(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210847182.0 (22)申请日 2022.07.07 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 郝会云　刘韵晴　吴钦　刘影　 黄彪　王国玉　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 专利代理师 邬晓楠 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预 测方法 (57)摘要 本发明公开的一种基于水动力降阶模型的 水翼稳定性预测方法， 属于船舶工业和流体机械 技术领域。 本发明通过信号训练、 参数辨识及状 态变换、 双线性变换建立连续状态空间水动力降 阶模型， 计算其矩阵特征值并结合流场稳定性判 据判断流场的稳定性； 通过对参考水翼进行三维 建模、 有限元分析和Theodorsen理论计算， 得到 考虑水的附加质量效应的质量矩阵、 刚度矩阵和 结构运动方程， 建立连续状态空间参数化结构降 阶模型； 耦合水动力降阶模型与参数化结构降阶 模型建立参数化水弹性流固耦合降阶模型， 结合 参数化水弹性流固耦合降阶模型矩 阵特征值和 水弹性流固耦合系统稳定性判据， 提高水翼稳定 性预测精度和效率。 本发明能够分析水弹性流固 耦合系统失稳边界随质量比的变化规律， 解决水 翼优化应用等相关工程 技术问题。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 115270328 A 2022.11.01 CN 115270328 A 1.一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法， 其特 征在于： 包括以下步骤， 步骤1： 采集参考水翼 的结构位移输入信号， 以水动力响应作为输出， 进行信号训练与 参数识别， 建立ARX模型的离 散差分方程； 步骤2： 基于步骤1建立的ARX模型的离散差分方程， 通过状态变换及双线性变换建立连 续状态空间水动力降阶模型； 步骤3： 计算连续状态空间水动力降阶模型矩阵的特征值， 构建流场稳定性判据， 根据 特征值实部的正负判断流场的稳定性， 进 而提高对参 考水翼流场稳定性的预测效率； 步骤4： 通过对参考水翼进行三维建模， 有限元分析和Theodorsen理论计算， 得到考虑 水的附加质量效应的水翼质量矩阵、 刚度矩阵和结构运动方程； 步骤5： 基于步骤4得到的考虑水的附加质量效应的结构运动方程， 进而通过状态变换 建立连续状态空间参数化结构降阶模型； 步骤6： 耦合步骤2得到的连续状态空间水动力降阶模型和步骤5得到的连续状态空间 参数化结构降阶模型， 建立 参数化水弹性 流固耦合降阶模型； 步骤7： 计算参数化水弹性流固耦合降阶模型矩阵的特征值， 构建水弹性流固耦合系统 稳定性判 据； 根据参数化水弹性流固耦合降阶模型矩阵特征值实部的正负和所述流固耦合 系统稳定性判据， 提高流固耦合系统稳定性的预测精度和效率。 2.如权利要求1所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法， 其特征在于： 还包括步骤8， 以相对质量比为变量， 通过获取不同相对质量比水翼的流固耦合系统模型特 征根轨迹图， 高效率高精度地分析水弹性流固耦合系统失稳边界随质量比的变化规律， 优 化改善水翼设计， 避免水翼流固耦合系统锁频现象发生时水翼结构破坏， 延长水翼构件的 使用寿命。 3.如权利要求1或2所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法， 其特征在 于： 所述的步骤1中， 得到ARX模型的离 散差分方程， 如下 其中ξ是输入信号， fa是输出量； Ai和Bi为训练后辨识得到的系数矩阵， n a和nb分别为输 入和输出量的延迟阶数。 4.如权利要求3所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法， 其特征在于： 所述的步骤2中， 通过状态变换及 双线性变换建立连续状态空间水动力降阶模型， 如下 其中， xa是水动力降阶模型的连续状态空间的状态变量， ξ是该状态空 间的输入， fa为该状态空间的输出， t为第t时刻， Aa、 Ba、 Ca、 Da为水动力降阶模型的连续状态 空间参数。 5.如权利要求4所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法， 其特征在于： 所述的步骤3中， 给 出参考水翼模型流场的稳定性判据， 如下权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115270328 A 2。 6.如权利要求5所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法， 其特征在于： 所述的步骤4中， 通过对参考水翼进行三维建模， 有限元分析和Theodorsen理论计算， 得到 考虑水的附加质量效应的水翼质量矩阵、 刚度矩阵和结构运动方程， 实现方法如下： 首先基于三维建模软件， 建立 参考水翼模型， 获得广义质量矩阵和刚度矩阵， 如下 其中m、 Sθ、 Iθ、 Kh、 Kθ分别为单位展长 水翼的质量、 对刚心的质量 静矩、 对刚心的质量惯性 矩、 弯曲刚度和扭转刚度； 然后给出基于Theodorsen理论计算的附加质量矩阵和附加刚度矩阵， 如下 其中U为来流速度， ρf为水的密度， a、 b分别为水翼弹性轴到弦 中点的距离、 水翼半 弦长， k＝ωb/U为减 缩频率， ω为系统固有频率； C(k)为Theodorsen 函数； 不考虑响应幅值， 令阻尼矩阵为0； 通过与广义质量矩阵、 刚度矩阵组合， 得到考虑水的 附加质量效应的质量矩阵和刚度矩阵， 进 而得到结构运动方程， 如下 其中 ξ表示结构广义加速度和位移， FCFD表示外力。 7.如权利要求6所述的一种基于水动力降阶模型的水翼稳定性预测方法， 其特征在于： 所述的步骤5中， 通过状态变换建立连续状态空间参数化结构降阶模型， 如下 其中， xs是参数化结构降阶模型连续状态空间的状态变量， ξ是该状态 空间的输入， fa为该状态空间 的输出， t为第t时刻， As、 Bs、 Cs、 Ds为水动力降阶模型的连续状 态空间参数， 分别为： 其中， 0为方阵， I表示单位矩阵， q为动压； Mfs、 Kfs分别为考虑水的附加质量效应的参数 化结构降阶模型的质量矩阵和刚度矩阵， 如下权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115270328 A 3