船舶回转安全性研究

This project deals with the safety-related problems during turning motion at sea for the steered surface ships equipped with propeller(s) as propulsion device and rudder(s) as control device. The methods of kinematic and dynamic analysis based on theories of ship dynamic stability and manoeuvrability, system identification modelling based on artificial intelligence technology and hydrodynamic modelling based on computational fluid dynamics, as well as the methods of numerical simulation and model test, are synthetically applied to modelling and prediction of the coupled ship turning-rolling motion in waves, and to analysis of the hydrodynamic characteristics of hull-propeller-rudder interaction. For a ship with a certain intact stability, the roll motion performance in waves of the ship steered by rudder under different ship speeds, steering rates and rudder angles is investigated to determine the safe speed, steering rate and rudder angle during turning motion under a certain wave condition. Meanwhile, the negative influence on the main engine(s) due to the changes of the propeller load of a single screw ship or a twin-screw ship, especially the asymmetrical propeller behavior of twin screw ship, is investigated to determine the strategy for a safe and efficient control of the load on main engine(s). Based on the study in this project, the safety of ships during turning motion in waves is evaluated, which can provide the theoretical basis for formulating the standards for safe steering in waves, and provide theoretical guidance for the marine navigator to steer the ship safely.

本项目以装备螺旋桨为推进装置、舵为控制装置的水面船舶为研究对象，针对船舶在海上航行时操舵回转过程中出现的安全性相关问题开展研究。综合应用基于船舶动稳性、操纵性理论的运动学和动力学分析方法，基于人工智能技术的系统辨识建模和基于计算流体动力学的水动力建模方法，以及数值模拟与模型试验方法，对波浪中的船舶回转-横摇耦合运动进行建模与预报，对回转过程中的船-桨-舵水动力特性进行分析。对于具有一定完整稳性的船舶，研究其在波浪中操舵回转时，在不同船速、操舵速度、舵角下的横摇运动性能，确定在一定波浪条件下操舵回转的安全航速、操舵速度和舵角；对单桨船和双桨船在回转过程中的螺旋桨负荷变化尤其是双桨船内外两桨负荷不均对主机产生的不利影响进行研究，确定安全高效的主机负荷控制策略。通过本项目的研究，对船舶在波浪上回转的安全性进行评估，为制定波浪中安全操舵回转规范提供理论依据，为船舶驾驶人员安全操控船舶提供理论指导。

船舶在海上航行和进出港时经常要实施各种幅度的操纵运动，包括回转运动。在回转过程中，船舶通常存在显著的横倾，这不仅可能对其操纵性带来不利影响，而且可能造成倾覆事故；对于双桨船舶而言，回转过程中其两侧螺旋桨负荷通常有较大差异，会对主机及其控制系统造成危害。因此，对船舶回转运动及其由此导致的回转安全性问题进行深入研究，具有重要的意义和实际应用价值。.本项目以装备螺旋桨为推进装置、舵为控制装置的水面船舶为研究对象，应用基于CFD的水动力建模方法和基于AI（包括ANN和SVM）的辨识建模方法，开展船舶在静水和波浪中的三自由度、四自由度操纵运动（包括大舵角回转运动）及横摇运动建模和预报。在基于CFD的建模方面，应用粘性流求解器进行虚拟约束模试验，建立了考虑船-桨-舵相互作用和船-桨-机相互作用的船舶操纵运动数学模型，并据此进行了船舶操纵运动预报和操纵性评估；同时，应用双时间尺度方法进行了波浪中的船舶操纵运动建模，应用自主开发的时域高阶面元法计算波浪漂移力，并集成进船舶操纵运动方程中，对船舶在波浪中的操纵性进行了预报。在基于AI的建模方面，基于仿真数据和船模试验数据，应用SVM进行船舶四自由度操纵运动建模，建立了计及横摇影响的船舶操纵运动水动力模型和响应模型，并据此对船舶四自由度操纵运动进行了预报。同时，开发了一种基于小波神经网络的辨识建模方法，对船舶在波浪中的横摇、垂荡-纵摇耦合运动进行了建模和在线预报，为应用AI进行波浪中的四自由度船舶操纵运动建模和预报奠定了基础。应用本项目所开发的建模方法得到的船舶操纵运动预报结果均和国际比较研究基准数据进行了比较，据此对所开发方法的有效性和所建模型的预报精度进行了验证。.本项目所开发的方法为船舶设计阶段包括回转性的操纵性及其相关的安全性预报和评估提供了有效的工具，所得到的研究结论可为面向船舶操纵性和安全性的船舶设计及主机控制系统设计提供指导。