船舶零航速減搖鰭及其電動(dòng)伺服系統(tǒng)研究.pdf

1、減搖鰭是目前最常用且應(yīng)用最成功的船舶主動(dòng)式減搖裝置，減搖效果可達(dá)90％以上。然而，只有船舶的航速較高時(shí)，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(jìn)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(dāng)速度很小時(shí)，鰭上的升力也變的很小，在零航速時(shí)升力也同時(shí)消失了。這是傳統(tǒng)減搖鰭的主要缺陷。對(duì)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(duì)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(jìn)行了研究。 文章首先對(duì)傳統(tǒng)減搖鰭升力產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)目前實(shí)現(xiàn)零航速減搖存在的問題進(jìn)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(duì)這一問題，論文參考了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)資料并進(jìn)行了初步論證，最終確定采用Weis-Fogh機(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)零航速減搖鰭。 Weis-Fogh機(jī)構(gòu)是英國(guó)生物學(xué)家T.Weis-Fogh通過對(duì)一種黃蜂的飛翔運(yùn)動(dòng)的觀察分析，

3、發(fā)現(xiàn)“振翅拍擊和揮擺急動(dòng)”而產(chǎn)生的新機(jī)構(gòu)。由于Weis-Fogh機(jī)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(jī)構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，論文提出了雙翼縱向拍動(dòng)型、單翼縱向拍動(dòng)型和單翼橫向拍動(dòng)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(jī)構(gòu)的勢(shì)流理論得到了Weis-Fogh機(jī)構(gòu)的升力和力矩模型，通過對(duì)數(shù)學(xué)模型的逐步退化推導(dǎo)

4、得到了零航速下雙翼縱向拍動(dòng)型和單翼橫向拍動(dòng)型零航速減搖鰭的升力和力矩模型?；谡駝?dòng)薄翼理論，得到了零航速下單翼縱向拍動(dòng)型零航速減搖鰭的升力和力矩模型。通過對(duì)零航速下升力及力矩表達(dá)式的分析得到，決定鰭上升力和力矩大小的兩個(gè)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，論文在Matlab環(huán)境下對(duì)雙翼縱向拍動(dòng)型零航速減搖鰭在勻速、勻加速、正弦和余弦等運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的升力和力矩進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，得到了四種運(yùn)動(dòng)規(guī)律

5、下雙翼縱向拍動(dòng)型零航速減搖鰭的升力和力矩特性曲線。并且通過對(duì)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(dòng)功率的計(jì)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(duì)具有對(duì)稱儒可夫斯基翼型的單翼縱向拍動(dòng)型零航速減搖鰭進(jìn)行了建模和仿真研究，生動(dòng)地展現(xiàn)了單翼縱向拍動(dòng)型零航速減搖鰭工作過程中鰭翼周圍流場(chǎng)、啟動(dòng)渦和附著渦的變化過程，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。 零航速減搖鰭要以特定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，必需依靠伺服系統(tǒng)的

6、驅(qū)動(dòng)才能實(shí)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(dòng)的快速性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于海浪的隨機(jī)擾動(dòng)等因素的影響，對(duì)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(xué)模型。針對(duì)空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制存在的脈動(dòng)問題，通過引入滑模變結(jié)構(gòu)控制對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)雙翼縱向拍動(dòng)型零航速減搖鰭控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真。