海洋绞车主动升沉补偿控制系统建模与仿真分析

针对海洋绞车主动升沉补偿系统的控制要求,通过对主动升沉补偿系统的控制机理进行分析,于Simulink软件中搭建海洋绞车主动升沉补偿控制系统的仿真模型。根据负载所处不同海况,设置相应仿真参数,得出负载在不同海况下主动升沉补偿控制系统的补偿特性,绘制了负载在升沉补偿作用下的位移响应曲线及补偿时电机转速响应曲线,并与无升沉补偿作用下的仿真结果进行对比。仿真结果表明,该主动升沉补偿控制系统具备理想的补偿精度。将主动升沉补偿控制系统应用于海洋绞车进行模拟试验,得到了电驱动海洋绞车主动升沉补偿控制系统在四级模拟海况下的试验数据。试验结果表明该主动升沉补偿控制系统满足补偿能力设计要求。研究可为海洋绞车主动升沉补偿控制系统补偿性能的改进与完善提供参考。     

水下机器人主动升沉补偿系统研究

介绍一种基于水下机器人常规液压收放绞车的主动升沉补偿系统,利用加速度传感器获得母船的升沉运动信号,控制绞车的运转来降低母船的升沉运动对水下机器人的影响。通过理论计算建立主动升沉补偿系统的数学模型,仿真分析绞车运动对水下机器人升沉运动的补偿效果,并利用主动升沉补偿系统实验台验证基于常规液压收放绞车的主动升沉补偿方案的可行性。     

深水吊装升沉补偿液压系统建模与优化

在深海吊装作业过程中,由于风浪流的联合作用,吊放装备受安装载体升沉运动激励易诱发共振现象,并且使吊放装置垂向剧烈波动,严重影响水下吊装生产安全。为了保证水下作业安全可靠,研究设计了主动升沉补偿液压系统,提出由吊放回路和补偿回路组成的双液压回路升沉补偿系统,并且由两台低速、大扭矩液压马达驱动行星轮绞车实现升沉补偿功能。通过理论分析建立其补偿回路数学模型,利用Matlab/Simulink进行建模仿真。仿真结果表明液压阻尼比过小是导致液压系统不稳定,响应变慢的主要原因,在补偿回路液压马达进出油口之间并联一个动压反馈装置,提高液压系统的动态响应特性和稳定性,响应时间达到0.35s,具有良好升沉补偿效果,工作稳定可靠,满足系统的性能要求。     

基于Newton法优化ARMA模型参数的船舶升沉运动预测研究

为解决波浪补偿系统中时延现象导致的控制性能下降问题,通过建立Newton-ARMA模型提前预测船舶升沉运动来消除时延现象。首先设计卡尔曼滤波器对船舶升沉运动加速度信号进行降噪滤波处理;然后使用加速度二次积分模块将加速度信号转换为位移信号;最后建立自回归滑动平均(ARMA)模型,并使用牛顿(Newton)法对模型参数进行优化,得到船舶升沉运动的Newton-ARMA预测模型。仿真结果表明,Newton-ARMA模型对船舶升沉运动的预测时间可达10 s,预测误差随着预测时间的增加而增大; Newton-ARMA模型对二级海况、三级海况和四级海况下的船舶升沉运动平均预测精度分别达到89.43%、88.53%以及87.78%,远高于ARMA模型对船舶升沉运动预测的精度,说明采用Newton法优化ARMA模型参数可以显著提高船舶升沉运动的预测精度,也即Newton-ARMA模型对控制波浪补偿系统时延具有较好的补偿效果。     

水下拖曳升沉补偿系统水动力数学模型研究

建立变缆长的水下拖曳升沉补偿系统水动力学偏微分方程组和边界条件.拖缆动力学模型基于Ablow and Schechter模型,拖体采用水下运载体六自由度方程模拟,运用有限差分法离散偏微分方程组和牛顿迭代法计算变缆长情况下拖体深度与拖缆各点张力的动态取值.数值计算结果表明采用收放拖缆的升沉补偿方法能够有效削弱母船升沉运动对拖体深度和拖缆张力的影响.     

姿态传感器与换能器安装位置偏移对换能器升沉监测的影响

姿态传感器是高精度海洋测深的必备设备。但在实际使用姿态传感器测量过程中,其相对测深换能器安装位置存在着物理偏心或空间位置偏移。在简述姿态传感器的基本原理和建立测量坐标系基础上,推导了测量船在波浪中运动造成的诱导升沉公式,数值计算分析了物理偏心产生的诱导升沉影响量级和规律,提出了减弱诱导升沉影响的方法以及姿态传感器安装应用建议。     

潜水器浮力调节技术发展现状与展望

作为潜水器(Submersible Vehicle, SV)的可压载单元,取代升沉方向的推进器,浮力调节系统在SV无动力升沉、定深控制和姿态调整等方面具有重要作用。结合国内外典型SV,介绍了几种浮力调节方法,并对比分析了其技术性能与优缺点。重点阐述了一种新型的、基于压力补偿的浮力调节系统的工作原理。在此基础上,展望了潜水器浮力调节技术的发展趋势,为研发大潜深、低能耗、高精度的浮力调节系统提供参考。     

"蛟龙"号载人潜水器的布放回收系统及其关键技术

“蛟龙”号是我国首台载人潜水器,也是全球下潜深度最大的作业型载人潜水器。为使“蛟龙”号具有更大的作业空间,其布放回收系统须满足三级海况下布放和四级海况下回收的作业需求。文章介绍“蛟龙”号布放回收系统的系统组成和关键技术,并对其实际应用情况进行分析和总结。研究结果表明：“蛟龙”号的布放回收系统主要包括A形架、拖曳绞车和升降轨道车;拖曳绞车和A形架主吊缆的恒张力控制系统实现布放回收系统的升沉补偿功能,可满足“蛟龙”号三级海况下布放和四级海况下回收的需求;升降轨道车同时可作为“蛟龙”号日常存放、保养和维修的载体。     

主动声呐舰速补偿的研究

主动声呐系统中,平台运动会导致目标回波信号存在多普勒频偏,目标的径向速度会估计错误.文中推导了本舰运动产生多普勒频偏的原因和两者之间的关系,并结合主动声呐的工作特点,提出在接收机和发射机同时进行舰速补偿的方案,可以实时响应舰船运动状态变化,准确补偿本舰运动引起的多普勒频偏.提出在发射机信号源中采用插值法,通过改变发射信...     

利用相关逼近法建立定位与姿态数据的同步模型

根据海道测量精密测量的需求,对姿态与定位数据融合的同步方法进行了研究。通过GPS大地高数据和升沉数据,建立了一种基于相关逼近原理的定位与姿态数据同步模型。该模型能够确定定位与姿态数据的相对延时,实现两类数据在同一时间基准下的同步。实例计算表明,定位与姿态数据的相对延迟时间已成为两类数据融合应用中必须考虑的因素。由同步模型解算后,GPS大地高数据与总升沉数据体现了更好的一致性,由此也验证了模型的有效性。     

典型参量对全被动式振荡水翼获能规律的影响

全被动式振荡水翼是振荡水翼式潮流能装置的主要型式之一。对全被动式振荡水翼进行了数值模拟研究,构建了二维数值模型,研究了雷诺数及升沉刚度对全被动式振荡水翼水动力性能的影响。通过流场结构及水动力性能分析研究了典型参量对全被动式振荡水翼获能性能的影响机理,确定了维持其良好水动力性能的参数范围。研究发现,水翼的水动力性能对雷诺数及升沉刚度的变化较为敏感。雷诺数增大,水翼所需升沉刚度随之增加,且水翼可以在更大的参数范围下获得较优的水动力性能。另外,水翼可以在没有升沉刚度的情况下实现周期性运动,其获能甚至优于一些有升沉刚度的情况。最优工况下,平均功率系数和能量转换效率分别为1.07和27.48%。     

深海采矿立管在波流载荷下的弯矩响应分析

采矿立管是深海采矿系统的重要组成部分，立管的弯矩分析是确保立管正常使用的重要指标。立管所处海洋环境复杂，且立管底部的自由边界条件使得立管弯矩特性难以分析。本文基于波浪理论，使用Abaqus 有限元软件建立海洋采矿立管的模型，运用Abaqus中的AQUA海洋工程模块，考虑立管在轴向力、自重、浮力、波浪载荷、海流载荷及模拟海上平台水平和升沉运动共同作用下，对采矿立管进行弯矩分析，计算了提升泵不同安装位置、不同中继仓重量变化对弯矩的影响，结果表明：提升泵会增大安装位置的弯矩幅度，且安装在不同位置对立管弯矩会产生叠加影响；中继仓重量的增加提高了立管整体稳定性，但会使提升泵处弯矩波动产生向中部延伸的不利影响。     

不规则波下船舶运动响应特征数值分析

针对不规则波浪作用下Wigley型船的运动响应问题进行了系统的研究,采用统计学方法深入探讨了船舶不规则运动幅值和响应周期的分布规律,并通过傅里叶变换对船舶运动响应进行了频谱特征分析。结果表明,船舶横摇方向与升沉和纵摇方向随机运动的响应特征有显著差异。在升沉与纵摇方向,波浪谱峰频率远离自振频率,前十分之一大振幅运动对应周期离散性较小,基本稳定在波浪谱峰周期附近,但小振幅运动周期分布离散性较大,频谱分析指出船舶升沉与纵摇运动响应频谱在波浪谱峰频率附近出现明显峰值。而在横摇方向,波浪谱峰频率与自振频率相耦合,不同振幅的横摇运动响应周期均稳定在自振周期附近,且周期离散性较小,频谱分析也表明横摇运动响应频谱主要集中于船舶运动自振频率附近。     

球形波浪浮标结构参数对其升沉运动性能的影响

对球形波浪浮标进行了静力学分析,并结合球形波浪浮标吃水线的一般设计要求得出了球形波浪浮标的平均密度与海水密度的关系式。利用球形波浪浮标在受到波浪激励时的运动响应方程并结合球形波浪浮标的结构参数特点,得出了球形波浪浮标在波浪激励下的升沉运动振幅与激励波浪振幅相一致的理论条件和结构参数。以国家海洋技术中心最新研发的直径480 mm球形波浪测量浮标为研究对象,结合海洋表面波分类特征,研究了该球形浮标体在常规波浪激励下的升沉运动响应的相关性能,并给出了在测量不同周期的波浪时,该球形浮标体升沉运动的理论响应振幅系数。通过以上分析得出了直径480 mm球形波浪测量浮标在测量周期为1 s以上的波浪时具有非常优越的随波浪升沉运动的性能。文章的相关分析为球形波浪浮标的进一步研究提供了理论基础。     

半潜式平台垂荡响应抑制措施研究

半潜式平台垂荡响应较大,对生产平台立管和采油树系统的选择、钻井平台钻杆升沉补偿装置等提出更高要求,增大了作业和维护成本。针对这一问题,在传统结构基础上提出了三种新的结构概念:1)在浮筒底部加垂荡板;2)沿立柱外延加垂荡板;3)改变立柱为变截面结构。通过数值分析对各平台模型水动力性能进行比较,结果表明,各新型结构对半潜式平台垂荡起到一定程度的抑制效果。由于在浮筒底部加垂荡板的方案效果比较突出,对该方案进一步做了优化和改进工作,并对平台在南海百年一遇波浪环境条件下的垂荡响应概率密度函数和响应极值进行了预报和对比研究。     

随机波浪作用下海洋平台主动控制的时滞补偿研究

基于预测控制理论，研究了适用于海洋平台的时滞补偿控制算法。该方法借助于随机波浪力的近似公式和卡尔曼滤波原理，推导出了随机波浪力向前一步预测公式，同时采用卡尔曼滤波方程，实现了对状态向量向前一步预测。利用随机波浪力及状态向量的实时在线预测公式，推导出最优控制力向前一步预测的表达式。在此基础上，发展了不仅适用于反馈控制系统而且适用于前馈-反馈控制系统的时滞补偿算法。采用一典型海洋平台为数值算例，计算结果表明，该方法在一定时滞范围内对海洋平台主动控制中时滞的补偿效果是显著的。     

高架索海上补给装置在小型船舶补给上的应用

针对现有高架索补给系统,在补给方式、波浪补偿装置、吊钩和接受端方面进行改进,提出适合小型船舶补给作业的补给系统;并在此基础之上对补给中关键参数进行计算,计算结果表明,此系统可以保证补给过程顺利实施,适合小型船舶补给需求。     

孤立波与升沉水平板相互作用数值模拟研究

合理的刚度和潜深设计可以使升沉水平板获得优异的消浪性能。基于考虑流体黏性的二维不可压缩Navier-Stokes方程,以高阶紧致插值CIP(constrained interpolation profile)方法求解方程对流项,采用VOF(volume of fluid)方法重构自由液面,构建二维数值波浪水槽。采用试验数据验证模型后,研究孤立波与升沉水平板相互作用,分析相对刚度K*、相对潜深d/h、相对波高H/h对于升沉板的消浪性能和运动响应的影响,揭示升沉板对孤立波的消浪机理。研究表明:在孤立波通过时,升沉板会经历一个先上升后下降的运动,随后非线性自由振动,板下方水体近似均匀流动,且水流的垂向流动与板的垂荡方向一致;升沉板主要通过不对称涡旋脱落、浅水变形、波浪反射与辐射波转化等方式消耗孤立波能量;一定条件下,采用最优相对刚度K*=4.0和最优相对潜深d/h=0.52可以取得良好的消浪效果,此时透射系数最小,同时升沉板的运动响应在合理的范围内。     

一种矢量水听器浮标补偿角挑选方法

矢量水听器浮标在海上试验时一般需用到真方位、声学方位、罗经值 3 个参数,但罗经安装过程中很难正对大地坐标系正北方向,海上试验前一般都需要校准。针对这个问题,采用了直方图的方法挑选矢量水听器浮标补偿角,挑选出的补偿角用于海上试验时声学测向角度补偿,保证声学方位测量的准确性。     

深水新型水下立管支撑平台研究

FPSO系统在深海海洋油气资源开发中扮演着重要的角色,而深水FPSO系统水下立管管路较长,立管整体重量较大,立管在水流作用下产生的涡激振动也较强,这些将给FPSO主船体带来严重的稳性、强度及疲劳问题。鉴于此,深海FPSO系统在油气资源开发过程中,须在水下一定深度设置若干水下软管支撑浮体,用以支撑来自深海海底的管线,减轻深水立管对FPSO的负载作用。随着深海资源开发的深入发展,传统水下软管支撑浮体作为FPSO系统的关键装备已经无法满足深海开采的需求,寻求大型化、深海化、生命周期长久化的新型水下立管支撑平台迫在眉睫,设计简便快捷、低风险的安装方法成为其开发过程中的重点和难点。详细描述了水下软管支撑浮体的产生及其发展历程,针对深海开发的需求提出了新型立管支撑平台的新概念,着重对新概念下下水安装更便捷的耐压立管支撑平台设计原理及其下水安装方式展开了分析,最后对水下软管支撑浮体和新型立管支撑平台的关键技术进行了总结,并提出了需进一步解决的问题。