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当期目录

    2021年, 第55卷, 第1期 刊出日期:2021-01-01 上一期    下一期
    基于OpenFOAM几何流体体积方法的波浪数值模拟
    田康, 张尧, 李金龙, 张新曙, 尤云祥
    2021,55 (1):  1-10.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.99.015
    摘要 ( 856 )   HTML ( 129 )   PDF(2416KB) ( 353 )  

    波浪数值模拟一直是船舶海洋工程领域非常重要的研究课题.该研究基于开源计算流体力学分析平台OpenFOAM对Stokes五阶波进行模拟.由于几何流体体积(VOF)方法中的几何重构处理能够实现对自由液面更精准的捕捉,所以该研究采用了OpenFOAM内置几何VOF方法——isoAdvector方法,进行自由液面捕捉,通过二次开发引入松弛区方法进行消波处理.对几何VOF方法下网格密度及库朗数进行了收敛性分析,发现可用较大库朗数获得较好的波浪模拟结果;在不同波陡和波频情况下,对几何VOF方法和代数VOF方法模拟波浪的波高及相位进行分析,并与Stokes五阶波理论值进行了对比,研究表明几何VOF方法能更好地对波高进行模拟.最后探讨了松弛区方法中消波区长度及权重分布对消波效果的影响,结果显示大于2倍波长的消波区长度配合指数权重分布可达到最佳消波效果.

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    基于代理模型的三立柱半潜平台多目标优化
    丘文桢, 宋兴宇, 张新曙
    2021,55 (1):  11-20.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.087
    摘要 ( 471 )   HTML ( 1 )   PDF(5962KB) ( 217 )  

    在半潜平台初始设计阶段,平台主尺度是影响平台水动力性能和建造成本的关键性因素.因此,对半潜平台主尺度进行多目标优化是一项极具工程意义的研究工作.首先,采用试验设计法确定平台的设计变量和样本数据库.其次,对半潜平台采用面元法和莫里森公式结合的方法进行水动力特性分析.同时在静水面上布置波面升高监测点,计算平台气隙值.根据数值模拟得到的数据库建立基于径向基函数的代理模型,并通过缺一交叉验证法得到径向基函数中的形参数值.所建立的代理模型可以极大提高优化效率.最后,采用多目标粒子群优化算法,以平台安全性和经济性作为两个优化目标,以平台稳性、气隙高度、水平方向运动性能作为约束条件,得到半潜平台的优化方案.通过对半潜平台多目标优化方案的分析,最终提出三立柱半潜平台最高效的优化策略.

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    极限海况下6 MW单柱型浮式风力机耦合动力响应
    阳杰, 何炎平, 孟龙, 赵永生, 吴浩宇
    2021,55 (1):  21-31.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.140
    摘要 ( 549 )   HTML ( 6 )   PDF(3907KB) ( 258 )  

    为了实现单柱型浮式风力机在中等深度海域的实际规模应用,以新型6 MW单柱型浮式风力机为研究对象,在极限海况下对风力机的生存能力进行模型试验和数值模拟.模型试验采用缩尺比为1∶65.3的模型在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行,得到风力机的六自由度运动响应、锚泊系统的受力情况以及危险受力点的受力情况.通过数值模拟软件对风力机的时域耦合运动响应进行了仿真计算.对数值模拟和模型试验的数据进行时域和频域分析,结果表明:数值模拟与模型试验结果最大偏差小于12%,吻合良好;风力机运功响应的能量主要集中在低频和波浪频率处;整个浮式风力机系统在极限海况下可可靠生存.通过数据分析对风力机的载荷极限状态进行了预报,为结构强度计算提供必要的理论依据和计算参数.

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    上端水平周期运动下悬垂型水下细长体响应幅值包络线的特性分析
    从善学, 徐雪松
    2021,55 (1):  32-39.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.225
    摘要 ( 336 )   HTML ( 0 )   PDF(3237KB) ( 145 )  

    为解决立管等水下细长体作业的安全问题,并提高其作业效率,将悬垂型水下细长体离散为多个分段.根据力学平衡条件和变形协调条件列出每个分段的平衡方程,然后通过 MATLAB软件编程求解.当上端水平周期运动时,分别改变上端运动幅值、上端运动周期和下端吊重质量,获得细长体的运动响应幅值包络线.根据数值计算结果,分析得出悬垂型水下细长体响应幅值包络线特性.细长体响应幅值包络线上的最大幅值点一般在上端,随着参数的改变可以转捩为下端.上端运动幅值和周期的变化对最小幅值点的影响较大,而下端吊重质量对其影响较小.通过调整这些参数的取值范围可以控制细长体幅值包络线上最大幅值点和最小幅值点的位置.

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    大型油轮艏摇混沌现象的仿真与滑模控制
    张显库, 韩旭
    2021,55 (1):  40-47.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.104
    摘要 ( 385 )   HTML ( 0 )   PDF(1255KB) ( 158 )  

    为了合理解释并控制大型油轮操纵过程中出现的船首异常摆动现象,采用驾驶员模型替代原有的比例模型,结合非线性响应型数学模型,建立了驾驶员操纵大型油轮的闭环系统数学方程,发现其与Duffing方程形似,且在一定的参数配置下系统的Lyapunov指数为正,说明可以用混沌理论解释船首异常摆动的现象.为实现航向保持的稳定控制并增强对参数不确定的鲁棒性,基于反步法提出了与模型对应的滑模控制率.仿真结果表明,当混沌艏摇处于理论最大值时,受控系统的稳态舵角仍小于5°,航向偏差小于0.07°,所设计的控制器很好地消除了混沌现象.建立人在回路中的混沌系统的思路较为新颖,借助滑模解决反步法参数不确定的方法简单而有效.

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    有砟客专路基结构参数的优化研究
    王威, 陆思逵, 杨成忠, 冯青松
    2021,55 (1):  48-55.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.235
    摘要 ( 368 )   HTML ( 0 )   PDF(1643KB) ( 122 )  

    为了改善有砟铁路路基结构受力状况和降低维修费用,需要研究列车荷载作用下路基结构参数对路基动力响应的影响.采用正交试验设计分析了铁路路基结构动力响应与道床弹性模量、基床表层弹性模量、基床底层弹性模量、道床厚度、基床表层厚度、基床底层厚度以及地基弹性模量等各结构层参数的敏感性关系,并结合层次分析法和线性评价指标确定了有砟铁路路基结构的最优参数组合.结果表明:道床厚度是影响道床动应力、基床表层动应力以及基床表层振动加速度的主要因素;地基的弹性模量是影响轨枕竖向位移的主要因素;确定有砟轨道结构的力学最优参数组合为道床弹性模量250 MPa,基床表层弹性模量120 MPa,基床底层弹性模量115 MPa,道床厚度0.35 m,基床表层厚度1.1 m,基床底层厚度2.3 m,地基弹性模量70 MPa.

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    应用于汽车动力总成启停工况的磁流变悬置设计与试验
    邓召学, 杨青桦, 蔡强, 刘天琴
    2021,55 (1):  56-66.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.192
    摘要 ( 415 )   HTML ( 1 )   PDF(6695KB) ( 216 )  

    为了克服汽车动力总成在启停工况下的大幅抖动和转矩激励使得车辆平顺性变差的缺点,设计了一种应用于汽车启停等低频工况的流动模式磁流变悬置.考虑激励电流对磁流变液黏度以及液阻效应对阻尼通道内液体流量的影响规律,建立磁流变悬置阻尼力数学模型和磁路的多目标优化函数;利用Isight和ANSYS软件搭建协同仿真优化平台,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行磁路的优化设计;分别进行磁流变悬置单体动态性能测试以及整车启停工况下的隔振性能测试.试验结果表明:优化后的磁流变悬置可控阻尼力相对于优化前增加了111.71%,恢复力相对于优化前增加了21.99%;汽车在启停工况下,当激励电流为1.0A时,安装优化后的磁流变悬置时悬置被动侧(与车身相连接的一侧)的振动加速度峰值相对于优化前减小了33.3%,驾驶员座椅导轨处的振动加速度减小了21.6%,改善了车辆的平顺性.

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    倾斜放置圆柱体入水流体动力特性实验研究
    夏维学, 王聪, 李佳川, 侯东伯
    2021,55 (1):  67-76.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.116
    摘要 ( 447 )   HTML ( 0 )   PDF(2031KB) ( 270 )  

    为了研究倾斜放置的圆柱体垂直入水过程流体动力特性,针对低弗劳德数条件下的圆柱体入水开展实验研究.采用高速摄像技术记录圆柱体入水过程空泡演化以及圆柱体的位置.基于数字图像处理技术,提取圆柱体入水过程的运动轨迹以及倾角变化.对数据进行五阶光滑样条拟合处理,获得圆柱体的速度和加速度,进而开展圆柱体的运动特性和动力特性研究.研究结果表明:倾斜放置圆柱体垂直入水过程形成空泡分离、双空泡等独有的流动现象.圆柱体砰击自由液面后加速度快速增加,并在空泡分离后达到最大值,随后迅速减小并逐渐趋向于0.倾角越大的圆柱体入水后竖直速度衰减越快,而水平速度则快速增加.然而不同初始倾角圆柱体的轨迹均呈现先向迎流方向运动后向背流方向运动的特征.圆柱体的角加速度对水动力的响应非常快,整体呈现先增加后减小的变化特性.初始倾角越大的圆柱体入水后角速度增加越快且达到的最大值也越大,其倾角增加也越快.圆柱体的阻力系数和升力系数在入水后快速增加,而在空泡闭合后增加缓慢,且初始倾角大的圆柱体入水后力系数增加较快.

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    粗糙底床对持续入流式异重流掺混和湍流特性的影响
    韩东睿, 余俊杨, 袁野平, 贺治国, 王雨杭, 林颖典
    2021,55 (1):  77-87.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.110
    摘要 ( 376 )   HTML ( 0 )   PDF(4226KB) ( 272 )  

    在自然环境和水利工程中,异重流现象广泛存在.现实工况中,大多数底床覆盖砾石及不同粒径大小的泥沙颗粒,可视为粗糙底床,因此研究异重流流过粗糙底床的动力学特性具有实际科学意义及工程应用价值.本文利用持续入流式异重流水槽试验,综合考虑底床粗糙度和异重流初始质量分数,分析异重流头部位置、头部速度、掺混系数等扩散特性,不同断面的湍流强度及雷诺应力等湍流特性,结合雷诺应力法和湍动能法计算底床剪应力.结果表明: 异重流头部速度与底床粗糙度呈负相关,与初始质量分数呈正相关;在高粗糙度、高初始质量分数工况时,底床粗糙度是控制其运动特性的主要因素;当粗糙度增加到一定程度时,异重流纵向时均流速剖面(沿水深分布)的峰值点出现“爬升现象”;湍流强度剖面(沿水深分布)出现一个极小值及两个极大值,其中纵向湍流强度是异重流湍流结构的主导,粗糙底床上的垂向湍流强度相比于光滑底床增加幅度明显;靠近底床附近,雷诺切应力为正值,远离底床区域,雷诺切应力为负值;利用湍动能法计算的底床剪应力均小于同粗糙度下的雷诺应力法;在总体理查森数相同情况下,异重流掺混系数与底床粗糙度呈正相关.最后总结出粗糙底床对异重流的主要影响为:摩阻力增加、掺混作用强化、近底床区域密度重分布、湍流边界层变厚及纵向时均流速剖面峰值点“爬升现象”的出现.

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    基于神经网络的层状周期结构能量传输谱预测
    刘陈续, 于桂兰
    2021,55 (1):  88-95.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.242
    摘要 ( 382 )   HTML ( 1 )   PDF(1494KB) ( 477 )  

    本文对层状周期结构的能量传输谱预测方法进行了研究.在考虑几何参数、物理参数单独变化以及同时变化3种情况下,通过构建深层反向传播(BP)神经网络,实现层状周期结构能量传输谱的精准预测.与径向基函数(RBF)神经网络进行对比实验,实验结果验证了所提方法的有效性.

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    金属-聚合物直接成型技术中铜的表面处理
    郭荣盛, 胡广洪, 荣建, 王元龙
    2021,55 (1):  96-102.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.185
    摘要 ( 485 )   HTML ( 4 )   PDF(6924KB) ( 187 )  

    研究铜的表面微纳米结构制备工艺并进行了优化.使用碳酸钠和钼酸钠的水溶液作为电解液,在恒定电压下对铜表面进行阳极氧化,在铜表面生成一层氧化膜.使用磷酸和磷酸二氢钠的水溶液作为腐蚀液,对铜表面进行腐蚀处理,以在铜表面获取微纳米结构,并在扫描电镜下观察其形貌.统计分析扫描电镜图片,计算得到铜表面的微纳米结构的孔隙率.结果表明:阳极氧化电压为15 V,阳极氧化时间为20 min,磷酸质量分数为20%,腐蚀时间为30 min时,铜的表面形貌较为平整,孔隙率达到25.77%.根据正交实验结果,腐蚀液种类、浓度以及腐蚀时间对孔隙率的影响较大,而阳极氧化电解液、电压以及电解时间影响不明显.使用阳极氧化和化学腐蚀相结合的方法可以在铜表面制备出均匀、孔隙率高的微纳米结构.

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    考虑设备可用性约束的单机调度问题
    王金凤, 陈璐, 杨雯慧
    2021,55 (1):  103-110.  doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.173
    摘要 ( 416 )   HTML ( 0 )   PDF(949KB) ( 184 )  

    针对某转子生产车间设备可靠性低导致的工件加工质量差这一问题,研究带有设备可用性约束的单机调度问题.通过设备的可靠性定义其可用性,而设备可靠性可以通过预防性维护得以恢复.在建模时考虑了多种不同改进效果的预防性维护,以最小化总拖期时间为优化目标,并设计了遗传算法对模型进行求解.算例结果表明,所提出的决策模型能够有效应对设备可用性对生产调度带来的影响.通过敏感性分析为实际车间调度提供决策支持.

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