2023年 第18卷 第1期
2023, 18(1): 1-12.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02890
摘要:
无人船（USV）集群作为未来海上军事运用的重要组成力量，是各国海上无人装备的重要发展方向。首先，通过梳理总结当前国外无人船集群发展战略规划与运用现状，对无人船集群作战关键技术进行归纳分析，从集群自组网通信、战场态势感知、集群协同任务分配等3个方面剖析无人船集群相关技术的研究进展；然后，对无人船集群在军事上运用的典型样式和主要效益进行分析及研判；最后，总结分析当前应对无人船集群的难点，并对无人船集群应对的技术发展予以展望。
无人船（USV）集群作为未来海上军事运用的重要组成力量，是各国海上无人装备的重要发展方向。首先，通过梳理总结当前国外无人船集群发展战略规划与运用现状，对无人船集群作战关键技术进行归纳分析，从集群自组网通信、战场态势感知、集群协同任务分配等3个方面剖析无人船集群相关技术的研究进展；然后，对无人船集群在军事上运用的典型样式和主要效益进行分析及研判；最后，总结分析当前应对无人船集群的难点，并对无人船集群应对的技术发展予以展望。
2023, 18(1): 13-28.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02915
摘要:
船舶列队是未来水路运输的重要方式。分析船舶列队协同控制的特点和原理；从船−岸协同交互、列队控制模型、列队运动控制、列队典型应用等4个方面分别进行现状分析与梳理。总结当前船舶列队控制技术瓶颈，包括人机共驾控制、列队控制运动不确定性建模、列队协同控制一致性、通信受限下船舶列队鲁棒控制及一致性控制等。最后，指出未来的船舶列队协同控制发展，应重点解决基于数据驱动与机理融合的列队运动建模、基于生物群体机制的船舶列队控制、基于分层控制的船舶列队控制等关键问题。
船舶列队是未来水路运输的重要方式。分析船舶列队协同控制的特点和原理；从船−岸协同交互、列队控制模型、列队运动控制、列队典型应用等4个方面分别进行现状分析与梳理。总结当前船舶列队控制技术瓶颈，包括人机共驾控制、列队控制运动不确定性建模、列队协同控制一致性、通信受限下船舶列队鲁棒控制及一致性控制等。最后，指出未来的船舶列队协同控制发展，应重点解决基于数据驱动与机理融合的列队运动建模、基于生物群体机制的船舶列队控制、基于分层控制的船舶列队控制等关键问题。
2023, 18(1): 29-42, 51.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02435
摘要:
水下滑翔机（UG）是一种新型的水下无人航行器，具有能耗低、效率高、续航力长、成本低、可重复使用等优点，能够满足长时序、大范围的海洋观测与探测需求。水下滑翔机作为一种观测探测平台，合理的路径规划是其执行海洋观测与探测任务的重要保障。首先，综述近年来有关水下滑翔机路径规划方法，将水下滑翔机路径规划算法的内容系统性地分为传统算法、智能优化算法和多算法融合3类，并结合实际应用场景对不同的路径规划算法性能进行比较；然后，对水下滑翔机路径规划过程中所涉及到的环境重构技术、环境感知技术、智能决策技术和水下定位技术等关键技术进行凝练与总结；最后，基于现有的发展趋势，对水下滑翔机路径规划未来的发展方向，如多算法共融规划、多机协同路径规划、融合时空和目的约束的多维空间路径规划和复杂非稳态环境下的精准路径规划等进行展望。
水下滑翔机（UG）是一种新型的水下无人航行器，具有能耗低、效率高、续航力长、成本低、可重复使用等优点，能够满足长时序、大范围的海洋观测与探测需求。水下滑翔机作为一种观测探测平台，合理的路径规划是其执行海洋观测与探测任务的重要保障。首先，综述近年来有关水下滑翔机路径规划方法，将水下滑翔机路径规划算法的内容系统性地分为传统算法、智能优化算法和多算法融合3类，并结合实际应用场景对不同的路径规划算法性能进行比较；然后，对水下滑翔机路径规划过程中所涉及到的环境重构技术、环境感知技术、智能决策技术和水下定位技术等关键技术进行凝练与总结；最后，基于现有的发展趋势，对水下滑翔机路径规划未来的发展方向，如多算法共融规划、多机协同路径规划、融合时空和目的约束的多维空间路径规划和复杂非稳态环境下的精准路径规划等进行展望。
2023, 18(1): 43-51.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02879
摘要:
目的 针对微小型欠驱动自主式水下机器人（autonomous underwater vehicle，AUV）集群控制问题，设计一种基于改进RRT*算法的编队控制策略。 方法 RRT*算法规划的路径陡变难以跟踪且收敛速度较慢，针对该问题提出改进方法。首先加入偏置函数使随机采样点靠近目标点，然后采用Dubins曲线平滑连接采样点，通过在可变半径范围内重新布线，并设计有关曲线长度与避障的代价函数，选择最优路径。依据代价和最小值为多AUV分配集结点，协调多AUV速度完成最小集结时间约束，随后设计基于Dubins路径的分段向量场构造方法，使得多AUV跟踪规划路径，到达目标集结点时速度与方向保持一致。 结果 仿真结果表明，多AUV编队平均路径长度缩短26.6%，平均集结时间缩短21.7%。 结论 该算法路径规划质量高，可顺利完成编队集结任务。
2023, 18(1): 52-59.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02974
摘要:
目的 针对无人艇协同围捕过程中逃跑目标具备智能性，现有无人艇策略难以围捕成功的问题，提出一种基于双层切换策略的多无人艇协同围捕算法。 方法 第1层围捕策略采用改进势点法，以无人艇与势点的总直线距离最小为优化目标，采用匈牙利算法为无人艇动态分配势点，并采用人工势场法实现无人艇的协同避碰；第2层围捕策略利用了阿波罗尼奥斯圆的性质，在两艘无人艇前往逃跑目标的目标点进行拦截，剩余无人艇运动方向保持与逃跑目标相同，以不断缩紧包围区域；为应对逃跑目标不同的逃跑方式，第1层围捕策略和第2层围捕策略可互相转化。 结果 仿真实验表明，该算法相较于顺序分配势点算法和极角分配势点算法，围捕时间更少或持平，证明了该算法的有效性和先进性。 结论 该多无人艇协同双层围捕算法，对具备典型智能性的逃跑目标具有围捕效果。
2023, 18(1): 60-66.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02438
摘要:
目的 为了解决大多数船舶编队控制算法控制周期长和时效性差的问题，提出一种基于扩张状态观测器（ESO）的有限时间控制策略。 方法 采用一种非线性终端滑模算法，通过对控制律分区域设计，克服传统终端滑模存在的奇异性问题；将非线性终端滑模与图论结合，实现有限时间的船舶编队控制；利用扩张状态观测器观测并补偿船舶模型中的不确定性及外界的干扰，以保证船舶编队控制的精确性；运用Lyapunov理论验证船舶编队控制律的稳定性。 结果 仿真结果表明，采用所提控制策略使整个编队系统误差在5 s左右趋近于0，从而实现了稳定。 结论 该控制策略能有效控制船舶编队，且控制速度快、时效性好。
2023, 18(1): 67-77.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02492
摘要:
目的 针对固定的海洋区域，研究欠驱动水面无人船（ASV）集群的抗干扰最优覆盖控制问题。 方法 首先，在运动学层级，基于邻居ASV位置和环境密度信息进行Voronoi分配，设计欠驱动ASV运动学制导律，引导ASV运动到最优目标点；然后，考虑复杂海洋环境下ASV模型的不确定性以及风浪流引起的外部扰动，在动力学层级设计一种固定时间扩张状态观测器（FTESO），并基于FTESO设计固定时间的动力学控制律。 结果 稳定性分析结果表明了ASV集群的抗干扰最优覆盖控制闭环系统的误差是有界的，仿真结果验证了该方法的有效性。 结论 通过采用该抗干扰最优覆盖控制器，ASV集群可以在任意的初始位置实现对目标区域的最优覆盖。
2023, 18(1): 78-88.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02372
摘要:
目的 针对无人船集群规避障碍物的问题，提出一种基于虚拟领航者和改进胡克定律的弹性集群编队控制方法。 方法 首先，根据障碍物的长和宽得到其外接椭圆，按照长宽比向外扩展出虚拟碰障区、避障反应区、自由航行区，实现水面避障物模型的简化；其次，基于虚拟领航者和改进胡克定律，对编队各成员之间、各成员虚拟领航者之间的相对距离和速度予以约束，采用坐标形式设置编队队形，构建弹性编队模型，并基于障碍物的环形斥力场来实现单无人船的避障，以及在弹性集群编队的组织下实现无人船集群的避障；然后，通过优化处理无人船的航行过程，消除编队及避障过程中的“徘徊”和“振荡”等现象，使各无人船的运动更加平滑；最后，运用Matlab软件对由4艘无人船组成的集群编队进行仿真实验。 结果 实验结果表明，编队可成功绕过设置的所有障碍物，验证了所提方法的有效性和可行性。 结论 该方法可实现无人船集群对水面障碍物的规避，具备在一定复杂环境下的通过能力，可为无人船集群避障的应用及研究提供参考。
2023, 18(1): 89-98, 123.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02716
摘要:
目的 研究潜器在海底沙波地形干扰下的水动力特性。 方法 基于计算流体力学（CFD）方法，使用STAR-CCM+软件并结合重叠网格方法对潜器经过海底沙波的过程进行模拟，计算潜器阻力系数和升力系数在此过程中的变化。 结果 结果表明，当潜器近海底航行时，沙波地形会对潜器产生一定的干扰，当艏部运动至波峰附近时，负升力出现最大值，当艉部运动至波峰附近时，阻力出现最大值；在不同航速下，潜器表面压力分布规律的不同会导致升力系数的变化规律不同；随着近海底距离的减小，海底沙波对潜器阻力和升力变化影响显著，当H/D > 5时，海底沙波对潜器阻力和升力的影响可以忽略。 结论 所做研究可为潜器的安全及操纵性能提供一定的参考。
2023, 18(1): 99-106.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02537
摘要:
目的 X形艉布局的水下航行体及操纵策略特殊，受主体姿态角影响的X形艉舵特性与十字形艉布局的不同。 方法 基于SUBOFF模型的X形艉布局方案，通过数值计算分析变单舵、变单舵耦合攻角以及变单舵耦合漂角时的操纵性水动力特性，并按照现有的船标推荐公式，对舵角/姿态角耦合下的操纵性水动力特性进行拟合研究。 结果 结果表明，X形艉水下航行体变单舵时，舵与主体间存在较强的相互作用，使得两个正交平面内的水动力（矩）存在差异；区别于无主体姿态角时的X舵水动力特性，耦合主体姿态角后的X舵水动力特性明显受到主体的影响。在研究的姿态角及舵角范围内，右上舵和左下舵舵效分别随姿态角的增大而减小和增大。舵导数相对变化量值最大达16%。 结论 研究结果可为X形艉水下航行体操控及仿真评估分析提供参考。
2023, 18(1): 107-115.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02679
摘要:
目的 为了研究真实三维海况短峰波中船舶运动与波浪载荷响应，克服现阶段二维长峰波假设的思路束缚，提出一种短峰波中船舶运动与波浪载荷的预报方法。 方法 基于频域谱分析法和概率统计法，预报二维长峰不规则波及三维短峰不规则波中船舶运动与载荷响应的短期及长期统计值，并分析短峰波方向函数对船舶运动与载荷响应的影响。随后，基于水池模型试验和大尺度模型海上试验，对比验证长峰与短峰不规则波中船舶运动与载荷短期响应谱及概率统计值的差异性。 结果 结果显示，在同等级海况下迎浪航行时，长峰波会夸大船舶的载荷响应统计均值，而低估真实海浪下的极值载荷；二维长峰波中的船舶运动及加速度能量集中在某一频率附近。 结论 船舶在真实三维海浪中的运动与载荷响应与二维长峰波中的响应存在显著差异，短峰波方向函数对船舶运动与载荷响应有着显著影响。
2023, 18(1): 116-123.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02525
摘要:
目的 针对舵机故障、控制增益未知和海洋环境干扰情况下的欠驱动船舶航向保持问题，设计一种考虑舵机故障的船舶鲁棒自适应航向保持控制算法。 方法 通过结合鲁棒神经阻尼技术和自适应方法，对繁重的神经网络权值进行横向压缩，仅需设计2个自适应学习参数对未知增益和舵机故障参数在线补偿，以确保船舶在舵机故障的情况下能够有效执行航向保持任务。通过李雅普诺夫理论，证明所提出的控制器半全局最终一致稳定有界(semi-global uniform and ultimately bounded, SGUUB)。最后以“育鲲”轮为仿真对象，建立非线性Nomoto数学模型，在海洋干扰下进行对比仿真试验验证。 结果 结果表明，在此策略下，“育鲲”轮在舵机故障情况下平均舵角输出比仿真试验中所对比的传统方法降低了51%，可改善航向保持控制效果。 结论 研究结果可为欠驱动船舶的航向保持控制问题提供借鉴。
2023, 18(1): 124-140, 151.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02367
摘要:
目的 针对潜艇垂直面操舵潜浮机动模式中存在的低航速下艉升降舵变深能力差，以及艉升降舵卡舵和遭遇海水密度断崖时挽回困难的问题，开展静力矩操纵方式的机理性研究。 方法 首先，通过理论分析证明采用静力矩操纵方式可以消除艉升降舵的逆速现象；然后，对潜艇采用静力矩和舵水动力操纵方式实施上浮机动过程进行数值模拟。 结果 结果显示，采用静力矩操纵方式能使潜艇在低航速下保持良好的垂直面机动性能，消除艉升降舵的逆速现象，并可避免潜艇在高航速下产生过大的纵倾角；同时，还能改善卡舵和掉深这2种紧急情况下的挽回效果。 结论 采用静力矩操纵方式有利于提高潜艇的机动性和安全性，研究结果可为潜艇的操纵能力设计提供参考。
2023, 18(1): 141-151.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02419
摘要:
目的 旨在抑制转子叶梢间隙流动，解决其给泵喷推进器水动力性能和非定常激振力带来的问题。 方法 以某型前置定子式泵喷推进器为对象，采用环状柔性密封结构与转子端环配合的方法，研究其抑制转子叶梢的间隙流动的有效性。通过保持导管结构近似刚性固定，测得推进器转子的推力和扭矩，给出转子的敞水效率，在高功率频闪仪的辅助下，观察记录各设计工况下的空化初生点，计算绘制出推进器的空化初生特性曲线。针对有/无间隙的推进器模型，在空化/非空化状态下通过试验测得转子轴的振动加速度，以此评估间隙消除对轴系振动的影响。 结果 结果显示：带有柔性密封结构的泵喷推进器，其转子的推力和扭矩显著提升，也使得转子敞水效率在中低进速系数下得到显著提升，且在设计点附近基本保持不变，在较高进速系数下略有下降； 在设计点附近一段很宽的进速系数（0.85< J <1.40）下，无间隙泵喷推进器的空化性能更优；与有间隙泵喷推进器相比，装有无间隙泵喷推进器的轴系，其轴向振动加速度幅值在大多数特征频率处都显著降低。 结论 研究结果表明，采用柔性密封结构来抑制叶顶间隙流动，对于提高中低进速系数下的转子敞水效率、优化设计点处的空化性能以及抑制推进器的轴系振动等具有积极作用。
2023, 18(1): 152-157, 169.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02376
摘要:
目的 排气烟羽辐射是舰船红外辐射的重要组成部分，分析排烟参数对红外辐射特征的影响对发展舰船隐身和反隐身技术具有重要作用。 方法 利用气体辐射逐线法模型求解含气体的辐射传递过程，计算得到不同排烟温度和流量条件下的红外辐射图像，并分析排烟参数对辐射亮度、光谱辐射强度和3～ 5 μm波段的总辐射强度的影响。 结果 结果表明，排气烟羽在4.18和4.43 μm处具有明显的强度峰值，而在4.26 μm处具有明显的强度谷值。 结论 排气烟羽的红外辐射特征受排烟温度的影响较大，受排烟流量的影响较小。
2023, 18(1): 158-162.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02401
摘要:
目的 旨在评估平台振动对低频磁性天线接收性能的影响，研究不同振动状态下的天线电磁噪声的大小。 方法 首先，采用COMSOL软件建立流体激励−天线振动仿真模型，获取天线振动数据，并进一步建立天线振动−感应噪声模型来对电磁噪声进行仿真，然后开展室外天线振动感应噪声测量实验。 结果 实验结果表明，天线振动越强，电磁感应噪声越大。当天线振动的加速度达到0.0294 m/s2时，会引起皮特级以上的电磁感应噪声，从而淹没正常的通信信号。 结论 研究表明，所建立的天线振动−感应噪声仿真模型可以用于评估平台振动引起的低频磁性天线感应噪声的大小。
2023, 18(1): 163-169.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02369
摘要:
目的 为明确舰船运动对实船雷达散射截面(RCS)测量统计结果干扰的情况，开展各种运动状态下舰船本体X波段RCS的统计特征分析。 方法 构建低海况运动状态下舰船本体动态RCS仿真方法，以DTMB 5415水面舰船标准模型为基础，构建水动力仿真和电磁散射统一模型，获取在水平入射方向上X波段雷达波探测的舰船动态RCS数据，分析统计时间、海况、航速和浪向角对RCS统计特征的影响边界及影响规律。 结果 舰船本体动态RCS统计特征与静止状态下的存在差别；在低海况下，舰船总的RCS特征值受海况、航速及浪向角的影响范围在0.9 dB以内；舰船特征方向上的RCS对浪向角变化的较为敏感，并随着海况的增加逐渐降低。 结论 研究成果有助于掌握舰船运动对实船RCS测量统计特性的干扰情况，可为实船RCS测量工况的选择提供支撑。
2023, 18(1): 170-180.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02693
摘要:
目的 旨在研究马格努斯翼型和变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响及其优化，以提高无人帆船的航行效率。 方法 采用CFD方法，以NACA 0021翼型作为无人帆船主翼帆的基准翼型，在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱，分析马格努斯圆柱关键参数（直径、位置和间隔）对翼型升阻特性的影响规律；在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱的基础上，将襟翼帆嵌入主翼帆尾缘，研究不同襟翼帆偏转角下翼型周围流场和升阻特性及其对无人帆船推力性能的影响规律。 结果 结果表明：在大攻角下，马格努斯圆柱对翼型气动性能具有提升作用，在所研究参数范围内翼型升阻比与马格努斯圆柱位置正相关，与马格努斯圆柱直径和间隔负相关，其中圆柱的直径和间隔对翼型气动性能影响较大，位置的影响最小；在小攻角下，变角度襟翼帆对翼型气动性能的提升更明显，在 0°～15°攻角内，翼型的升阻比与襟翼帆偏转角正相关；在马格努斯圆柱及襟翼帆共同作用下，风帆推力系数最大提升27%，且与襟翼帆的偏转角正相关。 结论 研究结果可为马格努斯圆柱及嵌入式襟翼帆在无人帆船领域的应用提供参考。
2023, 18(1): 181-188.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02547
摘要:
目的 旋转空化器是通过高速旋转的叶片在水中产生超空泡来满足不同工程实际应用需求，有必要对叶片形状进行改良设计以提高其工作性能，探究叶型改良对空化器水动力学特性的影响。 方法 首先，针对旋转空化器楔形叶片的原始叶型进行改良设计，建立叶片改型前、后旋转空化器的三维几何模型；然后，基于ANSYS Fluent软件对原始叶型和改良叶型空化器在不同转速下的自然空化流场开展数值仿真计算；最后，根据计算结果对二者的水动力学特性进行对比分析。 结果 结果显示，相比原始叶型，改良叶型产生的空泡除存在于叶片出口边外，还可以存在于副进口边，这两部分的空泡会随着转速的升高而逐渐连接成一个整体，因而改良叶型空化器产生的空泡尺寸更大，产生的自然空化更强；改良叶型在叶根处产生的空化效应较强，而原始叶型在叶尖处产生的空化效应更强；当转速较高时，改良叶型产生的空泡会与旋转空化器装置的四周壁面接触，导致空泡尾部形态沿半径呈直线型变化。 结论 所做研究可为旋转空化器的设计和应用提供重要参考。
2023, 18(1): 189-198.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02495
摘要:
目的 旨在研究在寒冷环境下空气中大量存在的过冷水滴在船舶动力系统进气道中结冰对进气系统气动性能的影响。 方法 首先，以NACA 0012翼型为研究对象，对该翼型的气动性能进行数值计算，通过与实验值对比，验证所建立的模型和数值模拟方法的有效性；其次，采用拉格朗日法对过冷水滴的撞击特性进行数值模拟研究，采用用户自定义函数（UDF）对商业软件Fluent进行二次开发，对不同来流条件下该翼型的水收集系数进行数值模拟分析；最后，结合动网格技术和UDF自编程序对该翼型的结冰特性进行单向耦合的数值模拟研究，并分析结冰后的翼型气动性能。 结果 结果表明，来流攻角和水滴直径对水滴的撞击范围和及收集系数有较大影响，来流速度对水滴的撞击范围影响较小，但对水收集系数有一定影响。此外，在0°攻角条件下，翼型前缘积冰对其气动性能影响较小，但是，在5°攻角条件下，前缘积冰对其气动性能有严重影响。 结论 研究结果可为船舶动力系统进气道结冰预测分析以及后续防冰工作提供参考。
2023, 18(1): 199-204.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02519
摘要:
目的 旨在解决数值模拟平头弹对金属板的侵彻问题中，网格尺寸对单元失效应变取值和弹体剩余速度的影响。 方法 应用有限元软件LS-DYNA对Q235钢材料单轴拉伸实验进行数值仿真，结合实验中试样断裂时的伸长量得到该网格密度下的单元失效应变，绘制出失效应变随网格密度变化的曲线并进行动态修正；然后，进行平头弹侵彻Q235钢板的数值仿真，并对靶板进行不同尺寸的网格划分。其中Q235钢材料的单元失效应变按修正曲线取值，将弹体的剩余速度与实验结果对比，分析数值仿真中网格密度对金属板抗侵彻问题仿真结果的影响。 结果 研究表明，数值仿真中选取的单元失效应变应随网格密度的增大而增加，在金属板的抗侵彻问题中随着网格密度的增大，对弹体剩余速度预报的仿真结果逐渐收敛并与实验结果相近。当网格尺寸为0.5 mm时，研究速度段内数值仿真与实验拟合曲线的平均相对误差最小，为5.13％；仿真与实验的误差在低速段更大，且低速度段弹体剩余速度对网格密度更加敏感。 结论 相关计算方法及研究结果对弹体侵彻问题中网格密度和材料失效应变的取值及变化规律具有一定参考价值。
2023, 18(1): 205-212, 222.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02550
摘要:
目的 舰船在执行任务的过程中有可能因同时遭受波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用而使船体响应发生“叠加效应”，导致总强度的损失，因此需要探索水下爆炸气泡脉动与波浪联合作用时船体梁的动力响应规律。 方法 首先，采用理论分析的方法建立船体梁的简化模型，并对水下爆炸气泡脉动载荷与波浪载荷进行求解；然后，基于Hamilton原理，分别推导两端自由船体梁在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷单独作用及联合作用下的运动微分方程；最后，基于对运动微分方程的求解，分析船体梁的自由振动响应在与外载荷组合的3种工况下简化模型的运动响应。 结果 结果显示，在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用下，船体梁的运动响应相比2种载荷单独作用时运动响应的线性叠加值增大了15%。 结论 所做研究可为舰船结构在联合载荷作用下运动响应分析的计算程序开发提供参考。
2023, 18(1): 213-222.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02601
摘要:
目的 为了探究不同尺度板架结构本征动力特性之间的联系与区别，分析并探讨正交加筋板中梁、板构件及其耦合结构本征动力特性的尺度效应。 方法 以不同尺度的梁、平板和正交加筋板模型为研究对象，采用有限元方法计算不同尺度梁、平板和正交加筋板模型的固有频率和振型，通过对比自由边界和简支边界下单位尺度模型固有频率和振型随尺度变化规律的异同，探讨边界条件对尺度效应的影响；通过对比耦合结构与梁和平板模型固有频率和振型随尺度变化规律的异同，探究梁、板构件动力耦合对正交加筋板本征动力特性尺度效应的影响。 结果 研究表明，自由边界条件下单位尺度内模型固有频率随尺度的变化规律虽然不再遵循“固有频率与尺度的平方成反比”的规律，但大体上与之相近。 结论 梁、板构件动力耦合会导致单位尺度内正交加筋板模型特定阶数固有频率随尺度的变化规律发生由急剧减小到逐渐增大的转变，还会引起特定尺度和特定阶数模态的错位分布和形态畸变。
2023, 18(1): 223-230.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02515
摘要:
目的 研究冲击载荷对船用加筋板动力响应的影响。 方法 首先，根据相关规范和参考文献确定船用加筋板的尺寸，并运用有限元软件ANSYS中的Shell 181单元进行建模；然后，将载荷均匀作用于带板表面，加筋板的边界条件为四边固支；最后，分析在冲击载荷作用下加筋板的固有频率和相对刚度对其非线性动力响应的影响。 结果 结果显示，由几何尺寸影响的不同，可得到固有频率与挠度响应的分段函数关系式；加筋板的相对刚度则对其变形模式影响较大，以0.2和19为界，出现了不同的变形模式。 结论 所得定量化结论对船体结构安全评估具有重要的参考价值。
2023, 18(1): 231-239.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02346
摘要:
目的 由于船舶艉轴承的长径比较大，将其简化为传统的单点支撑等效模型难以反映出轴承的实际运行情况，因此有必要探讨艉轴承等效形式对轴系横向振动特性的影响。 方法 首先，基于能量原理，引入改进傅里叶级数方法描述推进轴系的横向振动位移，构建可用于单点、多点和连续分布式支撑的多种等效形式的推进轴系横向振动特性计算模型； 然后，分别分析由液膜压力等效的支撑刚度变化对轴系横向振动特性以及螺旋桨激励对轴系振动响应的影响； 最后，与文献和采用有限元方法（FEM）计算的结果进行对比，验证所提模型的正确性。 结果 结果显示，多点支撑的计算结果收敛于连续分布式支撑计算结果，螺旋桨激励下轴系响应受转速影响。 结论 研究表明，可采用三点支撑等效形式研究液膜压力分布对推进轴系横向振动特性的影响，所构建的计算模型收敛性好、计算精度高、代价低。
2023, 18(1): 240-246, 259.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02489
摘要:
目的 为准确、快速地重建船体板架非结构面三维形状，便于船体结构变形的高精度高效率测量，设计一种基于RGB-D深度图像的模型重建方法。 方法 首先通过随机抽样一致性算法与最小二乘法相结合的方式剔除点云集中的异常数据，再利用RGB彩色图像棋盘格标靶位置信息对结构多视角点云进行配准；其次将结构物面进行区域网格划分并对点云进行聚类，运用最小二乘法原理对每个网格点云子集进行空间曲面拟合，实现点云融合，在此基础上采用高阶面元实现船体结构外板表面的三维重建；最后，通过试件重构模型与激光扫描点云进行对比，验证模型重建方法的精确性。 结果 结果显示，试件三维重构模型较激光扫描点云随机点的均方根误差为1.02 mm，建模精度满足船舶建造工程需求，同时结构RGB-D深度图像数据获取时间相比于激光扫描可忽略不计。 结论 研究表明，提出的模型重建方法能够准确高效地完成船体板架非结构面三维重构，为船体结构变形测量提供了有力的数据支撑。
2023, 18(1): 247-259.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02472
摘要:
目的 旨在通过构形优化设计提高电子设备的热管理技术水平。 方法 在约束肋片体积占比和相对位置的条件下，建立微通道复合热沉的三维流动和传热数值模型，以热沉固体区域温度梯度均匀性因子最小化为目标，分别采用穷举法和遗传算法对肋片高宽比h/w及肋片间距ε进行构形优化设计。 结果 结果显示，采用穷举法和遗传算法均能得到热沉固体区域温度梯度均匀性因子的最小值以及对应的最优构形，且温度梯度均匀性相比无肋微通道热沉，最高可提高13.30%；采用穷举法和10种配置遗传算法方案所得目标函数最小值之间的误差最大不超过0.92%。 结论 所做研究可为电子设备散热器的研发提供新的优化设计结果。
2023, 18(1): 260-268.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02558
摘要:
目的 旨在研究船舶氢储直流电力推进系统中氢燃料电池外特性较软、动态特性不佳、系统稳定性易受推进负载影响的问题。 方法 首先，分析氢燃料电池的输出外特性和船舶电力推进系统的负载特性；然后，搭建系统的船−机−桨模型与永磁同步推进电机（PMSM）驱动控制系统频域模型，再结合氢燃料电池外特性与螺旋桨负载特性，提出一种基于转速环带宽的控制器参数设计方法；最后，根据某母船参数搭建氢储直流电力推进系统的硬件在环实验平台对所提方法的准确性予以验证。 结果 实验结果表明，采用所提转速环带宽设计方法时电机的转速响应无超调，在发生负载转矩扰动时电机的转速波动减少了5 r/min。 结论 该方法可提升船舶氢储直流电力推进系统的综合特性，且易于工程实现。
2023, 18(1): 269-276.
doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02354
摘要:
目的 为探讨水喷淋方式对柴油机烟气的烟黑净化处理效果，开展相关实验研究。 方法 利用Dekati型低压撞击器（DLPI）对烟道中烟黑进行取样，采用在取样枪上包裹加热带并控制其温度的方法防止喷淋后湿烟气冷凝，使湿烟气中烟黑进入DLPI时与其在烟道中的状态相同。实验首先利用烟气分析仪对烟气浓度均匀性进行测量，验证烟气分布基本均匀；然后利用DLPI确定取样时间，进而对不同柴油机负荷、不同喷淋水量下的烟黑净化效率进行测量比较分析。 结果 结果表明：水喷淋对烟黑的净化效率可达到50%；相同喷淋流量下，柴油机100%负荷下的烟黑净化效率高于50%负荷；当喷淋流量达到一定值后，其烟黑捕集净化效率可能达到极值；烟气在喷淋之后大粒径的烟黑颗粒明显减少，而小颗粒烟黑会发生团聚作用，在50%负荷下由于烟气速度较低，水雾与烟黑接触时间更长，小颗粒烟黑团聚效果比100%负荷中更明显。 结论 水喷淋可有效降低柴油机烟气烟黑排放。
