多功能油船液貨晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目申報(bào)書

1、附件1：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)表推薦學(xué)校：（蓋章）項(xiàng)目編號(hào)：項(xiàng)目名稱：多功能油船液貨晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制所屬一級(jí)學(xué)科名稱：船舶與海洋工程項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：孫強(qiáng)聯(lián)系電話導(dǎo)教師：吳文鋒 盧金樹聯(lián)系電話：13575617275申報(bào)日期：2014.5.28浙江省教育廳 制二一四年五月項(xiàng)目名稱多功能油船液貨晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制項(xiàng)目所屬一級(jí)學(xué)科 船舶與海洋工程項(xiàng)目類型（ ）創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目 （ ）創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目 （ ）創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間起始時(shí)間： 2014 年 6 月 完成時(shí)間：2016 年 6 月項(xiàng)目簡(jiǎn)介(100字以內(nèi)） 項(xiàng)目擬研制具備橫搖、縱搖和升沉

2、及復(fù)合運(yùn)動(dòng)的液貨晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)針對(duì)油船搖晃環(huán)境下晃蕩載荷特性、泄漏特征與油氣濃度場(chǎng)變化規(guī)律等多種實(shí)驗(yàn)功能。本項(xiàng)目通過(guò)理論分析、仿真模擬與樣機(jī)測(cè)試等手段研制晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械動(dòng)力裝置及其模糊控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。申請(qǐng)人或申請(qǐng)團(tuán)隊(duì)姓名年級(jí)學(xué)號(hào)所在院系/專業(yè)聯(lián)系電話e-mail主持人孫強(qiáng)二年級(jí)120208127港航學(xué)院/輪機(jī)工程183680805371522635011成員程如朋二年級(jí)120208134港航學(xué)院/輪機(jī)工程18368081490102771056劉笑二年級(jí)120208120港航學(xué)院/輪機(jī)工程18368080520985508183指 導(dǎo) 教 師第一指導(dǎo)教師姓名 吳文鋒單位浙

3、江海洋學(xué)院年齡 30專業(yè)技術(shù)職務(wù)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(guān)的國(guó)家及省部級(jí)項(xiàng)目多項(xiàng)，發(fā)表論文10余篇，其中檢索3篇，參與指導(dǎo)研究生及本科生畢業(yè)論文多篇。第二指導(dǎo)教師姓名 盧金樹單位浙江海洋學(xué)院年齡39專業(yè)技術(shù)職務(wù)副教授主要成果曾完成國(guó)家自然科學(xué)基金、省重大專項(xiàng)項(xiàng)目、省自然科學(xué)基金項(xiàng)目多項(xiàng)，發(fā)表論文20余篇，其中檢索5篇，獲得專利20余項(xiàng)，其中發(fā)明專利2項(xiàng)。曾指導(dǎo)學(xué)生完成省新苗人才計(jì)劃5項(xiàng)并發(fā)表論文多篇及專利多項(xiàng)。1、 申請(qǐng)理由 1）為滿足油船搖晃環(huán)境下液艙壁沖擊壓力場(chǎng)與油氣濃度場(chǎng)變化規(guī)律等實(shí)驗(yàn)研究的需要，本項(xiàng)目擬研制具備橫搖、縱搖和升沉及復(fù)合運(yùn)動(dòng)功能的液體晃蕩實(shí)驗(yàn)

4、裝置。 2）本項(xiàng)目通過(guò)理論分析、仿真模擬等手段完成了虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了可行性。 3）本小組成員曾參與國(guó)家級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，具備較強(qiáng)的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神，有完成本項(xiàng)目的能力。2、 項(xiàng)目方案1 項(xiàng)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(xué)品船(lcg)等液貨船在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中始終伴隨的晃蕩問題，尤其在航行過(guò)程晃蕩過(guò)程更為明顯，產(chǎn)生的沖擊力對(duì)液艙的安全構(gòu)成巨大的威脅?；问庍^(guò)程還伴隨著艙氣的揮發(fā)，每年的排放量達(dá)到400至700萬(wàn)噸，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境損失。因此關(guān)注液貨船的晃蕩問題，加強(qiáng)晃蕩相關(guān)問題的研究對(duì)于解決中國(guó)造

5、船業(yè)主要面臨造船產(chǎn)能總量過(guò)剩的結(jié)構(gòu)性矛盾，對(duì)于降低液貨船運(yùn)輸過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。晃蕩是一個(gè)廣義的范疇，它是指容器內(nèi)流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于液艙晃蕩影響系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的研究已有50余年的歷史，在航空、航天高科技設(shè)備中，如液體火箭、充液衛(wèi)星、空間站等，晃蕩控制始終是國(guó)際研究的前沿課題。目前，國(guó)內(nèi)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(yàn)研究。中國(guó)油船科學(xué)研究中祁江濤等采用 vof 法對(duì)部分充滿液艙的晃蕩進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù), 針對(duì)二維矩形艙和三維立方體艙及薄膜型艙進(jìn)行了計(jì)算。大連理工大學(xué)朱小松等采用光滑粒子水動(dòng)力學(xué)法（sph）對(duì)二維晃蕩問題進(jìn)行了計(jì)算

6、和分析。研究了“i”型和“t”型 2 種結(jié)構(gòu)形式對(duì)矩形液艙內(nèi)液體晃蕩的抑制效果。通過(guò)對(duì)不同隔板尺寸的對(duì)比研究，得到了隔板高度和寬度對(duì)晃蕩的影響作用。上海交通大學(xué)蔡忠華等利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(cfd)模型用來(lái)模擬液艙的晃動(dòng)。研究了不同的填充高度和共振頻率對(duì)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(yùn)動(dòng)的激勵(lì)下，各點(diǎn)的壓力和自由液面的特點(diǎn) 。目前國(guó)內(nèi)外主要的晃蕩實(shí)驗(yàn)裝置有：l 韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)的晃蕩試驗(yàn)平臺(tái)，能模擬六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最大稱重可以達(dá)到 4 噸。l 上海交通大學(xué)三自由度晃蕩裝置，他由計(jì)算機(jī)控制電液伺服運(yùn)動(dòng)裝置，可以使框架在三自由度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)(

7、縱搖、橫搖和升沉)。它由本體，控制部分和信號(hào)分析系統(tǒng)三部分組成。實(shí)驗(yàn)框架尺度為：1.1米*1.1米 *1.1米。實(shí)驗(yàn)框架和內(nèi)部流體的最大載重為1.5噸。在最大承載條件下，該晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的橫搖運(yùn)動(dòng)的的振幅3 0，縱搖的幅值20，升沉運(yùn)動(dòng)的升程200mm。 晃蕩運(yùn)動(dòng)頻率變化范圍為0-1.5hz，能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)及其復(fù)合運(yùn)動(dòng)。l p.k. panigrahy 等制作的一自由度晃蕩裝置。能夠?qū)崿F(xiàn)橫搖運(yùn)動(dòng)，采用電力驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單。2）晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制意義目前，對(duì)液艙晃蕩及其相關(guān)問題的研究主要集中在數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)船測(cè)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(yàn)

8、平臺(tái)。因此，對(duì)晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)，得到了越來(lái)越多的關(guān)注。而目前國(guó)內(nèi)外制作的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，多自由度晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，一自由度晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)效果不理想，不接近油船晃蕩的實(shí)際情況，而具備多種實(shí)驗(yàn)功能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還未見相關(guān)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(chǎng)變化規(guī)律等多種實(shí)驗(yàn)需求，有必要對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并配置合適的液壓動(dòng)力系統(tǒng)，開發(fā)一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而實(shí)用的多功能晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。3）項(xiàng)目已有基礎(chǔ)學(xué)校有相應(yīng)輪機(jī)工程實(shí)驗(yàn)室、船舶動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)室、工程實(shí)訓(xùn)中心具備高性能計(jì)算機(jī)及軟件平臺(tái)，振動(dòng)檢測(cè)儀和機(jī)床等必要設(shè)備。4）本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取

9、得的成績(jī) 查閱了國(guó)內(nèi)外晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究的大量文獻(xiàn)，清楚掌握了相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理； 項(xiàng)目組成員有參加國(guó)家創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)，熟悉adams軟件和計(jì)算機(jī)模擬；已開發(fā)應(yīng)用于空氣環(huán)境的晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并完成本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)； 通過(guò)adams仿真實(shí)現(xiàn)多自由度的基本運(yùn)動(dòng)，靜力學(xué)結(jié)構(gòu)合理，經(jīng)驗(yàn)證可行。5）缺少的條件特定液艙模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有待進(jìn)一步研究。尚未制作晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物和相配套的控制、反饋系統(tǒng)，并需優(yōu)化其運(yùn)行特性。6）解決的方法 由于油船在真實(shí)海洋環(huán)境，晃蕩過(guò)程十分復(fù)雜，因此需要查閱大量資料，借鑒前人的實(shí)驗(yàn)裝置，并以此為基礎(chǔ)結(jié)合真實(shí)海況，確定較為理想的振幅和周期變化范圍。 購(gòu)買及制作相關(guān)設(shè)備，

10、完成其實(shí)物模型。對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)及其控制和反饋系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。符合相關(guān)晃蕩實(shí)驗(yàn)的要求。2 項(xiàng)目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容1）研究目標(biāo)本項(xiàng)目主要研制具備橫搖、縱搖和升沉及復(fù)合運(yùn)動(dòng)的液貨晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)油船搖晃環(huán)境下泄漏特征、液艙壁沖擊壓力場(chǎng)與油氣濃度場(chǎng)變化規(guī)律等多種實(shí)驗(yàn)功能。 2) 主要內(nèi)容通過(guò)建立晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型，用adams軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)原理的可行性。通過(guò)數(shù)值模擬的方法，設(shè)計(jì)不同的特征參數(shù)，監(jiān)測(cè)不同特征參數(shù)下晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力分布情況。根據(jù)理論模型，參考機(jī)械設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行機(jī)械部件的設(shè)計(jì)。確定吊架、框架，相關(guān)夾具的尺寸，根據(jù)負(fù)荷分布，確定相關(guān)器具的材料。根據(jù)實(shí)驗(yàn)負(fù)荷要求，確

11、定合適的動(dòng)力元件和傳動(dòng)元件。在機(jī)械部件設(shè)計(jì)的同時(shí)，設(shè)計(jì)出完善的反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)控和自動(dòng)控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，選定傳感器、單片機(jī)、控制器等硬件，并進(jìn)行合理的布置，開發(fā)出滿足實(shí)驗(yàn)要求的程序，以實(shí)現(xiàn)一定規(guī)律的控制。構(gòu)建出完整的多功能晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型，能夠進(jìn)行晃蕩實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的可靠性，并對(duì)晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行記錄、分析，調(diào)試和優(yōu)化，使其更加完善。3.項(xiàng)目創(chuàng)新特色概述1）在通常研究晃蕩艙沖擊力的基礎(chǔ)上，擬開發(fā)一套研究泄漏特征、液艙壓力場(chǎng)與油氣濃度場(chǎng)變化規(guī)律的多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2）通過(guò)模糊控制手段，設(shè)計(jì)出完善的反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬艙運(yùn)動(dòng)的精確控制。3）針對(duì)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(dòng)部件對(duì)模擬水池中流場(chǎng)的擾動(dòng)，首次將傳動(dòng)部件與模型艙的連接轉(zhuǎn)移到水面上。 4. 項(xiàng)目研究技術(shù)路線首先根據(jù)泄漏實(shí)驗(yàn)研究的要求，進(jìn)行縮尺計(jì)算，以確定晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型，用adams軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，并進(jìn)行修正使其滿足既定的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)理論模型，參考機(jī)械設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行各機(jī)械部件的選用和設(shè)計(jì)。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的反饋控制系統(tǒng)。最終構(gòu)建出完整的多功能晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型，能夠進(jìn)行晃蕩實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的可靠性，并對(duì)對(duì)該晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。具體技術(shù)路線如圖1所示。 圖1 技術(shù)路線圖5. 進(jìn)度安排 2014.06-2014.0

13、9 adams仿真軟件、編程、機(jī)械設(shè)計(jì)理論等相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)； 2014.09-2014.12 多功能晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)值建模及adams仿真； 2014.12-2015.06 構(gòu)建液艙晃蕩系統(tǒng)的機(jī)械框架； 2015.06-2015.12 開發(fā)晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)反饋控制系統(tǒng)； 2015.12-2016.04 完成晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作、調(diào)試，并申請(qǐng)專利一項(xiàng)； 2016.04-2016.06 相關(guān)材料整理，準(zhǔn)備結(jié)題。 6. 項(xiàng)目組成員分工 1）孫強(qiáng)：利用adams軟件對(duì)三自由度晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真，做出虛擬樣機(jī)； 2）程如朋：機(jī)械設(shè)計(jì)原理的學(xué)習(xí)，完成動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 3）劉笑：學(xué)習(xí)c語(yǔ)言、單片機(jī)等，選取合適的控制

14、元件，設(shè)計(jì)相應(yīng)控制程序。三、學(xué)校提供條件（包括項(xiàng)目開展所需的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)情況、配套經(jīng)費(fèi)、相關(guān)扶持政策等）1.實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)情況 學(xué)校有船舶工程技術(shù)實(shí)訓(xùn)基地、電氣自動(dòng)化技術(shù)中心等專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，為本項(xiàng)目的進(jìn)行提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。2.配套經(jīng)費(fèi) 給與該項(xiàng)目1:1的資金配套，并建立專門賬戶，保證專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)使用。3.相關(guān)扶持政策 學(xué)校長(zhǎng)期鼓勵(lì)學(xué)生從事實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)，各學(xué)院設(shè)有學(xué)生實(shí)踐部，專門從事課外實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)，有一系列規(guī)章制度和扶持政策。四、預(yù)期成果1.作品一件（多功能油船液貨晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）；2.專利2件，其中發(fā)明專利1件；3.發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇。五、經(jīng)費(fèi)預(yù)算總經(jīng)費(fèi)（元）20000財(cái)政撥款（元）10000學(xué)校撥款（元）10000注：總經(jīng)費(fèi)、財(cái)政撥款、學(xué)校撥款由學(xué)校按照有關(guān)規(guī)定核定數(shù)目進(jìn)行填寫1.調(diào)研、差旅費(fèi)：2000元；2.項(xiàng)目研發(fā)的液壓元件，小型電機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)元件購(gòu)置費(fèi)等：10000元；3.資料購(gòu)置、打印、復(fù)印等費(fèi)用：3000元；4.論文版面費(fèi)、專利費(fèi)等：5000元。六、導(dǎo)師推薦意見該項(xiàng)目研究的多功能油船液貨晃蕩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具