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铰链式拖驳船的运动建模与仿真

作　者: 秦桂晓
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: 船舶操纵性建模船舶运动仿真铰链式拖驳船
分类号: U661.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 22次
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内容摘要

铰链式拖驳船船作为船舶的新成员,其最大特点就是载货部分和动力部分可自由“分离”。当船到达港口码头时,动力部分可分离出去继续作业,特别适合短途点对点运输,从而可以缩短运输周期和成本。由于该种船舶特殊,业界人士对于此类船舶缺少感性认识,对其操纵性研究更缺乏了解。因此,为了安全和高效的操纵船舶,对铰链式拖驳船操纵性的研究显得尤为重要。为了准确地描述铰链式拖驳船的操纵运动,建立较为精确的数学模型,本文在MMG所提出的常速域数学模型和浅水、低速、大漂角数学模型研究的基础上,考虑到船舶运动的连续性,本文采用了常速域下贵岛胜郎的计算模型和低速域下芳村康男的计算模型两种数学模型相结合的方法,建立了低速域、大漂角并兼顾小漂角的船舶运动数学模型。模型中将螺旋桨和侧推器的推力作为外力叠加到铰链式拖驳船运动数学模型中,且充分考虑了船体、桨的力及力矩,以及相互的干涉。常速域下水动力采用贵岛胜郎的计算模型,对铰链式拖驳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域情况下铰链式拖驳船的运动特性。低速域下水动力采用芳村康男的计算模型。在侧推器的辅助下,实现了铰链式拖驳船原地旋回运动的仿真,仿真结果验证了铰链式拖驳船的优良操纵性能。为验证本文所提出的模型的正确性与可行性,本文利用MATLAB语言对铰链式拖驳船的操纵运动进行了仿真。通过与实船测试的数据的比较,发现吻合度很好,其误差满足工程应用,可用于铰链式拖驳船船操纵运动性能预报。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-13
  1.1 课题背景及其意义  9
  1.2 课题研究现状  9-11
    1.2.1 船舶操纵性研究现状分析  10
    1.2.2 船舶运动数学模型研究现状分析  10-11
    1.2.3 铰链式拖驳船研究现状分析  11
  1.3 本文研究的内容  11-13
第2章铰链式拖驳船概况  13-18
  2.1 铰链式拖驳船的定义  13-15
  2.2 铰链式拖驳船铰链连接装置  15-16
  2.3 铰链式拖驳船的特性  16-18
第3章铰链式拖驳船运动数学模型  18-37
  3.1 船舶操纵运动方程  18-21
    3.1.1 船舶平面运动的坐标系统  18
    3.1.2 船舶运动方程的建立  18-19
    3.1.3 船舶操纵运动方程的建立  19-20
    3.1.4 船舶运动参数的无量纲化  20-21
  3.2 裸船体上的流体动力和力矩的计算  21-25
    3.2.1 船体惯性类流体动力和力矩的计算  21-22
    3.2.2 船体粘性类流体动力和力矩的计算  22-25
  3.3 拖船主动力及力矩的计算模型  25-27
    3.3.1 螺旋桨推力和转矩计算模型  25-26
    3.3.2 螺旋桨处伴流系数和推力减额系数的计算  26-27
    3.3.3 螺旋桨推力系数和转矩系数的计算  27
  3.4 舵及舵机特性计算模型  27-30
    3.4.1 考虑螺旋桨、船体对舵的干涉时正压力的计算  28
    3.4.2 舵处来流有效流速和有效冲角的计算  28-30
    3.4.3 系数a_H、x_H、x_R、t_R的计算  30
  3.5 侧推力和力矩的计算  30-31
    3.5.1 艏侧推力与力矩的计算  30-31
    3.5.2 侧推器引起的水动力计算  31
  3.6 浅水对船舶运动数学模型的影响  31-34
    3.6.1 对附加质量和附加惯性矩的浅水修正  32
    3.6.2 对贵岛模型流体动力导数的浅水修正  32-34
    3.6.3 对芳村模型流体动力导数的浅水修正  34
    3.6.4 对螺旋桨推力和转矩的浅水修正  34
  3.7 风的干扰力和力矩的计算模型  34-35
  3.8 流的干扰力和力矩的计算模型  35-37
第4章铰链式拖驳船的操纵运动仿真  37-54
  4.1 运动方程解算方法介绍  37-41
    4.1.1 Runge-Kutta算法  37-38
    4.1.2 主程序流程图  38-41
  4.2 船舶常速域运动仿真  41-49
    4.2.1 右满舵船舶旋回运动仿真  41-43
    4.2.2 左满舵船舶旋回运动仿真  43-45
    4.2.3 船舶直航运动仿真  45-46
    4.2.4 船舶制动运动仿真  46-47
    4.2.5 船舶Z形试验仿真  47-49
  4.3 船舶低速域运动仿真  49-50
  4.4 干涉力作用下的船舶运动仿真  50-54
    4.4.1 风干涉力作用下的船舶旋回运动仿真  50-52
    4.4.2 流干涉力作用下的船舶旋回运动仿真  52-54
结论与展望  54-55
参考文献  55-59
致谢  59-61
研究生履历  61

铰链式拖驳船的运动建模与仿真

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