- 无标题文档
查看论文信息

中文题名:

 动力定位供应船水动力导数估算方法与系统辨识研究    

姓名:

 柯枭冰    

学号:

 1049721201519    

保密级别:

 公开    

论文语种:

 chi    

学科代码:

 082401    

学科名称:

 船舶与海洋结构物设计制造    

学生类型:

 硕士    

学位:

 工学硕士    

学校:

 武汉理工大学    

院系:

 交通学院    

专业:

 船舶与海洋结构物设计制造    

研究方向:

 船舶水动力性能    

第一导师姓名:

 罗薇    

第一导师院系:

 武汉理工大学    

完成日期:

 2014-10-20    

答辩日期:

 2014-11-30    

中文关键词:

 动力定位 ; 供应船 ; 水动力导数 ; CFD ; 系统辨识    

中文摘要:

随着海洋开发的不断深入和广泛开展,船舶动力定位技术的需求日趋增大。作为船舶定位控制技术,船舶运动数学模型的研究与建立占有重要地位。当模型结构已定,如何获取模型中的参数(水动力导数)成为关键问题。动力定位技术应用的主流船型为海洋工程供应船(Supply Vessel),对于这一类尾部安装呆木的船型,其水动力导数的研究目前仍不多见。论文从快速实用的角度出发,研究了供应船部分线性水动力导数的估算公式,并对利用系统辨识方法求取水动力导数进行了探讨与研究。

在水动力导数估算方法方面,论文基于Fluent计算流体力学应用软件,数值计算标模KVLCC2水动力并与试验数据进行对比,以验证采用的CFD方法的有效性。然后以75米供应船作为母型船,通过船型变换得到不同船型参数和呆木参数的系列供应船,再数值计算系列供应船在不同工况下所受的水动力,通过数据后处理得到对应工况下的水动力导数,并对供应船纯横荡运动流场现象进行分析。同时也分析了主要船型参数对于位置水动力导数和加速度导数的影响规律。最后,通过多元线性回归分析得到了线性水动力导数关于船型参数和呆木参数的回归公式。

在系统辨识方面,论文对一艘210000 DWT油船的Z形操舵实验进行仿真,得到辨识算法需要的参数序列——;并在MATLAB平台上编制最小二乘(LS)辨识程序。然后选取采样时间间隔不同或者样本总数不同的的样本数据,结合LS方法进行辨识研究。将辨识所得水动力导数与试验水动力导数进行对比,验证了LS方法应用于水动力导数辨识的可行性与有效性,并根据仿真数据辨识得出以下结论:对于周期性过程,在取满一个周期的样本之后,继续增加样本点,辨识数值改变不大。即辨识值与试验值的误差水平只依赖于采样间隔,相邻两个样本数据差异较大,辨识结果更为准确,若相邻数据差异较小,则辨识结果误差较大。在仿真辨识之后,进一步进行了试验数据的辨识研究。试验数据为SIMMAN 2008公布的标模KVLCC2 Z形自航试验,辨识所得结果符合物理规律和一般结论。

综上所述,论文通过对系列供应船操纵运动的数值模拟得到部分线性水动力导数的回归公式,为快速估算动力定位供应船的水动力导数提供了一种参考方法;系统辨识研究为进一步根据实船的海试数据得到船舶水动力导数和在线辨识进行了前期探索。

参考文献:

[1] 边信黔,付明玉,王元慧.船舶动力定位[M].北京:科学出版社,2011:25-50.

[2] 摩根M J.近海船舶的动力定位[M].北京:国防工业出版社,1984.

[3] 张显库,贾欣乐.船舶运动控制[M].北京:国防工业出版社,2006.

[4] 贾欣乐,杨盐生.船舶运动数学模型[M].大连:大连海事大学出版社,1999.

[5] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2009.

[6] 方崇智,萧德云.过程辨识[M].北京:清华大学出版社,2001:133-156.

[7] S.V.Patanker.传热与流体流动的数值计算[M].北京:科学出版社,1984.

[8] 蔡荣泉.船舶计算流体力学的发展与应用[J]. 船舶,2002,04:8-13.

[9] 周连第.船舶与海洋工程计算流体力学的研究进展与应用[J]. 空气动力学学报,1998,01:122-131.

[10] 杨勇.非定常操纵运动船体水动力数值计算[D].上海交通大学,2011.

[11] T. Ohmori,M. Fujino,H.Miyata.A Study on Flow Field around Full Ship Forms in Maneuvering Motion[J].Journal of Marine Science and Technology,1998,3(1):22-29.

[12] T. Ohmori.Finite-volume Simulation of Flows about a Ship in Maneuvering Motion[J].Journal of Marine Science and Technology,1998,3(2):82-93.

[13] A.C. Hochbaum.Computation of the Turbulent Flow Around a Ship Modelin Steady Turn and in Steady Oblique Motion[C].Proceedings of 22nd Symposium on Naval Hydrodynamics,Washing D.C.,1998:550-567.

[14] B. Alessandrini,G. Delhommean. Viscous Free Surface Flow past a Ship in Drift and in Rotating Motion[C]. Proceedings of 22nd Symposium on Naval Hydrodynamics,Washing D.C.,1998.

[15] Y.Tahara,J.Longo,F.Stern.Comparison of CFD and EFD for the Series 60 CB =0.6 in Steady Drift Motion[J].Journal of Marine Science and Technology,2002(7):17-30.

[16] C.D. Simonsen,F.Stern.Verification and Validation of RANS Maneuvering Simulation of Esso Osaka: Effects of Drift and Rudder Angle on Forces and Moments[J].Computers & Fluids,2003(32):1325-1356.

[17] C.D. Simonsen,F.Stern. Flow Pattern around an Appended Tanker Hull Form in Simple Maneuvering Conditions. Computers & Fluids,2005(34):169-198.

[18] C.D. Simonsen,F.Stern. RANS Maneuvering Simulation of Esso Osaka with Rudder and a Body-force Propeller. Journal of Ship Research,2005(49):98-120.

[19] N.Sakamoto,P.M. Carrica and F.Stern.URANS Simulations of Static and Dynamic Maneuvering for Surface Combatant.Proceedings of Workshop on Verification and Validation of Ship Maneuvering Simulation Methods SIMMAN2008),Copenhagen,Denmark,2008.

[20] 姜哲,石珣,王磊.动力定位船舶水动力参数数值试验研究[J]. 实验室研究与探索,2005,(12):14-17.

[21] 马兴磊,邹早建.KCS船型浅水操纵水动力计算[J].船海工程,2008(3):4-6.

[22] 王化明. 限制水域操纵运动船舶粘性流场及水动力数值研究[D].上海交通大学,2009.

[23] 田喜民,邹早建,王化明.KVLCC2船模斜航运功粘性流场及水动力数值计算[J].船舶力学,2010,14(8):834-840.

[24] 杨勇,邹早建,张晨曦.深浅水中KVLCC船体横荡运动水动力数值模拟[J]. 水动力学研究与进展A辑,2011,01:85-93.

[25] 李冬荔,王彪,杨亮等.船舶操纵线性水动力导数计算方法研究[J]. 中北大学学报(自然科学版),2008,06:531-537.

[26] 李冬荔,杨亮,聂武.操纵运动船舶的水动力计算研究[J]. 船舶工程,2009,02:8-11.

[27] 李冬荔.粘性流场中船舶操纵水动力导数计算[J].哈尔滨工程大学学报,2010,04:421-427.

[28] 庞永杰,杨路春,李宏伟.潜体水动力导数的计算方法研究[A].黑龙江省造船工程学会.黑龙江省造船工程学会2008年学术年会论文集[C].黑龙江省造船工程学会,2008.9.

[29] 孙晓芳,庞永杰.某潜器水动力性能FLUENT数值模拟计算[A].中国力学学会流体力学专业委员会实验流体力学专业组、浙江理工大学机械与自动控制学院.第九届全国实验流体力学学术会议论文集(下册)[C].中国力学学会流体力学专业委员会实验流体力学专业组、浙江理工大学机械与自动控制学院,2013.6.

[30] 邱云明,刘祖源,詹成胜.受损船斜航操纵运动水动力的数值模拟[A].中国造船工程学会船舶力学学术委员会.七届更迭 三十回眸——第七届船舶力学学术委员会全体会议论文集[C].中国造船工程学会船舶力学学术委员会,2010.8.

[31] 邱云明. 受损船水动力性能研究现状[J].舰船科学技术,2013,01:1-6.

[32] 邱云明,邓锐.船体阻力计算中网格划分方法研究[J].船舶工程,2013,01:13-15+51.

[33] Hayes M. N. Parameters Identification of Nonlinear Stochastic Systems Applied to Ocean

Vehicle Dynamics[D].M.I.T.,1971.

[34] Van Amerongen J.Adaptive steering of ships - a model reference approach[J].Automatica,

1984,20(1):3-14.

[35] ?str?m K. J.,K?llstr?m C. G.Identification of ship steering dynamics[J].Automatica,

1976,12:9-22.

[36] K?llstr?m C. G. ,?str?m K. J. Experiences of system identification applied to ship

steering[J],Automatica,17:187-198,1981.

[37] Zhou,W.-W.,Blanke M.Identification of a class of nonlinear state-space models using

RPE techniques[J],IEEE Transaction on Automatic Control,1989,34(3):312-316.

[38] Abkowitz M. A.Measurement of hydrodynamic characteristic from ship maneuvering trials by system identification[J].Transactions of Society of Naval Architects and Marine Engineers,1980,88:283-318.

[39] Hwang W.-Y. Application of System Identification to Ship Maneuvering[D]. M.I.T.,1980.

[40] Holzhüter T. Robust identification in an adaptive track controller for ships[C]. 3rd IFAC Symposium on Adaptive Systems in Control and Signal Processing,Glasgow,UK,1989:275-280.

[41] Koyama K. Analysis of full-scale measurement of manoeuvrability by trial and error methods[R],Report No.332,Shipbuilding Laboratory,University of Tech. Delft,,1971.

[42] 辛元欧.关于K-T方程类的辨识方法研究——自回归模型辨识[R],第三届船舶操纵性学术讨论会,1983.

[43] 蔡泽伟.水动力导数的系统辨识[J]. 宁波大学学报(理工版),1989,02:79-87.

[44] 郑虎. 肥大型船舶水动力导数的辨识及应用[D].大连理工大学,2002.

[45] 袁伟杰.自治水下机器人动力学建模及参数辨识研究[D].中国海洋大学,2010.

[46] 范佘明,祝伟敏,李志春.基于人工神经网络的船舶操纵性能预报方法[J].中国造船,1999,04:7-12.

[47] 刘祖源.应用神经网络方法辨识船舶操纵运动水动力系数初探[C].上海:第四届全国海事技术研讨会,1998.

[48] 罗伟林. 基于支持向量机方法的船舶操纵运动建模研究[D].上海交通大学,2009.

[49] 罗伟林,邹早建.基于最小二乘支持向量机的船舶操纵运动建模[J].系统仿真学报,2008,13:3381-3384.

[50] 罗伟林,李铁山,邹早建.船舶操纵运动建模中的参数可辨识性问题[J].大连海事大学学报,2009,04:1-3.

[51] 张心光. 基于船舶操纵性试验分析的辨识建模研究[D].上海交通大学,2012.

[52] SIMMAN2008. http://www.simman2008.dk.

[53] 马峥,黄少锋,朱德祥.湍流模型在船舶计算流体力学中的适用性研究[J].水动力学研究与进展A辑,2009,02:207-216.

[54] 郭真祥,杨名梧.斜航状况下潜艇周围流场之计算[D]. 台湾:国立台湾大学,2005.

[55] 杨波,万林,王骁,石爱国.纯横荡和旋臂试验的数值模拟[J]. 舰船科学技术,2008,04:138-141.

[56] 王贵增,叶昊.主元分析与偏最小二乘法[M].北京:清华大学出版社,2012.

[57] 吴传生.经济数学—概率论与数理统计[M].北京:高等教育出版社,2009.

[58] 袁伟杰.自治水下机器人动力学建模及参数辨识研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.

中图分类号:

 U664.82    

馆藏号:

 U664.82/1519/2014    

备注:

 403-西院分馆博硕论文库;203-余家头分馆博硕论文库    

无标题文档

   建议浏览器: 谷歌 火狐 360请用极速模式,双核浏览器请用极速模式