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2018年  第13卷  第5期

《中国舰船研究》2018年第5期目录
《中国舰船研究》编辑部
2018, 13(5): .
摘要:
[1]结构噪声核心价值与理论逻辑解读第三部分:WPA法与机理分析…吴崇建,雷智洋,吴有生(1)[2]搁置脚载荷作用下的甲板压力分布特征实验和数值分析…熊群飞,徐志亭,王福花,王德禹(10)[3]船用钢板高频感应加热热源简化计算方法…张正星,赵耀,胡小才,杨振(18)[4]载运履带式车辆装备的船舶局部强度校核…陈益平,张勇(25)[5]水下爆炸下舰艇不同部位冲击环境数值分析…董九亭,刘建湖,汪俊,刘国振(32)[6]推力轴承基座结构形式对潜艇振动噪声的影响…孙谦,刘文玺,周其斗,纪刚(39)[7]基于统计能量法研究肋骨对双层圆柱壳声辐射特性的影响…张恺,纪刚,周其斗,李宗威(46)[8]阻尼材料粘贴面积灵敏度分析…徐建龙,彭利国,潘国雄,魏笔(53)[9]多点锚泊定位系统布锚夹角的影响及优化分析…韩森,贾宝柱,孙文正,顾一鸣(61)[10]舵空化的精细流场及其非定常水动力性能数值计算…于安斌,叶金铭,王友乾(68)[11]参数化单元边界元法解势流速度场问题…刘梦超,刘延俊,薛钢,吴瀚崚(77)[12]舰船动力系统排烟对甲板上方空间温度场影响的数值分析…张佳佳,付云鹏,叶正华,孙鹏,钟兢军,杨木肖(85)[13]机舱区域人员疏散仿真分析…叶正华,黄志刚,蒲晓亮(91)[14]星型空压机曲柄连杆机构动力学特性分析…李超博,楼京俊,吴海平,石迎潮(97)[15]水润滑橡胶轴承摩擦振动特征分析…彭伟才,谈宇航(103)[16]基于NESO的潜艇航向滑模控制器设计…陆斌杰,李文魁,陈尔明(108)[17]通过式消磁站线圈系统仿真设计…周炜昶,郭成豹(114)[18]基于优势度测量的舰船电子信息系统方案优选…曲全福,李金鹏(121)[19]基于反潜探测能力的舰队搜潜队形优化研究…张诗,闵绍荣,朱忍胜,余明晖,高艺哲(126)[20]基于改进禁忌搜索算法的舰载机保障作业调度…李梦龙,余明晖(132)[21]基于离散蝙蝠算法的舰船作战系统测试性分析…范苗,许一川,谢定君,彭辉(139)
结构与装置
结构噪声核心价值与理论逻辑解读第三部分:WPA法与机理分析
吴崇建, 雷智洋, 吴有生
2018, 13(5): 1-9, 76. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01408
摘要:
  目的  波传播分析法也称WPA法,在分析混合动力系统(如浮筏)中弹性波的抵消机制方面具有独特的优点。  方法  基于WPA法,从振动微分方程和弹性波的传播、反射视角解析结构噪声。  结果  分析表明:WPA法使研究者能够从表观参数(如振动加速度)进入内核参数(弹性波),深层剖析振动能量的注入、传导以及波与声辐射之间的因果关系。WPA法可嵌入谐力相位表达,能够研究多源抵消机制;由于采用指数型函数,方程的推导具有规律性和规整性,适合工程技术人员开展深入的机理分析。  结论  从“复杂系统”到“简单系统”抽象,WPA法更容易发现共同性和关键性的一般科学规律,从而实现系统动力学性能的极致设计。
搁置脚载荷作用下的甲板压力分布特征实验和数值分析
熊群飞, 徐志亭, 王福花, 王德禹
2018, 13(5): 10-17. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01165
摘要:
  目的  船舶上装载物的搁置脚与甲板之间存在着复杂的接触关系,不能简单地将搁置脚载荷视作均布载荷来处理。为探讨在搁置脚载荷作用下船舶甲板结构的压力分布,  方法  以某大型装备的搁置脚为例,首先采用有限元方法对其进行非线性接触数值计算,并分析在甲板板上的压力分布特征。然后,通过实验验证搁置架与甲板的接触力分布规律,并在此基础上提出一种运用等效轮印载荷代替搁置脚载荷的简化计算方法,以此将复杂的非线性接触计算转化为线弹性计算。  结果  结果表明,搁置脚与甲板之间的接触力主要分布在强横梁处和搁置脚前端,其中搁置脚前端的接触力使甲板板具有较大应力,该应力约占总载荷的25%;实验结果与数值计算结果吻合较好。  结论  所提简化计算方法对此类甲板设计及强度计算具有较好的实用性。
船用钢板高频感应加热热源简化计算方法
张正星, 赵耀, 胡小才, 杨振
2018, 13(5): 18-24. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01130
摘要:
  目的  在钢板感应加热的数值计算中,通常采用磁热耦合计算方法。该方法虽然结果准确,但建立的模型非常复杂,且计算需耗费大量时间。为此,  方法  通过计算和理论推导,提出一种高频感应加热热源的简化计算方法,以一个空间函数形式的热源模型来代替复杂的电磁热耦合计算。使用COMSOL Multi-physics软件建立钢板静止式感应加热有限元模型,运用磁热耦合计算方法和简化方法分别计算钢板加热后的温度场,并对采用2种方法得到的温度场分布结果进行比较,以验证简化方法应用到热源模型的可靠性。  结果  结果表明,运用所提简化计算方法得到的热源模型具有可靠性。  结论  相比于磁热耦合的方法,采用热源简化方法计算钢板感应加热过程,可以有效缩短计算时间,且在钢板移动式感应加热的计算中,能很好地解决模型过于复杂、计算时间过长等问题。
载运履带式车辆装备的船舶局部强度校核
陈益平, 张勇
2018, 13(5): 25-31. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01188
摘要:
  目的  为提高载运履带式车辆装备的船舶局部强度校核的准确性,减少因承载过重而导致船舶变形甚至断裂的情况发生,实现军事装备的安全运输,  方法  对装备航运过程中的受力(包括重力、系固力、惯性力、波溅力、风压力以及摩擦力)进行分析,结合船舶甲板板架结构的特点,考虑船体腐蚀所带来的不利影响,利用工程力学原理,对船舶局部强度校核方法进行修正。  结果  得出了稳性校核和强度校核修正公式。  结论  实例验证发现,修正公式计算的精确度大于未修正的校核公式,能有效避免船舶事故的发生,可为民船载运履带式车辆装备提供技术参考。
水下爆炸下舰艇不同部位冲击环境数值分析
董九亭, 刘建湖, 汪俊, 刘国振
2018, 13(5): 32-38. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01139
摘要:
  目的  水下爆炸下的舰艇冲击环境是舰用设备抗冲击设计和评估的基础输入。  方法  采用数值方法研究某型船在水下爆炸下不同位置的冲击环境,流固耦合作用采用二阶双重渐近法(DAA2)。首先选取不同的阻尼比等参数,然后使用不同安装频率的弹簧振子模拟弹性设备。  结果  研究获得了典型位置处与实船相吻合的冲击谱结果,并验证了DAA2法的准确性和可靠性。在相同冲击输入下,利用振子计算得到不同安装位置的冲击响应并转换得到冲击环境,分析得到了冲击环境在全船上的分布和衰减规律。  结论  研究结果可为舰船设备抗冲击设计提供参考。
推力轴承基座结构形式对潜艇振动噪声的影响
孙谦, 刘文玺, 周其斗, 纪刚
2018, 13(5): 39-45. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01099
摘要:
  目的  为研究推力轴承基座结构形式对潜艇辐射噪声的影响,  方法  采用有限元法和有限元耦合流体边界元法,分析不同纵向激振力分布形式下耐压艇体结构的振动响应特征,得出力对称分布有利于减小振动的结论。然后,据此设计对称式推力轴承基座,通过选择不同的构件尺寸控制系统的纵向刚度,分别计算采用对称式和传统推力轴承基座时潜艇的结构振动响应和辐射噪声。  结果  研究表明,在螺旋桨纵向激振力一定的情况下,采用对称式推力轴承基座能够明显降低艇体结构的振动强度和辐射噪声。  结论  所做研究可为潜艇推力轴承基座结构的声学优化设计提供参考。
基于统计能量法研究肋骨对双层圆柱壳声辐射特性的影响
张恺, 纪刚, 周其斗, 李宗威
2018, 13(5): 46-52. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01016
摘要:
  目的  潜艇的主要结构形式是环肋圆柱壳,目前关于肋骨对圆柱壳声辐射特性影响的研究大多集中在中、低频,但是振动声学问题涉及到更宽的频率范围。  方法  采用统计能量法研究宽频范围内肋骨对圆柱壳声辐射特性的影响。首先,分析圆柱壳增加肋骨后统计能量参数的变化;然后,研究耐压壳、外壳分别增加肋骨、改变肋骨间距、改变肋骨形状对圆柱壳声辐射特性的影响;最后,分析激振力作用在不同位置时,环肋圆柱壳声辐射特性的差异。  结果  得到了肋骨影响下双层圆柱壳在500 Hz~100 kHz范围内的统计能量参数和辐射噪声变化规律。  结论  研究结果对合理选用肋骨降低潜艇的振动与辐射噪声有一定参考作用。
阻尼材料粘贴面积灵敏度分析
徐建龙, 彭利国, 潘国雄, 魏笔
2018, 13(5): 53-60. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01064
摘要:
  目的  为了解决现有的阻尼材料粘贴质量对于声学检验方法数据敏感度低的问题,  方法  提出基于频响函数的频点振级落差概念。以船舶通用基座实验台架为待测结构,利用锤击法获取阻尼材料粘贴面积改变前、后的实验数据,采用阻尼因子、合成频响函数级、频点振级落差和典型测点间的频谱,对数据进行处理和对比分析,得到不同方法对粘贴质量异常问题的数据敏感度,以及识别异常问题区域的准确性。  结果  研究表明,与其他3种方法相比,将频点振级落差概念应用于阻尼材料粘贴质量问题识别时,在完全贴合状态下,2次测量结果的偏差在1 dB以下;改变粘贴面积后,单频点振级落差和频点振级落差总级均明显高于2 dB,曲线偏移明显。  结论  频点振级落差分析方法具有数据敏感度高、数据量小、粘贴质量异常问题区域识别准确等优点,可推广应用。
多点锚泊定位系统布锚夹角的影响及优化分析
韩森, 贾宝柱, 孙文正, 顾一鸣
2018, 13(5): 61-67. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01271
摘要:
  目的  为优化布锚夹角并满足锚泊线的强度要求,提出一种计算锚泊系统静回复力的方法。  方法  使用该方法,研究布锚夹角对平台静回复力、艏向变化及锚泊线受力均匀程度的影响。利用改进的遗传算法,优化布锚夹角,并从2个方面提高算法精度:一是通过对3种因素(静回复力大小、静回复力对扰动方向的敏感程度、锚泊线的受力均匀程度)的影响分析人为生成初始种群;二是结合自适应算法加强局部搜索能力。  结果  结果显示,改进后的遗传算法拥有更高的优化精度,把优化后的结果反馈给锚泊系统受力模型,可降低锚泊线对破坏强度的要求。  结论  所做研究可为锚泊系统布锚夹角及锚泊线材质的选择提供参考。
总体与性能
舵空化的精细流场及其非定常水动力性能数值计算
于安斌, 叶金铭, 王友乾
2018, 13(5): 68-76. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01184
摘要:
  目的  为深入研究舵空化时的精细流场及其非定常水动力性能的相关规律,  方法  针对某型船的桨、舵模型进行建模,采用结构化网格、SST k-ω湍流模型和流体体积(VOF)方法对舵空泡进行计算。针对舵空泡问题进行实船观测试验,将舵空泡的计算结果与实船舵空泡的观测结果进行对比,验证数值方法的可靠性。对舵空泡的周期性变化进行探讨和分析,并基于空化和非空化2种状态对3种舵角下的舵空泡进行计算。  结果  结果显示,当空化范围较小时,空化对舵力时均值的影响较小,随着空化范围的增加,空化对舵力时均值的影响明显变大,尤其是舵效显著降低;一旦发生空化,舵非定常力的脉动幅值将大幅增加,且空化范围越大,舵非定常力的脉动幅值越大。  结论  研究结果可为评估空化发生后舵的水动力性能及舵的优化设计提供技术支撑。
参数化单元边界元法解势流速度场问题
刘梦超, 刘延俊, 薛钢, 吴瀚崚
2018, 13(5): 77-84, 90. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01158
摘要:
  目的  边界元法在海洋工程水动力学中有着广阔的应用前景,为推广边界元法在海洋工程水动力学中的应用,  方法  根据边界积分法建立积分方程,采用参数化单元边界元法对势流问题进行求解,得出流场速度势。对经典算例进行数值计算,与数学解析解比较,并进行误差分析。在二维问题下,分别采用非连续参数化单元和参数化单元边界元法求解势流速度场问题;在三维问题下,采用参数化单元边界元法求解势流速度场问题。  结果  结果显示,在二维问题下,采用非连续参数化单元边界元法求解势流问题具有较高的精度和效率,可以在采用较少单元数的情况下得到较为理想的数值解;在三维问题下采用参数化单元边界元法虽然计算速度较快,并可以得到较好的平均相对精度,但有些点误差较大,需要改进算法或使用其他单元进行求解。  结论  参数化单元边界元法在求解海洋工程势流问题时,数值计算实现过程更简洁,可发展成为求解船舶兴波等船舶水动力学问题的通用方法。
舰船动力系统排烟对甲板上方空间温度场影响的数值分析
张佳佳, 付云鹏, 叶正华, 孙鹏, 钟兢军, 杨木肖
2018, 13(5): 85-90. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01127
摘要:
  目的  现代舰船动力系统排出的高温烟气对甲板上方高精度电子设备可靠工作和舰载机等作业单元的安全起降等具有重要影响,因此开展这些方面的研究工作非常重要。  方法  利用Fluent软件对某型舰船甲板上方空间温度场进行数值计算。选取舰船航行的典型风向,针对4种不同工况分析高温排气走向、舰船上层建筑壁面温度分布及关键停机坪上方温度场分布。  结果  结果显示,在30°风向下,位于舰船上层建筑背风侧的1,2号停机坪总会受到高温烟气的影响,使得安全起降受到威胁;同时,在低风速情况下,上层建筑表面受到高温烟气影响的区域面积更大,最大可达73 m2  结论  研究建议舰载直升机应尽量避免在30°风向下在1,2号停机坪处起降,电子仪器设备的布置应尽量避开受高温烟气影响较大的区域。
机舱区域人员疏散仿真分析
叶正华, 黄志刚, 蒲晓亮
2018, 13(5): 91-96. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01124
摘要:
  目的  机舱人员在疏散过程中,需要考虑人员的行为和属性以及机舱的空间状态,因此具有很多不确定性因素。  方法  通过对人员模型结构进行功能划分,确定人员疏散模型的结构,建立人员属性模型,制定人员避让规则;通过对机舱的空间模型进行划分,绘制机舱环境结构并确定各子环境的安全等级,对机舱中出现的障碍物进行仿真表达和数学表达,以适用于三维仿真软件的计算。通过三维疏散仿真软件,对单人疏散路径和多人疏散路径分别进行仿真,模拟特定情况下各工作区域的机舱人员对路径的选择。  结果  仿真结果表明,该机舱疏散模型可以较准确地模拟人员的疏散过程。  结论  研究成果可为机舱的辅助设计提供参考依据。
机电与控制
星型空压机曲柄连杆机构动力学特性分析
李超博, 楼京俊, 吴海平, 石迎潮
2018, 13(5): 97-102. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01114
摘要:
  目的  相对于其他类型的空压机,往复式空压机能够获取更高压力的压缩空气,因而曲柄连杆机构的受力较大。  方法  对比分析3种结构形式的星型往复式空压机惯性力和力矩的特点,得出该型空压机对惯性力有良好的自平衡能力,能在一定程度上减小惯性力矩。建立曲柄连杆机构虚拟样机,将推导的活塞受力构造SPLINE曲线加载到活塞质心,分别将曲轴和连杆柔性化,并将基于IMPACT函数的接触碰撞力模型嵌入到ADAMS虚拟样机中。  结果  动力学仿真结果表明:该型空压机能够自平衡二阶惯性力,曲轴相对于连杆更趋近于柔性体,间隙运动副的存在会抑制某些频率点的振动,但会大大拓宽激振频带。  结论  该分析结果可为空压机的设计提供参考。
水润滑橡胶轴承摩擦振动特征分析
彭伟才, 谈宇航
2018, 13(5): 103-107. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01054
摘要:
  目的  在低速重载、启停等工况下,由于润滑不良,水润滑橡胶轴承出现摩擦振动,通过激励船体结构会引起水下异常噪声。为了掌握艉轴承的摩擦振动特征,  方法  以水润滑艉轴承实验台架为试验对象,通过调整艉轴承比压、温度、转速等工况条件,使艉轴承出现摩擦振动,通过测试分析时域谱、频域谱、轴心轨迹等,获得轴和轴承座的摩擦振动特征。  结果  研究表明,轴承座的时域信号呈现明显的脉冲现象,摩擦激励轴与艉轴承关联的结构或系统,频域信号中出现典型的峰值频率及其倍频;轴心轨迹变形严重、尖角突出,且有多个局部碰撞折返点。  结论  上述振动特征可为艉轴承异常摩擦识别、艉轴承低噪声设计与实验提供技术支持。
基于NESO的潜艇航向滑模控制器设计
陆斌杰, 李文魁, 陈尔明
2018, 13(5): 108-113, 120. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01040
摘要:
  目的  潜艇在复杂海况下进行水面航行时,为实现低噪操舵控制,  方法  采用潜艇水平面线性运动模型,并利用基于双幂次趋近律的滑模控制对参数变化和外部干扰不敏感、响应速度快、容易实现等优点,设计航向控制器。针对海浪干扰问题,利用非线性扩张状态观测器(NESO)设计海浪滤波器,用以补偿系统外部干扰。  结果  理论推导结果证明了航向滑模控制器的稳定性,并通过Matlab仿真结果验证了其良好的滤波效果。  结论  研究结果表明,该航向滑模控制器在不同航速、不同海况、不同浪向下均可实现低噪、快速、高精度的航向控制性能。
通过式消磁站线圈系统仿真设计
周炜昶, 郭成豹
2018, 13(5): 114-120. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01076
摘要:
  目的  为了实现船舶方便和快速的退磁,提出一种通过式消磁站的线圈系统设计方案。  方法  构建相应的仿真模型,包括垂向补偿线圈、横向补偿线圈和垂向工作线圈,并采用MagShip软件进行仿真分析。  结果  垂向补偿线圈可产生80 A/m的垂向补偿磁场,均匀度约95%;横向补偿线圈可产生40 A/m的横向补偿磁场,均匀度约95%;二者组合可抵消被退磁船舶所受到的地磁场作用。垂向工作线圈可产生超过2 000 A/m的交变工作磁场,为船舶退磁提供工作能量。  结论  数值仿真结果表明,所提出的消磁线圈设计方案不但能较好地补偿地磁场,而且能产生足够幅值的交变磁场。所得结果对通过式消磁站线圈系统工程设计具有一定的理论指导意义。
武器与电子信息系统
基于优势度测量的舰船电子信息系统方案优选
曲全福, 李金鹏
2018, 13(5): 121-125, 138. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01079
摘要:
  目的  舰船电子信息系统多方案优选是一个复杂的多属性决策问题。针对舰船电子信息系统的方案属性和权重信息不全、决策成员权重信息不全等问题,提出一种基于优势度测量和群体一致性的不完全信息舰船电子信息系统的方案优选方法。  方法  首先,提出不完全信息的交互准则,定义不完全信息情况下备选系统方案的绝对优势、严格优势和弱优势关系;然后,定义群体优势度指标,提出在不完全信息工况下实现备选方案全序关系的计算方法;最后,以某舰船电子信息系统方案优选为例,开展案例分析。  结果  通过群体一致性计算和迭代,形成了满足决策群成员一致性要求的优劣排序结果,验证了优选方法的合理性和有效性。  结论  研究成果可为信息不完全工况下舰船电子信息系统多属性方案优选提供技术支撑。
基于反潜探测能力的舰队搜潜队形优化研究
张诗, 闵绍荣, 朱忍胜, 余明晖, 高艺哲
2018, 13(5): 126-131. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01106
摘要:
  目的  为提高舰队对敌方潜艇的协同探测性能,对舰队队形进行优化。  方法  定义覆盖范围指标来度量反潜探测能力。以某反潜作战队形为研究对象,以多舰艇联合探测概率公式为理论基础,以覆盖面积最大化为目标,建立基于反潜探测能力的队形优化模型,设计基于概率―距离函数的积分寻优法进行模型求解,给出合理的队形方案。  结果  仿真结果表明:覆盖面积随舰艇分布间距的变化而规律性变化;在同一舰队规模下,人字队形和楔形队形在最优分布间距下的探测性能优于单横队形和方位队;最优分布间距随探测概率阈值的增加而减小;当舰队规模不断增大时,覆盖面积近似线性增加。  结论  该模型能有效提升舰队搜潜探测能力,为运用和部署水面舰艇对潜搜索兵力提供决策依据。
基于改进禁忌搜索算法的舰载机保障作业调度
李梦龙, 余明晖
2018, 13(5): 132-138. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01107
摘要:
  目的  舰载机出动能力是航母综合作战能力的重要指标,而舰载机保障作业调度将直接影响舰载机的出动能力,因此对舰载机保障作业进行合理调度能有效提高航母的作战能力。  方法  通过将舰载机保障作业调度问题转换成车间作业调度问题,建立保障作业调度模型。对传统禁忌搜索算法的初始解、搜索策略和禁忌列表长度进行改进,以减少最大完工时间为目标,提出一种改进的禁忌搜索算法来求解该模型。  结果  通过实验仿真验证了改进的禁忌搜索算法对于舰载机保障作业调度问题的适用性,且该改进算法在计算速度和优化结果方面均优于传统禁忌搜索算法。  结论  改进禁忌搜索算法可以有效地对舰载机保障作业调度问题进行求解。
基于离散蝙蝠算法的舰船作战系统测试性分析
范苗, 许一川, 谢定君, 彭辉
2018, 13(5): 139-146. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01101
摘要:
  目的  针对舰船作战系统中系统级测试性分析的测试集优化和测试序列优化问题,  方法  以多信号流图模型为基础,采用优化精度高、算法收敛速度快的离散蝙蝠算法(DBA)对最优完备测试集和各类故障测试序列进行求解,并以舰船作战系统为研究对象,将故障隔离率、平均测试代价和平均期望测试代价等主要指标与现有的优化方案进行仿真对比分析。  结果  仿真结果表明:与其他算法相比,离散蝙蝠算法具有更好的优化效果,其故障隔离率可提升5.5%、平均测试代价与期望测试代价可分别下降6.35%和17.01%。  结论  研究成果验证了离散蝙蝠算法应用于系统级测试性分析的可行性和优势,可为系统级测试性分析工程提供参考。