液压辅助系泊系统（HAM）在船舶减振中的非线性动力学建模与性能优化研究

本文推荐一项关于液压辅助系泊系统（HAM）的研究，针对传统系泊系统（BMS）在波浪激励下共振响应显著的问题，研究人员通过建立非线性Jenkins摩擦阻尼器模型，结合谐波平衡法（HBM）和时域仿真，揭示了HAM通过调节滑移力阈值（ι）和耦合刚度比（κ）可有效拓宽减振频带，在特定参数下（ι=1-2, κ=5-10）使动态放大因子（β）降低97%以上，为海洋工程船舶抗浪设计提供了重要理论依据。

　　

随着海洋资源开发向深远海推进，船舶与海洋平台长期面临复杂海况的严峻挑战。传统系泊系统（BMS）虽能提供基本定位功能，但在波浪周期性激励下易产生显著共振响应，尤其当波浪频率接近系统固有频率时，将引发大幅运动不仅威胁作业安全，还会加速系泊构件疲劳损伤。为解决这一工程难题，研究人员创新性地提出液压辅助系泊系统（HAM），通过引入非线性阻尼机制来抑制共振峰值。

为系统评估HAM性能，研究团队建立了包含液压缸、蓄能器和控制阀的完整系统模型。关键技术方法包括：1）基于计算流体动力学（CFD）与边界元法（BEM）获取水动力系数（附加质量A₁₁^∞、辐射阻尼c(ω)和波浪激励力F_ec(ω)）；2）采用Simulink-Simscape平台构建液压系统时域模型；3）运用谐波平衡法（HBM）推导等效刚度（k_eq）和阻尼（c_eq）的频域解析解；4）通过非线性最小二乘法识别Jenkins模型参数（滑移力F_f和预滑刚度k_s）。

研究结果揭示出以下关键规律：

3.1. Jenkins摩擦阻尼器模型识别

通过对比时域仿真与Jenkins模型响应，验证了双线性滞回特性（图5）。参数识别显示当滑移力阈值比ι=1时，等效耦合刚度k_s=2.88×10⁴ kN/m，临界滑移位移X_c=3.05×10^-2 m，模型预测力与参考力误差小于5%。

3.2. HAM恢复力的一阶近似

基于谐波平衡理论推导出等效参数表达式：

k_eq = [ (π+2β)/(2π) + (2/π)·√(α-1)(2-α)/α2 ]·k_s

c_eq = (4/(πω))·(α-1)/α2·k_s

其中滑移指数α=X/X_c。分析表明当α≤1时系统处于粘滞状态（c_eq=0），α>1时呈现非线性阻尼特性。

3.3. 频域分析

建立包含HAM的系统运动方程：

[ -ω2(m+A₁₁) + jω(c+c_eq) + (k_m+k_eq) ] X? = A_wF?_ec

无量纲分析显示系统存在两个特征频率：BMS固有频率γ_r,B=√(1-2σ_c2)和HAM修正频率γ_r,H=√(1+κ-2(σ_c+σ_ceq)2)，其中κ=k_s/k_m为刚度比。

4. 动态响应性能指标

引入对数幅值比lg(X/X_n)评价减振效果，负值表示抑制有效。动态放大因子β=X/δ_st（δ_st=F_A/k_m）显示当κ=5时，β_max从BMS的22.66降至0.72（降低96.8%）。功率流分析表明输入功率P?_in通过辐射阻尼（P?_c）和HAM耗散（P?_ceq）实现平衡。

5.1. 频域与时域模型交叉验证

在F_A=750 kN, ω_n=0.2 rad/s条件下，FD与TD结果高度吻合（图7）。特别在ι≥1时，共振区预测误差小于3%，仅当ι=0.75且在γ≈0.5时出现轻微偏差，证实频域模型适用于大多数工程场景。

5.2. 滑移力阈值与耦合刚度优化

参数扫描表明：

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  滑移力阈值比ι=1-2时最优，抑制带宽达γ_e=1.6（图8d）
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  耦合刚度比κ=5-10时，共振峰移向高频(γ≈2.45)且幅值下降97%（图9b）
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  过度提高ι(>2)会引发次共振峰，而κ→∞将使系统退化为纯弹簧系统

研究结论表明，HAM系统通过非线性滞回耗能机制，可将传统系泊系统的共振响应抑制97%以上，有效拓宽减振频带。最优参数组合为ι=1-2且κ=5-10，此时系统在波浪周期大于24.5 s（对应γ<1.9）的长周期海况中表现优异。该研究为深海系泊系统设计提供了理论依据与参数优化指南，对提升海洋结构物作业安全性与耐久性具有重要意义。论文发表于《Applied Surface Science》，展现了表面工程技术在海洋装备创新中的交叉应用价值。