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2017年  第12卷  第1期

《中国舰船研究》2017年第1期目录
《中国舰船研究》编辑部
2017, 12(1): .
摘要:
[1] KCS标称伴流场的尺度效应数值分析…张海鹏,张东汗,郭春雨,王恋舟,刘恬(1)[2] 三维水翼梢涡流场数值研究…蒲汲君,熊鹰(8)[3] 船艏及干舷压浪在高速艇上的应用对比…魏成柱,李英辉,易宏(14)[4] 基于圆球型球鼻艏构型的兴波阻力减阻特性分析…张文山,卢晓平(21)[5] 全回转双桨船舶操纵性预报…吴兴亚,高霄鹏(27)[6] 驱逐舰耐波性与人因中晕动症相关性分析…熊虎,卢晓平(32)[7] 基于Top-down建模机制的三维虚拟人快速建模方法…李涛涛,方雄兵,林锐,陈捷捷(38)[8] 极地航行船舶及海洋平台防冰和除冰技术研究进展…谢强,陈海龙,章继峰(45)[9] 船体板和加筋板的屈曲及极限强度研究综述…陈彦廷,于昌利,桂洪斌(54)[10] 极端海况下船舶总纵极限强度可靠性计算方法…张增胤,赵耀(63)[11] 环肋圆柱壳卧置状态下的重力变形分析…刘东,张岳林,陈武(72)[12] 基于CFD的某化学品船预旋定子优化…韩聪,傅慧萍,马宁,杨晨俊(78)[13] 舵系统流激振动影响因素及规律的理论与试验研究…肖清,胡刚义,谢俊超(84)[14] 钢/玻璃钢组合结构对高速弹丸的抗侵彻特性…张元豪,陈长海,朱锡(93)[15] 近爆载荷作用下液舱的吸能研究…李思宇,李晓彬,赵鹏铎,胡翔(101)[16] 相位共轭阵列及其形成的相位共轭声场…黎胜,李婷,刘松(107)[17] 纵振动对声传输测量带来的干扰及其避免方法…董鹏,陈志刚,龚强,芦雪松(116)[18] 基于船舶艉轴-油膜-艉部结构系统的碰撞载荷响应研究…董良雄,杨意,高军凯,龚雅萍(122)[19] 基于航速保持的舵减摇控制方法…刘志全,金鸿章(128)[20] 新型线性自抗扰控制器在船舶动力定位控制系统中的应用…金月,俞孟蕻,袁伟(134)
总体与性能
KCS标称伴流场的尺度效应数值分析
张海鹏, 张东汗, 郭春雨, 王恋舟, 刘恬
2017, 12(1): 1-7. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.001
摘要:
为了研究标称伴流场的尺度效应,对不考虑自由液面效应的KCS船的粘性绕流场进行研究,并基于RANS方法和SST k-ω模型对包含实尺度的7种不同尺度下的标称伴流场进行数值计算。然后,将模拟结果与试验数据进行对比,进一步分析标称伴流场的尺度效应。结果显示:各半径处平均轴向伴流分数的倒数与雷诺数的对数呈正相关;KCS裸船体桨盘面处的标称伴流场存在2个伴流峰,且伴流峰值会随雷诺数的增加而减小,有利于减小螺旋桨的空泡和激振力;小尺度模型的尺度效应更为明显,且内半径处的平均轴向伴流分数尺度效应问题比外半径处的更为严重。
三维水翼梢涡流场数值研究
蒲汲君, 熊鹰
2017, 12(1): 8-13, 26. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.002
摘要:
针对三维水翼梢涡流场和梢涡空泡初生的问题,分别建立k-ω,DES和LES模型,对水翼的梢涡流场进行计算研究。为减少误差,在网格的处理上对梢涡流域进行局部加密,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算,发现LES模型的计算结果与实验值吻合较好。在此基础上,讨论尾涡的卷曲对梢涡压力场的影响,提出了使用气泡静力平衡方程计算初始梢涡空泡数的方法。
船艏及干舷压浪在高速艇上的应用对比
魏成柱, 李英辉, 易宏
2017, 12(1): 14-20. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.003
摘要:
快艇在高速航行时会产生剧烈的艏部兴波和干舷淹湿问题,通常需要采用适当的压浪措施来控制这些不利因素。为进一步研究干舷压浪技术在高速艇上的应用效果并与船艏压浪技术进行对比,基于某一细长高速穿浪船,对比这2种压浪技术对船体兴波、淹湿、运动、稳性和高速下横倾回复力矩的影响。船体淹湿、阻力和船体运动通过求解URANS方程和使用动网格技术获得,高速下的横倾回复力矩也通过求解URANS方程获得。计算结果表明,2种压浪技术均能有效控制船体淹湿,但干舷压浪设计能在船长范围内控制船体淹湿并具有更好的初稳性,在高速下也有更大的横倾回复力矩。自航模试验也验证了压浪干舷的可行性和良好性能。
基于圆球型球鼻艏构型的兴波阻力减阻特性分析
张文山, 卢晓平
2017, 12(1): 21-26. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.004
摘要:
球鼻艏减阻的机理至今尚未完全清晰,开展基于圆球型球鼻艏构型对兴波阻力影响机理的研究,对揭示球鼻艏的减阻机理,充分发挥球鼻艏对水面舰船的消波减阻效果具有基础性的重要意义。针对DTMB 5415船型,利用CFD计算软件STAR-CCM,分析前伸出球鼻艏主要构型参数对兴波阻力的影响及其机制。设置几组前伸出球鼻艏,其主要构型参数的前伸量与半径各异,结合采用已知试验数据和CFD计算数据分析阻力的变化规律,以及球鼻艏减阻的机理。结果表明,在特定的傅汝德数条件下,球鼻艏纵向位置和半径对兴波阻力的影响较为显著。
全回转双桨船舶操纵性预报
吴兴亚, 高霄鹏
2017, 12(1): 27-31, 62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.005
摘要:
为实现对全回转桨船操纵性的预报,根据船舶分离型运动模型的建模方法,考虑全回转桨在水平面上周转的灵活性与受力的特殊性,着重分析双桨受力,建立适用于全回转对转桨船模的MMG操纵运动数学模型;模拟船模进行PMM运动,求得水动力导数并采用四阶龙格-库塔法对操纵性常微分方程进行求解;对某工程船在静水中的回转运动和Z形操纵运动进行数值仿真预报,并将预报结果与自航模操纵性试验结果进行对比。结果表明,两者吻合度较高,验证了针对全回转对转桨船模所建立的船舶运动数学模型的有效性,可为全回转桨船的操纵性预报提供一种较为可靠且行之有效的方法。
驱逐舰耐波性与人因中晕动症相关性分析
熊虎, 卢晓平
2017, 12(1): 32-37. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.006
摘要:
舰船耐波性不仅是衡量舰船总体性能的重要指标,也对舰船上人员晕动症的发生有直接影响,因此,良好的耐波性设计是保障舰员舒适度和绩效的基础。采用切片法理论编写耐波性计算程序,对DTMB 5415标模进行耐波性计算,得到在迎浪中不同航速下船艏、重心处的垂向加速度响应,分析DTMB 5415标模对应的驱逐舰升沉运动时垂向加速度对人因中晕动症造成的影响,给出驱逐舰耐波性与人因中晕动症的数值关系。结果表明:船艏和重心处垂向加速度理论计算结果正确,准确度满足晕动症预报的要求;计算所得晕动症发生率规律合理,可作为驱逐舰船型晕动症发生率分析和预报,以及人因改善的资料。
基于Top-down建模机制的三维虚拟人快速建模方法
李涛涛, 方雄兵, 林锐, 陈捷捷
2017, 12(1): 38-44. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.007
摘要:
为满足虚拟现实领域对不同角色三维虚拟人大量定制与快速建模的需要,系统性梳理虚拟人建模技术的研究现状及不足,提出一种基于自顶向下(Top-down)建模机制的三维虚拟人快速建模方法。在顶层实现虚拟人模型层次结构框架设计的基础上,逐级向下实现虚拟人模块化表达与各模块控制参变量设计,建立虚拟人各模块的接口与映射约束关系,完成尺寸与纹理参变量的定义,并形成支持虚拟人Top-down快速建模实践操作的标准化流程。最后,以中国籍船长角色的定制建模为例,进行Top-down建模机制下的虚拟人快速建模应用验证。由建模过程的能效性以及建模结果的视觉效果分析可知,基于Top-down机制的三维虚拟人快速建模方法及标准化流程高效、可行,可为三维虚拟人几何建模与纹理建模的实现提供新的建模思路与理念。
结构与装置
极地航行船舶及海洋平台防冰和除冰技术研究进展
谢强, 陈海龙, 章继峰
2017, 12(1): 45-53. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.008
摘要:
极地具有气候环境极端恶劣、海气交换强烈、湿度很大等特点,在此航行(或冰区航行)的船舶和海洋平台结构表面极易形成覆冰,它不仅影响设备操作,更直接威胁到船舶和海洋平台的安全。对国内外极地航行船舶及海洋平台防冰和除冰技术的现状进行综述。首先,介绍覆冰对极地航行船舶及海洋平台不同部位的影响和危害程度。然后,归纳和分析国内外现有防冰和除冰方法与技术,包括电加热、红外线、超声导波等主动除冰方法,以及超疏水涂层、牺牲性涂层、水润滑涂层以及低交联度界面滑移涂层等被动除冰方法。最后,总结现有防冰和除冰技术在极地航行船舶及海洋平台上的适用性及优缺点,为极地航行船舶及海洋平台的防除冰设计提供参考。
船体板和加筋板的屈曲及极限强度研究综述
陈彦廷, 于昌利, 桂洪斌
2017, 12(1): 54-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.009
摘要:
船体板和加筋板的屈曲及极限强度是船舶结构强度设计的重要内容,近年来研究成果颇丰,为了能够更方便地对其展开学习和研究,对近十几年来国内外钢质船体板和加筋板的屈曲及极限强度研究进展进行综述。主要叙述了静态加载范畴下的研究现状,分别按照试验法、数值计算法、解析法和综合性方法4种不同研究方法,对完整结构和含有开口、裂纹、腐蚀、凹痕几种不同损伤的非完整结构,在承受单一载荷或联合载荷作用下的极限强度研究成果进行系统的概述,并介绍加筋板低周疲劳和动力屈曲的研究必要性和部分研究成果,讨论各研究方法的优劣性,对一些重要的定性研究结论进行汇总,指出6个需要进一步展开研究的问题。
极端海况下船舶总纵极限强度可靠性计算方法
张增胤, 赵耀
2017, 12(1): 63-71. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.010
摘要:
船舶全海域大型化是一个发展趋势,因此船舶总纵极限强度可靠性计算中需要将极端波浪的影响参数考虑在内。一般的载荷计算方法并没有考虑极端海况中出现的特殊波浪载荷的影响;另外对于可靠性分析,极端载荷是更为复杂的随机变量,一般的船舶可靠性计算方法因为局限于某种特定分布,可能出现无法适用的问题。选取极端海况中上浪、砰击和大幅纵摇等对船舶总纵波浪弯矩有较大影响的因素,从航行界限的角度出发,将这些因素引入极端波浪弯矩的计算中,所得极端波浪海况下的波浪弯矩极值数据比常规波浪弯矩极值更大。参考实验数据表明,考虑极端波浪海况的波浪弯矩计算方法能在一定程度上更加真实地反映船舶所受波浪载荷;其次通过考察不同可靠性计算方法的特点,利用实例计算,给出极端海况下船舶总纵极限强度可靠性计算方法的选取建议。
环肋圆柱壳卧置状态下的重力变形分析
刘东, 张岳林, 陈武
2017, 12(1): 72-77. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.011
摘要:
为了研究潜艇耐压壳体合拢阶段端口处在自身重力作用下产生的变形,基于板壳理论的有矩理论和无矩理论,推导环肋圆柱壳自由端变形的简单计算公式,计算结果与有限元仿真结果进行了比较,验证了公式的可靠性。结果表明:当底部简支的薄壁圆柱壳受到自身重力影响时,自由端变形量与圆柱壳内半径的四次方成正比,与壁厚的二次方成反比;对于悬臂圆柱壳,重力载荷对自由端面的圆度影响不大,随着自由端与固支端的距离增大自由端变形量呈非线性递增趋势,且增加速率逐渐增大。随着圆柱壳内半径增加,自由端变形量逐渐降低,当圆柱壳内半径是纵向长度的0.75倍时,自由端变形量达到最小,此后,随着圆柱壳内半径增加而逐渐增大。研究结果可为环肋圆柱壳卧置状态下的重力变形计算和加强措施提供参考。
基于CFD的某化学品船预旋定子优化
韩聪, 傅慧萍, 马宁, 杨晨俊
2017, 12(1): 78-83. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.012
摘要:
基于CFD通用软件FLUENT,对模型尺度下配置了舵球鳍和预旋定子的某55k DWT化学品船的自航性能进行数值模拟。通过推进效率的提高对定子的节能效果进行评估,并且几乎所有的自航因子在加定子后的变化趋势(如:转速降低、推力减额和伴流分数增大)计算结果都与试验结果一致。尾流能量分析进一步验证了定子的节能效果:可有效减少尾流中的动能。之后进行基于CFD的预旋定子优化,对原型之外的3个改型设计进行的数值模拟结果显示:这些改型定子的节能效果依次递增;推进效率最高的改型相对于无定子情形,其在桨前的动能增加最大,在桨后的动能减少也最大。
舵系统流激振动影响因素及规律的理论与试验研究
肖清, 胡刚义, 谢俊超
2017, 12(1): 84-92, 100. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.013
摘要:
流激舵系统引起的振动对水下航行体隐蔽性产生较大影响。为深入研究其振动特性,根据舵系统的结构组成进行简化,建立系统二元线性颤振数学模型,确定低速颤振的产生条件,并获得低速颤振的主要影响因素和作用规律。此外,在重力式水洞中开展舵模型流激振动试验,重点研究了支撑刚度、扭转刚度、质心和刚心位置等参数变化对舵模型流激振动的影响。结果表明:在流体载荷激励下,舵系统结构设计对流激振动特性有较大影响,通过对升沉运动与扭转运动频率之比、结构质量与附加质量之比、刚心、质心与弦中心的相对位置等参数进行匹配设计,能够有效抑制舵系统流激振动。
钢/玻璃钢组合结构对高速弹丸的抗侵彻特性
张元豪, 陈长海, 朱锡
2017, 12(1): 93-100. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.014
摘要:
为探究钢与玻璃钢的组合结构形式对舰船舱壁复合装甲结构抗穿甲性能的影响,采用均质钢板前置和后置玻璃钢来分别模拟舰船舱壁外设及内设复合装甲结构,结合高速弹道冲击实验,分析、比较2种结构形式组合靶板的穿甲破坏模式和抗弹吸能能力。在此基础上,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA开展高速立方体弹丸侵彻组合靶板的数值模拟计算,分析组合靶板的侵彻过程,并与实验结果进行比较。结果表明,数值计算结果与实验结果较为吻合;2种组合靶板中复合装甲板的破坏模式均主要为钢板的剪切冲塞破坏和玻璃钢的纤维剪切断裂,后置组合靶板中玻璃钢背层伴随有纤维的拉伸破坏;前置组合靶板的抗弹吸能能力要稍大于后置组合靶板。
近爆载荷作用下液舱的吸能研究
李思宇, 李晓彬, 赵鹏铎, 胡翔
2017, 12(1): 101-106, 133. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.015
摘要:
为研究近距爆炸载荷作用下液舱各部分的吸能情况,根据实验建立数值仿真模型,研究在有无液体、不同厚度比和不同水层厚度条件下舱室变形和各部分吸能的占比情况。结果表明,液体介质的存在改变了液舱的吸能模式,液舱总吸能主要受到舱室外壁厚度和水层厚度的影响,厚度比和水层厚度的变化对舱壁变形模式和爆炸能量在液舱各部分的占比有一定影响。对液舱各部分吸能机理的阐述,可作为液舱设计的参考依据。
相位共轭阵列及其形成的相位共轭声场
黎胜, 李婷, 刘松
2017, 12(1): 107-115, 133. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.016
摘要:
相位共轭法可实现声波反向传播和自适应聚焦,用于声源成像。从理论的角度梳理分析基于测量声压使用单极子源(PC/M)、基于测量声压梯度使用偶极子源(PC/D)、基于测量声压和质点速度使用单极子源和偶极子源(PC/P)这3种相位共轭阵列及其形成的相位共轭声场之间的关系,以及PC/P相位共轭声场与源声场的关系。从倏逝波和传播波角度给出上述3种阵列能否突破衍射极限的理论依据,并基于线列阵进行数值仿真,给出阵与源的距离、阵元间距、阵元偏移对各阵聚焦的影响。结果表明:当阵长一定时,在近距离处PC/D聚焦效果最佳;在阵与源距离较远处,以半波长阵元间距的PC/M聚焦效果最佳。
纵振动对声传输测量带来的干扰及其避免方法
董鹏, 陈志刚, 龚强, 芦雪松
2017, 12(1): 116-121. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.017
摘要:
弹性充液管道在一端固定,另一端受到谐和力作用时自身会产生稳态纵振动。相比于管道自身模态的谐振,弹性管道稳态纵振动的幅度更大,对于声场的影响也更大。对于管道稳态纵振动的研究可以更好地说明充液管道对管口辐射声场的影响。通过等效梁模型的解析计算及与实验结果的对比,验证了等效梁模型用于计算管道稳态纵振动的正确性,同时,提出一种用于隔离管道纵振动的方法,并通过实验验证了其有效性。
机电与控制
基于船舶艉轴-油膜-艉部结构系统的碰撞载荷响应研究
董良雄, 杨意, 高军凯, 龚雅萍
2017, 12(1): 122-127. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.018
摘要:
船舶轴系的抗碰撞能力直接影响着其动力传递的稳定性,船舶的大尺度效应对碰撞载荷作用强度的影响也不容忽视。为此,建立基于艉轴-油膜-艉部结构系统的力学模型,研究艉轴在碰撞载荷作用下的平均冲击力、冲击振幅、轴心轨迹等参数的变化规律,分析由碰撞载荷和转速确定的轴系安全运行区域。结果表明:在不同转速区域,碰撞载荷的作用强度随载荷大小而变化的规律不同;在作用强度值一定的条件下,转速和载荷可拟合成相关曲线图谱,可以此对轴系承受碰撞载荷的能力进行快速评估。
基于航速保持的舵减摇控制方法
刘志全, 金鸿章
2017, 12(1): 128-133. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.019
摘要:
船舶航行受阻力影响引起航速和能量损耗。研究船舶在静水和波浪中的附加阻力,给出船舶航行时的总体航速损失的计算方法。设计带有航速损失约束的自动舵控制系统,依据舵角协同控制方法设计航向和舵减摇滑模控制规律。综合讨论“航向”与“航向+减摇”两种工作情况,包括横摇稳定、航向精度、航速保持、操舵能量消耗。仿真结果表明:该方法可以有效保持航速;从航行经济性的角度,对于同时安装有减摇鳍和自动舵的船舶,不推荐采用舵鳍联合减摇的控制方法。
新型线性自抗扰控制器在船舶动力定位控制系统中的应用
金月, 俞孟蕻, 袁伟
2017, 12(1): 134-139. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.020
摘要:
针对船舶在海上作业时动力定位控制系统需要精准定位的问题,提出基于改进跟踪微分器的自抗扰控制器,解决线性自抗扰控制器由于省略跟踪微分器而降低系统动态性能的问题。结合线性与非线性跟踪微分器的优点,设计能够较好跟踪微分信号,且能降低噪声对系统影响的改进跟踪微分器,从而构成新型线性自抗扰控制器。仿真实验结果表明,相比于传统的线性自抗扰控制器,基于改进跟踪微分器的LADRC有较强的鲁棒性和自适应性,且超调小、响应快、抗扰能力强。