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2018年  第13卷  第4期

《中国舰船研究》2018年第4期目录
《中国舰船研究》编辑部
2018, 13(4): .
摘要:
[1]结构噪声核心价值与理论逻辑解读第二部分:阻振质量与复杂巨系统…吴崇建,蔡大明,朱英富(1)[2]冰载荷和纵倾角对螺旋桨强度的影响…常欣,李鹏,王超,叶礼裕(7)[3]石墨烯增强铝基SiC复合材料抗侵彻机理试验与数值仿真…计晨,李素云(16)[4]船体大破口损伤下总纵极限剩余承载能力计算…韩正君,赵耀(24)[5]大型客滚船舱段屈曲和疲劳强度直接计算…何丽丝,王德禹(33)[6]船舶典型节点弯曲载荷作用下极限强度试验研究…王晓强,胡耀愚,严仁军(41)[7]规则波浪中舰船摇荡耦合切片计算方法…朱军,夏齐强,王智宇,朱韬,黄昆仑,葛义军(49)[8]声呐导流罩边界层壁面脉动压力研究进展…徐嘉启,梅志远(57)[9]基于改进云重心方法的舰船设计方案质量评估…王广强,吕建伟,徐一帆,谢宗仁(70)[10]基于STAR-CCM+的小水线面三体船阻力数值仿真…张明霞,韩兵兵,卢鹏程,赵正彬(79)[11]铺管船运动响应及对铺设管线的耦合作用…王玉红,李磊,张兆德,郭远志(86)[12]居住舱室空气环境舒适性数值分析…亓海青,李志印,周立华(93)[13]基于极短期运动预报的舰载机着舰过程仿真分析…杨柳,徐东昊(99)[14]斜流轴流组合式多级压气机气动设计与流场数值模拟…张晓阳,陈镟宇,李良才,任焕(104)[15]纵向减振推力轴承液压减振系统的热平衡性能分析…陈繁,李天匀,赵耀,朱翔(111)[16]环形线圈退磁设施的电磁设计和试验…郭成豹,周炜昶(120)[17]基于BP神经网络的船舶主机能效状态评估…陈伟南,黄连忠,张勇,路通(127)[18]基于差分进化算法的船舶能量管理系统优化策略…杨泽鑫,肖健梅,王锡淮,邓军(134)[19]基于变论域模糊方法的电力推进船舶二次调频控制…李洪跃,王锡淮,肖健梅(142)[20]舰船能量管理系统中的VxWorks可视化技术…华逸飞,李维波,方雄伟,许智豪,徐聪,员钦生(149)[21]某舰用安全监控系统模拟训练软件的设计与实现…杜一村,杨晨,李玉峰(155)
结构与装置
结构噪声核心价值与理论逻辑解读第二部分:阻振质量与复杂巨系统
吴崇建, 蔡大明, 朱英富
2018, 13(4): 1-6, 32. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01287
摘要:
  目的  与单层、双层和浮筏隔振相比,阻振质量对结构纵波和弯曲波传导衰减很小,研究人员少有兴趣应用这类措施。然而当潜艇声隐身进入"深水区",设计人员有必要用新思维重新审视阻振质量。  方法  为此,应用波传播法(WPA)深入分析简单系统阻振质量的衰减特性,建立其在复杂巨系统中的"统计概念"并指导工程实践。  结果  结果表明:在集成概念中,阻振质量在巨系统中因累积衰减不再是小量;在无法应用阻抗较低的"软措施"的控制场合,将声隐身设计融入结构功能设计,采用阻抗较高的"硬措施"是发展的必由之路;应建立"间断点"概念和统计理念来研究结构噪声。  结论  从"软措施"到"硬措施"的逐渐转化与演进,对声隐身跨越具有核心价值,也是创新灵感的来源!
冰载荷和纵倾角对螺旋桨强度的影响
常欣, 李鹏, 王超, 叶礼裕
2018, 13(4): 7-15, 32. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01037
摘要:
  目的  在冰区航行对船舶螺旋桨强度的要求很高,因此对不同情况下螺旋桨的强度进行研究十分重要。  方法  基于有限元方法,以Workbench为工具,计算在冰区运行的不同纵倾角螺旋桨不同工况下的应力、应变,并在计算前开展网格收敛性研究。  结果  由分析计算结果可知:冰级越低,螺旋桨桨叶受到的冰载荷就越小,应力、应变也越小;部分工况下螺旋桨的应力、应变变化十分类似;较大的纵倾角对螺旋桨桨叶的应力、应变影响较大。  结论  计算结果可为冰区船舶螺旋桨的强度设计提供参考。
石墨烯增强铝基SiC复合材料抗侵彻机理试验与数值仿真
计晨, 李素云
2018, 13(4): 16-23. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01147
摘要:
  目的  旨在研究新型轻质复合装甲板——石墨烯增强铝基SiC复合材料装甲靶板的抗侵彻失效机理。  方法  利用光镜与扫描电镜对石墨烯增强铝基SiC复合材料进行微观形貌观察;结合弹道枪试验,利用AUTODYN有限元软件建立1/2模型,破片质量为30 g,靶板厚度为43 mm,采用不同的本构模型描述材料,进行数值模拟仿真计算。  结果  结合弹道枪试验及仿真计算,得到石墨烯增强铝基SiC复合材料复合靶板抗侵彻的过程为:破片侵彻靶板时,靶板表层铝合金受破片挤压形成环形卷曲破口,破片继续向后挤压过程中,靶板不断侵蚀破片头部;且破片不断向后冲击剩余靶板形成变形锥,破片速度足够大时,贯穿靶板形成花瓣型破口。  结论  结合微观形貌观察及弹道枪试验,仿真计算结果显示:Johnson-Cook,Cowper-Symonds及Johnson-Holmquist 3种本构模型中,Johnson-Holmquist本构模型更适合描述石墨烯增强铝基SiC复合材料的抗侵彻机理。
船体大破口损伤下总纵极限剩余承载能力计算
韩正君, 赵耀
2018, 13(4): 24-32. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01176
摘要:
  目的  在大破口损伤下计算船体总纵极限剩余承载能力时,是否计及船舶的浮态变化以及破口位置和大小等非线性耦合因素的影响,是合理评估船舶破损后的总纵极限剩余承载能力时值得深入研究的问题。  方法  以某船船体舯剖面大破口损伤为研究对象,采用Smith方法对船体总纵极限剩余承载能力进行计算分析,重点计算船舶因破损可能导致的不同倾斜角和连续浮态变化的总纵极限剩余承载能力。  结果  结果表明,不考虑船舶浮态变化,仅在船舶正浮状态下扣除大破口结构的计算结果,将会过高估计船舶破损后的总纵极限剩余承载能力。  结论  所用方法较为简便、快捷,可为船舶结构设计以及船舶损伤后的快速决策提供参考。
大型客滚船舱段屈曲和疲劳强度直接计算
何丽丝, 王德禹
2018, 13(4): 33-40. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01085
摘要:
  目的  客滚船是一种高技术、高附加值的船型。由于其结构的特殊性,目前各国船级社还未形成统一的有关客滚船屈曲和疲劳强度的计算规范。  方法  在充分分析客滚船结构特点的基础上,基于项目组自主研发的软件,依照挪威船级社(DNV)的客滚船屈服强度直接计算规范,并参考中国船级社(CCS)有关其他船型的相关规范,对某大型客滚船舱段进行屈曲强度、高级屈曲、热点疲劳3方面的直接计算,并详细介绍直接计算前处理设定方法,  结果  结果表明,目标舱段的屈曲强度、高级屈曲强度及疲劳强度的直接计算结果全部满足规范值。  结论  研究结果对大型客滚船的相关结构分析具有一定的参考价值。
船舶典型节点弯曲载荷作用下极限强度试验研究
王晓强, 胡耀愚, 严仁军
2018, 13(4): 41-48. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01062
摘要:
  目的  船舶结构中的各构件是由节点连接在一起的,连接节点的力学性能对整船的极限强度影响很大。为了解节点的受力特性,  方法  通过对不同节点型式的试件进行弯曲载荷下的极限强度试验,分别得到其载荷位移曲线、节点应力分布以及破坏形式,并分析各试件的极限强度与平均刚度特性。  结果  结果表明:三角形肘板加强节点试件的极限强度大于圆弧形过渡加强节点试件,但其平均刚度比较大的圆弧试件小;在同等载荷条件下,三角形肘板加强节点处的峰值应力大于圆弧形过渡的加强节点试件;不同大小、相同节点形式试件的破坏形式相同,而大小相同、节点形式不同试件的破坏形式则差别很大;大小两组试件间的极限强度与平均刚度的变化规律一样,但变化的程度不一样。  结论  所做的分析及试验结果可以指导优化船舶的节点设计。
总体与性能
规则波浪中舰船摇荡耦合切片计算方法
朱军, 夏齐强, 王智宇, 朱韬, 黄昆仑, 葛义军
2018, 13(4): 49-56. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01080
摘要:
  目的  切片理论方法在舰船耐波性设计中有着广泛的工程应用,该方法是针对切片平均位置来计算水动力,本质上缺少船体垂荡、纵摇与横摇的运动耦合性。为有效耦合船体垂荡、纵摇与横摇的运动,  方法  基于广义纵倾角和广义吃水增量的参数,以及船体坐标系下瞬时波面方程的解析表达式,以满足波面处压力为零的条件修正波面下压力分布的计算公式(史密斯效应);基于波面方程和压力分布修正公式,给出瞬时波面下船体切片的静水力与傅汝德-克雷洛夫波浪扰动力之和的计算方法,惯性水动力和阻尼力则采用经验公式估算。建立船体垂荡、纵摇与横摇耦合的时变系数动力学方程,采用AutoCAD图形面域技术开发计算软件,数值计算规则波浪中舰船的耦合摇荡运动。  结果  数值计算结果表明,大波高时横摇幅频曲线呈现出较为显著的因摇荡耦合导致的非线性效应,同时在横摇共振区内有明显的波浪传播方向的横摇偏摇现象。  结论  所得计算方法对于舰船高海况下的耐波性预报将产生积极的作用,计算软件可以作为耐波性设计选型的评估手段。
声呐导流罩边界层壁面脉动压力研究进展
徐嘉启, 梅志远
2018, 13(4): 57-69. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01084
摘要:
舰艇中、高速航行时,声呐导流罩外边界层的壁面受脉动压力激励,引起罩壳结构振动,并向罩壳内辐射噪声。该噪声是声呐平台区自噪声的主要成分。准确描述罩壳外边界层壁面脉动压力特征,是开展声呐导流罩内场自噪声影响评价以及导流罩壳减振降噪设计的基础和依据。首先,介绍壁面脉动压力功率谱的壁压试验法、半经验模型法、数值模拟法的相关进展;针对边界层转捩区的脉动压力功率谱特征,引出缩尺模型试验研究的尺度效应问题。其次,针对壁面脉动压力的尺度效应问题,概述脉动压力功率谱尺度律及其由模型试验到实船应用的发展,并介绍与缩尺模型试验载荷相似的重要手段—人工转捩方法的研究概况。最后,对人工转捩方法在声呐导流罩边界层壁面脉动压力载荷相似性研究中的应用进行展望。
基于改进云重心方法的舰船设计方案质量评估
王广强, 吕建伟, 徐一帆, 谢宗仁
2018, 13(4): 70-78. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01086
摘要:
  目的  为处理舰船设计方案质量评估中存在的不确定性问题,提出云重心评估方法。  方法  阐述云理论的基本概念,对云重心方法的评估原理及基本流程进行总结分析。鉴于现有云重心算法不能有效反映质量特性与用户需求的匹配程度,通过定义质量匹配度改进云重心算法; 针对评估数据量小导致的评估结果精度较低的问题,借助云发生器对评估数据进行有效扩充,从而优化评估意见。在此基础上,结合某型舰的设计方案取舍进行示例计算和分析。  结果  结果表明:改进后的方法对此类问题具有较好的适应性,评估结果符合舰船设计方案的质量评估要求。  结论   研究成果对云重心方法的应用具有较好的借鉴价值,为舰船设计方案的选择提供了一种新思路。
基于STAR-CCM+的小水线面三体船阻力数值仿真
张明霞, 韩兵兵, 卢鹏程, 赵正彬
2018, 13(4): 79-85. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01128
摘要:
  目的  小水线面三体船因具有良好的耐波性、快速性及稳定性而在民用和军用领域受到青睐,但不同的水下潜体形状及不同侧体位置在不同航速时的阻力变化规律还有待研究。由于开展船模试验所需时间较长、成本较高,难以将全部可能的方案都进行试验,因此利用STAR-CCM+平台对小水线面三体船周围的粘性流场进行数值模拟。  方法   考虑到自由表面效应的影响,首先验证采用STAR-CCM+平台进行阻力数值计算的可行性和可靠性;其次,研究系列傅汝德数下不同侧体位置时,潜体横剖面为圆形的小水线面三体船阻力的变化规律。  结果   结果表明,随着航速的增加,侧体布置于主体后部并向主体靠拢时,小水线面三体船的总阻力较小;在Fr=0.338~0.494范围内,小水线面三体船的总阻力较细长型三体船总阻力的降低最为显著。  结论   研究结果可为同类型船舶的设计提供一定的借鉴和参考作用。
铺管船运动响应及对铺设管线的耦合作用
王玉红, 李磊, 张兆德, 郭远志
2018, 13(4): 86-92. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01096
摘要:
  目的  随着深海海洋资源的不断开发,铺管船在海底管道铺设任务中扮演着非常重要的角色,故有必要开展浅水铺管船提升作业能力的分析工作。  方法  以"中油海101"号铺管船作业能力提升实际工程项目为依托,运用SESAM和Orcaflex软件分析铺管船在增加作业水深时其铺设管道与船体及系泊系统的相互作用,包括管道和管道水下悬垂段对船体运动响应和锚链张力的影响、船体六自由度运动对管道张应力和弯曲应力的影响。  结果  结果表明:管道对船体运动和锚链张力的影响较大,管道水下悬垂段的长度对船体纵荡运动和锚链张力的影响较大,铺管船垂荡运动对管道受力的影响最大。  结论   研究成果可为浅水铺管船作业能力提升项目提供理论参考和评估依据。
居住舱室空气环境舒适性数值分析
亓海青, 李志印, 周立华
2018, 13(4): 93-98. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01071
摘要:
  目的  为比较不同送风方案对居住舱室空气环境的影响,  方法  采用计算流体力学技术对四人居住舱室内的空气环境舒适性进行数值研究。分析气流组织分布的评价指标,对夏季工况下舱室模型的风速、温度、相对湿度、PMV值和CO2浓度进行模拟计算。通过对比不同送风方案的模拟结果,研究送风角度、送风温度和送风量对舱室内气流组织热舒适性及空气品质的影响。  结果  研究结果表明:送风角度分别取30°和45°时对模拟结果影响较小;降低送风温度并减小送风量虽然会导致舱室内空气湿度相对较小、CO2浓度较高,但均可满足设计要求,且综合考虑气流组织的评价指标,研究的方案能提高舱室气流组织热舒适性。  结论   研究结果对居住舱室送风口布置具有一定的指导意义。
机电与控制
基于极短期运动预报的舰载机着舰过程仿真分析
杨柳, 徐东昊
2018, 13(4): 99-103. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01193
摘要:
  目的  舰载机着舰过程是其整个飞行过程中的一个关键环节,由于受到舰船运动的影响,技术难度较大。  方法  基于舰船极短期运动预报,开展舰载机着舰过程的仿真研究。首先,基于传统的舰船极短期运动预报方法,采用波形匹配和仿射变换,提出一种最优预报算法的确定方法;然后,建立基于光波束导引的舰载机着舰导引系统模型,并提出3个衡量着舰导引系统性能的终端误差指标;最后,开展舰载机着舰过程的仿真研究,分析舰载机对光波束运动轨迹的跟踪偏差及落点分布,得到着舰终端误差。  结果  由仿真结果可知,舰载机的着舰点相对集中,大多位于理想着舰点范围内,着舰终端误差满足着舰引导系统规范的要求。  结论   研究成果对于舰载机的着舰引导具有参考价值。
斜流轴流组合式多级压气机气动设计与流场数值模拟
张晓阳, 陈镟宇, 李良才, 任焕
2018, 13(4): 104-110, 126. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.00994
摘要:
  目的  压气机是燃气轮机的核心部件之一,它直接决定了燃气轮机性能的优劣。斜流压气机是介于轴流压气机和离心压气机之间的一种形式,兼具离心压气机高压比和轴流压气机流通能力强的优点。  方法  采用一套通用于轴流、离心和斜流压气机的S2流面气动设计和任意中弧线叶片造型的程序,对某斜流+轴流组合式多级压气机进行气动设计,研究确定压气机的流道形式、环量分布,并对其进行叶片造型。在设计时,结合商用数值模拟软件对该组合式压气机进行流场数值分析。  结果  结果表明,该斜流轴流组合式压气机的各项参数均满足设计指标,压气机两级总压比和绝热效率分别达到4.3和88%。  结论   该斜流轴流组合式的压气机设计有如下难度:一是斜流级静子进口处马赫数较高,在斜流静子中控制气流流动的难度较大;二是为控制气流在斜流静子中的分离,斜流级静子弯度较小,导致轴流级处于较大的负攻角状态,斜流与轴流的级间匹配难度较大。
纵向减振推力轴承液压减振系统的热平衡性能分析
陈繁, 李天匀, 赵耀, 朱翔
2018, 13(4): 111-119. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01049
摘要:
  目的  为分析活塞液压减振器稳定工作状态时的热平衡性能,解决纵向减振推力轴承液压减振系统的油路封闭且外部扰动输入未知的产热计算难题,  方法  将活塞摩擦损失和液压油液动损失微观产热机理的计算方法应用于液压减振系统的产热分析中,以推导出活塞振动及液压油往复流动时的功率损耗计算公式。针对具体模型的活塞摩擦产热及液动损失,计算和分析液压减振系统产热功率随振动角频率及活塞行程变化的规律。通过计算外部扰动输入功率,建立轴承部位的热学有限元模型,以得到结构的稳态温升及热流分布。  结果  计算结果表明,外部扰动输入功率与各部分产热功率之和大体相等,系统稳态温升较低,热流分布状况合理。  结论  所提产热计算方法可行,计算得到的系统近似温升在许可范围内。根据系统的热流分布图,可在热流集中部位采取相应措施来降低系统局部温升。
环形线圈退磁设施的电磁设计和试验
郭成豹, 周炜昶
2018, 13(4): 120-126. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01043
摘要:
  目的  为实现船舶快速和高质量退磁,提出一种环形线圈退磁设施的新技术方法。  方法  首先,研究环形线圈退磁设施的电磁设计,确定其基本结构,完成理论分析、模拟仿真和电磁计算;然后,分别在南北航向和东西航向构建环形退磁线圈退磁设施的缩比物理模型,依次对两型水面船舶模型和两型水下船舶模型进行退磁试验;最后,对环形工作线圈退磁设施的实船退磁可行性进行分析。  结果  理论分析和船模试验结果表明,环形工作线圈退磁设施在东西航向的退磁效果比在南北航向的退磁更具优势,退磁电流容易调节,退磁效果好,速度非常快,且具有建设费用低的优点,  结论  特别适用于水下船舶退磁工作。
基于BP神经网络的船舶主机能效状态评估
陈伟南, 黄连忠, 张勇, 路通
2018, 13(4): 127-133, 160. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01219
摘要:
  目的  在船舶航行期间,需要通过分析船舶和主机的运行参数来客观判断主机当前的工作情况,从而准确评估主机的能效状态。  方法  以状态良好的船舶运行记录为样本,结合主成分分析法和BP神经网络算法,构建船舶的航行状态识别模型和主机油耗模型,并在船舶航行期间对船舶实时运行参数进行分析,得出船舶主机在当前工况下的油耗量正常值。以某30万吨级远洋散货船为例开展模型计算验证,将正常油耗值与实际油耗值进行对比,以二者的残差值为依据,进而评估当前的主机能效状态。  结果  计算结果显示,航行状态识别模型的正确率为98.05%,油耗模型的平均误差为3.47%,2种模型的可靠性均较高。  结论  研究成果可为智能船舶的能效管理提供一定的参考。
基于差分进化算法的船舶能量管理系统优化策略
杨泽鑫, 肖健梅, 王锡淮, 邓军
2018, 13(4): 134-141. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01166
摘要:
  目的  提出一种考虑船舶电力系统运行限制以及温室气体排放限制的能量管理优化策略。  方法  该方法以最小消耗为目标,采用差分进化算法,使用实数编码,对船舶航速、发电机组启停状态、发电机组功率分配进行优化调度,在保证船舶运行效率的同时,符合环境限制并减少船舶燃油消耗。  结果  以某客渡船的航行数据为例,初始方案(方案1)的运行成本为36 960.5货币单位(m.u.),方案2和方案3的运行成本分别为36 938.1和35 888.3 m.u.,相对初始方案分别减少了0.06%和2.90%。  结论  优化后的船舶能量管理系统能够在满足船舶发电机和柴油机运行限制、温室气体排放限制、到港距离限制的前提下,使船速和推进力曲线变得稳定,在显著改善船舶电力系统工作效率和船舶燃油经济性的同时,减少温室气体的排放量。
基于变论域模糊方法的电力推进船舶二次调频控制
李洪跃, 王锡淮, 肖健梅
2018, 13(4): 142-148. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01031
摘要:
  目的  针对负荷功率扰动引起的船舶电力系统频率波动问题,  方法  提出引入电池储能单元平衡船舶功率的方法,采用变论域模糊控制对船舶电站进行二次调频控制。以频率偏差及其变化率作为控制器输入,采用增量法设计伸缩因子,在控制规则不变的情况下对论域进行扩大和缩小,以提高控制精度。  结果  仿真结果表明,引入电池单元可减少系统频率的波动次数,缩短频率恢复稳定时间。  结论  与传统的模糊控制相比,变论域模糊控制在外部扰动和参数摄动情况下均具有较好的控制性能,所提方法可保证其较好的鲁棒稳定性与鲁棒性能。
舰船能量管理系统中的VxWorks可视化技术
华逸飞, 李维波, 方雄伟, 许智豪, 徐聪, 员钦生
2018, 13(4): 149-154. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01047
摘要:
  目的  为了确保某舰船能量管理系统能够可靠、安全以及健康地运行,对数据采集与可视化设计提出了更高的要求。  方法  采用基于VxWorks的Tilcon图形可视化软件进行界面设计,通过UDP通信方案,研究网络架构中的可视化关键技术及其实现方法。  结果  经过工程验证,该方法可解决VxWorks操作系统中可视化系统的实时性与稳定性匹配问题,减少了界面开发的周期,增加了可视化系统的可维护性。  结论  该方法能够成功应用于舰船能量管理的可视化系统,是比较理想的图形界面解决方案,具有较高的推广应用价值。
某舰用安全监控系统模拟训练软件的设计与实现
杜一村, 杨晨, 李玉峰
2018, 13(4): 155-160. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01123
摘要:
  目的  为了提高舰员对安全监控系统的操作能力,  方法  采用在实装系统中嵌入模拟训练模块的方法,使模拟训练与实装系统形成有效闭环,并基于训练与实装互联、协同训练、训练评估等技术,着重解决训练与实装的资源共享及安全隔离问题。  结果  实现了舰艇安全监控系统的在线训练功能,为舰员提供了真实的操作、训练环境,具有较好的训练效果。  结论  测试证实了该嵌入式模拟训练软件的有效性,可为后续其他模拟训练系统的研制提供参考。