵水动力导数,以全附体KCS型船模为研究对象,基于RANS方程及VOF模型,在star-ccm+平台上采用体积力法模拟螺旋桨作用,计及自由面兴波及航行姿态变化对船模水动力的影响,开展斜航、纯艏摇、漂角和艏摇组合3种平面运动机构(Planar Motion Mechanism,PMM)运动的数值模拟,将横向力Y、艏摇力矩N、横倾力矩K的数值模拟结果与试验结果进行对比,并依照PMM试验的动力学方程,通过最小二乘法拟合和傅立叶积分,将数值模拟结果与试验结果的时历曲线进行分析处理,求得操纵水动力导数。研究结果表明:该方法用于数值模拟PMM运动是可行的;求得的水动力导数中Y'vvvN'vvv误差略大,其余水动力导数误差均在15%以内。
基于涡格法的螺旋桨剖面拱线设计
饶志强, 杨晨俊
2016, 11(4): 38-43. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.006
摘要:

船舶螺旋桨的叶剖面形状与其负荷形式、效率、空泡等水动力性能密切相关。剖面拱线与剖面的负荷分布有直接关系。为了设计给定负荷分布的剖面拱线,提出用升力分布定义螺旋桨剖面拱线的负荷分布,在此基础上对升力分布进行参数化表达,并进行拱线设计。拱线的设计采用Newton-Raphson迭代方法使拱线的升力分布满足给定值,拱线的性能计算采用基于薄翼理论的二维涡格法。计算表明:涡格法与Newton-Raphson迭代方法相结合能够精确并快速设计满足给定升力分布的拱线。最后,修改升力分布的部分参数,并由此设计了SJ系列拱线供剖面设计参考。

UR-S11A对集装箱船直接强度的影响
郑祖园, 王德禹
2016, 11(4): 44-50. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.007
摘要:
国际船级社协会在最新出版的统一要求中,新增了UR-S11A关于集装箱船总纵强度的要求。之前集装箱船的总纵强度一般按照UR-S11进行校核,如今新要求对集装箱船的总纵强度有了更为严格的要求。首先比较UR-S11和UR-S11A的载荷差异,然后针对一艘4 250 TEU的集装箱船,按照UR-S11和UR-S11A的规定进行结构强度分析和比较, 以期研究新规则对集装箱船总纵强度的影响。从计算结果可以看出,UR-S11A的波浪载荷较UR-S11有较大的提高,因此新规则对集装箱船的结构强度提出了更高的要求
六层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的冲击实验
张振华, 牛闯, 钱海峰, 王媛欣
2016, 11(4): 51-58,66. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.008
摘要:
为研究多层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的抗爆性能,加工制作了六层金字塔点阵夹芯板结构模型,通过水下爆炸实验,揭示了多层金字塔点阵夹芯板结构的变形模式,并对模型结构进行数值仿真,分析了夹芯板结构的吸能情况。上面板呈整体下沉变形模式;金字塔点阵夹芯结构存在动态屈曲变形模式;屈曲芯层之间的夹层板呈波浪褶皱变形;下面板呈平台变形模式,靠弯曲和拉伸变形吸能。实验结果表明:夹芯结构的第1层和第6层破坏较为严重,同时由于夹芯层的吸能作用,对下面板起到了一定的缓冲防护作用。
球柱结合壳焊趾表面裂纹坐标变换有限元建模方法及应力强度因子计算
闫小顺, 周心桃, 黄小平
2016, 11(4): 59-66. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.009
摘要:

深潜器的上浮和下沉会使得耐压壳体舱口球柱连接位置存在随时间变化的交变应力,这有可能引起疲劳破坏,运用裂纹扩展理论进行疲劳预报时需要解决舱口球柱连接位置的应力强度因子计算问题。推荐一种坐标变换建模法,能够解决球柱结合壳焊趾表面裂纹有限元建模的问题;通过圆管、T型相贯管节点表面裂纹的计算,验证所推荐方法的精度;以4 500 m级载人深潜器为研究对象,计算一定潜深时耐压壳舱口焊趾表面裂纹的应力强度因子。所推荐的方法同样适用于圆柱体、圆锥体、球体或其组合体型式的耐压结构典型节点三维裂纹应力强度因子计算。

压缩载荷下金属波纹夹层梁稳定性试验与数值分析
吴晖, 何书韬, 刘均, 张玉龙, 王智慧, 曾广武, 程远胜
2016, 11(4): 67-71,132. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.010
摘要:

针对一个激光焊接金属波纹夹层梁模型,设计轴向压缩载荷下稳定性试验方案,通过试验获得夹层梁结构失稳临界载荷(极限载荷)及破坏模式。采用有限元软件ANSYS计算、探讨轴向压缩载荷下夹层梁结构的稳定性,数值计算结果与试验结果吻合较好。最后,对夹层梁结构在轴向压缩载荷下的临界失稳承载能力进行参数化分析。计算结果表明:在增加相同重量的前提下,增加下面板的厚度或芯层的厚度更有利于提高夹层梁结构的轴向临界失稳承载能力。

基于不同模型的正交加筋板低频振动和声辐射分析
高双, 朱翔, 李天匀, 王迪
2016, 11(4): 72-78. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.011
摘要:
正交加筋薄板在船舶结构中应用十分广泛。从简化加筋板模型的角度出发,基于李兹法能量泛函变分原理推导加筋板的能量求解;并针对双向加筋板基于正交异性板理论和相当板厚理论提出2种简化方法,对3种模型模拟的加筋板推导其固有频率的解析公式。计算表明:3种正交加筋板模型在求取低阶固有频率时均具有良好的精度。在此基础上研究了基于3种模型的加筋板在空气中和水中的声辐射特性,为加筋板组合结构的振动和低频声辐射问题提出了新的简化思路。
基于有限元能量流的混合结构间耦合损耗因
陈景昊, 吴卫国, 林永水
2016, 11(4): 79-86. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.012
摘要:

为了减轻船舶结构重量,降低重心,高速船往往采用钢、铝混合结构,两者之间采用过渡接头进行连接会影响结构声波的传递。耦合损耗因子(CLF)作为统计能量分析法的一个关键参数,对船舶舱室噪声预报有着重要影响。基于有限元能量流法构建了相应的数值计算模型,采用Matlab软件编写计算程序,将其应用于某典型钢、铝混合结构的计算中并对其进行了验证,同时还研究了连接接头参数及加筋板对结构耦合损耗因子的影响,结果表明:增加接头的重量或横截面积可以减小中高频段的耦合损耗因子。所编程序可以为该类型船舶的噪声预报及减振降噪提供建议与指导。

浸没圆柱壳低频自振频率计算中流固与声固耦合模型统一性分析
杨国栋, 李天匀, 朱翔, 郭文杰
2016, 11(4): 87-92. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.013
摘要:

流固耦合与声固耦合模型是分析流场中圆柱壳自振特性的常用理论模型。现有的研究表明,基于这2种理论模型的流场中圆柱壳低频自振特性计算结果吻合较好,但尚未有关于二者本质联系方面的研究。分别基于这2种理论模型求解浸没圆柱壳的自由振动,基于圆柱壳自由振动的Flügge方程进行相关公式的推导,并提出利用Galerkin法求解特征方程的方法。结果显示,采用该方法既可求得各阶模态固有频率的精确解,又能显著提高运算效率。对2种理论模型进行统一性分析,从贝塞尔函数的性质出发,证实流固与声固耦合模型虽然是基于不同的理论基础,但在求解浸没圆柱壳低频自振特性上其本质上是一致的,且通过算例的对比,证明2种模型在低频段计算结果吻合较好。

动载荷施加方式对船舶设备—基座系统建模方法的影响
郁扬, 杨德庆, 刘见华, 石嘉欣
2016, 11(4): 93-101. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.014
摘要:

船舶结构动力响应分析中,设备动载荷是通过基座传递到船体板架上的,构成了设备—基座系统。由于设备激振力较难测量,而设备传递到基座面板处的加速度容易测量,因此在实际工程中,按设备力载荷施加与按基座面板传递加速度载荷施加时,针对船体结构动力学响应的等效性研究,以及相关建模方法研究具有重要的应用价值。通过理论推导,分析2种动载荷施加方式对模型建立方法的影响;并针对某实船特定舱段,建立有限元模型,通过比较在设备—基座模型中施加激振力载荷与在单基座模型中施加加速度载荷2种情况下评价点的振动加速度级,验证结论的正确性。研究表明,在低频域内,载荷以加速度输入时,在设备—基座系统的有限元模型中无需考虑设备建模及其质量分布。

船机电系统自主控制平台及资源分配策略
岳林
2016, 11(4): 102-110. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.015
摘要:

针对船机电系统大多依旧基于“人在回路”通讯及独立决策模式,难以进一步精简人员配置和提升运行效能的问题,提出一种船机电系统自主控制平台。该平台采用多代理(Multi-Agent)分级控制结构联合船机电系统,基于资源分配策略模型自主进行系统资源分配与任务调度,使舰船平台具备无人监督时的自重构与自决策执行能力,实现船机电系统作业模式从传统的基于人员运行向自主运行转变。试验表明,该平台能够自主结合任务需求和环境条件进行决策评估与资源优化,可有效提高舰船平台的整体生命力和任务执行效能。

遗传粒子群优化算法在船舶动力定位控制中的应用
薛彩霞, 袁伟, 俞孟蕻, 樊冀生
2016, 11(4): 111-115. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.016
摘要:
针对船舶动力定位系统精确定点控制的问题,结合遗传算法(GA)独特的选择交叉变异功能和粒子群优化算法(PSO)较好的记忆功能等优点,提出了遗传粒子群(GAPSO)算法,并应用到最优控制性能指标加权矩阵的权重系数选择中。通过1艘海工多用途动力定位船舶定点控制仿真实验,使船舶纵荡和横荡的位置及艏摇角都逐渐保持在期望值,且所有输出值都收敛有界,结果与传统最优控制相比,遗传粒子群算法在最优控制中更具有效性及较好的寻优性能,有益于船舶工程的应用。
船舶蒸汽管网水力热力耦合计算方法
徐鹏, 宋振国, 陈汝刚, 吴炜
2016, 11(4): 116-120. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.017
摘要:

船舶蒸汽系统水力热力耦合计算是系统设计、管路布置的理论基础。在城市供热管网计算模型的基础上,针对船舶蒸汽系统管网布置错综复杂、管路附件多的特点,考虑蒸汽的可压缩性、管路及附件的摩擦阻力以及散热等特性,建立适用于船舶蒸汽系统管网的水力热力耦合计算模型,并采用标准四阶龙格—库塔(Runge-Kutta)方法对其进行求解。对某型船舶蒸汽系统的3种工况进行水力热力耦合计算,发现计算结果与试验数据最大误差不超过4.1%,满足工程计算的精度要求,表明所提出的方法能很好地应用于船舶蒸汽系统管网的设计优化和计算分析。

基于超松弛解析迭代方法的多导体传输线电磁脉冲响应计算方法
郭俊, 李妮, 张建功, 谢彦召
2016, 11(4): 121-125. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.018
摘要:

电磁脉冲会在多导体传输线中感应出较高幅值的感应电压和电流,对传输线端接设备等具有严重威胁。所以,对多导体传输线进行建模,分析多导体传输线电磁脉冲响应对于预测电力线的电磁脉冲效应,研究其保护方法具有重要的意义。在多导体传输线建模方面,传统的链参数矩阵算法由于存在大量的矩阵求逆运算,在存在大量线缆时其计算速度较慢。基于此问题,提出了基于解析迭代方法的多导体传输线电磁脉冲响应计算方法(DARIT-field),该方法在求解每根线缆上的响应时,将临近线缆的串扰耦合效应等效为在临近线缆上均匀分布的激励源,计算过程得到了大幅简化。并对基于不同迭代方法的多导体传输线电磁脉冲响应计算方法进行了对比,最后利用实例对每种方法的优、缺点进行了对比。

高隔离度和ns级响应时间的主动式射频前端限幅设计方法
杜平
2016, 11(4): 126-132. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.019
摘要:

用于防止射频前端受到物理损伤的限幅器,其限幅输出电平难以得到有效抑制,并且容易导致敏感的低噪声放大器进入深度饱和状态,影响接收通道的正常工作。因此,提出一种具有高隔离度和ns级响应时间的主动式射频前端限幅模块设计关键技术。经实验验证,所设计的模块通过集成检波器、高速比较器和多级PIN二极管,能够较大程度的降低限幅模块的饱和阻抗,提高强射频信号注入时的隔离度,从而降低泄露到后级敏感模块的功率等级,防止接收机进入深度饱和状态。

舰船备件配置研究现状与思考
王鸿东, 易宏, 梁晓锋, 余平
2016, 11(4): 133-140. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.020
摘要:

备件是舰船装备进行正常检修或应急修理的保障性物资,舰船备件配置水平的高低直接影响舰船装备保障的能力与费用。在舰船维修体制分析的基础上,通过对国内外舰船备件配置文献的梳理研究,依据不同的理论基础与数学模型,总结基于历史数据、METRIC理论和系统可靠性的配置方法,并对这些方法的优势与不足进行分析对比。在此基础上,提出考虑部件重要度、混合约束下的多目标优化以及备件共用策略优化这3个舰船备件配置研究未来的发展方向。