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《哈尔滨工程大学》 2001年
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U型减摇水舱及试验摇摆台实验研究

赖志昌  
【摘要】: 减摇水舱是应用最广泛的船舶减横摇装置之一,它特别适用于经常工作在零航速或低航速的船舶减摇,如车客轮渡、滚装船和科学考察船等。减摇水舱按结构形式可分为U型减摇水舱和槽型减摇水舱,而U型减摇水舱可以设计成被动式、主动控制式和可控被动式三种。试验摇摆台是用于仿真船舶在波浪作用下的运动的一种模拟装置,为减摇水舱性能试验提供船舶运动模拟平台。 本论文U型减摇水舱和试验摇摆台实验研究是基于学校“211”重点建设项目“船舶减摇水舱试验装置”进行的,主要研究U型减摇水舱系统设计、U型减摇水舱控制方法和试验摇摆台模拟中的相关问题。 论文介绍了减摇水舱的分类和特点,总结了减摇水舱国内外发展和研究现状,及用于水舱模型性能试验摇摆台的发展及模拟方法。 根据拉格朗日动力学方程建立了船舶-可控被动式减摇水舱系统的数学模型。在对影响水舱性能的扰动力的分析中,首次考虑了船舶吃水和重心高度不相等时,横荡干扰力所作的功。对船舶作单纯横摇和耦合横荡的横摇两种运动情况分别给出了系统方程的频域解和时域解。 在分析减摇水舱控制机理的基础上,根据最优控制原理,提出了可控被动式减摇水舱的最佳控制,给出了最佳控制的实现方法;研究了主动式减摇水舱控制器的设计及确定水舱主动力的方法;对被动式、可控被动式和主动式减摇水舱系统进行了仿真分析。 建立了完整的U型减摇水舱系统设计程序;总结了U型减摇水舱尺度设计;提出了根据波浪频率变化范围、船舶固有频率变化范围和其它影响因素,选取可控被动式减摇水舱固有频率的新方法;分析了U型减摇水舱阻尼的形成原因,给出了估算水舱阻尼和设计水舱阻尼结构的方法;研究了减摇水舱在船舶中的垂直位置布置对船舶参数、水舱减摇性能和舱内流体运动性能的影响。水舱模型性能试验表明,理论分析是正确的。 研制了用于模拟船舶横摇运动和横荡运动的二自由度运动模拟摇摆台,填补了国内减摇水舱模型性能试验摇摆台的空白。讨论了试验摇摆台模拟船舶运动中几个主要问题,包括海浪干扰力(矩)、阻尼力(矩)的模拟及实 哈尔滨工程大学博士学位论文 现等;给出了试验摇摆台的调整方法。 减摇水舱模型性能试验监控系统负责减摇水舱的控制和运行,本文完成 了减摇水舱控制系统的硬件设计和水舱控制、数据采集及试验结果处理软件 的编制。 论文最后给出了减摇水舱模型性能摇摆台试验结果。结果表明,研制的 试验摇摆台能够模拟在波浪作用下船舶横摇运动,设计的被动式U型减摇水 舱具有一定的减摇效果;试验确定的水舱固有频率与理论估算值符合;对不 同垂直位置布置、不同边舱液位高度和不同阻尼挡板开度情况下摇摆台的强 迫振荡试验表明,理论分析与试验结果具有很好的一致性。 试验摇摆台的成功研制,将为装备减摇水舱的实船进行准确且可靠的横 摇运动预报提供一个稳定的试验平台。本论文的研究成果和结论对于U型减 摇水舱的设计及试验摇摆台的仿真具有重要的指导意义。
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