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平旋推进拖船的运动建模与仿真

作　者: 高孝日
导　师: 洪碧光
学　校: 大连海事大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 船舶操纵性船舶运动仿真平旋推进器 VSP 低速
分类号: U661
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

为了更加安全和高效地驾驶船舶,拖船辅助操纵已经成为保证港内安全航行不可缺少的重要手段,因此,对拖船在港内操纵性能的研究显得尤为重要。本文介绍一种技术成熟、港内操纵性能优良,但在我国港口还没有得到广泛应用的拖船,即平旋推进拖船(VSP型拖船),并对其运动特性进行深入的研究。在总结国内外已公开资料的基础上,吸取了日本MMG建模思想,建立一组较为精确、完整的平旋推进拖船的运动方程。常速域下水动力采用贵岛胜郎的计算模型,并考虑了横倾运动的情况。对拖船的直航和旋回运动进行仿真,仿真结果表明:文中建立的数学模型能够反映出常速情况下拖船的运动状况。低速域下水动力采用芳村康南的计算模型。通过对平旋桨操纵角度的调整,实现了平旋推进拖船的横移运动和原地旋回运动的仿真,仿真结果体现了该类型拖船的优良操纵性能。为了解MMG数学模型中水动力导数的变化对操纵运动方程的影响程度,本文对个别水动力导数进行偏移修正,探讨了相应导数变化后对操纵方程的影响,并给出影响曲线。本课题的研究结果比较客观地描述了拖船的自身运动特性,对拖船驾驶人员安全的操纵船舶有着理论上的指导意义,为拖船操纵安全评估提供了理论参考依据,同时也为航海模拟器的研制与开发提供一定的理论基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题的背景及其意义  10-11
  1.2 课题研究的现状  11-16
    1.2.1 船舶运动数学模型研究综述  11-12
      1.2.1.1 船舶运动数学模型的发展历程  11-12
      1.2.1.2 国内的研究状况  12
    1.2.2 平旋推进拖船研究综述  12-13
      1.2.2.1 装有平旋推进器的拖船自身操纵性能研究  13
      1.2.2.2 平旋推进拖船协助操船的研究  13
    1.2.3 平旋推进器研究综述  13-16
      1.2.3.1 计算平旋推进器水动力特性的方法  14-15
      1.2.3.2 目前平旋推进器成熟化产品及各国的研究状况  15-16
  1.3 本文的主要工作  16-17
第2章拖船运动数学模型  17-36
  2.1 拖船运动的坐标系统与运动方程  17-20
    2.1.1 坐标系与拖船各个运动参量之间的关系  17-18
    2.1.2 拖船运动方程的建立  18-20
    2.1.3 船舶参数的无因次化  20
  2.2 裸船体上的水动力及力矩计算模型  20-29
    2.2.1 惯性类水动力及力矩计算模型  20-21
    2.2.2 粘性类水动力及力矩模型  21-29
      2.2.2.1 贵岛模型  22-28
      2.2.2.2 芳村模型  28-29
  2.3 拖船主动力及力矩计算模型  29-33
    2.3.1 平旋推进器四区域推力表达方式  29-31
    2.3.2 组合推力X_P、Y_P及力矩N_P、K_P的计算模型  31-33
  2.4 拖船横倾力矩的计算模型  33-35
  2.5 拖船干涉力及力矩计算模型  35-36
    2.5.1 风的干涉力的计算模型  35
    2.5.2 流的干涉力的计算模型  35-36
第3章平旋推进器基础理论及水动力特性  36-51
  3.1 平旋推进器简介  36-38
    3.1.1 平旋推进器的发展历程  36-37
    3.1.2 平旋推进器的其它名称  37
    3.1.3 平旋推进器与普通螺旋桨的特点比较  37-38
  3.2 平旋推进器工作原理  38-42
  3.3 平旋桨的伴流系数与推力减额系数的估算  42-44
    3.3.1 伴流系数的估算  42-43
      3.3.1.1 常见伴流系数的估算公式  42-43
      3.3.1.2 拖船横向和旋转运动时伴流系数的估算  43
    3.3.2 推力减额系数的估算  43-44
  3.4 平旋推进器的水动力特性  44-51
    3.4.1 平旋推进器的水动力特性的影响因素  44
    3.4.2 平旋推进器推力系数与转矩系数的计算  44-51
      3.4.2.1 图谱数值化方法  45
      3.4.3.2 数据来源与检索方法  45-48
      3.4.3.3 应用实例  48-51
第4章平旋推进拖船的运动仿真实现  51-69
  4.1 运动方程的数值解法  51-53
    4.1.1 计算机仿真特点  51
    4.1.2 Runge-Kutta四阶算法  51-53
    4.1.3 主程序流程图  53
  4.2 平旋推进拖船常速域运动仿真  53-60
    4.2.1 直航运动仿真  54-56
    4.2.2 旋回运动仿真  56-59
    4.2.3 制动运动仿真  59-60
  4.3 平旋推进拖船低速域运动仿真  60-63
    4.3.1 原地旋回运动仿真  60-61
    4.3.2 横移运动仿真  61-63
  4.4 采用图谱2中的试验结果进行的仿真  63-65
    4.4.1 左桨角为0°，右桨角为-30°的旋回运动仿真  63-64
    4.4.2 左桨角为30°，右桨角为-30°的旋回运动仿真  64-65
  4.5 干涉力作用情况下的运动仿真  65-68
    4.5.1 考虑风干涉力影响下的拖船常速旋回运动仿真  65-67
    4.5.2 考虑流干涉力影响下的拖船横移运动仿真  67-68
  4.6 运动方程参数的变化对其影响的探讨  68-69
结论与展望  69-70
参考文献  70-74
攻读学位期间公开发表的论文  74-75
致谢  75-76
研究生履历  76

平旋推进拖船的运动建模与仿真

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