一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法与流程

1.本发明属于风帆船建造及设计领域，具体涉及一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法。


背景技术：

2.随着全球范围内低碳减排新规的颁布和实施，全球航运业和造船业正在向着绿色化方向发展。船用风帆以风能这一清洁能源作为推动力，在国际上掀起了新一轮革命浪潮。大船集团率先开展了全球首次翼型风力助推远洋货轮的技术研究，突破了一系列关键技术，包括制定该系统的控制方法。
3.本专利以风帆本身的气动力特性、数量、船舶状态、船体运动参数等作为输入，以安装风帆的船舶航行性能研究成果为基础，以最佳节能效果为控制目标，兼顾船舶航行安全性，提出了风帆船风帆助推系统控制方法。
4.由于风帆系统为原始创新，控制方法无可借鉴，所以本控制方法为首次提出。风帆的助推原理是通过风经过风帆表面所形成压力差助推船舶前进，且不同的风向角会产生不同的助推力。无论风帆是否升降，都可以形成有效助推力，即控制方法既要考虑风帆升起时的控制方法，同时又要考虑风帆不升起时的控制方法。这样做主要考虑进一步增加风帆的使用时长，在升起作业工况下，风帆以升起状态的设计风速进行助推，当风速超过升起状态的设计风速，便在下降的工况下继续旋转至有利风向形成助推，且在下降工况下的设计风速没有限制。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，旨在达到在复杂还有气象条件下，使风帆船具有最佳节能效果的目的，其所采用的技术方案是：
6.一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，安装风帆助推的个数为n，风帆是翼型风帆，
[0007][0008]
建立船体坐标系、局部坐标系和风帆坐标系，
[0009]
船体坐标系的原点为船舶的对称纵剖面、尾端和基线的相交处，记为o，x轴为纵向轴，向前为正，y轴为横向轴，向左为正，z轴为垂向轴，向上为正。
[0010]
局部坐标系的原点为风帆基座的中心点，记为o，l轴与船体坐标系x轴的方向一致，向前为正，t轴与船体坐标系的y轴方向一致，向左为正，v轴与船体坐标系的z轴方向一致，向上为正。
[0011]
风帆坐标系的原点与局部坐标系原点一致，记为o’，x坐标轴方向与风帆剖面的弦
长方向垂直，向前为正，y坐标轴方向与风帆剖面的弦长方向一致，向右为正，z坐标轴为风帆的旋转轴，与船体坐标系的z轴方向一致，向上为正。
[0012]
风帆助推系统的具体控制方法如下：
[0013]
s1：旋转风帆至受力最小的角度
[0014]
在风帆升帆之前，将风帆旋转至受侧向力最小的角度，当相对风向与风帆坐标系x轴方向一致时，风帆所受的侧向力最小，风帆转角θ与实时监测的相对风向角α间的关系为：
[0015][0016]
若实时监测的相对风向角α为[0
°
,180
°
]，则将风帆转角θ旋转至α-90
°
；
[0017]
若实时监测的相对风向角α为(180
°
,360
°
)，则将风帆转角θ旋转至α-270
°
。
[0018]
s2：对风帆进行分组，按照小组顺序进行旋转，
[0019]
当n＝1时，风帆可通过动作机构直接完成旋转动作；
[0020]
当n＝2n+1,n＝1,2,
…
时，按照从船艏至船艉每2个分为一组，最后1个独立为一组，首先旋转最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次旋转各组风帆；
[0021]
当n＝2n,n＝1,2,
…
时，按照从船艏至船艉每2个分为一组，首先旋转最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次旋转各组风帆。
[0022]
s3：按照s2中划分的小组及小组顺序进行升帆；
[0023]
s4：升帆后，旋转风帆至能够提供最大助推力的角度
[0024]
以风帆旋转前10分钟的平均风向dt作为参数，调整风帆的旋转角度，按照s2中的分组及分组顺序进行调整，将风帆调整至具有最大助推力的角度，其中，
[0025][0026]
t为风帆完成上升动作的时间；
[0027]
dt-10i是t时刻前600秒的相对风向数据。
[0028]
通过相对风向数据得出dt，根据dt与旋转角度对应表，得到具有最大助推力的角度。
[0029]
s5：根据船舶运动的状态对风帆进行回收
[0030]
根据北大西洋25年1遇的惯性载荷，推导出北大西洋1年1遇的惯性载荷，北大西洋1年1遇的惯性载荷与北大西洋25年1遇的惯性载荷关系如下：
[0031][0032]
其中，as为风帆作业工况的加速度响应；
[0033]acsr
为csr规范计算的加速度响应；
[0034]
ξ为双参数weibull分布的形状参数，ξ＝1；
[0035]
以北大西洋1年1遇的船舶运动载荷为标准，对船舶实际运动载荷进行监测，实时监测船舶y轴方向的加速度，当船舶y轴方向的加速度超过0.8125
×
acsr-y，进行报警提示并回收风帆，风帆回收顺序按照s2中的小组划分及小组顺序依次回收风帆。
[0036]
若持续2分钟船舶y轴方向加速度峰值超过0.8125
×acsr-y，需将风帆回收，回收顺序按照s2中的小组划分及小组顺序进行回收，并可以通过旋转继续使用风帆，风帆在升起时可以通过旋转角度助推船舶，同样在回收后通过旋转也能够助推船舶，旋转顺序与s2中的顺序一致。
[0037]
实时监测船舶z轴方向的加速度超过0.8125
×acsr-z，进行报警提示风帆回收，若持续2分钟z轴方向加速度峰值超过0.8125
×acsr-z，需将风帆回收，回收顺序与s2中的顺序一致，并可以通过旋转继续使用风帆，旋转顺序与s2中的顺序一致。
[0038]
s6：旋转风帆至受力最小的角度准备降帆，旋转顺序与s2中的顺序一致，旋转后将风帆下降至回收状态。
[0039]
上述一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，更进一步地，升帆前，检查风帆是否存在故障以及出现故障的风帆个数，风帆出现系统故障的个数大于总数的3/4时，停止升帆。
[0040]
上述一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，更进一步地，风帆旋转后，风帆坐标系的y轴与局部坐标系l轴的夹角即为风帆的旋转角度θ，顺时针旋转为正。
[0041]
上述一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，更进一步地，在s4中，对于不同剖面形状的风帆，实际控制按照区间划分开展，将[0
°
,340
°
]分为n个区间，每个区间对应一个风帆的转动角度，该角度为该区间内可提供最佳助推效果的角度。
[0042]
上述一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，更进一步地，风帆转角θ的范围为-90
°
至+90
°
。
[0043]
上述一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，更进一步地，风帆回收后，应置于“零位状态”，左舷帆在零位状态下，风帆转角为-90
°
，右舷帆在零位状态下，风帆转角为+90
°
。风帆回收后的状态即零位状态，零位状态即指风帆回收状态。
[0044]
上述一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，更进一步地，相对风向角即为相对风向与船舶x轴的夹角，区间为0
°
至360
°
，船舶艏向来风为0
°
，顺时针旋转直到360
°
。
[0045]
上述一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，更进一步地，s5：根据船舶作业工况或气象环境状况对风帆进行回收。
[0046]
上述一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，更进一步地，
[0047]
s5：根据气象环境状况对风帆进行回收
[0048]
当气象预报显示未来24h内将出现超过8级风天气或低于4℃天气条件时，将风帆下降至零位状态；或测得30分钟大气平均温度tt低于4℃天气条件时，将风帆下降至零位状态；
[0049]
设每一时刻的时间为t，t时刻前1800秒的时间节点为t-10s、t-20s、
……
、t-1800s，这些时间节点相对应的大气温度外dt-10i，取这些时间节点的平均值，即为tt
[0050][0051]
或当监测风速v
s’超过设计风速vs时，将风帆下降；
[0052]
当0≤vs-vs’≤2时进行报警，持续报警时间超过2分钟，桅杆自动下降一节或多
节，进一步判断风速是否满足要求，直至风帆回收；
[0053]
当vs-vs’≤0时，风帆自动下降一节或多节，进一步判断风速是否满足要求，直至风帆回收。
[0054]
上述一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，更进一步地，
[0055]
s5：根据船舶作业工况对风帆进行回收风帆升起后影响雷达功能有效性时，需将风帆回收。
[0056]
本发明的有益效果如下：
[0057]
1.在风帆上升或下降之前，将风帆旋转至受侧向力最小角度的控制方法可使风帆在升降过程中所遭受的风载荷最小，降低升降出现卡组概率，减少运动机构部件磨损，实现风帆系统运行的可靠性；
[0058]
2.同步升降与同步转动的控制方法，可保证船舶设计中对于电功率需求的最大值不变，避免功率需求过大，进而需要增加发电机启动个数的现象，保证整个系统电力需求平稳；
[0059]
3.舶作业工况决定的降帆控制方法可保证船舶安全营运，既降低船舶发生故障概率，同时也为风帆的使用提供了有力保障；
[0060]
4.由气象环境决定的降帆控制方法以设计风速为限制条件，确定了需要降帆的限制风速，提供了可降低帆面个数的方案，增加了风帆可使用的时长，增加经济性；
[0061]
5.同时根据天气预报以及实测大气温度给出了控制方法，确保了风帆使用的安全性；
[0062]
6.由船舶运动决定的降帆控制方法给出了由船舶运动引起的惯性载荷的限值，避免了由于惯性载荷过大导致风帆结构出现失效的现象发生，保证了风帆的安全性，在不具备型线和准确重量分布的情况下，可直接得到北大西洋1年1遇的惯性载荷，简化了惯性载荷的获取方法，满足工程计算需求；
[0063]
7.由异常状况诱导的降帆控制方法提供了风帆需要降帆的船舶故障场景，保证了船舶与风帆的安全性。
[0064]
8.风帆升起状态与回收状态的转动控制方法提供了风帆需要旋转的区间以及风向基准，进一步延长风帆的使用时长，为风帆提供最大推力提供了有力保障。
附图说明
[0065]
图1为船体坐标系示意图；
[0066]
图2为局部坐标系示意图；
[0067]
图3为风帆坐标系示意图；
[0068]
图4为风帆转角为0
°
的示意图；
[0069]
图5为风帆顺时针转过θ
°
角的示意图；
[0070]
图6为风帆回收状态，即风帆呈零位状态的示意图；
[0071]
图7为相对风向角示意图；
[0072]
图8为风帆顶端风速与设计风速换算示意图；
[0073]
其中：1-艉吃水传感器、2-艏吃水传感器、3-风帆、4-主甲板、5-水线面、7-风帆顶端、8-船底。
具体实施方式
[0074]
结合附图对本发明做进一步说明。
[0075]
一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，如图1、2、3所示，先建立船体坐标系、局部坐标系和风帆坐标系。船体坐标系的原点为船舶的对称纵剖面、尾端和基线的相交处，记为o，x轴为纵向轴，向前为正，y轴为横向轴，向左为正，z轴为垂向轴，向上为正。
[0076]
局部坐标系的原点为风帆基座的中心点，记为o，l轴与船体坐标系x轴的方向一致，向前为正，t轴与船体坐标系的y轴方向一致，向左为正，v轴与船体坐标系的z轴方向一致，向上为正。
[0077]
风帆坐标系的原点与局部坐标系原点一致，记为o’，x坐标轴方向与风帆剖面的弦长方向垂直，向前为正，y坐标轴方向与风帆剖面的弦长方向一致，向右为正，z坐标轴为风帆的旋转轴，与船体坐标系的z轴方向一致，向上为正。
[0078]
如图4所示，即风帆坐标系的原点和局部坐标系的原点重合，风帆坐标系的y坐标轴和局部坐标系的l坐标轴的方向重合，即风帆坐标系的y坐标轴和局部坐标系的l坐标轴的夹角为0
°
。
[0079]
设安装风帆助推的个数为n，
[0080][0081]
1.首先判断风帆是否存在故障以及出现故障的个数，任一帆出现系统故障，该帆不升起，其他帆正常升起作业；如风帆出现系统故障的个数大于总数的3/4，则所有帆不升起。
[0082]
2.在风帆升帆之前，将风帆旋转至受侧向力最小的角度，旋转后进行升帆。由于风帆升起时受到风力作用会产生摩擦力，为了降低摩擦力产生的阻力，将风帆旋转至受力最小的角度，既保证了风帆的顺利上升，同减小了风帆相关部件的磨损。
[0083]
当相对风向与风帆坐标系x轴方向一致时，风帆所受的侧向力最小，风帆转角θ与实时监测的相对风向角α间的关系为：
[0084][0085]
若实时监测的相对风向角α为[0
°
,180
°
]，则将风帆转角θ旋转至α-90
°
。若实时监测的相对风向角α为(180
°
,360
°
)，则将风帆转角θ旋转至α-270
°
。
[0086]
如图5、6所示，即风帆坐标系的y坐标轴和局部坐标系的l坐标轴的夹角为θ
°
。风帆转角θ的范围为-90
°
至+90
°
，风帆回收后，除继续利用风能助推船舶外，应置于“零位状态”。左舷帆在零位状态下，风帆转角为-90
°
；对于右舷帆在零位状态下，风帆转角为+90
°
。
[0087]
当n＝1时，风帆可通过动作机构直接完成旋转动作。
[0088]
当n＝2n+1,n＝1,2,
…
时，按照从船艏至船艉每2个分为一组，最后1个独立为一组，首先旋转最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次旋转各组风帆。
[0089]
当n＝2n,n＝1,2,
…
时，按照从船艏至船艉每2个分为一组，首先旋转最靠近船艏
一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次旋转各组风帆。
[0090]
正常作业工况下，单组内的风帆采用同步旋转方式，即每组风帆开始旋转的时刻是统一的。
[0091]
3.升帆后，旋转风帆至能够提供最大助推力的角度，以风帆旋转前10分钟的平均风向dt作为参数，调整风帆的旋转角度，按照s2中的分组及分组顺序进行调整，将风帆调整至具有最大助推力的角度，其中，
[0092][0093]
t为风帆完成上升动作的时间；
[0094]
dt-10i是t时刻前600秒的相对风向数据。
[0095]
dt计算方法为，设风帆完成上升动作的时间为t，由于风帆控制系统记录实时相对风向的时间步长为10秒，那么t时刻前10分钟(600秒)的相对风向数据为t-10s、t-20s、
……
、t-600s时间点所对应的dt-10i，将这些时刻的相对风向取平均值，即为dt。如表1所示，根据dt来调整风帆助推力角度。
[0096]
[0097][0098]
表1风帆转动控制角度对照表
[0099]
对于不同剖面形状的风帆，实现最佳助推的转角也各不相同，这里给出区间划分的说明，实际控制中可按照此开展。将[0
°
,340
°
]分为n个区间，每个区间对应一个风帆的转动角度，该角度为该区间内可提供最佳助推效果的角度。
[0100]
风帆助推系统控制方法的制定，需要综合考虑大地坐标系下的风场数据、船舶航行状态、不同风攻角下的风帆推力特性以及由于船舶运动而引起的风帆助推系统的惯性载荷。由大地坐标系下的风场数据、船舶航行状态，可得到船体坐标系下的风场数据(即相对风速大小及相对风向角情况)，以此为基础，进而考虑风帆不同攻角下的推力特性，制定相应的风帆助推系统转动角度的控制方法。
[0101]
如图7所示，相对风向角即为相对风向与船舶x轴的夹角，区间为0
°
至360
°
，船舶艏向来风为0
°
，顺时针旋转直到360
°
。
[0102]
4.根据船舶运动的状态或船舶作业工况或气象环境状况，对风帆进行回收，具体分如下几种情况：
[0103]
1)由船舶作业工况决定的降帆控制方法
[0104]
非航行工况下，需将风帆下降并至零位状态。
[0105]
船舶进出港，需将风帆下降并至零位状态。
[0106]
直升机作业时，需将风帆下降并至零位状态。
[0107]
锚、系泊作业时，需将风帆下降并至零位状态。
[0108]
风帆助推系统检修时，需将风帆下降并至零位状态。
[0109]
船舶遭遇恶劣海况时，需将风帆下降并至零位状态。
[0110]
船舶通过狭窄水道、桥梁或有高度限制的区域，需将风帆下降并至零位状态。
[0111]
升帆升起后影响雷达功能有效性时，需将风帆下降并至零位状态。
[0112]
在使用需要降帆的信号灯时，需将风帆下降并至零位状态。
[0113]
2)由气象环境决定的降帆控制方法
[0114]
通过气象预报、实时风场数据监测相结合的方式，辅以船员判断，控制风帆助推系统在合适的风力等级和风向下作业。
[0115]
以8级风速为极限风速，当气象预报显示未来24h内将出现超过8级风的天气条件时，船员操作将风帆下降并至零位状态。
[0116]
气象预报显示未来24h内将出现低于4℃天气时，为避免结冰，船员操作将风帆至零位状态(放置状态)；测得30分钟大气平均温度tt低于4℃时，自动降帆至零位状态(放置
状态)。tt计算方法为，设每一时刻的时间为t，由于风帆控制系统记录实时大气温度的时间步长为10秒，那么t时刻前30分钟(1800秒)的大气温度数据为t-10s、t-20s、
……
、t-1800s时间点所对应的dt-10i，将这些时刻的大气温度取平均值，即为tt。
[0117][0118]
在风帆升起工况下，当监测风速超过风帆的设计风速vs时，风帆的结构就会存在失效的风险，需要进行降帆。控制方法为，当0≤设计相对风速-帆顶相对风速≤2时，控制系统报警，当报警时间超过设计时间后，风帆自动下降一节或多节判断风速是否满足要求，直至所有各节帆面全部下降并回收至零位；当设计相对风速-帆顶相对风速≤0时，由于风帆为多节，自动下降一节或多节判断风速是否满足要求，直至所有各节帆面全部下降并回收至零位。由于在风帆顶部无法直接获取相对风速，需要通过船舶吃水以及风帆本身的相关参数进行换算来获取，详细描述如下。
[0119]
设置报警装置，风帆的帆顶设计风速为vs，船上可以获取距海平面10米高度处的风速v0，v0通过变换可得到帆顶的监测风速vs’，当0≤vs-vs’≤2时进行报警，持续报警时间超过2分钟，风帆自动下降一节或多节开展进一步判断风速是否满足要求，直至所有各节帆面全部下降并回收至零位；当vs-vs’≤0时，风帆自动下降一节或多节开展进一步判断风速是否满足要求，直至所有各节帆面全部下降并回收至零位。
[0120]
为了获取风帆顶端的监测风速vs’，首先需要获取距海平面10米高度处的风速v0，之后通过下述规范规定的公式进行计算得到。
[0121]
其中h为风帆顶端距海平面的距离。那么上述公式中只要得到h，便可得到vs’，办法如下。
[0122]
如图8所示，通过艏吃水感应器2和艉吃水感应器1测得的船舶艏吃水为tf，艉吃水为ta，艏吃水感应器2和艉吃水感应器1之间的距离为la，风帆3距船舶艉吃水传感器1的距离为ls，船舶型深为d，那么风帆所在位置的吃水ts为：
[0123][0124]
那么风帆所在位置主甲板4距水线面5的距离为d-ts。同时得到
[0125][0126]
通过风帆顶端7距船底8的距离，减去风帆所在位置的吃水ts，再投影到垂直与海平面方向上，便可得到风帆顶端7距水线面5的垂直距离h。其中风帆顶端7距船底8的距离可有风帆顶端7与主甲板4之间的距离hs，加上船舶的型深d获取。上述计算过程如下述公式：
[0127]
h＝(hs+d-ts)cosβ
[0128]
将风帆顶端7距水线面5的垂直距离h带入下述公式中，便可得到风帆顶端的监测风速vs’。
[0129][0130]
当风速不满足要求时，需要下降一节或多节帆面。风帆的有n个帆面6，每个帆面的高度为b，则此时的h计算如下式：
[0131]
h＝(hs+d-ts-nb)cosβ，n-1＞n≥0
[0132]
将h重新带入下式，判断是否满足风速要求。
[0133][0134]
举例说明如下，当风帆全部升起时，此时h＝(hs+d-ts)cosβ，测得的距海平面10米高度处的风速v0，那么
[0135][0136]
若判断此时需要降帆，那么可将最顶部帆面下降，其余帆面保持不变。再计算下降一节帆面后的vs’，此时
[0137]
h＝(hs+d-ts-b)cosβ，那么
[0138][0139]
继续将此时的vs’与vs进行比较后判断，以此类推。
[0140]
实时监测的参考风向连续10分钟保持在[0
°
～20
°
)以及(340
°
～360
°
)时，提示船员将风帆至零位状态；实时监测参考风向连续10分钟保持在[20
°
～340
°
]范围时，同时vs’+4小于vs，提示船员升起风帆。
[0141]
3)由船舶运动决定的降帆控制方法
[0142]
根据北大西洋25年1遇的惯性载荷，推导出北大西洋1年1遇的惯性载荷，北大西洋1年1遇的惯性载荷与北大西洋25年1遇的惯性载荷关系如下：
[0143][0144]
其中，as为风帆作业工况的加速度响应；
[0145]acsr
为csr规范计算的加速度响应；
[0146]
ξ为双参数weibull分布的形状参数，ξ＝1；
[0147]
以北大西洋1年1遇的船舶运动载荷为标准，对船舶实际运动载荷进行监测，实时监测船舶y轴方向的加速度，当船舶y轴方向的加速度超过0.8125
×
acsr-y，进行报警提示并降帆，降帆顺序按照s2中的小组划分及小组顺序依次降帆。
[0148]
若持续2分钟船舶y轴方向加速度峰值超过0.8125
×acsr-y，需将风帆回收，回收顺序按照s2中的小组划分及小组顺序进行回收，并可以通过转动继续使用风帆，转动顺序与
s2中的顺序一致。
[0149]
实时监测船舶z轴方向的加速度超过0.8125
×acsr-z，进行报警提示降帆，若持续2分钟z轴方向加速度峰值超过0.8125
×acsr-z，需将风帆回收，回收顺序与s2中的顺序一致，并可以通过转动继续使用风帆,转动顺序与s2中的顺序一致。
[0150]
在风帆结构设计时，采用的是北大西洋1年1遇的船舶运动载荷(加速度)，但在船舶营运时，其受到波浪引起的船舶运动载荷(加速度)有概率超过北大西洋1年1遇的船舶运动载荷，所以需要进行监测船舶运用载荷，一旦接近或超过限值，需要按照规定的控制方法将风帆下降并至零位状态。
[0151]
由于规范中给出了北大西洋25年1遇的船舶运动载荷，但却没有给出北大西洋1年1遇的船舶运动载荷，这里通过计算，基于北大西洋25年1遇的船舶运动载荷，乘以一个系数，从而得到北大西洋1年1遇的船舶运动载荷，关于该系数的获取过程具体描述如下。
[0152]
风帆在结构设计时，除了考虑设计风速所带来的风载荷，另一部分为船舶运动产生的惯性载荷(加速度)，由于风帆安装在船舶的主甲板或其它位置，其所受的惯性载荷由船舶运动提供，那么可参考船舶的惯性载荷进行设计。
[0153]
大型远洋货轮船舶的主要结构在设计时，使用的是船舶结构共同规范规定的北大西洋25年1遇的船舶运动载荷。目前风帆的作业风速为25m/s，对应的为8级海况。惯性载荷的计算与波浪的短期海况响应和长期海况响应都有关系，通过水动力分析，北大西洋1年1遇的惯性载荷(长期海况响应)足以覆盖8级海况环境下的惯性载荷(短期海况响应)，若直接采用船舶共同规范中的北大西洋25年1遇惯性载荷进行风帆结构设计，得到的结构尺寸就会过于保守。
[0154]
对于短期海况响应(惯性载荷等参数)，目前的获取方式是通过计算流体力学(cfd)得到，且由于每条船的设计不同，惯性载荷都要开展cfd分析，导致工作量巨大。正如前面描述，北大西洋1年1遇的惯性载荷(长期海况响应)足以覆盖8级海况环境下的惯性载荷(短期海况响应)，为了设计便捷，基于北大西洋25年1遇的惯性载荷，直接通过给定的系数，便可得到北大西洋1年1遇的惯性载荷，既降低了设计门槛，同时大幅缩短了设计周期。
[0155]
长期响应与超越概率水平或重现期相关，规范中指出，对于北大西洋x年1遇的超越概率水平为：
[0156]qx
(y》yd)＝n/n
x
[0157]
其中，q
x
(y》yd)为波浪极值y大于yd的概率，即在某概率分布下，统计大于yd的概率；n为波浪极值的重现次数，nx为总次数，3600为1小时所包含的秒数，24为一天的小时数，365为年的天数，x为年数，tm为平均的波浪周期(约为7.5s)，那么nx形式如下式：
[0158][0159]
若x为25年，则
[0160][0161]
那么
[0162]q25
(y》yd)＝n/n
25
∞10-8
[0163]
即对于北大西洋25年1遇的惯性载荷相当于10-8的超越概率水平。
[0164]
对于北大西洋1年1遇的惯性载荷，相当于：
[0165]
q1(y》yd)＝n/n1[0166][0167]
q1(y》yd)＝n/n1∞10-6.5
[0168]
即相当于10-6.5的超越概率水平。
[0169]
响应极值的长期分布，由双参数威布尔分布函数表示。
[0170][0171]
其中，fx(yd)为离散化的极值长期分布，ξ为双参数weibull分布的形状参数，k为双参数weibull分布的尺度参数，yd为长期响应极值。对于weibull分布，极值大于yd的概率为：
[0172]qx
(y》yd)＝1-f
x
(yd)
[0173]
当x＝25时，yd取为北大西洋25年1遇的加速度a25，则
[0174]q25
(y》yd)＝1-f
25
(yd)
[0175][0176][0177][0178]
同理，当x＝1时，yd取为北大西洋1年1遇的加速度a1，则
[0179]
q1(y》yd)＝1-f1(yd)
[0180][0181][0182][0183]
那么可得，
[0184][0185]
通过水动力分析，ξ＝1，即：
[0186][0187]
由此可得，北大西洋1年1遇的惯性载荷与北大西洋25年1遇的惯性载荷关系如下：
[0188][0189]
其中，as为风帆作业工况的加速度响应；a
csr
为csr规范计算的加速度响应；ξ为双
参数weibull分布的形状参数，ξ＝1。
[0190]
那么关于船舶y轴方向与z轴方向的加速度控制方法如下：
[0191]
实时监测船舶y轴方向的加速度超过0.8125
×acsr-y，进行报警提示降帆，若持续2分钟y轴方向加速度峰值超过0.8125
×acsr-y，需将风帆回收，并可以通过转动继续使用风帆。
[0192]
实时监测船舶z轴方向的加速度超过0.8125
×acsr-z，进行报警提示降帆，若持续2分钟z轴方向加速度峰值超过0.8125
×acsr-z，需将风帆回收，并可以通过转动继续使用风帆。
[0193]
4)由异常状况诱导的降帆控制方法
[0194]
风速风向仪全部失效或失准，应将风帆至零位状态。
[0195]
加速度仪失效或失准，应将风帆至零位状态，之后按照旋转控制方法继续使用风帆。
[0196]
作业工况下，任一帆或两帆出现系统故障，该帆至零位状态，其他帆正常作业；如风帆出现系统故障的个数大于总数的3/4，所有帆至零位状态。
[0197]
船舶发生火灾，应将风帆至零位状态。
[0198]
船舶主电源失去时，通过应急电源供电时，需将风帆至零位状态。
[0199]
船舶发生破舱、碰撞、搁浅等船员判断影响船舶操作安全的其他故障时，应将风帆至零位状态。
[0200]
5.当风帆达到回收条件时，旋转风帆至受力最小的角度准备降帆，旋转顺序与s2中的顺序一致，旋转后将风帆下降至回收状态。当风帆全部下降后，旋转至零位(如图6所示)，即左舷帆旋转至-90
°
，右舷帆旋转至+90
°
。

技术特征：
1.一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其特征在于：安装风帆的个数为n，风帆是翼型风帆，建立船体坐标系、局部坐标系和风帆坐标系，船体坐标系的原点为船舶的对称纵剖面、尾端和基线的相交处，记为o，x轴为纵向轴，向前为正，y轴为横向轴，向左为正，z轴为垂向轴，向上为正；局部坐标系的原点为风帆基座的中心点，记为o，l轴与船体坐标系x轴的方向一致，向前为正，t轴与船体坐标系的y轴方向一致，向左为正，v轴与船体坐标系的z轴方向一致，向上为正；风帆坐标系的原点与局部坐标系原点一致，记为o’，x坐标轴方向与风帆剖面的弦长方向垂直，向前为正，y坐标轴方向与风帆剖面的弦长方向一致，向右为正，z坐标轴为风帆的旋转轴，与船体坐标系的z轴方向一致，向上为正；风帆助推系统的具体控制方法如下：s1：旋转风帆至受力最小的角度在风帆升帆之前，将风帆旋转至受侧向力最小的角度，当相对风向与风帆坐标系x轴方向一致时，风帆所受的侧向力最小，风帆转角θ与实时监测的相对风向角α间的关系为：若实时监测的相对风向角α为[0
°
,180
°
]，则将风帆转角θ旋转至α-90
°
；若实时监测的相对风向角α为(180
°
,360
°
)，则将风帆转角θ旋转至α-270
°
；s2：对风帆进行分组，按照小组顺序进行旋转当n＝1时，风帆可通过动作机构直接完成旋转动作；当n＝2n+1,n＝1,2,
…
时，按照从船艏至船艉每2个分为一组，最后1个独立为一组，首先旋转最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次旋转各组风帆；当n＝2n,n＝1,2,
…
时，按照从船艏至船艉每2个分为一组，首先旋转最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次旋转各组风帆；s3：按照s2中划分的小组及小组顺序进行升帆；s4：升帆后，旋转风帆至能够提供最大助推力的角度以风帆旋转前10分钟的平均风向dt作为参数，调整风帆的旋转角度，按照s2中的分组及分组顺序进行调整，将风帆调整至具有最大助推力的角度，其中，t为风帆完成上升动作的时间；dt-10i是t时刻前600秒的相对风向数据；s5：根据船舶运动的状态对风帆进行回收根据北大西洋25年1遇的惯性载荷，推导出北大西洋1年1遇的惯性载荷，北大西洋1年1
遇的惯性载荷与北大西洋25年1遇的惯性载荷关系如下：其中，a
s
为风帆作业工况的加速度响应；a
csr
为csr规范计算的加速度响应；ξ为双参数weibull分布的形状参数，ξ＝1；以北大西洋1年1遇的船舶运动载荷为标准，对船舶实际运动载荷进行监测，实时监测船舶y轴方向的加速度，当船舶y轴方向的加速度超过0.8125
×
a
csr-y，进行报警提示并回收风帆，风帆回收顺序按照s2中的小组划分及小组顺序依次回收；若持续2分钟船舶y轴方向加速度峰值超过0.8125
×
a
csr-y，需将风帆回收，回收顺序按照s2中的小组划分及小组顺序进行回收，并可以通过旋转继续使用风帆，旋转顺序与s2中的顺序一致；实时监测船舶z轴方向的加速度超过0.8125
×
a
csr-z，进行报警提示并且回收风帆，若持续2分钟z轴方向加速度峰值超过0.8125
×
a
csr-z，需将风帆回收，回收顺序与s2中的顺序一致，并可以通过旋转继续使用风帆，旋转顺序与s2中的顺序一致；s6：旋转风帆至受力最小的角度准备降帆，旋转顺序与s2中的顺序一致，旋转后将风帆下降至回收状态。2.根据权利要求1所述的一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其特征在于：升帆前，检查风帆是否存在故障以及出现故障的风帆个数，风帆出现系统故障的个数大于总数的3/4时，停止升帆。3.根据权利要求1所述的一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其特征在于：风帆旋转后，风帆坐标系的y轴与局部坐标系l轴的夹角即为风帆的旋转角度θ，顺时针旋转为正。4.根据权利要求1所述的一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其特征在于：在s4中，对于不同剖面形状的风帆，实际控制按照区间划分开展，将[0
°
,340
°
]分为n个区间，每个区间对应一个风帆的转动角度，该角度为该区间内可提供最佳助推效果的角度。5.根据权利要求1或3所述的一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其特征在于：风帆转角θ的范围为-90
°
至+90
°
。6.根据权利要求1所述的一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其特征在于：风帆回收后，应置于“零位状态”，左舷帆在零位状态下，风帆转角为-90
°
，右舷帆在零位状态下，风帆转角为+90
°
。7.根据权利要求1所述的一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其特征在于：相对风向角即为相对风向与船舶x轴的夹角，区间为0
°
至360
°
，船舶艏向来风为0
°
，顺时针旋转直到360
°
。8.根据权利要求1所述的一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其特征在于：s5：根据船舶作业工况或气象环境状况对风帆进行回收。9.根据权利要求8所述的一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其
特征在于：s5：根据气象环境状况对风帆进行回收当气象预报显示未来24h内将出现超过8级风天气或低于4℃天气条件时，将风帆下降至零位状态；或测得30分钟大气平均温度tt低于4℃天气条件时，将风帆下降至零位状态；设每一时刻的时间为t，t时刻前1800秒的时间节点为t-10s、t-20s、
……
、t-1800s，这些时间节点相对应的大气温度外dt-10i，取这些时间节点的平均值，即为tt或当监测风速v
s’超过设计风速vs时，将风帆回收；当0≤vs-vs’≤2时进行报警，持续报警时间超过2分钟，桅杆自动下降一节或多节，进一步判断风速是否满足要求，直至风帆回收；当vs-vs’≤0时，风帆自动下降一节或多节，进一步判断风速是否满足要求，直至风帆回收。10.根据权利要求8所述的一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，其特征在于：s5：根据船舶作业工况对风帆进行回收风帆升起后影响雷达功能有效性时，需将风帆回收。

技术总结
一种复杂海洋气象条件下的翼型风帆助推系统控制方法，将风帆旋转至受力最小的角度，控制风帆的动作机构实现风帆的升起，根据对旋转风帆至能够提供最大助推力的角度，以北大西洋1年1遇的船舶运动载荷为标准，对船舶实际运动载荷进行监测，判断是否需要降帆，对目前风帆的工作状态以及船舶状态进行评估，判断是否存在作业工况、气象环境、船舶运动以及异常状况等条件的变化，需要根据相应的控制方法进行降帆，旋转风帆至受力最小的角度准备降帆，控制风帆的动作机构实现风帆的下降后，将风帆旋转至回收状态。本发明针对不同数量、节数的翼型风帆助推装置，形成了适用于不同船舶航速、风速的升降控制方法，达到了复杂风浪环境下最优的操帆目的。优的操帆目的。


技术研发人员：陈立 张倩 赵晓玲 彭贵胜 刘闯 梅荣兵 李文贺 潘友鹏 侯玉品 马珊 刘佳 秦明达 孟姜楠
受保护的技术使用者：大连船舶重工集团有限公司
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/6