夏敬停， 馬雪泉， 李傳慶， 張亞楠

(1. 上海市航務(wù)管理處， 上海 200080； 2.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

高速船在海上航行時(shí)，不可避免地受到風(fēng)浪和海流等影響，其搖蕩與船體振動(dòng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)營(yíng)運(yùn)船舶，對(duì)船員的正常工作和船舶運(yùn)輸效率造成極大影響，特別是相對(duì)于常規(guī)船舶，其橫搖和縱搖的耦合運(yùn)動(dòng)更加明顯。研究新型減搖裝置，對(duì)改善高速船的耐波性、提高船員舒適性和保護(hù)設(shè)備安全具有重要意義。

主動(dòng)式減搖系統(tǒng)目前在高速船上的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，隨著船舶向自動(dòng)化、現(xiàn)代化發(fā)展以及控制理論和技術(shù)研究的深入，更多控制方法和建模方法被廣泛應(yīng)用于船舶減搖技術(shù)研究，如非線性處理、比例-積分-微分(Proportion Integral Differential, PID)控制、自適應(yīng)控制等[1-2]，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)減搖裝置的不足，提高了減搖系統(tǒng)的適應(yīng)性和減搖效率。主動(dòng)式減搖已成為目前極具發(fā)展前景的研究方向。

1 常規(guī)減搖裝置簡(jiǎn)介

船舶減搖一直是船舶領(lǐng)域備受關(guān)注的研究?jī)?nèi)容之一，舭龍骨、減搖水艙、減搖鰭、舵減搖和截流板等減搖裝置被廣泛應(yīng)用于各類船舶。這些減搖裝置具有各自的優(yōu)勢(shì)，并且逐漸向自動(dòng)化、小型化發(fā)展，滿足不同類型船舶的減搖需求。[3]

1) 舭龍骨是最早出現(xiàn)、最為常用的減搖方式之一。其安裝在船體舭部，通過(guò)擾動(dòng)流場(chǎng)增加船體阻尼來(lái)減少船舶的橫搖。舭龍骨不需要額外的驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，基本上不需要專門的維護(hù)，現(xiàn)在船舶幾乎都安裝有舭龍骨，但因其減搖效率較低并且會(huì)在一定程度上增加船體阻力，一般配合其他減搖裝置來(lái)綜合改善船舶的耐波性。

2) 減搖水艙的減搖效果與航速無(wú)關(guān)，可在高航速下保持良好的減搖效果，成本較低,可靠性高，但其大量占用艙內(nèi)空間。減搖效率相對(duì)較高的主動(dòng)式減搖水艙需要較大的驅(qū)動(dòng)功率，對(duì)于主要進(jìn)行短時(shí)間高速作業(yè)的船舶，減搖水艙增加了船舶空間成本和運(yùn)行成本。

3) 減搖鰭是目前最為常用的主動(dòng)式減搖裝置，也是減搖效果最好的裝置之一，其結(jié)構(gòu)形式、使用條件的多樣性使其具有較為廣泛的適用性，特別是在高速條件下具有良好的減橫搖效果。可收放式減搖鰭能在無(wú)需減搖時(shí)收起，避免在靜水時(shí)增加船舶航行阻力。但是減搖鰭的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維修成本也較高，并且只有在達(dá)到一定航速時(shí)才會(huì)有明顯的減搖效果。目前，也有一些學(xué)者研究在零航速條件下的減搖鰭，具有非常良好的發(fā)展前景。[4]

4) 舵減搖相對(duì)是一種更新的減搖技術(shù)。舵減搖無(wú)需安裝額外的減搖機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，僅通過(guò)控制舵角來(lái)實(shí)現(xiàn)減小橫搖和艏艉搖的目的。其造價(jià)低、占用空間小及使用方便等特點(diǎn)已成為近幾年船舶技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)，但舵減搖易造成操舵機(jī)械磨損、增加舵機(jī)功率等問(wèn)題尚未得到有效解決，目前較多使用在軍用船舶上。

5) 海上高速船，特別是高速雙體船的船長(zhǎng)相對(duì)較短，其橫向阻尼較一般船舶更大，上述這些減搖裝置對(duì)其減搖效果并不明顯，而在海上航行時(shí)，縱搖相對(duì)于橫搖影響更加明顯，難以克服。[5]因此,在針對(duì)高速船減搖時(shí)要考慮減縱搖效果較好的截流板形式減搖裝置。可控截流板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低、體積小及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，使其成為極具優(yōu)勢(shì)的高速船減搖方案。[6]

本文基于截流板機(jī)理研究一種新型的減搖裝置，該減搖裝置艉封截流板的形式，能夠通過(guò)預(yù)測(cè)高速船在航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)截流，為船體提供扶正力矩。目前，針對(duì)高速船截流板的研究[2,7-8]主要圍繞其減阻方面，而對(duì)其減搖性能研究不多，并且主要集中在數(shù)值仿真階段。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、占用空間小、響應(yīng)迅速、所需驅(qū)動(dòng)功率低，并且可同時(shí)減少船體橫搖和縱搖，特別是可減少縱搖為進(jìn)一步提升高速船的耐波性能提供新的思路。

2 減搖系統(tǒng)及其控制原理

截流板式減搖系統(tǒng)包括截流板、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)單元、伺動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制和顯示系統(tǒng)。

鉤型截流板安裝在艉封板上，并可繞艉封板底部轉(zhuǎn)動(dòng)，其截流板工作示意見(jiàn)圖1。截流板通過(guò)改變船底水流的流速和壓力分布為船體提供升力，截流板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度不同，其浸深高度也不同。也即能夠產(chǎn)生不同的升力。

其實(shí)，早在創(chuàng)業(yè)之初，正博的定位就已經(jīng)十分明確，董事長(zhǎng)范明龍看中的就是制袋機(jī)這塊市場(chǎng)空白。晏小斌非常堅(jiān)定地說(shuō)道：“至少10年之內(nèi)我們不計(jì)劃改行，不會(huì)去涉足其他行業(yè)。會(huì)當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小。我們就是要專業(yè)做好制袋機(jī)，做手提袋行業(yè)的奢侈品?！?/p>

艉部安裝截流板改變船體受力情況。船在航行時(shí)水流以一定速度流過(guò)船底，當(dāng)截流板伸出船體時(shí)，水流在艉部下表面產(chǎn)生旋渦，產(chǎn)生垂直于船體底部的流速分量，靠近截流板附近的流體壓力驟然增加，也在此處產(chǎn)生向上的升力[7]，即使在船速相對(duì)較低的情況下，旋渦依然會(huì)產(chǎn)生并提供升力。此外，具有一定浸深高度的截流板還能夠調(diào)整航態(tài)，減少高速行進(jìn)時(shí)的阻力。[8]布置減搖裝置的船艉壓力分布見(jiàn)圖2。截流板若不斷升降，就可在航行中為船體提供持續(xù)的升力從而產(chǎn)生減縱搖效果。若在船艉的船寬方向上左右布置兩組截流板并控制產(chǎn)生不同的升力，也可抑制船體的橫搖，見(jiàn)圖3。這種布置方式使得該減搖系統(tǒng)尤其適合雙體船等船寬相對(duì)較長(zhǎng)的高速船。

圖1 截流板工作示意

圖2 船艉壓力分布

圖3 減搖系統(tǒng)減橫搖示意

本減搖系統(tǒng)完成主動(dòng)式減搖的重要支撐是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)運(yùn)動(dòng)極短預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)基于船舶的水動(dòng)力系數(shù)、大量的仿真計(jì)算和試驗(yàn)。減搖系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)單元會(huì)測(cè)量船體在航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，當(dāng)船體產(chǎn)生搖蕩時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)AR運(yùn)動(dòng)極短預(yù)報(bào)分析船體下一刻的橫搖縱搖，然后根據(jù)預(yù)測(cè)到的運(yùn)動(dòng)情況計(jì)算波浪的擾動(dòng)力，根據(jù)船舶的水動(dòng)力性能計(jì)算截流板應(yīng)該伸出船體的浸深高度，控制系統(tǒng)和伺動(dòng)機(jī)構(gòu)共同完成截流板的規(guī)律性升降，進(jìn)而較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)主動(dòng)截流。減搖系統(tǒng)完成主動(dòng)減搖的工作流程見(jiàn)圖4。

圖4 減搖系統(tǒng)工作流程

根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷數(shù)據(jù)，進(jìn)行未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)船舶的運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)。采用自回歸模型的遞推形式進(jìn)行直接預(yù)報(bào)，假設(shè)采集的時(shí)間序列為{xk}，其為前一段時(shí)間內(nèi)有限個(gè)數(shù)據(jù)，自回歸模型可表達(dá)為

xt=φ1xt-1+φ2xt-2+…+φpxt-pxt+at

(1)

AR極短運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)值與運(yùn)動(dòng)測(cè)量值的比較見(jiàn)圖5，即下一時(shí)間間隔的預(yù)報(bào)值與測(cè)量值對(duì)比，由圖5可看出預(yù)報(bào)值與測(cè)量值吻合較好。

圖5 極短運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)比較

(2)

式(2)中：Ijk為縱搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；μjk為波浪頻率無(wú)窮大處的附加質(zhì)量；cjk為包含波浪輻射的恢復(fù)力系數(shù)；Kjk為時(shí)間記憶項(xiàng)。

由于反求波浪力矩公式需要知道縱搖角、縱搖角速度、縱搖角加速度，其中角度和角速度采樣預(yù)報(bào)值，角加速度采用當(dāng)前測(cè)量的角速度與下一時(shí)刻角速度的預(yù)報(bào)值進(jìn)行微分得到?？v搖角、縱搖角速度、縱搖角加速度及反求的波浪力矩見(jiàn)圖6。由圖6可知：反求的波浪力矩相位與縱搖角加速度接近，但又不完全相等，從反求波浪力矩公式看這是合理的，波浪力矩主要由角加速度貢獻(xiàn)的同時(shí)，還受角速度和角度的影響；穩(wěn)定時(shí)，可看出符合力、加速度、速度、角位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖6 反求波浪縱搖力矩

綜上所述:本減搖系統(tǒng)具有快速、高頻的響應(yīng)能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪擾動(dòng)的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，能夠適應(yīng)較高搖蕩運(yùn)動(dòng)頻率下的減搖；減搖系統(tǒng)的控制策略基于對(duì)特定船型、特定截流板參數(shù)的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算，這使得該減搖系統(tǒng)在具有較高適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，還具有極強(qiáng)的針對(duì)性，對(duì)具有特殊線型的高速船仍可保持較好的減搖效果。減搖系統(tǒng)可在不增加控制系統(tǒng)硬件的條件下，沿船寬方向布置多個(gè)截流板來(lái)適應(yīng)更寬的船型、變化截流板的布置角度來(lái)適應(yīng)不同艉封形狀的船型等。

3 減搖系統(tǒng)試驗(yàn)

為評(píng)估本減搖系統(tǒng)的減搖效果，驗(yàn)證控制策略的可行性，進(jìn)一步探究航速、波浪對(duì)減搖裝置的影響，對(duì)安裝截流板的船模進(jìn)行耐波性試驗(yàn)，包括靜水、強(qiáng)迫縱搖、規(guī)則波和不規(guī)則波減搖試驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注縱搖角即保證縱搖運(yùn)動(dòng)的測(cè)量精度。

本次模型試驗(yàn)的船型為高速雙體船，可更好地測(cè)試本減搖系統(tǒng)對(duì)橫搖和縱搖的綜合減搖效果。船模長(zhǎng)4.0 m，寬1.3 m，重心高0.4 m。雙體船的艉封兩側(cè)均安裝等寬度的鉤型截流板，其最大浸深高度為8 mm，安裝后進(jìn)行重心和慣量校核。試驗(yàn)儀器為R47阻力儀，包含傾角儀、位移傳感器和加速度傳感器，安裝在船體中軸線中心高度，可在試驗(yàn)中測(cè)量船體的阻力、縱傾角度等。安裝本減搖系統(tǒng)的雙體船模型見(jiàn)圖7。

圖7 安裝減搖系統(tǒng)的雙體船模型

3.1 強(qiáng)迫縱搖試驗(yàn)

當(dāng)船模以一定速度航行時(shí)，截流板的規(guī)律升降會(huì)強(qiáng)迫船模產(chǎn)生規(guī)則的縱搖運(yùn)動(dòng)，為研究截流板的減搖效果，對(duì)安裝截流板的船模進(jìn)行強(qiáng)迫縱搖試驗(yàn)。

分別測(cè)量同航速下截流板完全收起與周期性升降時(shí)的船?？v搖角度。當(dāng)試驗(yàn)航速為4 m/s，浸深變化幅度為4 mm，周期為0.9 s時(shí)，船?？v搖角度的幅值就可達(dá)0.7°，此時(shí)縱搖角度時(shí)歷曲線見(jiàn)圖8。

圖8 航速4 m/s時(shí)縱搖角度時(shí)歷曲線

強(qiáng)迫縱搖試驗(yàn)結(jié)果表明：在同一航速下，截流板浸深高度變化幅值的增加會(huì)造成船?？v搖幅值的增加。此外，試驗(yàn)還針對(duì)不同航速、不同浸深周期進(jìn)行試驗(yàn)，并測(cè)量船模的縱搖角度。試驗(yàn)表明：隨著航速、截流板浸深幅度、浸深周期越大，該減搖裝置對(duì)縱搖的影響越大，也即減搖效果越明顯。強(qiáng)迫縱搖試驗(yàn)幾個(gè)工況下的最大縱搖角度見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)迫縱搖試驗(yàn)最大縱搖角度

3.2 規(guī)則波和不規(guī)則波減搖試驗(yàn)

對(duì)安裝截流板的雙體船模型進(jìn)行迎浪規(guī)則波和不規(guī)則波減搖試驗(yàn)，比較截流板對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)的影響，分析航速、截流板浸深和波浪參數(shù)對(duì)減搖效果的影響。

迎浪規(guī)則波減搖試驗(yàn)主要測(cè)量在不同波浪、不同航速條件下船模的阻力、縱傾和艉部升沉。試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

對(duì)比使用減搖系統(tǒng)前后的無(wú)因次縱搖系數(shù)比，可看出減搖系統(tǒng)的減搖效果明顯，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)前后無(wú)因次縱搖系數(shù)見(jiàn)圖9。減搖系統(tǒng)在近似相同波高下，可以實(shí)現(xiàn)單位波高減縱搖10%～20%。此外，試驗(yàn)結(jié)果還表明：在縱搖固有頻率附近，該減搖系統(tǒng)的減搖效果更明顯。

迎浪不規(guī)則波減搖試驗(yàn)主要測(cè)量的參數(shù)與規(guī)則波減搖試驗(yàn)相同，可觀察到隨著海況的增加，減搖的效果稍有減弱，但在一定海況下，單位波高縱搖可減小15%～25%。船模航速在4.8 m/s時(shí)，減搖系統(tǒng)開(kāi)關(guān)前后的船?？v搖角度對(duì)比見(jiàn)圖10，可看出當(dāng)縱搖角度較大時(shí)，減搖系統(tǒng)可明顯減少船體的縱搖角度。

表2 迎浪規(guī)則波減搖試驗(yàn)方案

圖9 規(guī)則波減搖試驗(yàn)中系統(tǒng)開(kāi)關(guān)前后無(wú)因次縱搖系數(shù)比

圖10 不規(guī)則波減搖試驗(yàn)中系統(tǒng)開(kāi)關(guān)前后縱搖角度對(duì)比

3.3 靜水阻力試驗(yàn)

對(duì)安裝截流板的雙體船船模進(jìn)行靜水阻力試驗(yàn)，探究截流板對(duì)船舶阻力的影響。靜水阻力主要測(cè)量在不同試驗(yàn)速度、截流板不同浸深高度條件下船模的阻力、縱傾和艏艉升沉。試驗(yàn)方案及其靜水阻力見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明:船模安裝減搖裝置之后可產(chǎn)生一定的減阻效果，靜水試驗(yàn)中最多可減少阻力2%～5%。并且,航速的增加和浸深高度的增加都可以進(jìn)一步增加減搖裝置的減搖效率，這與強(qiáng)迫縱搖的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。船模在試驗(yàn)中的縱傾變化符合截流板產(chǎn)生的壓力變化規(guī)律。

表3 靜水阻力試驗(yàn)

4 減搖系統(tǒng)實(shí)船試驗(yàn)

對(duì)減搖系統(tǒng)的船模試驗(yàn)驗(yàn)證其作為主動(dòng)減搖系統(tǒng)的控制策略可行性，而為進(jìn)一步驗(yàn)證本減搖系統(tǒng)的減搖效果需進(jìn)行嚴(yán)格實(shí)船測(cè)試。加裝本減搖系統(tǒng)的某40 m高速雙體船已在我國(guó)南海海域進(jìn)行初次海試。減搖控制系統(tǒng)界面見(jiàn)圖11。試驗(yàn)的最高航速達(dá)到了35 n mile/h，最大浪高達(dá)到3 m，減搖系統(tǒng)的試驗(yàn)進(jìn)行共獲取百余組試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖11 減搖系統(tǒng)的控制面板

本減搖系統(tǒng)實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果表明：最大可減少縱搖角度70%，縱搖角速率74%；最大可減少橫搖角度57%，橫搖角速率72%；此外，還可在一定程度上減少升沉加速度。具體減搖效果見(jiàn)圖12。由圖12可知：本減搖系統(tǒng)可同時(shí)減小船舶的縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)，特別是能夠減小縱搖，并且表現(xiàn)出極強(qiáng)的減搖能力。

圖12 減搖系統(tǒng)實(shí)船減搖效果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹一種適用于高速船的新型減搖系統(tǒng)，減搖裝置為艉封截流板的形式，基于水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算及船舶運(yùn)動(dòng)極短預(yù)報(bào)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)波浪擾動(dòng)力矩，從而匹配船舶航速、搖蕩運(yùn)動(dòng)及壓力分布，伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)截流板實(shí)時(shí)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，實(shí)船實(shí)施可靠，減搖效果明顯。

本減搖系統(tǒng)的減搖裝置結(jié)構(gòu)緊湊、附加質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)功率小、安裝方便，減搖效果突出，使其尤為適合中小型高速船使用，并且可與其他減搖裝置組合使用，提高減搖效率并適應(yīng)更多的海況和裝載工況。該減搖系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)高速船的綜合減搖提供新的思路，其主動(dòng)式減搖特點(diǎn)也更加符合未來(lái)船舶向精密化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景。