一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法与流程

1.本发明属于翼型风帆船建造及设计领域，具体涉及一种由惯性载荷决定的翼型风帆的降帆方法。


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，船用风帆是以风能这一清洁能源作为推动力。
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，以安装翼型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，提出了翼型风帆船风帆助推系统控制方法。
4.由于翼型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。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。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，得到北大西洋1年1遇的船舶运动载荷。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，旨在达到在复杂还有气象条件下，使翼型风帆船具有最佳节能效果的目的，其所采用的技术方案是：
6.一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，建立船体坐标系，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，y轴为横向轴，z轴为垂向轴。
7.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，北大西洋1年1遇的惯性载荷根据北大西洋25年1遇的惯性载荷推导出，北大西洋1年1遇的惯性载荷与北大西洋25年1遇的惯性载荷关系如下：
[0008][0009]
其中，as为风帆作业工况的加速度响应。
[0010]acsr
为csr规范计算的加速度响应。
[0011]
ξ为双参数weibull分布的形状参数，ξ＝1。
[0012]
在北大西洋1年1遇的船舶运动载荷基础上，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回收。
[0013]
若持续2分钟船舶y轴方向加速度峰值超过0.8125
×acsr-y，需降帆回收。
[0014]
实时监测船舶z轴方向的加速度，当船舶z轴方向的加速度超过0.8125
×acsr-z，进行报警提示并降帆回收。
[0015]
若持续2分钟船舶z轴方向加速度峰值超过0.8125
×acsr-z，需降帆回收。
[0016]
上述一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，更进一步地，安装风帆的个数为n，
[0017][0018]
当n＝1时，风帆可通过动作机构直接完成降帆动作。
[0019]
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，首先下降最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次下降各组风帆。
[0020]
当n＝2n,n＝1,2,
…
时，按照从船艏至船艉每2个分为一组，首先下降最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次下降各组风帆。
[0021]
上述一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，更进一步地，船舶的左舷、右舷均对称设置有风帆。
[0022]
上述一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，更进一步地，风帆带有多节桅杆，桅杆上固定有帆面。
[0023]
上述一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，更进一步地，x轴向前为正，y轴向左为正，z轴向上为正。
[0024]
上述一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，更进一步地，风帆是翼型风帆。
[0025]
本发明的有益效果如下：
[0026]
1.由船舶运动决定的降帆控制策略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。
[0027]
2.风帆作业工况惯性载荷选用北大西洋1年1遇的惯性载荷，可覆盖8级海况下的惯性载荷，符合风帆在作业工况下的环境载荷，选取合理。
[0028]
3.风帆作业工况惯性载荷计算方法在csr惯性载荷体系下，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。
附图说明
[0029]
图1为船体坐标系示意图。
具体实施方式
[0030]
结合附图对本发明做进一步说明。
[0031]
一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，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。
[0032]
如图1所示，建立船体坐标系，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。安装翼型风帆助推的个数为n，
[0033][0034]
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：
[0035][0036]
其中，as为风帆作业工况的加速度响应；
[0037]acsr
为csr规范计算的加速度响应；
[0038]
ξ为双参数weibull分布的形状参数，ξ＝1。
[0039]
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。
[0040]
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，并可以通过转动继续使用风帆。
[0041]
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。
[0042]
当n＝1时，风帆可通过动作机构直接完成下降动作。
[0043]
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，首先下降最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次下降各组风帆；
[0044]
当n＝2n,n＝1,2,
…
时，按照从船艏至船艉每2个分为一组，首先下降最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次下降各组风帆。
[0045]
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。
[0046]
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。
[0047]
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。
[0048]
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。
[0049]
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。
[0050]
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：
[0051]qx
(y》yd)＝n/n
x
[0052]
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：
[0053][0054]
若x为25年，则
[0055][0056]
那么
[0057]q25
(y》yd)＝n/n
25
∞10-8
[0058]
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。
[0059]
对于北大西洋1年1遇的惯性载荷，相当于：
[0060]
q1(y》yd)＝n/n1[0061][0062]
q1(y》yd)＝n/n1∞10-6.5
[0063]
即相当于10-6.5的超越概率水平。
[0064]
响应极值的长期分布，由双参数威布尔分布函数表示。
[0065][0066]
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：
[0067]qx
(y》yd)＝1-f
x
(yd)
[0068]
当x＝25时，yd取为北大西洋25年1遇的加速度a25，则
[0069]q25
(y》yd)＝1-f
25
(yd)
[0070][0071][0072][0073]
同理，当x＝1时，yd取为北大西洋1年1遇的加速度a1，则
[0074]
q1(y》yd)＝1-f1(yd)
[0075][0076][0077][0078]
那么可得，
[0079][0080]
通过水动力分析，ξ＝1，即：
[0081][0082]
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：
[0083][0084]
本发明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。风帆作业工况惯性载荷选用北大西洋1年1遇的惯性载荷，可覆盖8级海况下的惯性载荷，符合风帆在作业工况下的环境载荷，选取合理。风帆作业工况惯性载荷计算方法在csr惯性载荷体系下，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。

技术特征：
1.一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，其特征在于：建立船体坐标系，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，y轴为横向轴，z轴为垂向轴；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，北大西洋1年1遇的惯性载荷根据北大西洋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；在北大西洋1年1遇的船舶运动载荷基础上，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，进行报警提示并降帆回收；若持续2分钟船舶y轴方向加速度峰值超过0.8125
×
a
csr-y，需降帆回收；实时监测船舶z轴方向的加速度，当船舶z轴方向的加速度超过0.8125
×
a
csr-z，进行报警提示并降帆回收；若持续2分钟船舶z轴方向加速度峰值超过0.8125
×
a
csr-z，需降帆回收。2.根据权利要求1所述的一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，其特征在于：安装风帆的个数为n，当n＝1时，风帆可通过动作机构直接完成降帆动作；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，首先下降最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次下降各组风帆；当n＝2n,n＝1,2,
…
时，按照从船艏至船艉每2个分为一组，首先下降最靠近船艏一组风帆，之后按照船艏至船艉顺序依次下降各组风帆。3.根据权利要求1所述的一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，其特征在于：船舶的左舷、右舷均对称设置有风帆。4.根据权利要求1所述的一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，其特征在于：风帆带有多节桅杆，桅杆上固定有帆面。5.根据权利要求1所述的一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，其特征在于：x轴向前为正，y轴向左为正，z轴向上为正。6.根据权利要求1所述的一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，其特征在于：风帆是翼型风帆。

技术总结
一种由惯性载荷决定的翼型风帆降帆方法，建立船体坐标系，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，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。风帆作业工况惯性载荷选用北大西洋1年1遇的惯性载荷，可覆盖8级海况下的惯性载荷，符合风帆在作业工况下的环境载荷，选取合理。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。风帆作业工况惯性载荷选用北大西洋1年1遇的惯性载荷，可覆盖8级海况下的惯性载荷，符合风帆在作业工况下的环境载荷，选取合理。合理。


技术研发人员：陈立 赵晓玲 刘闯 李文贺 李吉明 潘友鹏 马珊 梅荣兵 张倩 陈澄 王珊 卢冉 张祺
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：2023/8/14