In order to prevent the substantial rolling of ships in intricate and harsh marine environments, ensuring the safety of personnel and cargo during maritime transportation, this paper proposes an intelligent prediction model for ship roll damping based on CTGAN-XGBoost. Firstly, a dataset for roll damping is constructed using ship geometry model data and ship motion data to improve data quality. Then, a Conditional Table Generative Adversarial Network is used to balance and generate more roll damping data, thereby augmenting the quantity of available data. Finally, taking advantage of XGBoost's strong generalization ability and low overfitting degree, an intelligent prediction model for roll damping is established. Experimental results demonstrate that the CTGAN-XGBoost model achieves the highest accuracy with MSE and MAE values of only 0.325 and 0.451 respectively, along with an R2 value of 0.975. It significantly outperforms other comparative models in terms of predictive accuracy.
The multi-moment based numerical model is proposed for performing large-eddy simulation (LES) of wall-bounded incompressible turbulent flows on the unstructured grids. In this model, velocity is defined as volume integral average (VIA) and point values (PVs) which are updated as prognostic variables simultaneously in time. Using VIA and PV in each cell, this method constructs higher-order polynomial on a compact stencil and more importantly, provides a new approach to design subgrid-scale (SGS) models for LES. Various SGS models are developed in this framework where the eddy-viscosity is computed separately at both VIA and PVs using the least-square method on different interpolation stencils. Compared with conventional finite volume schemes, the proposed method effectively reduces numerical dissipation and largely suppresses the sensitivity of numerical solution on SGS models and resolves more elaborated flow structures on the same mesh resolution. It also reduces solution dependence on the shape and quality of grid elements, as demonstrated by comparing numerical results on the different types of grids. The proposed method can attain high-fidelity simulation without loss of numerical efficiency and robustness, which is highly appealing for complex turbulent problems with high Reynolds numbers and complicated geometries.
In order to study repair effect of carbon fiber composites on the ultimate strength of pitting reinforcement plates, feasibility of the numerical simulation method is firstly verified by comparing the numerical simulation with the test results of repairing cracked steel plates with carbon fiber composite.Considering loading characteristics of the reinforced plate unit, ultimate load carrying capacity of the CFRP-repaired pitting reinforced plate was investigated by uniaxial compression, biaxial compression, lateral load and combined load（biaxial compression, lateral load） respectively. The results show that ultimate strength of the repaired pitting reinforced plate can be effectively improved.
针对无人船因控制系统延时而导致的路径跟踪性能退化,提出计及系统延时的路径跟踪控制策略,并设计了基于模型预测控制算法的双层路径跟踪控制器.基于线性模型预测控制算法,设计了 USV运动学控制器,以此减小无人船路径跟踪偏差并得到期望速度.将系统延时处理为一阶系统,并将其和无人船的动力学模型耦合.基于非线性模型预测控制,设计了 USV动力学控制器,用于响应无人船的期望速度.数值仿真结果表明,在存在系统延时的仿真环境中,论文提出的针对控制系统延时的处理策略可减小无人船的路径跟踪偏差和改善控制形态输入的平顺性.
船舶在极地海域航行时,将面对恶劣的冰载荷工况,冰-桨的相互作用致使船舶推进系统产生转速降,系统同时产生较大的扭矩波动,动力推进系统的安全受到威胁.论文以某重型破冰船电力推进系统为研究对象,建立电力推进系统转速-时间仿真模型和扭振时域动态响应计算数学模型,重点研究了冰载荷激励力矩作用时电力推进系统在不同调速控制策略下的电机转速降及轴系扭矩动态响应,通过全转速分析得到不同调速控制策略下电机转速降和轴段最恶劣冰载荷扭矩幅值随初始转速的分布规律,并对推进系统在各冰载荷工况及各冰厚条件下的螺旋桨破冰性能作出了预测,结果可为冰区电力推进装置的设计及性能分析提供参考.
为了减少船舶机舱巡检过程中的人因失误,提高轮机员的单兵作业能力,以船舶机舱巡检任务为研究对象,提出了一种基于增强现实的船舶机舱智能巡检技术.针对机舱同类仪表识别率低的问题,融合蜣螂优化算法和目标检测算法,得到了一种全新的目标检测优化算法,实现了对机舱仪表的高精度识别和定位.通过构建船舶机舱的虚拟模型,利用任务系统的时序性和交互性,结合导航系统,实现了机舱导航和任务指引功能.试验证明,改进的蜣螂优化识别匹配算法在耗时和准确率方面均优于其他算法.在实际巡检效果方面,增强现实智能巡检规划的路线能够有效避免漏检现象,巡检准确率超过95％,有效提升了轮机员的巡检能力和效率.
提出了 一种基于障碍度-秩和比模型的船舶航向控制器性能测试评价方法.采用层次分析法确定指标权重,应用障碍度模型分析影响控制器性能的因素,然后将障碍度导入秩和比模型,建立了船舶航向控制器性能评价模型.实例分析结果表明,论文提出的方法是有效和可靠的,可应用于优化各种控制器的主要影响因素.
钢质波纹夹层板在动载荷作用下表现出良好的吸能特性和承载能力,具有广泛的应用前景.论文以大尺度钢质U型波纹夹层板为研究对象,对其在落锤撞击下的结构响应进行试验分析,确定了夹层板的上面板、夹芯及下面板的变形模式,并与有限元法仿真结果进行了对比,验证了有限元法的可靠性.在此基础上,进一步分析了落锤撞击速度和撞击位置对夹层板结构响应特性的影响.研究发现,低速撞击时夹层板的加载过程和结构变形模式主要取决于其自身的结构属性,且夹层板横向耐撞性能优于其纵向耐撞性能.研究结果可为夹层板的实际应用提供支撑.
波激弹振和砰击颤振是集装箱船运营中极易出现的两种现象,分析其对船舶运动和剖面载荷的影响,对船舶设计和强度评估具有重要意义.采用黏性流体-柔性结构双向耦合方法对集装箱船模型在不同波长工况下的运动和响应进行求解,其中计算流体力学用于模拟流场的冲击和上浪等非线性现象并得到船体外载荷,然后通过有限元法求解船体运动和变形,两者在流固交界面进行隐式信息交换.计算捕捉到船体的非线性波激振动和颤振,分析结果发现,波激振动和颤振对整体运动影响较小,但会显著增大船体中垂的弯矩幅值,艏、艉区域垂向加速度受颤振的影响较大,当遭遇波浪的倍频成分接近船体湿频率时也会激发船体一定程度的弹振.与文献结果的比较表明,该耦合方法有望成为处理船舶水弹性问题的一种有效手段.
建立了分布载荷作用下四边固支复合材料帽型加筋壁板弯曲变形的理论模型.通过算例比较理论计算和有限元仿真的结果,验证了理论模型的可靠性.在该理论计算模型的基础上,借助优化软件Isight,开展铺层角度和几何尺寸对目标函数的灵敏度分析,寻找主要设计变量并开展其对目标函数影响的研究以及加筋壁板刚度的优化设计.研究结果显示,面板和帽形筋外侧的铺层角、帽形筋高度以及斜边与面板的夹角是影响加筋壁板弯曲刚度和挠度的主要变量;加筋壁板弯曲刚度优化的主要方向是提高纵向弯曲刚度系数.对于同一优化目标,借助Isieht平台可得到多种优化方案,工程设计人员可根据具体需求从中选择合适的方案.
船体结构应力预测对船舶航行安全具有重要意义,然而由于船体结构应力数据具有强随机性,传统方法难以有效准确地对其进行预测.为解决这一问题,采用对非线性关系具有很强拟合能力的长短期记忆网络(LSTM)和门控循环单元(GRU)组合方法对船体结构应力数据进行预测,并通过模型试验验证该方法的稳定性和可行性.结果表明,相比传统的循环神经网络(RNN)模型和单个预测模型,该组合模型在预测精度和效果方面都有明显优势,能够有效预测船体结构应力.其中,预测值与实际值的误差保持在3％以内,决定系数为0.91.
结构的轻量化设计直接关系到水下潜器总体性能的优劣,是深海水下潜器结构设计的重要目标.以全海深无人潜水器本体浮力构件的安装防护结构为研究对象,选取典型浮力构件,采用3种设计方案,使用ANSYS Workbench软件在假设的碰撞载荷和浮力载荷作用下对设计的安装防护结构的应力和变形进行计算分析和比较.结果表明,基于Inspire软件拓扑优化方法的结构设计,显著提高了设计效率,满足强度和功能设计需求,能充分发挥材料性能,实现了轻量化的设计目标,并通过了水池测试和海试应用验证.
在海洋平台附近,工作船的水动力性能会受结构物侧壁的影响而下降.基于Rankine源常值面元法,建立考虑岸壁和波浪作用的船舶水动力数值模型并在时域上求解.选取经典Wigley Ⅲ船模计算各波长下的水动力和运动响应幅值,并将模拟结果与其他方法的计算结果对比,验证了数值研究方法的合理性和可靠性.通过参数的敏感性分析,揭示航速、波浪特征和侧壁对船模运动响应的影响,为船舶在复杂海域中的水动力响应实时预报服务.
ObjectivesThis study seeks to address the low-frequency limitations in the computation of hydrodynamics for slender ships using strip theory, and develops an efficient method for calculating hydrodynamics over a wider frequency range for slender ships using a simplified approach. MethodsBased on the unified theory of strip theory and ordinary slender body theory, the added mass and damping coefficients of a prolate spheroid, slender, modified Wigley model and S60 ship are calculated programmatically. A comparison is made between the calculated results using the unified theory and experimental data, as well as results obtained from strip theory, 3D translating and pulsating source Green's function method and other methods. The computational characteristics and advantages of the unified theory are then analyzed. ResultsThe results indicate that the unified theory based on 2D sections produces results under zero-speed conditions that are consistent with those obtained by the 3D panel method. For conditions involving ship speed, the calculated results exhibit consistent variations with those obtained from the 3D translating and pulsating source Green's function method. ConclusionsThe proposed unified theory is capable of reflecting 3D effects in the low-frequency region, which gives it greater efficiency and simplicity compared to 3D methods, and thus significant practical value.
针对如何在水产养殖装备设计阶段评估网衣系统完整性,保证渔业生产安全,给出了一种网衣完整性计算方法.在保证群化精度条件下,利用网目群化方法建立数值网衣模型,并将群化模型和AquaSim软件的计算结果进行了对比,验证了该方法的准确性.在此基础上对极端工况下网衣完整性关键影响因素作了分析,包括网目形状、固定方式2种类别型变量,以及网目长度、网线线径、纲绳线径、横纲间距4种连续型变量,对连续型变量作了相关性分析,采用多元回归分析方法拟合得到网衣完整性快速评估模型并进行了验证.结果表明,在结合实际工程情况下对网衣结构设计变量进行试验设计和多元回归分析,实现网衣系统完整性评估是可行的.
为提高浮式防波堤的消波性能,在传统方箱型浮式防波堤的基础上,提出了基于多体耦合运动理论的新型浮式防波堤构型.基于有限体积法建立浮式防波堤消波性能数值计算模型,并通过模型试验验证了数值计算方法的准确性.在此基础上,对规则波作用下不同多体耦合的新型浮式防波堤构型进行数值模拟,分析其水动力性能及消波性能.数值结果表明,新型浮式防波堤内部的多体耦合运动加剧了入射波能量的耗散,使得其消波性能比传统方箱型浮式防波堤更加优良,新型浮式防波堤的横荡、横摇和垂荡幅值也小于方箱型浮式防波堤,同时得到了多刚体铰接组合式防波堤中铰接刚体数量对其消波性能的变化规律,为浮式防波堤设计及工程应用提供技术支撑.
为提高过驱动潜水器推力分配的实时性与准确性,设计了基于误差积分的过驱动推力分配函数优化方法与基于BP神经网络的过驱动推力分配求解优化策略,构建了一种过驱动潜水器水下3自由度运动模型,并进行仿真试验验证.针对最优化函数中功率项权值减小导致静态误差减小但功率发散风险增加的问题,引入误差积分项来避免功率发散、消除静态误差并提高潜水器俯仰角的收敛速度.仿真试验结果表明,基于BP神经网络求解算法的计算速度相较于遗传算法快数十倍,具有更高的实时性.
基于切片法自研程序,建立流体域和立管结构双向耦合的准三维数值模型,研究不同长细比和流速下立管双自由度涡激振动特性.结果表明:虽然立管上各切片质心运动"8"字型轨迹形状不同,但是都限制在一定范围内.长细比和流速的增大使得立管振动模态增大,振动响应由低阶驻波向高阶行波转变,但在横流向出现特殊现象,立管底端为明显的驻波而立管中间部分为明显的行波.此外,与顺流向相比,横流向振幅在立管轴向分布不均匀,底端的振幅较大.长细比变化对立管主控频率的影响很小,但是流速变化对该频率的影响明显.
针对内爆载荷作用下的船舶加筋板,提出了计及带板影响的4种加筋板等效设计方法.用有限元软件LS-DYNA对等效设计的加筋板进行内爆仿真计算,获得效果最好的加筋板结构等效设计方法,并与不考虑带板影响的等效设计方法进行对比,还探讨了加筋腹板高度和加筋数量等因素对加筋板等效设计的影响.结果表明,对于保留加筋,保证加筋(计及带板)截面积相等,且抗弯模量和惯性矩尽可能与原型接近的等效设计方法(即等效设计方法Ⅰ),等效设计的加筋板的内爆变形模式与原型保持一致,内爆动态响应的相对偏差最小.加筋腹板高度越高,加筋对于加筋板抗爆的贡献越大.对于不同的加筋腹板高度,等效设计方法Ⅰ最为有效.加筋的数量越多,等效设计方法Ⅰ的效果越好.在进行加筋板等效设计时,保持加筋与带板横截面积比值的变化量小于0.73,且抗弯模量和惯性矩尽可能与原型接近,等效设计的加筋板的内爆动态响应与原型的相对偏差可保持在10％以内.
利用潜器航行运动监测系统的运动反馈,提出3种运动跟踪控制因子,以及确定舵等效稳定性系数的方法.以X型舵的操纵特性为研究对象,建立了 X舵与十字舵等效舵力分配方法.根据水动力试验数据建立操纵性运动方程,设计了融合主动增稳控制的算法.仿真计算结果满足控制稳定和机动指标的综合要求,可为潜器水动力综合性能多目标优化创造条件.
