第３４卷第３期 ２０１２年３月 舰船科学技术 Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．３ Ｍａｒ．，２０１２ ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 船舶在纵向波浪中运动的控制方法 孔 卫 ，叶恒奎 ，杨向晖 ，陈庆任 ，李志恒 （１．华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉４３００７４； ２．中国舰船研究设计中心，湖北武汉４３００６４；３．中国船级社武汉规范研究所，湖北武汉４３００２２） 摘 要：船舶主动减摇是目前亟待发展的船舶减摇技术。本文基于船舶在波浪中运动理论，运用ＭＡＴＬＡＢ 编程求解带主动减摇鳍的船舶在纵向波浪中的升沉和纵摇运动响应，并据此研究文中给出的主动鳍控制方法减摇效 果。通过分析某深Ｖ型快速渡轮算例，可以得出明显减摇效果。 关键词： 主动减摇鳍；ＭＡＴＬＡＢ；控制策略 中图分类号：Ｕ６６１．３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７６４９（２０ｌ２）０３—００３６—０４ ｄｏｉ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１２．０３．００７ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｈｉｐ ｍｏｖｉｎｇ ｉｎ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｗａｖｅｓ ＫＯＮＧ Ｗｅｉ ，ＹＥ Ｈｅｎｇ—ｋｕｉ ，ＹＡＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｈｕｉ ，ＣＨＥＮ Ｑｉｎｇ—ｒｅｎ ，ＬＩ Ｚｈｉ—ｈｅｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ Ｓｈｉｐ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｗｕｈａｎ ４３００６４，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｗｕｈａｎ Ｒｕｌｅｓ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＣＳ，Ｗｕｈａｎ ４３００２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｕｒｇｅｎｔｌｙ ａｗａｉｔｅｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｓｈｉｐ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｗａｖｅｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｕｓｅｓ ＭＡＴＬＡＢ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｖｅ ａｎｄ ｐｉｔｃｈ ｍｏｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｉｎｓ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ｔａｋｉｎｇ ａ ｄｅｐｔｈ Ｖ ｆａｓｔ ｆｅｒｒｙ ａｓ ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｃｔｉｖｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｉｎｓ；ＭＡＴＬＡＢ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ０ 引 言 船舶在海面上航行时，由于受到海浪、海风和海 流等海洋环境扰动的作用，会产生各种摇荡运动，过 当今世界上许多国家的高速军用船和商船都安装了 减摇鳍。随着我国海军向现代化和远洋化发展，加装 主动减摇鳍来降低船舶摇荡尤为迫切 。目前我国 在这方面的研究还比较少，有待于各高校和科研机构 进一步深入研究。 于剧烈的摇荡对船舶的适航性、安全性、船上设备、货 物和乘员都会产生不利的影响，特别对于军船来说， 剧烈的摇荡会影响舰载飞机的正常起降，还会使火炮 本文通过对某深Ｖ型快速渡轮加装首尾减摇 鳍 ，选用了２种控制策略，有效降低了船舶摇荡，主 要是升沉和纵摇。比较２种控制策略并分析鳍摆角 无法精确命中目标，以至于在战争中处于被动地 位 。因此，如何有效减小船舶的摇荡引起国内外 学者的广泛关注。 减摇鳍最早应用于船舶横摇减摇，取得了很好的 对船舶减摇效果的影响。 １ 理论基础 １．１船舶运动方程 一减摇效果 减摇鳍的最早专利由约翰・Ｉ桑尼克罗 夫特在１ ８８９年获得 ，随后减摇鳍得到了广泛应用， 收稿日期：２０１ １—０６－０２；修回日期：２０１１～１０－１７ 般情况下，船舶有６个自由度就有６个运动方 作者简介：孔卫（１９８８一），男，硕士研究生，研究方向为船舶水动力学。 第３期 孔卫，等：船舶在纵向波浪中运动的控制方法 系数。 ・３７・ 程，由于在切片理论中不考虑纵荡，因此只有５个运 动方程，并且考虑升沉和纵摇２个自由度上的耦合运 动和横摇、横荡和首摇的耦合运动，得到如下方程组： ｆ（， ＋ａ３３） ３＋ｂ３３彳７３＋ｃ３３叩３＋ｎ３５ ５＋ 由鳍所产生的附加力，可以等效为加装鳍后对船 舶附加质量、阻尼系数和回复力系数的改变，相当于 增大了船的附加质量、阻尼系数和回复力系数 ， ｊｌ ６ ３５ｆ７ｓ ｓ ， （１） 从而会减小船舶在波浪的摇荡。因此，通过适当的控 制策略，控制鳍角摆动，可以达到最佳减摇效果。 ０５３ ３十ｂ５３白３＋Ｃ５３叼３＋（１５５＋口５５）研５＋ 【 ６５５彳）５＋ｃ５５ ７７５ ｅ 。 由于ｅ－ｔＣＯｅｔ＝ＣＯＳＯ） ｔ—ｉｓｉｎｔｏ ｔ，对于升沉和纵摇的 耦合运动，可进一步可得到 ： ｆ（ｍ＋ａ３３） ３＋ｂ３３而３＋ｃ３３叼３＋。３５ ５＋ Ｉ ６３５白５＋ｃ３５叼５ ， ＣＯＳ（．Ｏ ＋ ｓｉｎｔｏ … ｌ ０５３筇３＋ｂ５３彳７３＋Ｃ５３ｒ／３＋（Ｉｓ５＋０５５） ５＋ 【 ｂ５５而５＋ｃ５５叩５ ＣＯＳ（／） ｔ＋ ｓｉｎｔｏ ｔ。 式中：ｍ为船舶排水量；， 为船舶相对Ｙ轴的转动惯 量，１５ ＝ｍ・ＧＭ ；ｒ／为船舶运动响应； 和 为波 浪力（矩）的实部和虚部。 ａ ｂ ｃ （ｉ，Ｊ＝３或５）分别为附加质量、附加阻 尼和静水回复力系数。船舶运动方程中的系数由船 舶形状、船舶运动速度、波长及船舶对波浪的遭遇频 率确定。因此，求解船舶在规则波中的运动响应实质 上是根据船舶的参数及波浪特性求解水动力系数和 波浪力（矩），进而求解船舶的运动响应。 １．２纵向减摇鳍减摇原理 当减摇鳍保持水平且无摆动角度时，鳍产生的附 加力由下式给出 ： Ⅳ Ｆ （￡）＝∑ ＝ （ｍ＋ａ３３）（ 一ｌ ）＋ 号 （ ）＋ （３） Ｐ Ａ （ ｃ ［（而，一ｆ 而 ）１西，一 ｌｉ白 １］ Ｆ （￡）＝一∑ｆ 。 式中：Ｆ （ｔ）和Ｆ （ｔ）分别为鳍在升沉和纵摇方向 产生的附加力和附加力矩； 为第ｉ个鳍所产生的附 加升沉力；Ｎ为鳍的总数；ｍ为船舶质量；ａ 为附加 质量；７７，，彳７，，ｊｊ，（ ＝３，５）分别为船舶相应方向的位 移、速度、加速度；ｚ 为第ｉ个鳍至船舶重心的纵向距 离；Ｕ为航速；Ａ 为第ｉ个鳍的面积；Ｃ 和ｃＬｆ分 别为与第ｉ个鳍形状有关的升力系数和横向阻力 ２ 数值计算结果 ２．Ｉ 船舶运动方程求解 根据前面所给出的运动方程（２）和鳍附加力公 式（３），可以求解船舶在波浪中的运动状态，据此可 以检验鳍控制策略的减摇效果以及控制策略能否实 现。本文利用Ｍａｔｌａｂ编程计算，选用１艘深Ｖ型快 速渡轮，船长１１０ ｉｎ，时速可达４０ ｋｎ以上，其主要参 数如表ｌ所示 。 ｍ‘表ｌｑ ●计算船参数 ． Ｋ ｋ Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｐａｒＮ Ｎ ｍ ． ａｍｅｔｅｒｓ． ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｓｈｉｐ ｍ ｍ １ 一 ● １７７０ ｒ ｌ３３９１００ ｌ２１２８ ８４１９０００ ２２８５７ ２２８５７ 本文算例在船上装前后２个鳍，如图１所示。选 用鳍参数 如表２所示。 ＼＼ ／ （— 一 ＼ ／ 图１减摇鳍示意图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｉｎｓ 表２鳍主要参数 Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｆｉｎ １０ ３ Ｏ．５ ５５ ２．２控制方法及结果分析 当鳍开始摆角后，鳍所产生的附加力公式在式 （３）基础上还要增加鳍的摆角，如下式所示： ・３８・ 舰船科学技术 第３４卷 （，ｎ＋ｏ３３）（ ｊ—ｌ ５）＋ 号 。￣ｓ￣ＣＬ －＋ 】＋ （４） Ｐ￣２－Ａ ！ ｃ ［（而，一ｚ 而 ）Ｉ白，一２ 白ｓ １］ ＿０１ ｒ——１———Ｔ———ｒ——１——＿］ ．０１ ｒ——１——— ——— —— —］ （ｃ）升沉速度 （ｄ）纵摇角速度 （ ）＝一∑ｆ 。 式中： 为第ｉ个鳍相对于船的摆角；其他参数同式 （３）。 本文给出了２套控制方法，即分别用船舶纵摇角 速度和升沉速度控制鳍摆角。下面将分别给出２种 控制策略及其减摇效果示意图，并对结果进行分析， 检验是否与理论吻合。 ２．２．１ 纵摇角速度控制策略 ｆ ｓｇｎ（而 ）・［（６ ）］， ｉｆ而 ≠０， … ’ 【０， ｉｆ句５＝０； ：，＝＜ｆ【 ｇ０ｎ（彳７ｓ）。［一（６ｚ）］， ｉ 彳７ｓ≠０， （６） ， ｉｆ白 ：０。 ｏ 式中：Ｏｔ。和 ：为前鳍和后鳍的摆角；彳） 为纵摇角速 度；６ 和 为鳍摆角幅值。 运用纵摇角速度控制策略，当船舶有纵摇角速度 而 时，前鳍摆动角度与纵摇角速度符号相同，后鳍摆 动角度与纵摇角速度符号相反。由于２个鳍前后对 称，产生的附加力大小相等，方向相反，将产生１个与 船舶纵摇角速度方向相反的力矩。由此可见，运用纵 摇角速度控制策略的结果应当是：船舶升沉无明显减 小，但纵摇明显减小。 本文选取船速２０ ｋｎ，遭遇频率∞ ＝１．０；４００ Ｓ 之后鳍开始摆动，鳍摆角６分别为０。，１５。和２５。时运 用纵摇角速度控制策略，减摇效果如图２一图４所 示。图中墨 为无因次的升沉位移，Ｘ ／ｋＡ为无因 次的纵摇位移；Ｘ 一ｄｅｖ为升沉线速度， 一ｄｅｖ为纵 摇角速度；Ｏｌ 为首鳍摆角，Ｏｌ。 为尾鳍摆角。可见， 运用纵摇角速度控制策略后，船舶升沉变化不大，但 纵摇明显减小，与上面所述吻合；且对比各图发现，当 鳍摆角增大后，减摇效果更明显。 ２．２．２ 升沉速度控制方法 Ｏｔ ＝ ：１ ｆ ｇｎ（而 ）‘［一（ －）］， ｉｆ而３≠０； （ｔ，Ｊ７） 【０， ｉｆ句３＝０； 。：｛：』 ｇｎ（句 ）。［一（６ｚ）］，ｉｆ白 ≠０； （Ｉ ８）Ｊ 。 【０， ｉｆ白３：０。 式中：Ｏｔ。和 为前鳍和后鳍的摆角；彳），为纵摇角速 图２鳍摆角６＝０。时运用纵摇速度控制减摇效果 Ｆｉｇ．２ Ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｉｔｃｈ ｓｐｅｅｄ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎ ａｎｇｌｅ ＝０。 ｉ１０ ｒ—■————■—Ｔ—］ ｏ 厂—■—１——『＿—＿『—］ 熏４５０ ５００ ５５０ ６００ 等 唾３５０ ４００ ４５０ ５００ ５５０ ６００ （ｅ）首板转角 （ｆ）尾板转角 图３ 鳍摆角６＝１５。时运用纵摇速度控制减摇效果 Ｆｉｇ．３ Ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｉｔｃｈ ｓｐｅｅｄ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎ ａｎｇｌｅ占＝１５。 ｛。１ 厂——１——— ———－ｒ———＿ｆ—］ ｌ｛０。 哪一 ｒ——弋———＿Ｔ——— ———１－—］ 一１ Ｌ——二＿——＿二—— ———二＿——ｊ 毒～０ ｌ Ｌ—— —— —— ———Ｌ— ，ｓ ｆ／ （ｃ）升沉速度 （ｄ）纵摇角速度 专：蓁 耋 （ｅ）首板转角 图４ 鳍摆角 ＝２５。时运用纵摇速度控制减摇效果 Ｆｉｇ．４ Ｒｏｉｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｉｔｃｈ ｓｐｅｅｄ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎ ａｎｇｌｅ ：２５。 度；６。和６ 为鳍摆角幅值。 第３期 孔卫，等：船舶在纵向波浪中运动的控制方法 ・３９・ 运用升沉速度控制方法，当船舶有升沉速度句， 时，前鳍与后鳍的摆动角度与升沉速度符号相反。由 于２个鳍前后对称，所产生的附加力大小相等，方向 相同，且都与升沉速度方向相反，不产生力矩。由此 可见，运用升沉速度控制策略的结果应当是：船舶纵 摇无明显减小，但升沉明显减小。 本文选取船速２Ｏ ｋｎ，遭遇频率 ＝１．０；４００ ｓ 之后鳍开始摆动，鳍摆角６分别为０。，１５。和３０。时运 用升沉速度控制方法，减摇效果如图５～图７所示。 可见运用升沉速度控制策略后，船舶纵摇变化不大， 但升沉明显减小，与上面所述吻合；且对比各图发现， 当鳍摆角增大后，减摇效果更明显。 （ｂ）无因欢纵摇 （Ｃ）升沉速度 （ｄ）纵摇角速度 …。 。一 ¨ｊ…一 …上…ｉ…．ｉ…． ●Ｉ Ｉ 图５ 鳍摆角艿＝０。时运用升沉速度控制减摇效果 Ｆｉｇ．５ Ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｅａｖｅ ｓｐｅｅｄ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎ ａｎｇｌｅ ６＝０。 ｂ）无因次纵摇 ｒ—— ——— ———Ｔ＿——— ——１ ｒｌ Ｕ：１ —— ———Ｔ———ｒ—— ——］ ３５０ ４００ ４５０ ５００ ５５０ ６００ ３５０ ４００ ４５０ ５００ ５５０ ６０Ｏ ／８ （Ｃ）升沉速度 （ｄ）纵摇角速度 图６鳍摆角６＝１５。时运用升沉速度控制减摇效果 Ｆｉｇ．６ Ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｅａｖｅ ｓｐｅｅｄ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎ ａｎｇｌｅ ＝１５。 ３ 结 语 本文基于船舶在波浪中的运动理论，通过编程计 专：蓁圈４５０ ５００ ５５０ ６００ 霍４５０ ５００ ５５０ ６００ （ｅ）首板转角 （ｆ）尾板转角 图７鳍摆角６＝３０。时运用升沉速度控制减摇效果 Ｆｉｇ．７ Ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｅａｖｅ ｓｐｅｅｄ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎ ａｎｇｌｅ ６＝３０。 算，分析了船舶在纵向波浪中的运动响应，给出了２ 种减摇控制方法。通过算例分析，可得到明显减摇效 果。所提供的减摇控制方法可进一步通过试验验证， 应用于实际工程。在本文的后续工作中将考虑入射 波浪在前后鳍处的垂直速度对鳍水动力的影响。 参考文献： ［１］ 陶尧森．船舶耐波性［Ｍ］．上海：上海交通大学出版社， １９８５． ［２］ 金鸿章，李国斌．船舶特种装置控制系统［Ｍ］．北京：国 防工业出版社，１９９５． ［３］ 胡殿宇，谢田华．船舶纵向减摇系统介绍［Ａ］．２００４防 止船舶行事故新经验新技术学术研讨会论文集（上册） 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