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当期目录

    2018年, 第52卷, 第6期 刊出日期:2018-06-28 上一期    下一期
    学报(中文)
    轻载下的螺旋桨空化流场数值模拟
    傅慧萍a,b,李杰a
    2018,52 (6):  631-635.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.001
    摘要 ( 793 )  
    以PPTC′11(Potsdam Propeller Test Case 2011)桨为研究对象,基于均质混合流模型及ZGB和Sauer空化模型,通过对网格形式、网格密度和空化参数的探讨,对第2届船舶推进器国际研讨会(SMP′11)上的轻载空化算例Case 2.3.3进行了螺旋桨空化流场及水动力数值计算.结果表明:轻载下的螺旋桨推力系数和转矩系数对网格密度要求较高;给出的计算方法可准确预报螺旋桨水动力及梢涡与叶背、叶面片空泡;螺旋形网格是一种有前景的梢涡空泡捕捉方式;含气率及气核密度等参数对计算结果的影响较大.
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    自然通气状态下半浸桨水动力特性数值分析
    任振1,王超2,万德成1,袁煜明2
    2018,52 (6):  636-642.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.002
    摘要 ( 40 )  
    为了研究自然通气状态下半浸桨的水动力特性,以雷诺时均(RANS)方程求解流场,同时结合流体体积(VOF)方法和滑移网格技术对标准半浸桨模型841B非定常气液两相混合流场进行数值模拟. 数值分析结果表明,推力系数KT和转矩系数10KQ的计算结果与试验值吻合良好,尤其在设计点附近,两者误差均在5%以内. 在尾流场中,空气腔呈螺旋状向下游发展,螺旋的直径先增大再减小,最后螺旋状的空气腔逐渐消失. 由于浸深较小,半浸桨在水平方向、垂直方向上均受到很大的力和力矩. 半浸桨的尾流场以自由液面为界,速度发生突变. 桨盘面之前,半浸桨通过抽吸作用影响流场;桨盘面之后,滑流作用主导流场.
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    基于临界碰撞速度的船舶结构耐撞性优化
    陈炉云1,李磊鑫1,2
    2018,52 (6):  643-649.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.003
    摘要 ( 44 )  
    分析船舶结构碰撞破损、能量转换和碰撞力间的关系,提出以临界撞速为耐撞性指标的船舶结构耐撞性评价模型,建立了船舶结构耐撞性优化方程.以2艘渔船发生正碰为例,开展了船舶碰撞的数值计算.比较了撞击速度对结构碰撞特性的影响,确定了临界撞击速度,给出了以提高船舶结构临界撞速为目标的结构改进建议.数值计算结果表明,基于临界撞速的船舶结构耐撞性评价指标具有可行性.
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    城市高架路沿侧细颗粒物的垂直分布特征研究
    高雅1,王占永1,2,路庆昌1,彭仲仁1
    2018,52 (6):  650-657.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.004
    摘要 ( 49 )  
    以上海市高架路为对象,通过移动设备开展数据采集,建立广义加性模型,对高架路细颗粒物(PM2.5)浓度的垂直分布及其与微观尺度下的交通、气象、位置等因素之间的关系进行了系统研究,并将原始影响因素的主成分分析结果作为输入变量,提出基于主成分分析法(PCA)的高架路交通污染物浓度垂直变化的神经网络预测模型(PCA-BPNN).结果表明:高度、相对湿度和交通流量对PM2.5浓度垂直变化有着显著影响;PCA-BPNN模型能够较好地处理污染物扩散的非线性问题,消除变量间多重共线性,有效弥补污染物垂直扩散模型在道路微观尺度上预测的不足.
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    电驱动双速自动变速器换挡过程的最优控制
    柴本本1,巫少方1,张建武1,林连华2,徐海港2
    2018,52 (6):  658-665.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.005
    摘要 ( 49 )  
    针对换挡过程不同阶段同步器动力学模型的复杂性和不确定性,提出一种最优控制策略对驱动电机转矩进行反馈补偿和采用非线性时间最优控制对换挡电机进行位置控制,以优化整个换挡过程.试验结果表明:该混合最优控制策略能够消除换挡过程中输出转矩的振荡,明显减少了换挡时间;建立的电驱动传动系与电动换挡执行机构耦合动力学模型能够精确反映电驱动无离合器自动变速器的换挡过程;驱动电机和换挡电机混合优化控制策略可以显著改善换挡品质,为电驱动自动变速器的开发提供参考.
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    基于Kriging代理模型的船舶水动力性能多目标快速协同优化
    王刚成,马宁,顾解忡
    2018,52 (6):  666-673.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.006
    摘要 ( 53 )  
    引入Kriging代理模型,对船舶兴波阻力、垂荡和纵摇运动幅值进行了多目标快速优化.优化过程中,以Rankine源非线性势流理论和三维频域面元法为基础,利用非支配排序遗传算法(NSGA-II)并结合船体曲面修改函数对船体型线进行多目标优化设计,将高精度Kriging代理模型引入到优化进程中以解决迭代造成的耗时难题.数值分析结果表明:该优化方法能够使船型最优,在设计吃水、服务航速下有效减少航行阻力并提高耐波性能,且Kriging代理模型方法可以大幅提高船型优化效率.最后,基于雷诺平均(RANS)方程的计算流体动力学(CFD)方法对模型尺度λ为 31.599 的最优船型的阻力结果进行了对比验证,以证明优化结果的可靠性.
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    基于分离涡模拟方法的导管桨近尾流场及尾涡特性分析
    龚杰,郭春雨,吴铁成,宋科委,林健峰
    2018,52 (6):  674-680.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.007
    摘要 ( 44 )  
    基于分离涡模拟(DES)方法对设计工况下导管桨的近尾流场及尾涡特性进行数值模拟.数值计算中选用Spalart & Allmaras湍流模型封闭N-S方程,采用滑移网格技术及混合网格划分方法完成导管桨敞水性能数值计算.通过分析导管桨瞬态尾流场及尾涡空间结构发现:近尾流场中螺旋桨半径区域瞬态诱导速度大,尾流中分布着连续漩涡结构,尾流加速作用明显.导管桨尾涡主要由导管剪切层涡、叶片涡系及毂涡组成,叶片涡系中包含叶梢涡、叶根涡、毂涡及相邻梢涡带之间诱导产生的S形二次涡;导管桨尾涡结构中多重涡系之间产生复杂干扰,尾涡形态出现融合、扭曲、分解并逐渐扩散.
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    基于尾管后轴承分段弹性接触的 船舶推进轴系校中计算
    杨红军1,卢菲1,车驰东2
    2018,52 (6):  681-686.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.008
    摘要 ( 41 )  
    为了研究大型商船推进轴系静态条件下尾管后轴承和螺旋桨轴的接触情况,建立了推进轴系校中计算的有限元模型.将尾管后轴承分成多个轴承分段,分别使用Hertz和Winkler 2种接触模型来模拟各个轴承段和轴段之间的接触形态,作为梁单元的非线性支撑边界条件,并使用迭代法求解有限元模型.数值计算结果表明:2种接触模型在后轴承接触范围的计算结果是基本一致的,但Winkler接触模型刚度较Hertz接触模型高,接触区域小,负荷分布集中.Hertz接触模型接触范围较大,不能满足Hertz接触模型成立的前提条件,因此在尾管后轴承的接触计算中,存在一定的局限性.
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    基于神经网络的蒙特卡罗可靠性分析方法
    陈松坤,王德禹
    2018,52 (6):  687-692.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.009
    摘要 ( 40 )  
    在结构可靠性分析中,蒙特卡罗(MC)是最准确的方法,但是对大量样本点的精确计算限制了它在工程实际中的应用.为了减少分析次数,以BP(Back Propagation)神经网络技术为基础,提出了一种改进的MC方法(BP-MC).该方法通过进行实验设计(DOE)构建BP模型,以权重因子和到失效面的距离作为筛选准则,从MC样本点中筛选出失效面附近的点添加至训练集,重新训练BP模型直至满足收敛准则.随后以该BP模型识别样本点是否处于失效域,从而计算结构的失效概率.最后,以数学模型和加筋板极限强度可靠性计算为例,验证了BP-MC算法的准确与高效.
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    液化天然气加注船设计方案评价技术
    王运龙,沈嘉祺,王庆鹏,吴德华,金朝光
    2018,52 (6):  693-697.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.010
    摘要 ( 53 )  
    随着液化天然气(LNG)动力船舶的增多,为其加注LNG燃料的技术、方法、设施和设备已成为造船业和航运业面临的一个突出问题.LNG加注船因具有自航能力、安全可靠、调度灵活等优点而成为LNG加注技术的重要发展方向.在结合近年来对LNG加注船方案设计所做的研究和相关方面专家的建议,并总结LNG加注船作业特点的基础上,建立了一套针对LNG加注船的方案评价指标体系,对其评价方法进行了研究,并在该评价指标体系的基础上,采用改进的模糊层次分析法对设计方案进行优选.分析和计算实例表明,该评价指标体系和评价方法是适用和可靠的.
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    基于移动脉动源格林函数的小水线面 双体船耐波性频域计算
    孙小帅,姚朝帮,熊鹰,叶青
    2018,52 (6):  698-707.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.011
    摘要 ( 47 )  
    基于三维移动脉动(3DTP)源格林函数,针对安装稳定鳍的小水线面双体船(SWATH),计入两片体之间的水动力干扰、黏性和稳定鳍的影响,建立了SWATH耐波性频域计算方法.通过与SWATH试验模型(SWATH-M)的试验结果对比,验证了计算方法的可靠性,进而研究了航速对SWATH-M耐波性的影响,并分析了黏性和稳定鳍对SWATH-M整船所受水动力的贡献.结果表明,基于3DTP的船体运动计算结果与试验结果吻合良好.船体的运动响应算子随波长变化呈现出双极值.随着航速提高,短波共振区附近的运动响应算子极值增大,而长波共振区附近的运动响应算子极值降低.黏性和稳定鳍对阻尼系数的影响主要体现在垂荡-垂荡阻尼系数和纵摇-纵摇阻尼系数上,对波浪干扰力的影响主要体现在垂荡力虚部和纵摇力矩实部.
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    面内载荷作用下加筋强桁材结构的损伤变形机理
    刘昆1,2,傅杰2,王自力2,唐文勇1
    2018,52 (6):  708-714.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.012
    摘要 ( 43 )  
    在遭遇碰撞搁浅事故时,船体往往会受到面内载荷的作用而发生损伤变形,影响船体结构的安全性,因此加筋强桁材在船体结构中具有广泛的应用.以垂直加筋强桁材结构为研究对象,通过开展准静态冲压试验及相应的数值模拟,分析强桁材结构在面内冲压载荷作用下的变形机理,并基于试验与模拟所观察到的结构变形特点,提出强桁材面内受压时的变形模式.以此为基础,运用塑性力学理论,推导出结构变形能、瞬时结构变形抗力及平均结构变形抗力的解析计算公式,并将计算结果与试验结果进行比较验证.研究得到的结构面内受压变形能和抗力解析计算公式,可以快速评估事故载荷下结构的响应情况,对船体耐撞结构设计及抗撞性能评估具有一定的指导意义.
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    基于效率分析的凸轮转子叶片马达液膜厚度设计
    朱彦楠1,张强1,陈立峰2,陶建峰1,王旭永1
    2018,52 (6):  715-721.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.013
    摘要 ( 48 )  
    介绍了一种新型凸轮转子叶片马达的结构特点及工作原理.通过平行平板间隙流动模型及平行圆盘缝隙径向流动模型建立了该马达的泄漏数学模型,从而得出马达液膜厚度与容积效率间的关系.通过绝对黏度模型分析计算了凸轮与隔板及定子两关键摩擦副之间的摩擦力矩,从而得出马达液膜厚度与机械效率之间的关系.基于某三轴无磁仿真转台的凸轮转子叶片马达实例分析,综合考虑马达的容积效率和机械效率得出了使马达总效率最高的最优液膜厚度.研究结果为该类叶片马达的关键摩擦副之间液膜厚度优化设计提供了理论依据,从而可对马达设计及加工过程中凸轮转子、定子及隔板等关键零件提出相应的尺寸精度、几何精度及表面粗糙度等要求.
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    分形粗糙表面接触变形分段计算模型
    陈虹旭,董冠华,谢罗峰,殷鸣,殷国富
    2018,52 (6):  722-728.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.014
    摘要 ( 48 )  
    针对现有分形理论描述粗糙表面接触变形过程存在的问题,以与波长对应的系数作为尺度划分依据,提出了一种考虑分形细节和微凸体接触变形过程的分段计算模型.通过数学推导和分析论述粗糙表面的接触变形过程,得出了与现有分形理论不同的结论,并论述了其不同的原因.基于此考虑了各尺度之间等效模型的连续性,导出了真实接触面积与载荷之间的隐函数关系,并进行了数值模拟分析.结果表明:粗糙表面的接触变形过程是从塑性变形到弹性变形的转变,在转变过渡区域会出现弹性变形和塑性变形交替的过程;某一确定尺度下微凸体变形前的顶端曲率半径是一个不随变形量变化的定值;当分形维度接近1时,粗糙表面以塑性变形为主,此时表面接触性质仅受到材料的影响;分形维度存在一个最佳值,此时粗糙表面接触性质最好.
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    手部外骨骼运动相容性设计综述
    李剑锋1,张兆晶1,张雷雨1,陶春静2,季润2,范金红1
    2018,52 (6):  729-742.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.015
    摘要 ( 50 )  
    以人机运动相容性为关注点,对手部外骨骼设计的研究现状进行分析与综述.首先,结合人手解剖学结构与关节运动学属性的分析,简要介绍手部的主要运动学参考模型.其次,根据实现人机运动相容性的设计方法,将手部外骨骼归纳为人机关节轴线对齐、关节轴线自适应和柔顺性结构手套等3种主要类型,并扼要分析典型手部外骨骼的设计特点.最后,结合人机穿戴偏差、个体体征差异和人机关节运动属性差异等对人机运动相容性的影响,对手部外骨骼设计需要考虑的问题和后续研究进行了分析与论述.
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    气动荷载对浮式风机系泊疲劳寿命的影响分析
    邓露1,胡缤纷1,吴松熊1,黄民希2,宋晓萍3
    2018,52 (6):  743-749.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.016
    摘要 ( 46 )  
    利用仿真软件FAST和OrcaFlex建立了风机-浮式平台-系泊系统在时域上的耦合分析模型,结合Miner线性损伤累积理论、雨流计算法和系泊T-N曲线,分析了浮式风机的系泊系统在不同气动模型和代表性工况下的疲劳问题,研究了气动荷载和风场湍流强度对系泊疲劳寿命的影响.结果表明:气动荷载会大幅缩短系泊的疲劳寿命,考虑湍流气动荷载时的系泊疲劳寿命仅为不考虑其影响时的1/5,故在系泊疲劳分析中应合理选择湍流风模型;当海况风速接近风机额定风速时,气动荷载会显著增大平台水平位移,导致系泊张力大幅增大,加速系泊疲劳损伤,缩短系泊疲劳寿命;平台的侧移响应会增大平台的侧倾响应,从而加速系泊的疲劳.
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    基于指数趋近律链传动弹仓自适应模糊滑模控制
    岳才成1,钱林方1,徐亚栋1,李颖2
    2018,52 (6):  750-756.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2018.06.017
    摘要 ( 57 )  
    针对链传动弹仓传动过程中存在非线性摩擦、冲击、参数大范围变化和抖振问题,提出一种基于指数趋近律的滑模控制方法.通过引入模糊自适应算法,完成对趋近律参数的在线调整,实现系统的精确定位控制,使系统在保证快速趋近的同时具有较高的鲁棒性能.采用饱和函数代替切换函数,改进后的饱和函数使得整个切换过程更加连续,有效抑制了趋近过程中系统的抖振.理论分析表明,提出的算法能够保证滑模到达条件成立.实验结果表明,该控制策略的综合控制性能优于等效滑模控制策略的控制效果,能够使系统具有良好的位置跟踪性能,较强的抗干扰能力和理想的定位精度.
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