多功能油船液貨晃蕩實驗平臺研制大學生科技創(chuàng)新項目申報書

1、附件1：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目申報表推薦學校：（蓋章）項目編號：項目名稱：多功能油船液貨晃蕩實驗平臺研制所屬一級學科名稱：船舶與海洋工程項目負責人：孫強聯(lián)系電話導教師：吳文鋒 盧金樹聯(lián)系電話：13575617275申報日期：2014.5.28浙江省教育廳 制二一四年五月項目名稱多功能油船液貨晃蕩實驗平臺研制項目所屬一級學科 船舶與海洋工程項目類型（ ）創(chuàng)新訓練項目 （ ）創(chuàng)業(yè)訓練項目 （ ）創(chuàng)業(yè)實踐項目項目實施時間起始時間： 2014 年 6 月 完成時間：2016 年 6 月項目簡介(100字以內） 項目擬研制具備橫搖、縱搖和升沉

2、及復合運動的液貨晃蕩實驗平臺，能實現(xiàn)針對油船搖晃環(huán)境下晃蕩載荷特性、泄漏特征與油氣濃度場變化規(guī)律等多種實驗功能。本項目通過理論分析、仿真模擬與樣機測試等手段研制晃蕩實驗平臺的機械動力裝置及其模糊控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。申請人或申請團隊姓名年級學號所在院系/專業(yè)聯(lián)系電話e-mail主持人孫強二年級120208127港航學院/輪機工程183680805371522635011成員程如朋二年級120208134港航學院/輪機工程18368081490102771056劉笑二年級120208120港航學院/輪機工程18368080520985508183指 導 教 師第一指導教師姓名 吳文鋒單位浙

3、江海洋學院年齡 30專業(yè)技術職務講師主要成果主要從事油船安全及污染控制研究，曾參與完成相關的國家及省部級項目多項，發(fā)表論文10余篇，其中檢索3篇，參與指導研究生及本科生畢業(yè)論文多篇。第二指導教師姓名 盧金樹單位浙江海洋學院年齡39專業(yè)技術職務副教授主要成果曾完成國家自然科學基金、省重大專項項目、省自然科學基金項目多項，發(fā)表論文20余篇，其中檢索5篇，獲得專利20余項，其中發(fā)明專利2項。曾指導學生完成省新苗人才計劃5項并發(fā)表論文多篇及專利多項。1、 申請理由 1）為滿足油船搖晃環(huán)境下液艙壁沖擊壓力場與油氣濃度場變化規(guī)律等實驗研究的需要，本項目擬研制具備橫搖、縱搖和升沉及復合運動功能的液體晃蕩實驗

4、裝置。 2）本項目通過理論分析、仿真模擬等手段完成了虛擬樣機的設計，驗證了可行性。 3）本小組成員曾參與國家級創(chuàng)新訓練計劃項目，具備較強的實際動手能力和創(chuàng)新精神，有完成本項目的能力。2、 項目方案1 項目研究背景 1）研究背景及現(xiàn)狀大型油船(vlcc)、液化石油氣船(lpg)、液化天然氣船(lng)和液態(tài)化學品船(lcg)等液貨船在實際的運行過程中始終伴隨的晃蕩問題，尤其在航行過程晃蕩過程更為明顯，產(chǎn)生的沖擊力對液艙的安全構成巨大的威脅?；问庍^程還伴隨著艙氣的揮發(fā)，每年的排放量達到400至700萬噸，造成了巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境損失。因此關注液貨船的晃蕩問題，加強晃蕩相關問題的研究對于解決中國造

5、船業(yè)主要面臨造船產(chǎn)能總量過剩的結構性矛盾，對于降低液貨船運輸過程的風險和實現(xiàn)節(jié)能減排的目標等具有重要的現(xiàn)實意義?；问幨且粋€廣義的范疇，它是指容器內流體介質的運動。對于液艙晃蕩影響系統(tǒng)運動的研究已有50余年的歷史，在航空、航天高科技設備中，如液體火箭、充液衛(wèi)星、空間站等，晃蕩控制始終是國際研究的前沿課題。目前，國內造船界主要圍繞晃蕩產(chǎn)生的砰擊壓力及波形問題開展了數(shù)值或試驗研究。中國油船科學研究中祁江濤等采用 vof 法對部分充滿液艙的晃蕩進行了數(shù)值模擬。結合動網(wǎng)格技術, 針對二維矩形艙和三維立方體艙及薄膜型艙進行了計算。大連理工大學朱小松等采用光滑粒子水動力學法（sph）對二維晃蕩問題進行了計算

6、和分析。研究了“i”型和“t”型 2 種結構形式對矩形液艙內液體晃蕩的抑制效果。通過對不同隔板尺寸的對比研究，得到了隔板高度和寬度對晃蕩的影響作用。上海交通大學蔡忠華等利用計算流體動力學(cfd)模型用來模擬液艙的晃動。研究了不同的填充高度和共振頻率對最大沖擊壓力的影響。p.k. panigrahya等研究了帶有擋板的液艙在橫向運動的激勵下，各點的壓力和自由液面的特點 。目前國內外主要的晃蕩實驗裝置有：l 韓國釜山國立大學的晃蕩試驗平臺，能模擬六個自由度的運動。實驗平臺的最大稱重可以達到 4 噸。l 上海交通大學三自由度晃蕩裝置，他由計算機控制電液伺服運動裝置，可以使框架在三自由度范圍內運動(

7、縱搖、橫搖和升沉)。它由本體，控制部分和信號分析系統(tǒng)三部分組成。實驗框架尺度為：1.1米*1.1米 *1.1米。實驗框架和內部流體的最大載重為1.5噸。在最大承載條件下，該晃蕩實驗平臺的橫搖運動的的振幅3 0，縱搖的幅值20，升沉運動的升程200mm。 晃蕩運動頻率變化范圍為0-1.5hz，能夠實現(xiàn)三個自由度運動及其復合運動。l p.k. panigrahy 等制作的一自由度晃蕩裝置。能夠實現(xiàn)橫搖運動，采用電力驅動，結構最為簡單。2）晃蕩實驗平臺的研制意義目前，對液艙晃蕩及其相關問題的研究主要集中在數(shù)值模擬和模型實驗研究。實船測試是研究晃蕩載荷特性的另一手段，但由于成本高，目前尚缺少適合的試驗

8、平臺。因此，對晃蕩實驗平臺的開發(fā)設計，得到了越來越多的關注。而目前國內外制作的實驗設備，多自由度晃蕩實驗平臺結構復雜，造價昂貴，一自由度晃蕩實驗平臺結構簡單，易于實現(xiàn)，實驗效果不理想，不接近油船晃蕩的實際情況，而具備多種實驗功能的實驗平臺還未見相關研究。因此，為了滿足油船搖晃環(huán)境下晃蕩載荷特性、泄漏特征與油氣濃度場變化規(guī)律等多種實驗需求，有必要對機械結構進行重新設計，并配置合適的液壓動力系統(tǒng)，開發(fā)一套結構簡單而實用的多功能晃蕩實驗平臺。3）項目已有基礎學校有相應輪機工程實驗室、船舶動力裝置實驗室、工程實訓中心具備高性能計算機及軟件平臺，振動檢測儀和機床等必要設備。4）本項目有關的研究積累和已取

9、得的成績 查閱了國內外晃蕩實驗平臺研究的大量文獻，清楚掌握了相關設備的運行機理； 項目組成員有參加國家創(chuàng)新訓練計劃的經(jīng)驗，熟悉adams軟件和計算機模擬；已開發(fā)應用于空氣環(huán)境的晃蕩實驗平臺，并完成本實驗平臺機械結構概念設計； 通過adams仿真實現(xiàn)多自由度的基本運動，靜力學結構合理，經(jīng)驗證可行。5）缺少的條件特定液艙模型的運動規(guī)律有待進一步研究。尚未制作晃蕩實驗平臺實物和相配套的控制、反饋系統(tǒng)，并需優(yōu)化其運行特性。6）解決的方法 由于油船在真實海洋環(huán)境，晃蕩過程十分復雜，因此需要查閱大量資料，借鑒前人的實驗裝置，并以此為基礎結合真實海況，確定較為理想的振幅和周期變化范圍。 購買及制作相關設備，

10、完成其實物模型。對其機械結構及其控制和反饋系統(tǒng)進行調試和優(yōu)化。符合相關晃蕩實驗的要求。2 項目研究目標及主要內容1）研究目標本項目主要研制具備橫搖、縱搖和升沉及復合運動的液貨晃蕩實驗平臺，實現(xiàn)油船搖晃環(huán)境下泄漏特征、液艙壁沖擊壓力場與油氣濃度場變化規(guī)律等多種實驗功能。 2) 主要內容通過建立晃蕩實驗平臺動力學模型，用adams軟件進行計算機仿真，驗證運動原理的可行性。通過數(shù)值模擬的方法，設計不同的特征參數(shù)，監(jiān)測不同特征參數(shù)下晃蕩實驗平臺的運動及應力分布情況。根據(jù)理論模型，參考機械設計原理，進行機械部件的設計。確定吊架、框架，相關夾具的尺寸，根據(jù)負荷分布，確定相關器具的材料。根據(jù)實驗負荷要求，確

11、定合適的動力元件和傳動元件。在機械部件設計的同時，設計出完善的反饋控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對晃蕩實驗平臺的監(jiān)控和自動控制。根據(jù)實驗需求，選定傳感器、單片機、控制器等硬件，并進行合理的布置，開發(fā)出滿足實驗要求的程序，以實現(xiàn)一定規(guī)律的控制。構建出完整的多功能晃蕩實驗平臺模型，能夠進行晃蕩實驗，驗證晃蕩實驗平臺運動的可靠性，并對晃蕩實驗平臺運行過程進行記錄、分析，調試和優(yōu)化，使其更加完善。3.項目創(chuàng)新特色概述1）在通常研究晃蕩艙沖擊力的基礎上，擬開發(fā)一套研究泄漏特征、液艙壓力場與油氣濃度場變化規(guī)律的多功能實驗平臺。2）通過模糊控制手段，設計出完善的反饋控制系統(tǒng)，實現(xiàn)模擬艙運動的精確控制。3）針對晃蕩情景下油船

12、水下破艙油品泄漏研究的特殊需要，減少傳動部件對模擬水池中流場的擾動，首次將傳動部件與模型艙的連接轉移到水面上。 4. 項目研究技術路線首先根據(jù)泄漏實驗研究的要求，進行縮尺計算，以確定晃蕩實驗平臺數(shù)學模型。根據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)學模型，用adams軟件進行計算機仿真模擬，并進行修正使其滿足既定的運動。根據(jù)理論模型，參考機械設計原理，進行各機械部件的選用和設計。同時根據(jù)實驗要求設計出相應的反饋控制系統(tǒng)。最終構建出完整的多功能晃蕩實驗平臺模型，能夠進行晃蕩實驗，驗證晃蕩實驗平臺運動的可靠性，并對對該晃蕩實驗平臺進行調試和優(yōu)化。具體技術路線如圖1所示。 圖1 技術路線圖5. 進度安排 2014.06-2014.0

13、9 adams仿真軟件、編程、機械設計理論等相關知識的學習； 2014.09-2014.12 多功能晃蕩實驗平臺數(shù)值建模及adams仿真； 2014.12-2015.06 構建液艙晃蕩系統(tǒng)的機械框架； 2015.06-2015.12 開發(fā)晃蕩實驗平臺反饋控制系統(tǒng)； 2015.12-2016.04 完成晃蕩實驗平臺的制作、調試，并申請專利一項； 2016.04-2016.06 相關材料整理，準備結題。 6. 項目組成員分工 1）孫強：利用adams軟件對三自由度晃蕩實驗平臺進行仿真，做出虛擬樣機； 2）程如朋：機械設計原理的學習，完成動力系統(tǒng)設計； 3）劉笑：學習c語言、單片機等，選取合適的控制

14、元件，設計相應控制程序。三、學校提供條件（包括項目開展所需的實驗實訓情況、配套經(jīng)費、相關扶持政策等）1.實驗實訓情況 學校有船舶工程技術實訓基地、電氣自動化技術中心等專業(yè)實驗室，為本項目的進行提供實驗場所。2.配套經(jīng)費 給與該項目1:1的資金配套，并建立專門賬戶，保證專項經(jīng)費專項使用。3.相關扶持政策 學校長期鼓勵學生從事實踐創(chuàng)新活動，各學院設有學生實踐部，專門從事課外實踐創(chuàng)新活動，有一系列規(guī)章制度和扶持政策。四、預期成果1.作品一件（多功能油船液貨晃蕩實驗平臺）；2.專利2件，其中發(fā)明專利1件；3.發(fā)表學術論文1篇。五、經(jīng)費預算總經(jīng)費（元）20000財政撥款（元）10000學校撥款（元）10000注：總經(jīng)費、財政撥款、學校撥款由學校按照有關規(guī)定核定數(shù)目進行填寫1.調研、差旅費：2000元；2.項目研發(fā)的液壓元件，小型電機，機械傳動元件購置費等：10000元；3.資料購置、打印、復印等費用：3000元；4.論文版面費、專利費等：5000元。六、導師推薦意見該項目研究的多功能油船液貨晃蕩實驗平臺，具