复合绿色能源无人艇初步总体优化设计(2)

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第 1 章绪论 ... 1

1.1 引言 . 1

1.2本课题的目的与意义 .. 2

1.3国内外研究现状 . 3

1.3.1 太阳能能源船研究现状 3

1.3.2 波浪能能源船（震荡水翼）研究现状 ... 7

1.3.3 船体优化设计研究现状 8

1.4本文的主要研究内容 . 10

第 2 章 W 型槽道无人滑行艇优化数学模型 11

2.1 引言 11

2.2 W 型槽道无人艇优化数学模型 ... 11

2.2.1 W 型槽道无人艇优化目标函数 ... 12

2.2.2 W 型槽道无人艇优化约束条件 ... 18

2.2.3 W 型槽道无人艇优化设计变量 ... 20

2.3 本章小结 . 22

第 3 章W 型槽道无人艇优化计算及分析 .... 23

3.1 引言 23

3.2 优化算法原理介绍 ... 23

3.2.1 遗传算法 23

3.2.2 并行算法 25

3.2.3 综合优化算法 . 25

3.3 W 型槽道无人滑行艇优化设计变量选取 26

3.4 W 型槽道无人滑行艇优化计算 ... 26

3.4.1 单一遗传算法优化流程 ... 27

3.4.2 单一遗传算法优化结果 ... 29

3.5 本章小结 . 33

第 4 章 W 型槽道无人艇复合绿色能源系统 34

4.1 引言 34

4.2 太阳能系统的初步设计 .... 35

4.2.1 太阳能系统的选择 ... 35

4.2.2 电池板布置考虑因素 35

4.2.3 太阳能系统设计优化中需要考虑的问题 36

4.2.4 上层建筑初步设计与选择 .. 36

4.3 水翼的初步设计 37

4.3.1 水翼主要几何特征 ... 38

4.3.2 水翼的水动力特征 ... 39

4.3.3 水翼几何形状设计 ... 39

4.4 本章小结 . 44

第 5 章 W 型槽道无人滑行艇模型设计及制作 ... 45

5.1 引言 45

5.2 目标无人艇的设计 ... 45

5.2.1 航速选择 . 45

5.3 模型制作 . 46

5.3.1 槽道部分 CAD图及骨架图绘制 .. 46

5.3.2 模型制作及设备安装 47

5.4 本章小结 . 53

第 6 章 W 型槽道无人滑行艇基础性试验及分析 54

6.1 引言 54

6.2 水密性试验 .... 54

6.3 浮性试验 . 54

6.4 横摇、纵倾试验 55

6.3.1 试验目的及操作步骤 . 56

6.3.2 试验数据分析处理 ... 57

6.3.3 横摇试验系统辨识 ... 58

6.4 本章小结 . 63

第 7 章结语 . 64

致谢 .... 65

参考文献 . 66
第 1 章绪论 1.1 引言进入 21世纪，随着重工业（尤其是船舶制造业）和运输行业以及海洋工程制造产业的持续快速发展，使得全世界对海洋战略资源的关注度都不断提高，对其开发的深度、广度和力度也不断增加[1]。但是，在面对瞬息万变的水域环境，传统船舶往往面临着许多技术及安全方面的问题，而具有应用性强、隐身性能好、部署机动性能佳、人工智能等优点的水面无人艇（军用&民用），却能够在复杂水域状况、严寒极热等极端环境中完成执行人员难以执行的任务，因此，世界各国都将注意力集中在无人水面艇（Unmanned Surface Vessel,简称USV）[2]方面，并且加大了对此的资金投入力度。由于水面无人艇具有无人驾驶、执行任务时工作周期长和自主性需求高等特点，在其航行工作周期中的自动航速、航向控制和能源优化方面便显得尤为重要[3]。此外，据国际海事组织 IMO（International Maritime Organization）研究报告显示，预计到新世纪二十年代，全球航运业的二氧化碳排放总量将会达到14亿吨。受到温室效应加剧、全球气候变暖影响，其他行业要求船舶航运业承担责任，且希望能够在未来几年内排放量都符合标准。常规能源船舶依赖化石燃料，这些燃料在燃烧时排放大量的废气，如氮氧化物、硫氧化物以及导致全球变暖的二氧化碳[4]。这也同时要求在传统能源作为推进能源的无人艇的基础之上进行设计优化，以期具有复合绿色能源的水面无人艇被及早地进行设计、生产及应用。近年来，由于环境污染严重，采用绿色能源推进的设计方案又重新被关注。在众多的绿色能源方案中，以风能、太阳能和燃料电池为主[5]，此外还有波浪能等其他绿色能源也在考虑范围之内。如果是用 LNG（Liquid Natural Gas）作为燃料来提供能源，则可以完全杜绝硫化物的产生，极大减少微小颗粒等其他有害物的排放，并且经济性非常好。但是燃料电池依旧会产生二氧化碳，会加重温室效应[6]。光伏能源技术中的太阳能作为长期以来一直被人们所进行利用的能量，已广泛应用于人类生活的各个领域之中。可是太阳能作为主要动力或者作为辅助能源的船舶尚无大规模应用的先例。 2010 年，以太阳能作为主要动力型船的全球最大的太阳能船 “星球太阳能号”在德国成功下水，并进行了环球航行。源:自;751'-论.文,网·www.751com.cn/ 瑞士 Planet 太阳能联会公布的一型新型太阳能三体船模型，预示着船型对于太阳能船舶设计具有重要意义。波浪能是指海洋表面的波浪所具有的动能和势能，波浪能具有的特点是能量密度高，分布面广。作为船舶行业特有的能源种类之一，这是一种便于被直接利用、用之不竭的可再生清洁能源。2008 年Terao 等研发出“美人鱼Ⅱ”无人艇，“美人鱼Ⅱ”是通过波能吸收推进装置（WDPS）对艇体进行推进的，此后该艇进行了长达 110 天的实际海域航行，完全依靠 WDPS 推进，这也验证了使用波浪推进的可行性[7]。