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2021年 第16卷  第5期

2021 年 5 期目录
2021, (5): 1-2.
摘要:
极地船舶与海洋工程
近场动力学在冰区船舶与海洋结构物中的应用进展与展望
薛彦卓, 刘仁伟, 王庆, 倪宝玉
2021, 16(5): 1-15, 63. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02233
摘要:
近场动力学作为一种非局部理论,能够通过键的失效来自发模拟材料的失效、破坏,其在海洋工程领域已取得初步的研究成果,尤其是在冰区船舶与海洋工程领域,更显出了该方法的优越性。为了更好地了解近场动力学在冰区船舶和海洋工程中的应用,对近场动力学在冰区船舶与海洋工程应用中的问题进行梳理,主要包括冰材料本构模型、冰−结构作用模型、冰−水耦合方法、结构物力学模型、水下爆炸破冰应用及结构表面覆冰除冰的应用等。同时,在全面回顾已有研究成果的基础上,分析其特点和面临的挑战,探讨相应的解决思路和未来的研究方向。
极区航海导航与定位保障技术发展综述
程建华, 刘佳鑫, 赵琳
2021, 16(5): 16-29. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02045
摘要:
航海导航系统是各类军民海洋运载器实现极区顺利到达以及极区安全航行的先决条件。然而,南北极区特殊环境造成航海导航系统性能下降甚至无法应用。为从根源上认知航海导航系统极区的应用问题,在系统阐述海洋运载器导航系统极区应用发展史的基础上,从地球运动学、地球物理场、海洋环境和地理环境4个方面,全面分析极区特殊环境对海洋运载器主要导航系统的影响,并通过极区航海导航系统的研究现状及未来趋势的展望,为极区航海导航技术及未来发展提供有益参考。
“雪龙2”号极地考察船月池系统的设计与应用
陈清满, 王硕仁, 赵炎平, 袁东方, 夏寅月, 沈悦, 廖周鑫
2021, 16(5): 30-38. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02032
摘要:
  目的  在极地密集浮冰区极地考察船通过舷侧投放和回收科考探测及采样设备的作业模式受限,因此,为顺利获取极地密集浮冰区内数据和样品,需在“雪龙2”号极地考察船舯部设计月池。  方法  结合我国多年极地科学考察的经验,充分考虑极地冰区作业的特点,合理设计可在舷侧与月池作业切换的动线方案,使用创新的水压密月池底盖、特殊的轨道对接方案、低温环境下活动关节除冰等针对性设计,并经过南极考察现场作业的检验。  结果  结果表明,该设计方案可有效开展极地密集浮冰区内科考调查设备的投放和回收作业。  结论  所设计的月池系统能够较好地适用于我国极地考察船的实际需求,形成了与“雪龙2”号船破冰能力相匹配的密集浮冰区调查取样能力。
平整冰层中海工结构冰载荷研究方法综述
余朝歌, 田于逵, 王纬波
2021, 16(5): 39-53. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02084
摘要:
海工结构与平整冰层作用时,海冰的物理力学特性和冰层的失效模式会严重影响结构冰载荷的大小。首先,简要介绍海冰的物理力学特性,简述平整冰层与海工结构作用的物理过程;然后,从公式估算方法、试验测量方法和数值计算方法这3个方面对平整冰层中海工结构冰载荷的研究进展进行梳理。通过讨论公式估算方法的优缺点和适用性、试验测量方法研究的重难点以及数值计算方法的发展趋势,发现模型试验测量方法是有效的结构冰载荷研究手段。所做工作给出了海工结构冰载荷的研究趋势和面临的问题,可为领域学者的研究提供一定的参考。
基于动力效应的船体远场冰载荷测量与识别
何帅康, 陈晓东, 孔帅, 季顺迎
2021, 16(5): 54-63. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02065
摘要:
  目的  提出一种基于动力效应的冰载荷反演识别方法。  方法  针对船−冰相互作用过程和结构响应特性之间的卷积关系,使用格林函数建立描述冰载荷的卷积积分方程。针对“天恩”号极地运输船的北极航行,安装应变传感器测量船艏区域的冰激响应。对于求解矩阵的病态性与测量中的随机噪声,引入正则化方法解决识别计算中的不适定问题,并获取动冰载荷时程的数值近似稳定解。依托“天恩”号极地运输船的北极航行实测数据,通过船体在海冰作用下的应变响应对冰载荷进行反演识别。  结果  结果表明,格林函数能够有效识别远场冰载荷的时间历程。  结论  载荷识别的有效性受应变信号强度的影响较为明显。此外,在不同海冰破坏模式下,浮冰尺寸和船−冰接触面积是影响冰载荷特征的关键因素。
基于高性能离散元方法的极区浮式平台冰载荷数值分析
孔帅, 季顺迎, 季少鹏, 王迎晖, 刚旭皓
2021, 16(5): 64-70. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02192
摘要:
  目的  冰载荷是极区浮式平台结构安全性分析及完整性管理的重要输入,建立快速有效的冰载荷预报技术可保障浮式平台的安全运营。  方法  基于CUDA-C并行处理技术,建立可用于海冰模拟的高性能离散元方法(DEM)。采用Voronoi分割算法生成平台作业时的碎冰域,其海冰由具有黏结−失效效应的球体单元组成,且黏结单元的破碎由失效准则控制。平台结构由三角单元构成,考虑其在浮力、锚链恢复力及冰载荷共同作用下的六自由度运动。  结果  由模型计算得到,浮式结构在海冰持续作用下的总体冰载荷合理分布在实测数据范围内。  结论  极区浮式平台冰区运行时冰载荷受冰厚影响较大,应配套破冰服务以减弱其作业区域的冰情。
冰载荷作用下舷侧骨架典型节点有限元分析
杨薛航, 王燕舞, 李鹏飞, 徐义刚, 李闯
2021, 16(5): 71-77. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02196
摘要:
  目的  为了探索横骨架式破冰船在冰载荷作用下舷侧骨架典型节点的受力情况,需要针对舷侧典型节点进行数值分析。  方法  首先,基于一艘PC2级重型破冰船,根据中国船级社(CCS)规范,对该型破冰船的冰载荷进行规范计算,得到本次计算的冰载荷;然后,采用有限元分析软件MSC/PATRAN创建舷侧骨架典型节点的有限元模型,在破冰船外板上施加具有代表性的冰载荷,计算舷侧骨架典型节点的应力状态;最后,通过不断变更典型节点形式,得到关注区域的应力分布差异。  结果  不同典型节点形式应力大小的对比分析显示,在舷侧纵桁区域选择肋骨穿越,在甲板区域选择肋骨断开的结构形式更优。  结论  总结并提出的破冰船舷侧骨架典型节点结构形式的设计要点可为肋骨穿越形式的结构设计提供一定的参考。
船舶舷侧与小型冰山碰撞数值模拟分析
杨碧野, 黄志刚, 刘宁, 孙哲, 张桂勇
2021, 16(5): 78-86. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02220
摘要:
  目的  研究船舶舷侧结构与小型冰山的碰撞问题。  方法  基于罚函数法和任意拉格朗日−欧拉(ALE)方法建立非线性有限元分析模型,针对某油船的船体双层舷侧结构与球形冰山的相互作用过程进行数值模拟,考虑船体结构的变形、海冰的破坏以及碰撞过程中的水动力作用,分析不同碰撞角度对碰撞速度、碰撞力以及结构能量吸收的影响。  结果  结果表明:该数值模型可以较为充分地模拟舷侧结构与冰山的相互作用过程,在碰撞过程中,其碰撞力的峰值与碰撞角度及冰山是否破碎情况有关;碰撞力峰值随着碰撞角度的增大而增大,相对于其他角度的碰撞,在冰山的垂直碰撞情况下,流体对于冰山的速度有着较为明显的衰减作用;在舷侧各结构构件中,舷侧外板为碰撞过程中主要的吸能构件,且当冰山发生破碎时,因在破碎过程中会消耗能量,结构吸能会相对减少,故碰撞力的增幅会小于未破碎情况。  结论  为保证极地航行船舶的安全,可以适当增加舷侧结构强度,并在遭遇冰山时避免大角度的碰撞。
基于海冰JH-2模型的极地邮轮冰−船碰撞性能模拟分析
童宗鹏, 叶林昌, 夏兆旺, 薛斌, 曹锐
2021, 16(5): 87-94. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02085
摘要:
  目的  极地邮轮在极地航行中与海面浮冰发生碰撞时,会影响船上旅客的舒适性和船舶的安全性。  方法  基于JH-2模型建立海冰的力学模型,通过平滑粒子伽辽金−有限元耦合方法(SPG-FEM)研究极地邮轮与海冰的碰撞性能,结合海冰的等效应力和等效塑性应变研究碰撞过程中海冰的破坏模式。  结果  结果表明:对于厚度为1.6 m的海冰冰层,极地邮轮与冰层撞击过程中海冰不会出现大的裂纹扩展现象,而只在与船艏直接接触的小范围内发生破坏;在靠近极地邮轮船艏两侧的非直接碰撞区域的海冰出现了局部应变。  结论  研究结果可为极地邮轮乘客的舒适性和船舶的安全性设计提供技术支撑。
浮冰碰撞下船体板塑性动力响应预测方法
蔡伟, 朱凌, 毕璐泽
2021, 16(5): 95-100. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02217
摘要:
  目的  极地航行的船舶会遭受浮冰碰撞,在一些极端冰碰载荷作用下船体板会出现永久塑性变形,严重影响船舶的安全和工作性能,极大地增加了极地船舶的维修成本。因此,亟需提出浮冰碰撞下船体结构塑性动力响应的预测方法。  方法  针对简化的浮冰−船体板碰撞模型,基于冰体破坏能量分析方法和船体板塑性动力响应刚塑性理论方法,探讨冰体与船体板碰撞过程中的碰撞能量分享机制,提出冰体碰撞下船体板的塑性动力响应解析式,并对比解析结果与数值结果。  结果  结果显示,所提解析方法可靠,可以快速预报冰体碰撞下船体板的塑性变形值以及碰撞力。  结论  所做研究具有较大的工程应用价值。
破冰船连续破冰的冰阻力预报
陈锐, 黄武刚, 陈晓璐, 康美泽
2021, 16(5): 101-108, 120. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02164
摘要:
  目的  为了准确评估破冰船在平整冰区航行时连续破冰过程中所受的冰阻力,同时了解不同预报方法的特点,采用经验公式法、数值模拟法以及船模试验法,对破冰船在平整冰中连续航行时的冰阻力进行预报。  方法  使用非线性有限元软件DYNA,分别基于传统有限元与黏聚单元法构造冰层数值模拟模型,模拟平整冰与破冰船相互作用时发生的弯曲断裂以及相互作用的过程。同时,采用经验公式法,用3种不同的经验公式进行冰阻力计算,对影响经验公式法预报结果的参数进行敏感性分析。  结果  研究发现:冰阻力随航速、冰厚度以及弯曲强度的增大呈上升趋势,其中冰厚对冰阻力的影响最大。3种经验公式中,Lindqvist公式的预报结果与船模试验结果更为接近,而Vance和Lewis公式更为保守。传统有限元与黏聚单元法在冰厚较小的情况下,冰阻力预报结果更准确,冰厚较大时误差较大,约25%。在冰厚较小航速较高的情况下,黏聚单元法预报的冰阻力值较传统有限元方法更为准确,与船模试验结果相比精度误差在10%以内。  结论  在实际的冰阻力预报中,可结合经验公式法与数值模拟法,兼顾预报结果的准确性与高效性。
极地船舶吊舱推进器的功率匹配研究
黄焱, 郑安宾, 刘爱兵, 蒋瀚锋, 田育丰
2021, 16(5): 109-120. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02281
摘要:
  目的  为了提高吊舱推进极地船舶设计的针对性和适用性,需开展功率匹配研究。  方法  根据国外各类冰级划分规则和实船调研结果,明确不同冰级船舶在北极的四季可航范围。基于Lindqvist公式计算3艘极区典型吊舱推进船舶的冰阻力,从而估算吊舱推进船舶的需要功率。通过调研市场上较成熟的吊舱推进器产品,建立一种极地船舶吊舱推进器的初步选型方法。  结果  结合目前主流吊舱推进器的单机功率和布置型式,得出了各类船型在不同冰级下的功率匹配结果和初步选型建议。  结论  研究成果可为设计阶段的吊舱推进器选型工作提供参考。
基于组合赋权-TOPSIS法的极地邮轮减摇鳍选型评价
赵云瑞, 高海波, 林治国, 郭蕴华, 张建峰
2021, 16(5): 121-126, 149. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02037
摘要:
  目的   极地邮轮减摇鳍选型要考虑包括环境适应、设备性能等多方面因素,主观判断往往难以选出最优的减摇鳍。针对极地邮轮减摇鳍的选型,提出基于组合赋权-TOPSIS法的综合选型评价方法。   方法   以满足极地船舶PC6规则作为某8 035 t极地邮轮减摇鳍的选型原则,通过鳍面积的经验公式计算得出减摇鳍设备选型的约束条件,进而确定3种设计方案;咨询业内专家,构建由5个一级指标和14个二级指标组成的选型评价指标体系;通过层次分析法(AHP)和熵权法(EWM)确定指标的权重;运用逼近理想解的排序方法(TOPSIS)计算各方案与理想解的贴近程度。   结果   根据排序结果,确定方案1(Aquarius A100减摇鳍)为符合决策者需求的最优减摇鳍。   结论   该方法对极地邮轮的减摇鳍选型有一定指导意义,降低了建造者和决策者选型时的盲目性。
破冰船柴电混合动力系统优化设计及敏感性分析
杜文龙, 郭凤祥, 陈俐
2021, 16(5): 127-136. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02260
摘要:
  目的  针对极地破冰船的经济性和环保性要求,提出由柴油发电机组和储能电池组成的破冰船柴电混合动力系统。  方法  首先,基于冰载荷变化等级建立阻力模型,并采用反向建模法建立柴电混合动力系统的能量流模型;然后,以破冰船的年油耗量和生命周期总成本为优化目标,采用快速非支配排序遗传优化算法(NSGA-II)对动力系统设计参数进行优化,并基于优劣解距离法(TOPSIS)得到最优设计方案;最后,开展优化目标对7个设计参数的敏感性分析。  结果  仿真结果表明,柴电混合动力系统的最优设计方案比传统柴电推进系统节约了1.89%油耗,且纯电航行总里程占比为31.22%,但储能电池的引入降低了系统经济性。参数敏感性分析结果表明,2个优化目标对主机容量、电池组数量、电池荷电状态边界的敏感度较高,而对减速器减速比、电机转子体积和螺旋桨尺寸则相对不敏感。  结论  研究成果可为破冰船及柴电混合动力船舶的参数设计提供参考。
冰水池结冰过程的数值模拟分析
丁仕风, 蔡金延, 周利, 周亚军
2021, 16(5): 137-142. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02113
摘要:
  目的  为研究冰水池结冰的特征和影响因素,对冰池水结冰过程开展数值模拟分析。  方法  采用计算流体力学软件FLUENT中的流体体积法(VoF)两相流模型,建立冰水池数值模型,设定热力学边界条件,观察计算域内温度场和冰场的动态变化过程,分析冷气进口设置方案对结冰过程的影响。  结果  研究结果表明,随着冷气进口数量增加,冰水池结冰速率更快,更容易形成均匀的层冰。  结论  结冰过程数值模拟结果揭示了冷气进口数量与结冰之间的关系,可为冰水池控制结冰提供参考。
盐水柱状模型冰弯曲强度数值计算分析
刚旭皓, 田于逵, 余朝歌, 季少鹏, 寇莹
2021, 16(5): 143-149. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02195
摘要:
  目的  冰区航行船舶在平整冰层中破冰航行时,弯曲破坏是主要的破坏形式之一,因而对弯曲强度进行研究具有重要的工程实践意义。  方法  首先,采用离散元方法(DEM),利用CSSRC冰水池冰力学试验获得计算参数;然后,应用矩形单元对冰层进行离散,引用元胞数组控制力的传递对柱状模型冰的弯曲强度进行数值计算研究,并利用盐水柱状模型冰弯曲强度试验数据对计算结果进行校核,以确保数值计算模型的可靠性。  结果  通过该数值模型计算得到了弯曲强度随速度、宽厚比、长厚比改变的变化规律,由计算结果的误差分析得到了冰样弯曲强度的基本范围。  结论  所提方法可为模型冰力学特性的预报提供参考。
总体与性能
基于L1自适应理论的AUV深度控制器设计
霍江航, 姜向远, 栾义忠, 马晓静
2021, 16(5): 150-157. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02114
摘要:
  目的  为抑制自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)运动过程中水动力参数变化和复杂外界环境干扰的影响,针对AUV深度控制通道设计一种自适应控制器。  方法  首先建立AUV系统动力学模型,然后以REMUS AUV系统的纵向控制模型为被控对象设计L1自适应控制器,最后在考虑不同干扰条件下使用Matlab/Simulink对L1自适应控制器进行仿真试验,并与相同环境下PID控制器的效果进行对比。  结果  在受到强外界干扰的条件下,对比PID控制器,L1自适应控制器的控制效果更稳定。且当AUV运动模型中水动力参数发生改变时,L1自适应控制器可以保持稳定。  结论  仿真结果表明,基于L1自适应理论设计的控制器在拥有良好动态响应的同时能够保证抗干扰能力与鲁棒性。
基于正弦函数处理新息的船舶模型参数辨识新算法
张显库, 祝慧颖
2021, 16(5): 158-162. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02122
摘要:
  目的  当船舶试验数据样本少时,将面临难以快速、准确辨识船舶模型参数的难题。  方法  基于最小二乘系统辨识算法,采用正弦函数处理新息,提出一种基于正弦函数非线性新息处理的船舶模型参数辨识算法。以“育鲲”船为例进行仿真实验,在只有26组辨识数据的情况下,对比最小二乘法和非线性新息改进最小二乘法的模型参数辨识效果,并利用“育鹏”船对所提算法的有效性进行验证。  结果  结果表明:与最小二乘法相比,非线性新息改进最小二乘法的模型参数辨识精度提升了15%左右。  结论  研究结果可为小样本数据情况下的船舶模型参数辨识提供参考。
基于格子Boltzmann方法的液润表面减阻规律
秦声雷, 侯国祥, 郭文强, 周斌斌, 姜思远
2021, 16(5): 163-171, 197. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02168
摘要:
  目的  近年来,液润表面(LIS)作为一种新型的减阻表面被提出。它将传统疏水表面微沟槽中残存的气体替换为润滑油,进而提高了减阻效果的稳定性。为了更全面地认识液润表面,研究润滑油溶解性对滑移长度的影响。  方法  基于格子Boltzmann方法(LBM)伪势模型,对液润表面的滑移现象进行数值模拟,研究润滑油溶解密度和外部剪切率对滑移长度的影响规律。  结果  液润表面可以产生滑移现象,当润滑油完全混溶或极难溶时,滑移长度与组分间分子作用强度有较好的线性关系。  结论  润滑油难溶于水时,组分间作用力越大,减阻效果越好。且滑移长度不显著依赖于剪切率,润滑油的减阻特性与传统超疏水壁面的减阻特性有相似性。
船间危险驶过持续时间模型及应用分析
杨家轩, 周洋宇, 刘家国
2021, 16(5): 172-180. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02015
摘要:
  目的  危险驶过是船舶会遇时的一种特殊情况,从时间维度对其建模以评价船舶潜在碰撞风险。  方法  首先,建立船间危险驶过时间模型,并利用藤井船舶领域模型检测危险驶过场景,定义危险驶过持续时间和平均持续时间。然后,基于船舶自动识别系统(AIS)数据的时间同步处理,建立该持续时间的计算模型,再利用危险驶过持续时间来分析船舶交通安全风险的时间维度特征。最后,以渤海海域内的船舶航行安全为研究对象对所提模型进行验证。  结果  结果表明,船间危险驶过持续时间与船舶类型、尺度相关。按照船舶类型分析,油船发生船间危险驶过的平均持续时间最长(252.63 s),客船的最短(180 s);按船舶尺度分析,大型船舶的最长(272.65 s),中型船舶的最短(180 s)。  结论  所提模型可以准确计算船间危险驶过持续时间,结果可以为从时间维度研究海上交通风险提供新思路。
结构与装置
邮轮典型开孔高腹板板架结构极限强度分析
甘进, 单欧, 吴卫国, 林永水
2021, 16(5): 181-188. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01895
摘要:
  目的  开孔高腹板板架结构是在大型邮轮上层建筑中广泛使用的一类特殊结构,为建立此类结构的设计方法,需充分掌握大型邮轮上层建筑典型开孔高腹板板架结构的力学特性。  方法  综合运用经典加筋板理论与非线性有限元方法,分析甲板初始缺陷、纵桁规格、腹板开孔对板架纵向受压极限承载能力的影响规律。  结果  发现薄板板架对于初始缺陷更为敏感且不同于厚板板架的初始变形模式,纵桁对纵压极限能力贡献度较大,纵压极限承载能力对开孔比例、开孔形状敏感性较低,开孔位置决定崩溃破坏屈曲带的位置,进而揭示了开孔高腹板板架的破坏失效模式。  结论  所得甲板初始缺陷、纵桁几何尺寸、腹板开孔诸因素对开孔高腹板板架极限强度的影响规律,可为邮轮结构轻量化设计及安全性评估提供指导。
考虑腐蚀作用下的铝合金三体船疲劳强度直接计算分析
周陈炎, 张佳宁, 陈玲, 孟巧
2021, 16(5): 189-196. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02070
摘要:
  目的  针对腐蚀环境下铝合金三体船的疲劳强度进行评估。  方法  以某120 m铝合金三体船为例,基于Miner线性累积损伤理论,运用直接计算法——谱分析法进行三体船疲劳寿命计算。同时,建立不同腐蚀模型,探讨不同腐蚀模型对三体船热点疲劳特性的影响。  结果  结果显示:新型腐蚀模型更符合结构的实际腐蚀过程且具有较好的适应性;不同腐蚀模型对铝合金三体船热点的疲劳影响程度与腐蚀年限有关;铝合金三体船在连接桥与主、侧体连接处其抗腐蚀疲劳强度能力较强。  结论  所得结论对考虑腐蚀环境下的三体船疲劳强度评估具有参考意义。
气垫效应对三体船连接桥砰击载荷的影响
姜宜辰, 孙振东, 宗智, 孙一方, 金国庆
2021, 16(5): 197-205. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01919
摘要:
  目的  高海况下三体船连接桥底板易发生砰击现象,会在局部产生极大的砰击载荷从而造成结构破坏。为分析气垫效应对三体船连接桥砰击载荷的影响并提出连接桥底板的降载结构设计,开展相关研究。  方法  针对三体船入水砰击运动,使用计算流体力学方法对三体船分段入水过程中两相流问题进行模拟。首先,通过与模型试验中砰击载荷和下落加速度进行对比,验证了数值模型的可靠性;其次,分析空气垫效应对三体船连接桥砰击载荷的影响,通过限制流域尺寸以降低气体逃逸速度来强化气垫效应,证实了气垫的重要性;最后,研究了不同形状连接桥底部封板对降低砰击载荷的效果。  结果  结果表明:三体船入水会产生两次砰击峰值,分别为底部砰击峰值和连接桥砰击峰值。矩形间隔排列的封板相较于其他形状封板降载效果更加明显,降载幅度达到约20%。  结论  考虑气垫效应对砰击载荷预报有重要影响,在三体船连接桥的设计中,使用矩形间隔排列的封板可有效降低砰击载荷对船体结构的破坏。
面向送审的船体结构三维模型转化数据技术研究
何丽丝, 曹荣, 王德禹
2021, 16(5): 206-215. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01874
摘要:
  目的  船舶设计单位和检验单位通常使用不同的三维设计软件平台,导致出现模型传输不通畅、数据无法有效转换的问题。为此,开展面向送审的船体结构三维模型转化数据技术研究。  方法  通过对CAD和CAE系统模型数据进行分析,给出面向送审的船体结构三维模型数据,介绍数据存储格式与常见三维软件平台接口的设计方法。以某船舱段模型的数据为例,采用XML文件实现三维模型数据存储,并且基于CATIA和Patran软件进行二次开发,重构舱段设计模型,生成有限元分析模型。  结果  所生成的模型已经提交法国船级社(BV),用于直接对该舱段的结构设计进行检验。  结论  提出的送审数据转化技术方案,能够简化不同平台的模型转换,可为实现无纸化船舶三维模型送退审提供参考。
机电与控制
混合动力船舶能量管理研究综述
侯慧, 甘铭, 吴细秀, 谢坤, 范则阳
2021, 16(5): 216-229. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02133
摘要:
随着世界各国对船舶节能减排越来越重视,混合动力船舶在节能减排技术方面的优势日趋凸显,通过对混合动力船舶的能量管理而使船舶上的多种能源高效协调工作,成为了在保证船舶动力性的前提下实现节能减排的关键。针对混合动力船舶能量管理的最新研究进展及研究现状,首先,从可靠性、经济性及环保性这3个角度对混合动力船舶的能量管理目标进行总结;然后,从规则型和优化型能量管理的角度,对比现有的能量管理策略,全面和深入分析针对这些能量管理策略的研究所存在的优缺点及其应用条件;最后,根据上述研究的不足,对未来混合动力船舶能量管理的研究方向进行展望。
基于碳钢腐蚀的混合数字孪生的设计与实现
李华峰, 刘炎, 陈建如, 张涛, 朱嘉明, 王泽
2021, 16(5): 230-237. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02008
摘要:
  目的  利用物联网技术及构建数字孪生模型,全面直接地反映全寿期内的金属结构腐蚀过程,实现对金属腐蚀的智能预测及维护,提高金属结构工作的可靠性。  方法  将有限元模型与实时数据驱动结合,提出一种大气腐蚀过程的混合数字孪生模型和物联网监测的实验平台设计方案,建立腐蚀数字化仿真与实际腐蚀过程的联系。  结果  通过将腐蚀物理建模与腐蚀实时数据驱动的结合,将二者组合成为一个“混合数字孪生体”,可实现对金属结构的全寿期管理。  结论  实时数据驱动与物理模型结合的混合数字孪生可为腐蚀研究及防腐蚀技术的应用提供借鉴。
隔振推力轴承振动能量泄漏的反演诊断
吴崇建, 雷智洋, 陈志刚, 杜堃, 李全超
2021, 16(5): 238-243. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02322
摘要:
  目的  隔振推力轴承是用于轴系纵向振动控制的新装置。试验中,发现轴系传递特性与理论预报值差距大,经判断是某隔振推力轴承出现了较严重的振动能量泄漏。为追溯系统声学性能不佳的成因及确定优化改进方向,聚焦推力轴承弹性部件开展研究。  方法  以裸弹簧和隔振缸为研究对象,反演隔振推力轴承振动传递。基于隔振理论与动力学试验,建立螺旋弹簧隔振缸动力学模型,设计垂向试验台架。  结果  研究结果表明:螺旋弹簧共振峰尖锐、光滑,而隔振缸的共振峰平坦且伴有接触摩擦产生的谐波成分;当存在接触摩擦时,产生了附加刚度和附加阻尼,显著影响了隔振缸的传递特性。  结论  研究验证了螺旋弹簧隔振缸的动力学模型。理想状态下所得的螺旋弹簧传递特性可作为隔振缸的优化改进标杆,结论可为轴系隔振的优化改进提供理论支撑,具有重要的工程价值。
船用电机散热系统的性能分析及评估
汪俊, 王鸿东, 王检耀, 王健, 梁晓锋, 易宏
2021, 16(5): 244-254. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02028
摘要:
  目的  散热系统的设计将直接影响船用电机的可靠性,需评估不同散热系统对电机各部件散热效果的影响。  方法  以某高功率密度船用电机为例,采用电子热仿真软件ANSYS Icepak建立电机整体模型,计算轴向水套、螺旋水套和环形水套3种典型散热系统的三维温度场,从部件散热效果、温度梯度等方面进行对比评估,并提出基于强迫风冷与水冷相结合的优化方案。  结果  计算结果表明,水冷系统解决了机壳和定子的散热问题,减小了轴向和环向的温度梯度,其中环形水套的冷却效果最优,但水冷系统对转子、电机端部的散热效果不佳;经优化后,转子温度和电机整体温度梯度实现了大幅下降。  结论  建议选择环形水套作为电机水冷系统,同时应考虑辅助散热系统来弥补水冷系统的缺陷。