船舶零航速減搖鰭及其電動伺服系統(tǒng)研究.pdf

1、減搖鰭是目前最常用且應用最成功的船舶主動式減搖裝置，減搖效果可達90％以上。然而，只有船舶的航速較高時，減搖鰭才可以有效地減搖，船舶在低航速或零航速情況下，減搖鰭幾乎不能進行減搖。主要原因是減搖鰭升力的產(chǎn)生源于水流流過鰭的速度。當速度很小時，鰭上的升力也變的很小，在零航速時升力也同時消失了。這是傳統(tǒng)減搖鰭的主要缺陷。對于在低航速或系泊狀態(tài)下仍需要減搖的船舶來說，傳統(tǒng)的減搖鰭就不再適用了，于是人們提出了零航速減搖鰭的概念。本文對能使減搖鰭

2、在零航速或低航速條件下產(chǎn)生升力的解決方案進行了研究。 文章首先對傳統(tǒng)減搖鰭升力產(chǎn)生的機理進行了研究，在此基礎(chǔ)上對目前實現(xiàn)零航速減搖存在的問題進行了全面的分析，最終確定需要解決的關(guān)鍵問題是減搖鰭如何在零航速下產(chǎn)生升力。針對這一問題，論文參考了國內(nèi)外的相關(guān)資料并進行了初步論證，最終確定采用Weis-Fogh機構(gòu)來設計零航速減搖鰭。 Weis-Fogh機構(gòu)是英國生物學家T.Weis-Fogh通過對一種黃蜂的飛翔運動的觀察分析，

3、發(fā)現(xiàn)“振翅拍擊和揮擺急動”而產(chǎn)生的新機構(gòu)。由于Weis-Fogh機構(gòu)產(chǎn)生升力所起作用的是流體慣性力。因此，它能夠在零航速下產(chǎn)生升力。根據(jù)Weis-Fogh機構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)特點，論文提出了雙翼縱向拍動型、單翼縱向拍動型和單翼橫向拍動型三種類型的零航速減搖鰭。 為了便于前期階段的研究，鰭型選取了矩形平板翼。在有航速的情況下，基于Weis-Fogh機構(gòu)的勢流理論得到了Weis-Fogh機構(gòu)的升力和力矩模型，通過對數(shù)學模型的逐步退化推導

4、得到了零航速下雙翼縱向拍動型和單翼橫向拍動型零航速減搖鰭的升力和力矩模型?；谡駝颖∫砝碚?，得到了零航速下單翼縱向拍動型零航速減搖鰭的升力和力矩模型。通過對零航速下升力及力矩表達式的分析得到，決定鰭上升力和力矩大小的兩個重要因素是鰭翼的旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)角加速度。這些因素很大程度上取決于鰭的運動規(guī)律，論文在Matlab環(huán)境下對雙翼縱向拍動型零航速減搖鰭在勻速、勻加速、正弦和余弦等運動規(guī)律下的升力和力矩進行了數(shù)值仿真分析，得到了四種運動規(guī)律

5、下雙翼縱向拍動型零航速減搖鰭的升力和力矩特性曲線。并且通過對減搖鰭上各種力矩的分析，得到了一種零航速減搖鰭電伺服系統(tǒng)驅(qū)動功率的計算方法，為伺服功率的選取提供了理論依據(jù)。在Fluent環(huán)境下對具有對稱儒可夫斯基翼型的單翼縱向拍動型零航速減搖鰭進行了建模和仿真研究，生動地展現(xiàn)了單翼縱向拍動型零航速減搖鰭工作過程中鰭翼周圍流場、啟動渦和附著渦的變化過程，仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。 零航速減搖鰭要以特定規(guī)律運動，必需依靠伺服系統(tǒng)的

6、驅(qū)動才能實現(xiàn)。升力產(chǎn)生的效果取決于伺服系統(tǒng)的性能，尤其是啟動的快速性和運行的穩(wěn)定性。由于海浪的隨機擾動等因素的影響，對電磁轉(zhuǎn)矩的控制成為了伺服控制的關(guān)鍵，最終確定伺服系統(tǒng)的控制方式采用滑模變結(jié)構(gòu)空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制，并建立了系統(tǒng)各部分的數(shù)學模型。針對空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制存在的脈動問題，通過引入滑模變結(jié)構(gòu)控制對其進行了改進，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后在Matlab/Simulink環(huán)境下對雙翼縱向拍動型零航速減搖鰭控制系統(tǒng)進行了建模和仿真。