（交通信息工程及控制专业论文）铰链式拖驳船的运动建模与仿真.pdf

iliiliiiillllliiiiili川_1i刮illiiillliiilli 乒 i - 专 b y q i ng u i x i a o ( t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga n dc o n t r 0 1 ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r h o n gb i g u a n g j u n e2 0 1 1 i l 4 【- _ f 工 囊 f 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰 写成硕士学位论文= = 筮壁塞堑墅趋笪运麴建撞皇笾真：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公 开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： j学位论文版权使用授权书 。 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密劝( 请在以上方框内打“ ) 论二作者签名：剖之磺蝽师签名：殇髟复 日期：纠7 年月) 8 日 i 1 1 t ， 一 _ l t ， ， 中文摘要 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m m g 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m a t l a b 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。 ， 关键词：船舶操纵性；建模；船舶运动仿真；铰链式拖驳船 _ ； 0 英文摘要 a b s t r a c t a sn e wm e m b e r so fs h i p s ，t h em o s tp r o m i n e n tf e a t u r eo ft h ea t i e u l a t e d t u g & b a r g ei st h el o a d i n ga n dd y n a m i cp a r to ft h ef r e e ”s e p a r a t i o n v v 1 l e nt h es h i p a r r i v e di np o n ，t h et u g b o a tc a nb es e p a r a t e dt oc o n t i n u eo p e r a t i o n s ，p a r t i c u l a r l yf o r s h o r t h a u lp o i n tt op o i n tt r a n s p o r t , w h i c hc a ns h o r t e nt h et r a n s p o r t a t i o nt i m ea n dc o s t b e c a u s eo ft h es p e c i a ln a t u r eo ft h i sk i n do fs h i p ，t h es h i pi n d u s t r i e sa l el a c ko f p e r c e p t u a lk n o w l e d g e , a n dl a c ko fu n d e r s t a n d i n go ft h es t u d yo fm a n o e u v r a b i l i t y t h e r e f o r e ，f o rt h es a f e t ya n de f f i c i e n ts h i p sm a n e u v e r i n g ，t h es t u d yo ft h ea t i c u l a t e d t u g & b a r g eb e c o m e se s p e c i a l l yi m p o r t a n t i no r d e rt od e s c r i b et h es h i pm a n e u v e r a b i l i t y , e s t a b l i s h i n ga c c u r a t em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ea t i c u l a t e dt u g & b a r g e ，t h i sp a p e rb a s e so nt h ec o m b i n a t i o no fk i j i m a m o d e la n dy o s h i m u r am o d e l t h em o d e li ss u i t a b l ef o rt h ee n t i r em a n e u v e r i n gr a n g e i n c l u d i n gn o r m a ls p e e d ，l o ws p e e d ，s m a l la n dl a r g ed r i ra n g l ea n ds oo n ，a n dt h e e f f e c to fs h a l l o ww a t e ri sa l s ow e l lc o n s i d e r e d i nt h em o t i o nm a t h e m a t i cm o d e lo fs u b m e r g e ds h i po v e r l a y i n gw h o s ep r o p u l s i v e f o r c ea n db o wt h r u s t e rf o r c ea st h eo u t s i d ef o r c e ，a n dc o n s i d e r i n gt h eh u l l ，o a rf o r c e a n df o r c em o m e n ts u f f i c i e n t l y , a n dm u t u a li n t e r f e r e n c e i nt h ec o n d i t i o no fn o r m a ls p e e d ，h y d r o d y n a m i cf o r c ei sc a l c u l a t e db yk i j i m a m o d e l ，t h e nt h i sp a p e rs i m u l a t e st h em o t i o no ft u r n i n ga n dd i r e c tw a y t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lc a l lr e f l e c tt h em o t i o no f t h ea t i e u l a t e d t u g & b a r g e i nt h ec o n d i t i o no fl o ws p e e d ，h y d r o d y n a m i cf o r c ew a sc a l c u l a t e db y y o s h i m u r am o d e l w i t ht h ea i do fb o wt h r u s t e r , t h i sp a p e ra t t a i n st h e t u r n i n gm o t i o n o ft h ea t i c u l a t e dt u g & b a r g eo nt h eo r i g i n a lp l a c e t h er e s u l t sv e r i f i e dt h a tt h e a t i c u l a t e dt u g & b a r g eh a se x c e l l e n tm a n e u v e r a b i l i t y i no r d e rt ot o v e r i f yt h e c o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h em a n e u v e r i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h i sp a p e rd ot h es i m u l a t i o no ft h es h i pm a n e u v e r a b i l i t ya p p l i n g m a t l a bl a n g u a g e b yc o m p a r i n gt h es h i pt e s td a t a ，t h ee t r o rc a nm e e tt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，c a l lb eu s e dt op r e d i c tt h es h i p sm a n e u v e r a b i l i t y k e yw o r d s ：s h i pm a n e u v e r a b i l i t y ；m o d e l i n g ：s h i pm o v e m e n ts i m u l a t i o n ； a t i c u l a t e dt u g & b a r g e 幡l l 协 j i 目录 目 第1 章绪论l 1 1 课题背景及其意义1 1 2 课题研究现状一1 1 2 1 船舶操纵性研究现状分析：2 1 2 2 船舶运动数学模型研究现状分析2 1 2 3 铰链式拖驳船研究现状分析3 1 3 本文研究的内容3 第2 章铰链式拖驳船概况5 2 1 铰链式拖驳船的定义5 2 2 铰链式拖驳船铰链连接装置7 2 3 铰链式拖驳船的特性8 第3 章铰链式拖驳船运动数学模型1 0 3 1 船舶操纵运动方程1 0 3 1 1 船舶平面运动的坐标系统1 0 3 1 2 船舶运动方程的建立1 0 3 1 3 船舶操纵运动方程的建立1 1 3 1 4 船舶运动参数的无量纲化1 2 3 2 裸船体上的流体动力和力矩的计算1 3 3 2 1 船体惯性类流体动力和力矩的计算1 3 3 2 2 船体粘性类流体动力和力矩的计算：1 4 3 3 拖船主动力及力矩的计算模型j 1 7 3 3 1 螺旋桨推力和转矩计算模型1 7 3 3 2 螺旋桨处伴流系数和推力减额系数的计算1 8 3 3 3 螺旋桨推力系数和转矩系数的计算二1 9 3 4 舵及舵机特性计算模型1 9 3 4 1 考虑螺旋桨、船体对舵的干涉时正压力的计算2 0 3 4 2 舵处来流有效流速和有效冲角的计算2 0 3 4 3 系数、h 、& 的计算2 2 3 5 侧推力和力矩的计算：2 2 3 5 1 艏侧推力与力矩的计算2 2 3 5 2 侧推器引起的水动力计算：2 3 _ ， 目录 3 6 浅水对船舶运动数学模型的影响2 3 3 6 1 对附加质量和附加惯性矩的浅水修正2 4 3 6 2 对贵岛模型流体动力导数的浅水修正2 4 3 6 3 对芳村模型流体动力导数的浅水修正2 6 3 6 4 对螺旋桨推力和转矩的浅水修正2 6 3 7 风的干扰力和力矩的计算模型2 6 3 8 流的干扰力和力矩的计算模型，2 7 第4 章铰链式拖驳船的操纵运动仿真2 9 4 1 运动方程解算方法介绍2 9 4 1 - 1r u n g e k u t t a 算法2 9 4 1 2 主程序流程图3 0 4 2 船舶常速域运动仿真3 3 4 2 1 右满舵船舶旋回运动仿真3 3 4 2 2 左满舵船舶旋回运动仿真3 5 4 2 3 船舶直航运动仿真3 7 4 2 4 船舶制动运动仿真3 8 4 2 5 船舶z 形试验仿真3 9 4 3 船舶低速域运动仿真4 1 4 4 干涉力作用下的船舶运动仿真4 2 4 4 1 风干涉力作用下的船舶旋回运动仿真4 2 4 4 2 流干涉力作用下的船舶旋回运动仿真4 4 结论与展望4 6 参考文献4 7 致谢5 1 研究生履历5 3 铰链式拖驳船的运动建模与仿真 第1 章绪论 1 1 课题背景及其意义 海上运输是国际间货物运输的主要方式，近年来，随着全球经济的不断发展， 航运业变得日益繁荣，众所周知，由于船舶稳定性和设备配置等原因内河船舶是 不能出海的，而海船又因为过桥高度和船舶吃水的限制无法航行到内河的纵深港 口去，而再通过一次港口的转运又是非常不经济的。铰链式拖驳船这种船舶的运 输方式能海段用海上拖船，江段用内河拖船，换拖船而不换驳船，从而可以解决 上述问题。早在上世纪八十年代，国外已将铰链式拖驳船应用到船舶运输中，到 了九十年代已经应用得相当广泛，目前在北美密西西比河和五大湖流域，欧洲的 地中海，日本沿海各港口以及加勒比海沿岸，我国的长江水域和沿海港口都有铰 链式拖驳船船组的踪影；铰链式拖驳船不仅能很好解决拖驳运输中驳船和拖船的 连接问题，还实现了一驳到底的江海联运，不仅节约了人力，降低了成本，而且 减少了江海转运环节，节约了集装箱吊进吊出的转运费用；铰链式拖驳船的铰接 装置的研制成功，填补了我国在该领域的空白，并具有自主的知识产权，其设备 制造成本要远低于国外进口价格【l 】。它可以应用在集装箱推驳运输上，也可以推 广应用到石油、化学品、矿石、煤炭的推驳运输上。现代船舶运输行业对铰链式 拖驳船的铰接装置的需求量很大，产业化前景光明，这将带来相当可观的经济效 益和社会效益。本文尝试利用m m g 建模思想，建立关于铰链式拖驳船的运动方 程，通过求解，得到船舶的运动状态。铰链式拖驳船目前在国内应用还不普遍， 因此研究该船舶的运动仿真具有如下意义。 1 使船舶驾引人员充分掌握铰链式拖驳船的操纵特性； 2 对开发航海模拟器中铰链式拖驳船的运动具有一定的理论价值。 1 2 课题研究现状 根据铰链式拖驳船的特点，从以下几个方面进行本课题的现状研究：( 1 ) 船 舶操纵性研究现状分析，( 2 ) 船舶运动数学模型研究现状分析，( 3 ) 铰链式拖驳 船研究现状分析。 第1 章绪论 1 2 1 船舶操纵性研究现状分析 船舶操纵性是指船舶对外界干扰或操纵者操纵的反应能力，是船舶的重要性 能之一。国际海事组织以及一些国家都做出了评价船舶操纵性能的标准，一定吨 位以上的船舶必须在驾驶台配备船舶操纵性的相关资料【2 】。在船舶操纵性预报方 面日本继操纵性数学模型研究小组( m m g ) 后又成立了浅水、低速域操纵性研究 委员会( m s s ) t 3 j 。 2 0 世纪5 0 - 7 0 年代，随着计算机的应用推广和船舶操纵运动方程的建立， 建造了约束船模试验设备，来确定各水动力导数。1 9 6 9 年第1 2 届国际拖曳水池 会议( i t t c ) 根据“航海者 轮各个水动力导数的比侧实验证明了可以通过船舶 操纵模型预报其非线性运动【4 】。 1 2 2 船舶运动数学模型研究现状分析 2 0 世纪初开始了对船舶运动数学模型的研究，1 9 1 2 年，w h o v a a r d 给出了 船舶旋回直径的估算方法。1 9 3 0 年，g h b r y a n 创立了表达流体动力的新方法一 “缓慢运动导数”法，n m i n o r s k y 、g w c i n b l u m 和w k u c h a r s k i 等人给出了船 舶的水动力数学模型。1 9 4 6 年，k s m d a v i d s o n 和l i s c h i f f 【5 】给出了船舶的 操纵运动方程。之后，船舶运动模型基本上通过借助基本运动方程求取其运动参 数的水动力模型和通过控制理论，即把船舶视为一个动态系统，操舵为输入，运 动为输出的响应模型【6 】两个方面进行研究。1 9 5 7 年，野本谦作( n o m o t o ) 给出 了一阶响应模型7 】【8 1 即k 一丁模型，之后又给出了二阶响应模型。而后l e e u w c n 【9 1 、 b e c h 【1 0 1 、c l a r k e 1 1 1 和松本等学者对非线性的响应模型进行了较为深入的研究。 6 0 年代初，阿勃柯维奇( m a a b o k o w i t z ) 给出了整体型模型【1 3 1 4 】。7 0 年代初，日 本拖曳水池委员会( j t t c ) 成立了船舶操纵运动数学模型研讨小组一一 s h i pm a n o e u v r i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lg r o u p ，即m m g ，并提出了分离型船舶运 动数学模型( 即m m g 模型【1 5 】) 。8 0 年代后，日本成立浅水、低速域操纵性研究 委员会( m s s ) 【3 】，突破了浅水、低速的限制，进一步扩大了m m g 模型的应用范 围，并给出了一些计算方法。例如，鸟野庆一提出了船舶在纯斜航情况下的船体 水动力的计算方法【1 6 】：芳村康南提出了在纯首摇状态下的船体水动力的计算方法 【1 刀；贵岛胜郎提出了在浅水域中船舶水动力导数的修正方法【1 8 】；小濑邦治提出 了船舶在低速域操纵时的计算模型等【1 9 1 。近年来，计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l 铰链式拖驳船的运动建模与仿真 f l u i dd y n a m i c s ) 在求取船舶的水动力导数【2 0 】中得到成功的应用。 国内对船舶仿真的研究相对比较晚。主要有周昭明等人关于对船舶操作性预 报2 1 1 研究；李美箐等人关于风、流、浪以及浅水中多种工况的研究【2 2 1 ：楼连根 和黄国梁等人通过对实船实验结果的研究分析给出了船舶在波浪中一种运动数 学模型【2 3 】；杨宇栋结合m s s 的报告，给出了船舶在低速、大漂角的情况下的一 种运动数学模型【2 4 】等。 1 2 3 铰链式拖驳船研究现状分析 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。从收集到的文献来看，目前国 内外关于铰链式拖驳船操纵性能研究较少。多是介绍了该船型的使用广度和优 点，由于拖船和驳船稳定连接的重要性，对连接装置的研究相对较多，对其操纵 性能的研究更多的是定性的分析，关于对操纵性建模与仿真的研究还比较少。 r o b e r tp h i l l 。n a 2 5 】着重介绍了铰链式拖驳船的历史，连接结构的设计及 优点，但对此类船舶的操纵性能很少提及，a p a c h e 中国公司赵东区块海上油 田用来运输平台开采的原油到天津塘沽港油库的j i b t u o1 0 & j i nb o1 0 轮，正 是本文仿真用的船舶。国内方面，由武汉国裕物流产业集团自主研发制造的世界 最大a t b 运输船“国裕海驳l 号 成功下水，标志着我国掌握了该船型的核心 建造技术。铰链式拖驳船在我国沿海港口和长江水域等正推广应用，目前国内着 重研究铰链式拖驳船的船体设计建造方面，对其操纵性研究的文章还比较少。 1 3 本文研究的内容 本文建立了铰链式拖驳船运动的计算模型，根据m m g 分离建模思想，给出了 表示铰链式拖驳船的的运动状态的微分方程，通过四阶r u n g e - k u t t a 方法求算， 从而对船舶的运动状态进行定量研究分析。 ( 1 ) 结合铰链式拖驳船的运动特性，本文利用m m g 建模思想，建立了铰链式 拖驳船前进、横漂和首摇运动这三个自由度的运动数学模型。小漂角( 例2 0 0 ) 应用贵岛模型，大漂角( 矧3 0 。) 应用芳村模型，漂角位于二者之间采用两模型 的内插。 第1 章绪论 ( 2 ) 本文通过m a t l a b 语言对铰链式拖驳船的运动进行了仿真计算，从而验 证了本文采用的运动数学模型的正确性、合理性。 铰链式拖驳船的运动建模与仿真 第2 章铰链式拖驳船概况 铰链式拖驳船船作为船舶的新成员，其显著特点就是驳船( 载货部分) 和拖 船( 动力部分) 可自由“分离，当船舶到达目的港口码头时，拖船可和驳船分 离出去继续作业，非常适合短途点对点运输作业，并缩短货物运输周期和成本2 6 1 。 2 1 铰链式拖驳船的定义 铰链式拖驳船( a t i c u l a t c dt u g & b a r g e 以下简称a t b ) 是由一艘驳船和拖船 通过某种连接方式而成为一体的船舶。本文以a p a c h e 中国公司赵东区块海上 油田用来运输平台开采的原油到天津塘沽港油库的铰链式拖驳船j i nt u o1 0 & j i nb o1 0 轮【2 刀为仿真实船原型，图2 1 和2 2 分别为为j i nt u o1 0 & j i nb o1 0 实图和效果图。 图2 1a t b 船舶 f i 9 2 1t h e a t bs h i p 图2 2a t b 船舶效果图 f i g2 2t h ee f f e c tp i c t u r eo f a t bs h i x , 本文仿真所使用的j i nt u o1 0 & j i nb o1 0 拖船是固定螺距导管螺旋桨 ( f p p ) 双桨拖船【2 8 】。如图2 3 所示。 图2 3a t b 船舶推进器 f i g2 3t h ep r o p e l l e ro f a t b 驳船本身没有自航能力，需要拖船提供动力。其特点是设备简单、吃水浅、 载货量大。与拖船组成驳船船队，可航行于狭窄水道和浅水航道，并可根据货物 运输要求而随时编组，适合内河各港口之间的货物运输。为了保证船舶在航道中 良好的保向性能，和较高的靠泊操纵性能而无需拖轮协助而在船首安装了艏侧 推。如图2 4 所示。 铰链式拖驳船的运动建模与仿真 图2 4a t b 船舶侧推器 f i g 2 4t h eb o wt h r u s t e ro f a t b 2 2 铰链式拖驳船铰链连接装置 如图2 2 所示，拖船可以通过驳船尾部的“凹槽 开进驳船里面，二者通过 铰链予以连接，使得拖船可以推进和操纵驳船。如图2 6 所示，拖船上的铰链“齿 轮 和驳船上的齿槽能够相互啮合。连接时，左右两舷上的“齿轮通过图2 5 所示的拖船内部的传动装置可以向内收缩，等到驳船和拖船之间的相对位置合适 的时候，再将其伸出与驳船上的“齿槽”啮合，实现连接；将拖船左右舷上的“齿 轮向内收缩，然后倒车即可实现分离。可以看出，在不借助任何其他辅助设施 的情况下这种铰链式的连接方式可实现驳船和拖船的自由连接和分离。驳船和拖 船可以通过铰链轴线相对旋转，从而可以更好地适应波浪的运动，具备更好的稳 性特征2 6 1 。这种铰链式的刚性连接方式，使得拖船和驳船成为一个整体，在本文 进行船舶运动数学建模和仿真研究时，将j i nt u o1 0 & j i nb o1 0 轮作为一整体 来研究。 第2 章铰链式拖驳船的概况 。齿 图2 5 铰链连接原理图 f i g2 5s c h e m a t i co fa r t i c u l a t i o nj o i n t s 图2 6 铰链连接效果图 f i g2 6t h ee f f e c tp i c t u r eo fa r t i c u l a t i o nj o i n t s 2 3 铰链式拖驳船的特性 由于干舷较低，满载时船舶的受风面积较小，比较利于船舶在风干涉力作 用操纵，由于拖船是双桨船大大提高了船舶的操纵性能，由于驳船上的侧推，船 舶可以自行靠离码头；对比传统的顶推船，正是由于铰链式拖驳船的刚性连接使 得拖船和驳船成为一整体从而提高了适应恶劣天气的能力；增加了单位长度的载 重量，驳船大部分的排水量都是作用于装载货物的，对比同等船宽和吃水的2 5 0 英尺的a t b 船和平台供应船( p l a t f o r ms u p p l ys h i p ，简称p s v ) ，其承载能力差 8 铰链式拖驳船的运动建模与仿真 异可以高达4 0 ，这意味着一艘a t b 船可以轻松地服务多个钻井平台；可以减 少支出，一艘油船需要2 2 3 2 名船员，而载重能力相同的a t b 船舶可能只需要7 名船员，很少超过1 0 名，在船员工资支出方面，差距就很大；对比同样载重吨 的海洋石油支持船，单位载重吨的建筑成本也会少很多；不管是深水水域还是近 海浅水水域都可以保持较好的操纵性能航行；当在装卸货作业时，拖船可以与驳 船分离而做其他工作 2 9 】。铰链式拖驳船作为船舶的新成员被广泛应用，在美国五 大湖区和墨西哥湾更是作为一种原油运输船舶而应用，在我国沿海港口和长江水 域等a t b 船舶的使用正在推广。正是鉴于以上等原因赵东油田选择了a t b 作为 原油运输船，平台开采的原油将由铰链式拖驳船j i nt u o1 0 j i nb o1 0 运输到 天津塘沽港油库，从生产平台至天津塘沽港距离大约3 3 海里，对滩海和浅海油 田的开发具有现实的借鉴意义【3 们。 图3 1 平面运动示意图 f i g 3 1t h eg r a p ho fs h i pp l a nm o t i o n 在d k 坐标系中，d 为原点，眠为正北方向，o r o 为正东方向；x o y 标系中，弧指向船首，缈指向右舷，艿为舵角，伊为航向角。 3 1 2 船舶运动方程的建立 由牛顿定律和动量矩定理在x o o r o 坐标系中可得： ( 3 1 ) 五k k = = 如成厂薹 ，j、 铰链式拖驳船的运动建模与仿真 式中，m 为船舶质量；如、5 7 g 代表船舶重心沿：c o 、r o 轴方向的线加速度；l 为 船舶绕通过g 的轴的惯性矩；痧为船舶转首角加速度； 在坐标系x o y 中可以得到： i x o o2 “c o s 9 一v s i n 9 儿o = “s i n 伊+ ，c o s 伊( 3 2 ) = ， 萨竺二兰霉 f 蜀= x c o s f y s i n f k = x s i n f + y c o s f 【“= n ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 3 1 3 船舶操纵运动方程的建立 作用于船体上的外力及外力矩根据m m g 分离建模的思想，将式( 3 6 ) 可以变 为； z y = = + 叫训心 一 + = 州州乞 第3 章铰链式拖驳船运动数学模型 i 朋化一叫= x 啪+ 义0 + 五 m ( 9 + u r ) = y h o + 砭+ 匕+ 艺( 3 7 ) 【乞户= n 啪+ m + 虬+ 札 3 1 4 船舶运动参数的无量纲化 船舶运动数学模型领域中目前存在着- - ( p r i m cs y s t e m ) 3 1 1 和两撇系统 ( b i ss y s t e m ) 3 2 1 两类标准量度单位。一撇系统包括参考面积为r 和朋两种形式， m m g 模型系统采用这种形式。两撇系统1 9 7 0 年瑞典船舶研究中一5 , ( s s p a ) 的 n o n b i n 提出。表3 1 给出了这两种系统的标准度量单位q 0 ，表中三为船长，p 为 流体密度，d 为船舶吃水， y 为船速，g 为重力加速度，v 为船舶静止时的排 水体积。 表3 1 一撇系统与两撇系统 t a b 3 1p r i m es y s t e ma n db i ss y s t e m 标准度量单位q p r i m es y s t e m b i ss y s t e m 质量 j 1 尸l 3 。互1 d 毋 长度厶 三 时间气 l | v 扛瓦 线速度 y 瓦 线加速度4 y 2 g 角速度嘞 y | l 面 角加速度岛 v | e g l 力磊 三r ：l p v 2 l d p g v 力矩心 丢p y 2 f ；互1p 矿2 l 2 d p g v l 本文采用的是m m g 模型形式即一撇系统，各个量转化情况如下t 铰链式拖驳船的运动建模与仿真 m = m o 5 p l 2 d ，i ：= i 。| o s p l d f = x ，0 5 p v 2 ，l d , y = y o 5 p ，舻翻, n - - o 5 励 ( 3 8 ) l “= 矿，= 矿，= , ( v l l ) 、7 【z i = 衫( y 2 l ) ，帝= ( y 2 肛) ，户= ( y 2 i s , 2 ) 3 2 裸船体上的流体动力和力矩的计算 船舶在水中中运动产生流体动力，流体与之接触的船体表面上会产生反作用 力【3 3 】。据此，把作用在裸船上的流体动力和力矩分解为惯性类和粘性类两类，式 ( 3 7 ) 可以变为： l 聊似一叫= 蜀+ x h + x p + x r m 一+ u r ) = e + y h + y p + y r ( 3 9 ) 【乞户= ，+ n h + n p + n 胄 3 2 1 船体惯性类流体动力和力矩的计算 对船体附加质量和附加惯性矩计算主要通过试验方法，主要有冲击试验【3 4 】、 振荡试验以及平面运动机构试验( p m m ) 。本文采用的是周昭明的估算公式： 鲁= 1 - 急0 0 3 9 8 + 1 1 9 7 c 1 , ( 1 + 3 7 3 d ) _ 2 8 9 c b l ( 1 + 1 1 3 d ) + o 1 7 5 c b ( l ) 2 c - + o 5 4 扣加7 考丢， 鲁= o 8 8 2 _ o 5 4 c b ( 1 - 1 6 导) 乩1 5 6 l ( 1 _ o 6 7 3 c b ) ( 3 1 0 ) + o 2 6 d l 拶( 1 - 0 6 7 8 d ) 一o 6 3 8 巴百d 否l ( 1 - 0 6 6 9 d )bb u bb 、 j=1-寺0233-7685l2g ( 1 - 0 7 8 4 g ) + 3 4 3 考( 1 0 6 3 c 6 ) 式中，l 为船长；g 为方形系数，d 为船舶吃水，b 为船宽。 1 3 第3 章铰链式拖驳船运动数学模型 3 2 2 船体粘性类流体动力和力矩的计算 ( 1 ) 本文粘性流体动力模型的介绍 根据适用范围，将粘性类流体动力和动力矩的计算模型分为两大类：一是小 漂角情况( 矧2 0 。) ：代表模型有n o r r b i n 模型【3 2 1 、井上模型、贵岛模型【3 5 1 等。 二是大漂角情况( 例3 0 。) ：常用的处理方法有分离法、多项式法、横流模型改 进法、f o u r i e r 展开法等。 本文在研究铰链式拖驳船操纵性时，考虑常速域模型和低速域模型。所以本 文在处理时将贵岛模型和芳村模型结合起来，即应用了杨盐生老师的方法 3 6 】。小 漂角( 俐2 0 。) 时，采用贵岛模型；大漂角( 例3 0 。) 时采用芳村模型；当漂角位 于二者之间( 2 0 。o o 五2 s v 。 丧=-055删5吲b，,h,即d, r 7 3 4 舵及舵机特性计算模型 第3 章铰链式拖驳船运动数学模型 f 以= ( 1 - t r ) 目s i n 8 k = ( 1 + ) 目c o s 艿 【虬= ( + h ) 目c o s 万 e e “一舵力减额系数；目一垂直于舵叶平面的正压力；艿一舵角( 规定右 为正) ；一操舵诱导船体横向力的修正因子；一作用于舵上的横向力作用 的纵向坐标；妇一操舵诱导船体横向力作用中心到船舶重心的距离。 4 1 考虑螺旋桨、船体对舵的干涉时正压力的计算 舵正压力目为： 目= 一i 1p 4 五啡s i n ( 3 3 5 ) 中：4 一舵叶面积；无一舵的升力系数q 在冲口= 0 时的斜率；一舵处来 有效流速；t ；t r 一舵处来流有效冲角。 五由藤井公式求取： 疋：尝姿 ( 3 3 6 ) ，= 一 - j j o - 巾 2 2 5 + 旯 、 7 中：a 一舵展弦比旯：导；h - - , 碾i - l ：；b - - 弦v t 4 ：上式适用于旯= o 5 3 0 。 d 4 2 舯处桌流右效流速和右效冲角的计算 流入舵的有效流速： 式中，、分别为舵处有效流速的纵向分量和横向分量。 u 鼻由下式计算： = 再丽 式中，r l = q h ，h 为舵高。 ( 3 3 7 ) ( 3 3 8 ) 铰链式拖驳船的运动建模与仿真 船体伴流时流入舵的有效速度“肋为： u r o28 u p 占由下式计算： 、 f = 2 1 ( h o , ) _ 1 4 5 2 采用野本一芳村模型4 7 】求取“r ，： - e u p + k , u , l o - s ) 心 流入舵的横向有效速度为： ( 3 3 9 ) ( 3 4 0 ) ( 3 4 1 ) = ( v + l r r ) ( 3 4 2 ) 式中：厶一舵的纵向坐标，厶约为- l 2 的2 倍，实际计算时取为乓- - - 0 9 - i 0 ； 一正舵时，桨单向旋转不对称而引起的横向平均流速；一船体的整流系 数，f l a t 式求取： = 1 1 6 3 3 1 4 1 9 8 2 8 3 6 c b + 1 3 9 0 1 5 2 c ； ( 3 4 3 ) 在浅水中，杨盐生教授3 6 1 给出如下关于整流系数修正公式： y-l-足=10+00161h42222_49825(导h t , s s jt , s - s 1 3 ) ( 3 。 、。 舵处来流有效冲角为： 式中，磊为零正压力舵角，计算如下： 磊= - ( 2 s o + o 6 ) 式中，滑失比计算如下： ( 3 4 5 ) ( 3 4 6 ) 第3 章铰链式拖驳船运动数学模型 岛小等小丁( 1 - w p o ) u 3 4 3 系数、x m 、x r 、靠的计算 a h 与船型、船舵间隔、舵形状、桨负荷变化等因素有关： ( 3 4 7 ) a n = 0 6 7 8 4 1 3 3 7 4 c b + 1 8 8 9 1 c ：( 3 4 8 ) 螺旋桨进速系数极小时，有变小的趋势。松本3 司提出的修正模型如下： 铲卜o 3 j ，r - o 3 x n 几乎不受船型影响，约为一0 4 一0 5 ，也可由下式计算： x h = 一( o 4 + 0 1 c b ) l ( 3 5 0 ) 靠表示作用在舵上的横向力作用点的纵向坐标，一般情况下= - o 5 。 t r 为舵阻力减额系数，通常= o 2 9 。考虑到船型对( 1 一靠) 的影响，由下式 近似计算： l f = 0 7 3 8 2 0 0 5 3 9 c 6 + o 1 7 5 5 c ； ( 3 5 1 ) 3 5 侧推力和力矩的计算 3 5 1 艏侧推力与力矩的计算 船舶前进时，船速引起的主流与侧推器的喷流之间会相互作用而产生一个附 加吸力a y ，故实际有效的侧推力大小为： y = k - a y ( 3 5 2 ) 但当船速与喷流速度比值很小时，】，忽略不计。艏侧推器有效推力】，与回 转力矩的计算公式采用【4 8 】： 1 | 铰链式拖驳船的运动建模与仿真 嘲卜孝c 和2 ， ( 3 5 3 ) 札= k k 。4 苦( 苦) 2 昂+ 毒等】 ( 3 s 4 ) 式中：写一系泊推力；巧一侧推器喷流速度；圪一船速；b 一槽道轴线处 船宽；昂一槽道轴线距船舶坐标原点距离。 ， 3 5 。2 侧推器引起的水动力计算 侧推器引起的水动力可表示为： x s = ( 1 + 口艘) x 岛 b = ( 1 + 口踏) 比 ( 3 5 5 ) s = ( 1 + 口阍) gj x s = 五c o s 蠡+ 巧s i n 瓦 b = 瓦s i n 以+ 巧c o s 以 ( 3 5 6 ) n s2 y s x s xs y s 式中：毫、蟊、机一侧推器自身产生的水动力；a x s l 、口麟、口臌一船体和 侧推器间的干扰系数；乃一侧推器的推力h 9 1 ；瓦一与五垂直的侧向力；蟊一绕 垂直轴的转角；b 、y s 、石、y 一叶轮中心的坐标。 本文采用的槽道式侧推器，蠡为9 0 。，毛假定为零。具体定义见文献【矧。 3 6 浅水对船舶运动数学模型的影响 巴辛、小濑、赵月林等学者分别给出了浅水这一概念【5 l - 蚓。通常情况下认 为当水深吃水比( h d 。) 小于3 时就是浅水，同一水深对不同船型可能是深水 也可能是浅水，取决于船舶的吃水。通过对其深水中的运动数学模型加以修正研 究船舶在浅水中的运动特性，深水和浅水分别用和h 表示。 第3 章铰链式拖驳船运动数学模型 3 6 1 对附加质量和附加惯性矩的浅水修正 薏= 睁，1 3 + 3 7 6 9 5 + 1 1 4 2 詈- 0 2 3 2 9 扣2 7 4 g 悔h 3 杀= c 扣o s 2 + 0 4 1 2 7 + 0 0 3 2 0 詈+ 0 0 1 2 9 3 ( 詈) 2 悸矿抛b 5 7 ， 老= c 扣o s 2 + 0 4 1 2 7 + 0 0 1 9 2 2 詈+ 0 0 0 5 5 4 ( d ) 2 悸矿抛 3 6 2 对贵岛模型流体动力导数的浅水修正 采用a