U 型減搖水艙的流體動力特性分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖青青

(長江大學(xué) 文理學(xué)院，湖北 荊州 434020)

0 引言

船舶航行過程中的外載荷主要包括風(fēng)載荷、波浪載荷和其他碰撞過程載荷，其中，波浪載荷具有一種規(guī)律性，船舶在海面航行時受到波浪載荷的作用會發(fā)生橫搖運(yùn)動，且隨著波浪載荷的增加，船舶橫搖運(yùn)動的頻率和幅度都會增加，可能引發(fā)船舶發(fā)生傾覆事故。因此，針對船舶橫搖運(yùn)動的控制技術(shù)一直以來都是研究的重點(diǎn)。

減搖水艙是一種常見的船舶橫搖控制技術(shù)，減搖水艙通過控制水的振蕩周期，與不斷變化的波浪載荷相互影響，最終結(jié)果是降低波浪載荷對船舶的影響，實(shí)現(xiàn)減搖的目的。傳統(tǒng)的減搖水艙結(jié)構(gòu)簡單，沒有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，減搖效果一般。本文在傳統(tǒng)減搖水艙的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)一種具有自動控制系統(tǒng)的新型減搖水艙，并對減搖水艙的流體動力學(xué)特性進(jìn)行分析。

1 船舶搖動的水動力建模

船舶在波浪載荷下會發(fā)生多自由度的運(yùn)動，以橫搖運(yùn)動的影響最大，首先建立波浪載荷模型為：

式中：B為海浪的高度，wo為頻率，φ0為海浪的初始相位角。

針對船舶在海浪中的搖動，建立運(yùn)動坐標(biāo)系如圖1所示。

在該坐標(biāo)系下建立船舶搖動方程：

式中:J0為船舶繞OZ軸的轉(zhuǎn)動慣量；?J為附加轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；θ為搖動角；h為吃水深；κ為搖動的阻尼系數(shù)；D為橫剖面船舷寬度；T0為船舶在波浪載荷作用下的搖動力矩；F0為船舶受到的干擾作用力。

船舶產(chǎn)生的搖動具有一定周期性，其周期可用下式計(jì)算：

圖2 為不同周期的船舶搖動角度曲線示意圖。

圖2 不同周期的船舶搖動角度曲線Fig.2 Ship rocking angle curves for different cycles

由于船舶搖動不僅與波浪、海風(fēng)等外加載荷有關(guān)，還與船舶自身的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)[1]，包括船舶航行的速度、迎浪面積、升力系數(shù)等，定義航行速度為V1，則可得搖動過程船舶的合力為：

式中：S為迎浪面積；δ為升力系數(shù)。

搖動過程受到的干擾合力矩為：

式中，A為航向角。

2 U 型減搖水艙的結(jié)構(gòu)原理及水動力建模

為了控制船舶在波浪載荷下的搖動，提升船舶航行的安全性，減搖水艙作為一種有效的減搖設(shè)備被廣泛使用。減搖水艙結(jié)構(gòu)和原理簡單，在船舶中低速航行時具有比較好的減搖效果。

減搖水艙目前主要有2 種：

1）被動式

被動式的減搖水艙是指本身沒有控制系統(tǒng)，不能產(chǎn)生動力來主動產(chǎn)生減搖力矩，只能依靠船舶和水艙的慣性來減搖，起到阻尼器的作用。被動式減搖水艙的建造成本低，但減搖能力相對較差。

2）主動式

主動式減搖水艙集成了控制系統(tǒng)，能夠通過水泵或者其他設(shè)備使水艙重心主動變化，能夠提前預(yù)測船舶發(fā)生搖動的角度和方向，提前對船舶施加力和力矩。主動式減搖水艙的減搖效果好，相對應(yīng)的成本略高。

主動式減搖水艙通過調(diào)節(jié)水艙的穩(wěn)定力矩，與擾動力矩的周期相同、相位相差為180°時，可以將擾動力矩抵消，實(shí)現(xiàn)船舶減搖功能。

圖3 為主動式減搖水艙的剖面結(jié)構(gòu)圖。

圖3 船舶主動式減搖水艙的剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Profile structure of the ship's active anti-roll tank

為了更方便地進(jìn)行減搖水艙工作過程的流體動力學(xué)分析，做以下假設(shè)：

1）船舶在波浪載荷下的搖動是指通過重心G的oy軸搖動，在短時間內(nèi)，該中心軸可視為固定。

2）減搖水艙關(guān)于船舶的縱向中心線對稱分布，可視為沿船長方向是等截面的，這種假設(shè)有利于簡化壁是直的并且是等截面的。

3）整個水艙橫截面上是相等的，用單一坐標(biāo)可以描述水艙內(nèi)液體的運(yùn)動。

建立減搖水艙與船舶的耦合流體動力學(xué)模型為：

式中：?為船舶搖動的角度，θ為減搖水艙搖動的角度，Ju為船體本身的質(zhì)量慣性系數(shù)，Jt為減搖水艙中液體相對于oy軸的質(zhì)量慣性系數(shù)[2]，Ks為船體的搖動復(fù)原系數(shù)，Bt為水艙的搖動阻尼系數(shù)，Kt為水艙的搖動復(fù)原系數(shù)。

Jt計(jì)算式為：

式中：A0為水艙液面以下的截面積，R為水艙的寬度，At為水艙液面以上的截面積，h為水艙內(nèi)的水深。

Kt計(jì)算式為：

在水艙減搖過程中，水艙產(chǎn)生的力矩為：

式中：as，bs，λ分別為轉(zhuǎn)矩因子[3]，用下式計(jì)算：

式中：ω為船舶的搖動角速度，ωs為減搖水艙的搖動角速度。

水艙減搖力矩與船體擾動力矩的相互作用原理可用圖4 表示。

圖4 水艙減搖力矩與船體擾動力矩的相互作用原理Fig.4 The interaction principle of the anti-roll torque of the tank and the disturbance moment of the hull

當(dāng)水艙減搖力矩與擾動力矩周期相同，相位角錯開180°時，力矩相互抵消，產(chǎn)生船舶的減搖效果。

3 U 型減搖水艙的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

3.1 船舶U 型減搖水艙控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主動式減搖水艙的控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，同時具有非線性特征。本文建立的U 型減搖水艙控制系統(tǒng)包括上位機(jī)平臺、信號采集設(shè)備、控制電路、液壓回路、水艙步進(jìn)電機(jī)等。

圖5 為船舶U 型減搖水艙控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖。

圖5 船舶U 型減搖水艙控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖Fig.5 Design schematic diagram of ship U-shaped anti-roll tank control system

1）上位機(jī)平臺

U 型減搖水艙控制系統(tǒng)的上位機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，選用微型計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，CPU 硬件為coreI7-5 200[4]，運(yùn)存8 G，數(shù)據(jù)存儲空間256 G，能夠滿足減搖水艙工作過程的數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲需求。

2）執(zhí)行單元

執(zhí)行單元是減搖水艙實(shí)際進(jìn)行動作的單元，包括水泵、水艙步進(jìn)電機(jī)、控制電路、液壓回路等。執(zhí)行單元接收來自上位機(jī)的指令，控制水泵流量來產(chǎn)生減搖力矩。

3.2 U 型減搖水艙控制系統(tǒng)的減搖特性仿真

減搖水艙控制系統(tǒng)的特性通過Simulink 仿真來實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵步驟包括波浪載荷輸入、船舶模型、橫搖運(yùn)動模型和減搖控制系統(tǒng)模型輸入、搖動特性仿真、結(jié)果輸出等。

1）波浪仿真模型

Simulink 中建立的波浪仿真模型包括規(guī)則波和不規(guī)則波2 種，規(guī)則波如P-M 譜等[5]。波浪載荷是進(jìn)行仿真的輸入條件。

2）Simulink 數(shù)學(xué)模型

在Simulink 中需要建立船舶的搖動模型、減搖控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、減搖水艙的力矩模型等。

圖6 為基于Simulink 的減搖水艙控制系統(tǒng)仿真流程圖。

圖6 基于Simulink 的減搖水艙控制系統(tǒng)仿真流程圖Fig.6 Simulation flow chart of anti-roll tank control system based on simulink

3）船舶參數(shù)

在仿真系統(tǒng)中定義船舶的排水量、船寬、質(zhì)心高、吃水、長度和船舶的橫搖周期分別為5 000 t，25.6 m，3.2 m，12.3 m，5.8 m，12.25 s。

圖7 為仿真得到的減搖水艙控制系統(tǒng)性能對比曲線。

圖7 仿真得到的減搖水艙控制系統(tǒng)性能對比曲線Fig.7 Comparison curve of performance of anti-shake tank control system obtained by simulation

4 結(jié)語

U 型減搖水艙對于降低船舶在波浪載荷下的搖動有重要的作用，本文針對U 型減搖水艙的結(jié)構(gòu)原理、水艙與船體耦合系統(tǒng)的流體動力學(xué)特性等進(jìn)行研究，開發(fā)U 型減搖水艙的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。