可控被动式减摇水舱结构优化及控制方法研究
摘要
船舶在海上航行时，由于受到海风、海浪等外界环境的干扰，船体会产生六自由度
摇荡运动，剧烈的运动不仅影响船舶的适航性和耐波性，还会对船上人员、货物和机械
设备造成一系列有害影响。对于单体船由于其横摇阻尼较小，横摇运动更容易出现较大
幅值，因此需要安装减摇装置用于减小船舶的横摇运动。减摇水舱作为一种常用的减横
摇装置，它具有结构简单、造价低廉和不受航速限制等优点，被广泛应用于滚装船、集
装箱船、轮渡和科考船等船舶。本文针对某型滚装船的结构特点，对其可控被动式减摇
水舱的结构进行设计，并在此基础上深入研究可控被动式减摇水舱的气阀控制方法。
首先，本文介绍了被动式和可控被动式减摇水舱的工作原理，并根据拉格朗日方程
建立了“船舶-被动式减摇水舱”系统和“船舶-可控被动式减摇水舱”系统的数学模型，
在此基础上研究减摇水舱的安装位置、固有频率和阻尼系数对船舶横摇运动的影响；其
次，采用勃拉哥维辛斯基提出的方法设计了减摇水舱的结构，并进一步对水舱的边舱尺
寸、液体通道尺寸和液位高度进行优化，设计完成后验证水舱的减摇能力和船舶稳性是
否满足要求。为了检验所设计减摇水舱的有效性，采用CFD仿真方法计算减摇水舱的
特性参数，并对安装被动式减摇水舱的船舶进行仿真分析，仿真结果表明优化后的水舱
减摇效果明显提高；然后，研究可控被动式减摇水舱的气阀控制方法，针对液体惯性作
用导致的相位滞后问题，在常规控制方法的基础上提出了最佳相位PD控制方法，并通
过仿真实验对比分析两种控制方法的减摇效果；最后，研究船舶的横摇运动极短期预报
方法，分析了前向神经网络和递归神经网络在船舶横摇预报中的应用，通过对比两类神
经网络的预报误差，选择出最佳的方法设计减摇水舱的预报控制系统，并在不同海况下
进行仿真，仿真结果表明基于横摇预报的控制方法在不同海况下都能显著提高水舱的减
摇效果。
由于疫情原因和时间限制，本文针对以上研究内容只进行了仿真实验，理论研究与
实际可能存在少量偏差。
关键词：可控被动式减摇水舱；横摇运动；结构优化；横摇预报
可控被动式减摇水舱结构优化及控制方法研究
Abstract
Whenshipsaresailingatsea,theyaresubjecttoexternalfactorssuchasseawindand
waves,whichcausethevesseltoexperiencesixdegreesoffreedommotion.Theviolentmotion
notonlyaffectstheseaworthinessandwaveresistanceoftheship,butalsocausesaseriesof
harmfuleffectsonpersonnel,cargo,andmechanicalequipmentonboard.Foramonohullvessel,
duetoitssmallrolldamping,largeamplituderollmotionismorelikelytooccur,soitis
necessarytoinstallanti-rolldevicestoreducethevesselsrollmotion.Asacommonlyused
anti-rolldevice,theanti-rolltankhastheadvantagesofsimplestructure,lowcost,andnospeed
restriction,andiswidelyusedinroll-on/roll-offships,drillingships,scientificresearchvessels,
andothertypesofvessels.Inthispaper,basedonthestructuralcharacteristicsofacertain