1、船舶在風(fēng)浪中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種搖蕩，其中以橫搖最為顯著，影響也最大。減搖鰭是目前最常用且應(yīng)用最成功的船舶主動(dòng)式減橫搖裝置，減搖效果可達(dá)90％以上。但是只有船舶的航速較高時(shí)，減搖鰭才可以有效地減搖，在低航速或零航速情況下，減搖鰭幾乎不能進(jìn)行減搖。在現(xiàn)有的減搖設(shè)備中，只有減搖水艙的減搖效果不受航速影響，但是減搖水艙體積較大，而且只是在諧搖頻率的附近才能取得最好的減搖效果，在某些情況下甚至?xí)霈F(xiàn)增搖的現(xiàn)象。為了解決這些問(wèn)題，人們提出了零航速

2、減搖鰭的概念。 論文來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“零速下船舶仿生減搖鰭升力機(jī)理的研究(50575048)”，主要研究?jī)?nèi)容是零航速減搖鰭升力模型的建立及其控制方法的研究。 論文首先總結(jié)了零航速減搖裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，明確了研制零航速減搖鰭需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。分析了減搖鰭在零航速下的工作原理，并且對(duì)單翼與雙翼零航速減搖鰭的結(jié)構(gòu)與工作方式進(jìn)行對(duì)比。 升力模型的建立是研究零航速減搖鰭的基礎(chǔ)，論文應(yīng)用流體力學(xué)理論對(duì)零航速減搖鰭的

3、升力模型問(wèn)題進(jìn)行了初步研究，采用解析的方法對(duì)單翼零航速減搖鰭上各種流體作用力的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素進(jìn)行分析，建立了單翼零航速減搖鰭的升力模型，并根據(jù)升力模型對(duì)單翼零航速減搖鰭的升力特性進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明，單翼零航速減搖鰭屬于大慣性負(fù)載，對(duì)伺服系統(tǒng)有較高的要求。在分析Weis—Fogh機(jī)構(gòu)勢(shì)流理論的基礎(chǔ)上建立了雙翼零航速減搖鰭的升力和力矩模型，由于現(xiàn)有的理論只能對(duì)Weis—Fogh機(jī)構(gòu)張開(kāi)階段進(jìn)行分析，為了解決這個(gè)問(wèn)題，結(jié)合數(shù)值計(jì)算的結(jié)

4、果建立了具有較高實(shí)用性的Weis—Fogh機(jī)構(gòu)閉合階段升力模型，并對(duì)雙翼零航速減搖鰭以不同的速度張開(kāi)和閉合時(shí)的升力和力矩特性進(jìn)行了研究。針對(duì)現(xiàn)有單翼零航速減搖鰭存在的某些缺點(diǎn)，提出了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)型單翼零航速減搖鰭的設(shè)計(jì)方案，仿真結(jié)果表明采用該方案可以提高現(xiàn)有零航速減搖鰭的性能。零航速減搖鰭處于非定常流中，只能在理論分析的基礎(chǔ)上建立一些初步的升力模型，因此必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)這些模型進(jìn)行修正。由于零航速減搖鰭周圍的流場(chǎng)與傳統(tǒng)減搖鰭有很大差別，所

5、以需要對(duì)其水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行深入研究。為此對(duì)零航速減搖鰭的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，提出了零航速減搖鰭的水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)方案，利用相似理論確定了部分實(shí)驗(yàn)參數(shù)，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了理論依據(jù)。 現(xiàn)有的減搖鰭全部采用電液伺服系統(tǒng)，缺點(diǎn)是維護(hù)比較困難。為了提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，討論了電動(dòng)伺服系統(tǒng)在零航速減搖鰭上的應(yīng)用，建立了永磁同步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的CARIMA模型，在此基礎(chǔ)上采用廣義預(yù)測(cè)控制算法對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。為了改善零航速減

6、搖鰭在滿負(fù)荷狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能，在基本廣義預(yù)測(cè)控制中引入了對(duì)輸入和輸出的約束。仿真結(jié)果表明，廣義預(yù)測(cè)控制器能夠改善伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高零航速減搖鰭的減搖效果。 在有航速減搖時(shí)，減搖鰭隨船體一起運(yùn)動(dòng)，伺服系統(tǒng)只是把鰭轉(zhuǎn)到某一特定角度，鰭上的升力是由船舶航行時(shí)鰭和水流的相互作用產(chǎn)生的，它間接利用了船舶主機(jī)的能量。在零航速減搖時(shí)，對(duì)抗橫搖所消耗的能量完全由減搖鰭的伺服系統(tǒng)提供，但是伺服系統(tǒng)的功率一般比主機(jī)小得多，導(dǎo)致在浪級(jí)較高的情況

7、下減搖效果不理想。為了在保證減搖效果的前提下，盡可能減少系統(tǒng)能量消耗，對(duì)內(nèi)環(huán)的減搖鰭伺服系統(tǒng)和外環(huán)的船舶橫搖控制器兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。在伺服系統(tǒng)方面，應(yīng)用極小值理論對(duì)基于能量指標(biāo)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，以確定采用何種驅(qū)動(dòng)方式才能提高升力與能量消耗的比值。理論分析的結(jié)果表明，采用合適的驅(qū)動(dòng)方式能夠以較小的能量產(chǎn)生最大的升力，并且可以避免反向升力帶來(lái)的不利影響。在船舶橫搖控制器方面，根據(jù)海浪的頻譜特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，在此基礎(chǔ)上采用隨機(jī)最優(yōu)控制