（电力电子与电力传动专业论文）浮船坞沉浮系统建模及其仿真研究.pdf

r e s e a r c ho nt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f f l o a t i n gd o c k s y s t e m s ， at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m e u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y s u n j i n g c h a o ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt a n y u e d r w a n gn i n g m a y2 0 11 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， 撰写成博硕士学位论文竺湮墅坞远湮丕统建蹙区墓笾真婴塞= = 。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已经公开发 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：搬 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。 不保密凹( 请在以上方框内打“ ) 摘要 本课题来源于某在建8 万吨浮船坞自动控制设计项目，为该项目子课题之一。 本文所研究的浮船坞沉浮系统建模与仿真为该项目提供理论基础与软件支持。 浮船坞是大型造船工业的重要工具，其突出特点是可以机动地靠近待修船舶。 沉浮系统的工作效率与可靠性是浮船坞能否顺利完成作业要求的关键因素。传统 浮船坞沉浮系统为人工手动控制，对作业人员的操作经验和专业素质要求很高， 而且效率低、误差大，存在很多弊端。随着计算机和自动控制技术的迅猛发展， 浮船坞的自动控制设计成为必然趋势。 为丰富和夯实浮船坞沉浮系统的研究成果，本文围绕浮船坞沉浮系统的建模 和仿真，展开了较深入的研究工作。进而，分别研究了关于调节水量的优化模型 和调节时间的优化模型，并提出了最优化的调水方案。最后运用m a t l a b 对其进 行仿真研究，结果显示，所得调水方案满足浮船坞设计要求。这为浮船坞的自动 控制设计提供了有效的方法。具体研究工作包括： 首先，计算了浮船坞各浮态参数：吃水差、横纵倾角、静水力曲线等，其中 重点研究了静水力曲线的计算方法。然后利用各浮态参数和物理平衡原理建立了 浮船坞压载水舱的配载模型，进而运用惩罚函数法对该模型进行求解得到各压载 水舱调节水量。 其次，现在很多浮船坞是由废船改造而成，这些浮船坞的坞体形状不规则， 压载水舱的排列没有规律可循，单纯求解上述模型工作量大、步骤复杂、困难较 多。为解决上述问题，本文基于配载模型，分别建立了调节水量优化模型与调节 时间优化模型。进而，通过求解所得优化模型得到各压载水舱的调节水量与阀门 的开启时间，从而确定调节方案。 最后，以一艘8 万吨浮船坞为算例在m a t l a b 环境下进行编程，对其优化模 型进行仿真研究。仿真结果表明，求解优化模型得到的调水方案结果满足浮船坞 设计要求。 关键词：浮船坞；惩罚函数；计算机仿真；m a t l a b a b s t r a c t in i st o p l cc o m e sf r o mt h ed e s i g no fa 8 0 ，0 0 0 tf l o a t i n gd o c ka u t o m a t i cc 0 n 仃o l ：y s t 铷s i t i so n eo ft h et o p i c sf o rt h e p r o j e c t s u b t h em 。d e l i n ga i l ds i m u l a t i o no f f l a r i n g d 0 俅驴8 w m 吐锄s t h e s i ss t u d i e sp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i s 斯m ep r o ：i e c t 觚d s 1 m u l a t m ns u p p o r t a s1 m p o r t a n ta i l d 嘶t i c a lt o o l so f l a r g es h i pb u i l d i n g , f l o a t i n gd o c k sp o s s e s st h e p r o m l n e l l t 敝l t u r e t h a tv e s s e l st ob em a i n t a i n e do rr e p a i r e dc o u l db e a c c e s s e df l e x i b l y 锄dm a n o e u v r a b l y n o t et h a tt h e e f f i c i e n e ya 1 1 dr e l i a b i l i t yo ft h ef l o a t i n gd o c k1 讯i n g s y s t 觚w o u l d 嘶石c a l l y d 。m i n a t e 廿l ef a v o r a b l ew 。r k i n gp r o c e s s 。f t h ew h o l e 舶a t i n ： d ? c k s y s e n lh 。w e v t r a d i t i o n a lf l o a t i n gd o c k sm a i n l y a d 。p tm a n u a l l i r i n gs y s t e n l - 慨h m ”o p h 砖石c a t e do p e r a t i o ne x p e r i e n c e 锄dh i g hp r o f e s s i o n a lk 1 1 0 w l e d g e ? h ? u l d b er e q u 打e db ma l s ol o w e f f i c i e n c y ，l a r g ee 仃o r sa i l do t l l e rd r a w b a c k sw o u l d ：e l n d u c c d a sac o n s e q u e n c e ，w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to f 唧u t e ra n da u t o m a t i c ，n t r 0 1 妣h 0 1 蟛鹪，舭d e s i g no ff l o a t i n g d o c ka u t o m a t i cc o n 仃d ls y s t e i i l s w o u l d l n e v i t a b l yb e c o m ea n e c e s s a r yt r e n d i n 。r d e rt 0e 删c ha n de n h a l l c e t h es t u d y 。ff l o a t i n gd 。c ks y s t e m s ，t h j s t h e s i s c o n d u c t s d e 印s t l l d i e s 柚dp r e s e n t sm e a n i n g f u lw o r k sf o c u s i n g0 nt h e m o d e l i n ga n d s l m u l a t i o no ff l o a t i n gd o c k s y s t e m s f u r t h e r m o r e ，t h eo p t i m i z a t i o nm o d e l so fb a w a e rq u 觚t 1 ya d j u s t n l e n ta n d c o r r e s p o n d i n gt i m ea d j u s n i l 哪a r ed e e p l yi n v e s t i g a t e d ， 心s p t e 1 y c o n q u e n t l y , a l lo p t i m a lb a l l a s tw a t e ra d j u s t m e l l t s t r a t e g ) ，w o u l db e p r o p o s e d b yu s 访ga b o v e m e n t i o n e do p t i m i z a t i o nm o d e l s f i n a l l y ，s i m u l a t i o n 咖d i e s b 篓酣o n m a t l a ba r ei m p l e m e n t e d o n 。u rp r i 叩。s e d 0 p t i m i z a t i 。nm o d e l sa i l d a 匈u s 饷e n ts 如t e 趴 s i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h e r e s u l t i n go p t i m a l a 竺砒咖如h 的抢g y h i g h l ys a t i s f l e st h ed e m a n df o rt h ef l o a t i n gd o c kd e s i 韶n e r e 内r e 。 e n e c t l v em e t h o d sf o rt h ed e s i g no f f l o a t i n gd o c ka u t o m a t i cc o n t r o ls y s t 锄sw o u l db e p r o d e db yt h ep r o p o s e qi n v e s t i g a t i o n si nt h i st h e s i s t ob e s p e c i f i c ，t h em a i nw o r k s a r ea si o l l o w s t l r s t l y ，s e v e r a ls a t ep 娥蛐e t e 娼，i n c l u d i n g 踊m ，h e e l i n ga n dt r i 姗i n g a n 酉e s ，a n d n y d r o s t a t l cc u r v e ，e t c , o ft h ef l o a t i n g d o c ka r ea n a l y t i c a l l y c o m p u t e d ns h o u l d b e n o t e dt h a tt h ec o m p u t a t i o nf o rt h eh y d r o s t a t i c c u r v eo ft h ef l o a t i n gd o c ki si n t 即s i v e l v 英文摘要 s t u d i e di nt h i st h e s i s f u r t h e r m o r e ，t h eo b t a i n e ds t a t ep a r a m e t e r sa n dp h y s i c a le q u a t i o n s a r eu s e dt ob u i l du pt h el o a d i n gm o d e lf o ri n d i v i d u a lb a l l a s tt a n ko ft h ef l o a t i n gd o c k a n d ，t h ep e n a l t yf u n c t i o nm e t h o d i su t i l i z e dt os o l v et h eo b t a i n e dl o a d i n gm o d e l ，f r o m w h i c ht h eb a l l a s tw a t e ra d j u s t m e n tf o re a c ht a n kc o u l db ed e t e r m i n e d t h e n ，n o t et h a tm a n yf l o a t i n gd o c k sa r er e b u i l tf r o mo l dv e s s e l sw h i c hr e s u l ti n i r r e g u l a rs h a p e sa n da r r a n g e m e n t so fd o c kh u l l sa n db a l l a s tt a n k s ，r e s p e c t i v e l y a sa c o n s e q u e n c e ，i ti sd i f f i c u l tt os o l v et h el o a d i n gm o d e lv i at r a d i t i o n a lm e t h o d ss i n c et h e c o m p u t i n gb u r d e na n dp r o c e d u r e sf o rt h es o l u t i o no f t h ep r o p o s e dm o d e l w o u l db e c o m e l m g ea n dc o m p l i c a t e d ， r e s p e c t i v e l y i no r d e rt oc i r c u m v e n tt h ea b o v e m e n t i o n e d p r o b l e m s ，w ep r o p o s et h eo p t i m i z a t i o nm o d e l so f b a l l a s tw a t e rq u a n t i t ya d j u s t m e n ta n d t i m ef o ra d j u s t m e n t ，r e s p e c t i v e l y , b a s e do i lt h el o a d i n gm o d e li nt h i st h e s i s t h eb a l l a s t w a t e rq u a n t i t ya d j u s t m e n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gt i m ef o rv a l v eo p e n i n gc o u l db e o b t a i n e db ys o l v i n gt h e s eo p t i m i z a t i o nm o d e l s a n d ，t h ef i n a la d j u s t m e n ts t r a t e g yc o u l d b ed e t e r m i n e d f i n a l l y , at y p i c a l8 0 0 0 0 一t o nf l o a t i n gd o c ki sa d o p t e dt od e m o n s t r a t eo u rp r o p o s e d m e t h o d sa n ds t r a t e g i e si nt h i st h e s i s s i m u l a t i o ns t u d i e s a r ei m p l e m e n t e do nt h e p r o p o s e do p t i m i z a t i o nm o d e l sb yu s i n gm a t l a bc o d e s s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ew h o l ea d j u s t m e n ts t r a t e g yb a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lc o u l dm e e tt h e d e m a n df o rt h ed e s i g no ff l o a t i n gd o c k s k e yw o r d s ：f l o a t i n gd o c k ；p e n a l t yf u n c t i o n ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；m a t l a b 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的来源及意义1 1 2 浮船坞沉浮操作介绍2 1 2 1 沉、浮作业准备工作2 1 2 3 进排水系统操作2 1 3 国内外发展情况4 1 3 1 国外发展情况4 1 3 2 国内发展情况4 1 4 本文的主要研究内容6 第2 章浮船坞配载模型建立7 2 1 浮船坞工作原理及配载解释7 2 1 1 浮船坞工作原理7 2 1 2 配载。7 2 2 浮船坞浮态的一般计算方法8 2 2 1 浮船坞排水量计算：8 2 2 2 吃水差计算9 2 2 - 3 静水力曲线1 2 2 3 浮船坞配载模型建立1 7 2 3 1 计算原理1 8 2 3 2 配载模型18 2 3 3 求解方法1 9 2 4 本章小结2 9 第3 章优化配载模型3 0 3 1 调节水量优化模型3 0 3 1 1 设计变量3 0 3 1 2 目标函数3 0 3 1 3 约束条件3 1 3 1 4 调水量优化模型求解3 2 3 2 调节时间优化模型。3 8 3 2 1 设计变量3 8 3 2 2 目标函数一3 9 目录 3 2 3 约束条件3 9 3 2 4 调节时间优化模型4 0 3 3 本章小结4 0 第4 章系统仿真设计及结果分析4 1 4 1 仿真软件的介绍4 l 4 2 仿真系统主要结构4 1 4 2 1 优化算例概述一4 3 4 2 2 调节水量优化模型仿真4 4 4 2 3 调节时间优化模型仿真5 3 4 3 抬船过程仿真5 9 4 4 仿真结果分析6 2 第5 章结论与展望6 3 参考文献6 4 附录a 静水力表6 7 附录b 舱容曲线表格6 9 附录c 调水量优化仿真程序一7 1 附录d 调节时间优化程序7 9 附录e 舱位图8 2 致 射8 3 浮船坞沉浮系统建模及其仿真研究 第1 章绪论 1 1 课题的来源及意义 本课题来源于为天津在建的某浮船坞预研的自动沉浮系统，该项目主要包含 控制算法研究、检测系统设计以及控制系统硬件设计三部分。本文所研究的沉浮 系统建模及仿真为浮船坞自动控制算法提供理论基础和软件支持。在浮船坞沉浮 系统自动控制的设计和研究过程中发现，通过建立关于各水舱液位和浮坞吃水的 数学模型可以得到各舱需要调节的水量，以及调节时间。各压载水舱的调节水量 和调节时间的确定是浮船坞沉浮作业自动控制的前提。本课题所研究的浮船坞沉 浮系统模型与其他子课题相结合可以构成完整的浮船坞自动沉浮系统。 浮船坞主要作用是将待修理的船舶从水中托起，在浮船坞的甲板上完成修理 工作。作为可以机动承载待修船舶的整修平台浮船坞对于造船及修船工作的意义 越来越重大。浮船坞的下沉与上浮控制，通常是由人工操作，操作人员根据各舱 液位高度、船坞左右舷艏、舯、艉的六点吃水情况调节各水舱的阀门开度，控制 各舱水量从而使得浮船坞沉浮过程可以平稳进行。人工操作对操作人员的经验和 技术要求比较高，而且人工方式工作效率低，劳动强度大，可靠性差。 现代控制技术的发展推动了浮船坞自动控制的进程，关于浮船坞自动沉浮系 统的研究课题越来越多。浮船坞的自动控制不但可以保证平稳性以及内应力，同 时也可以大大提高浮船坞的沉浮速率，保证较高的生产效率。浮船坞沉浮系统自 动控制的实质可以简单的归纳为利用计算机模仿人工操作，控制水泵和阀门的开 度，根据六点吃水计算船坞的倾斜角度和挠度，由此作为控制阀门开度的条件。 计算机控制减轻了工作人员的工作强度，也使得浮船坞沉浮过程变得更加平稳， 快捷，安全。同时省去很多的继电器，安装调试更加简单方便。 利用计算机对浮船坞进行自动控制，首先需要建立关于浮船坞沉浮系统的数 学模型。此模型可以根据坞体的重量分布，上坞船舶的船型、重量分布，以及各 舱室的水量情况计算在不同吃水状态下的调水方案，该调水方案即可作为控制系 第1 章绪论 统的控制点。本文所研究的关键问题在于建立沉浮系统模型，并且通过求解该模 型确定调水方案，最后通过仿真系统检验调水方案的可靠性【1 1 。 1 2 浮船坞沉浮操作介绍 1 2 1 沉、浮作业准备工作 ( 1 ) 检查进排水系统的效能和工作可靠性。 ( 2 ) 检查主压载泵组抽吸各舱最低水位的能力，及在低水位时泵启动的能力。 ( 3 ) 检验各测量显示、控制、报警功能和通讯指挥设备的效能和工作可靠性。 a 检查控制室至机旁控制系统的正确性及控制室转到机旁、机旁转到控制室 的准确性； b 检查各舱水位、挠度、吃水、阀门开度及开关，指示仪表的灵活性和准确 性； c 检查主排水电动机启动电流和正常的运转电流，其值应在正确的范围内； d 应急和备用手摇泵操作的灵活性。 ( 4 ) 进排水时，应尽量保证各压载水舱进排水平衡。 1 2 3 进排水系统操作 ( 1 ) 浮船坞下沉操作顺序 a 关闭排出阀； b 打开进水阀； c 打开所有压载舱支管阀，使各压载舱进水； d 下沉过程中应根据各压载舱的水位、坞吃水的变化情况调整各压载舱支管阀 的开度，以使浮坞平稳下沉，并控制坞的挠度值在允许的范围内；时刻关注坞的 吃水变化，及时调节浮坞的平衡； e 空坞下沉到预期沉深( 一般根据进、出坞船吃水高度加墩木高度加浮箱甲板 高度再加约0 5 m 确定) ，关闭各压载舱支管阀，使坞停止下沉； 关闭所有进水阀；记录各测量仪表数据； 浮船坞沉浮系统建模及其仿真研究 g 浮船坞下沉结束。 ( 2 ) 浮船坞起浮操作顺序 搁墩前的起浮操作 a 打开进水阀； b 启动主压载泵组，然后打开排出阀，先让压载水泵进行打舷外水循环； c 待泵运行平稳后，打开各压载舱支管阀，关闭进水阀，浮船坞开始排水起 浮； d 在排水起浮过程中，根据各压载舱水位，坞吃水的变化情况调整各支管阀 的丌度，以使坞平稳起浮至船搁墩，同时控制坞的挠度值在允许范围内。 搁墩及搁墩后的起浮操作顺序 a 浮坞起浮至进坞船尾部搁墩时，打开进水阀，关闭各压载舱支管阀，使主 压载泵打舷外水循环，此时压载舱暂停排水； b 待坞长确认进坞船搁墩位置正确后，通知控制室继续缓慢排水上浮直至进 坞船全部搁墩完毕( 此时打开各压载舱支管阀，关闭进水阀) 。注意观察各舱水 位变化； c 坞体继续起浮，在起浮过程中调整各压载舱支管阀开度，控制浮坞平稳起 浮，控制坞体挠度值。根据坞起浮过程中主压载泵排出扬程的变化情况适当关小 泵排出阀的开度，但要保证主压载泵组排出扬程； d 当浮坞抬船出水起浮至距浮箱甲板0 3 m 干舷时，停止起浮( 打开进水阀， 然后关闭各压载舱支管阀) ，此时主压载泵组处于打循环水循环状态； 6 根据浮坞吃水及坞体挠度作最后调整。打开需调整水位的压载舱支管阀， 关闭相应的进水阀，继续向外排水： 达到工作吃水，纵横倾和挠度微调结束后，停止主压载泵组并关闭进排水 系统的所有阀门，抬船起浮结束。 第1 章绪论 1 3 国内外发展情况 1 3 1 国外发展情况 在2 0 世纪4 0 年代初期，浮船坞在苏联、美国一些国家就已经正式投入使用。 这些国家的船舶监控系统的自动化和集成化都已经达到很高水平，船舶配载技术 已经应用到浮船坞自动控制系统并且发展到了很高的水平。挪威的k o n g b e r g n o r c o n t r o la s ，h i t e em a r i n ea u t o m a t i o na s ，荷兰的l 1 m g sm a r i n ea s ，日本 n a b a c o ，以及德国s i e m e n sa g 和s t e i ns o h n ，希腊的g o l d e nm a r i n e a u t o m a t i o n 等等，这些公司都已经推出了相关产品。由于这些产品功能齐全，运 行可靠，界面友好受到广泛的欢迎。日本川崎的a d o c s 自动压载控制装置是专门 针对美国s o u t h w e s tm a r i n e 公司制造的h 0 1 2 型浮船坞开发的。该装置主要 是利用采集到的六点吃水计算所需调节的压载水量，从而调整压载水的分配达到 控制横纵倾的目的【2 1 。 1 3 2 国内发展情况 近些年，国际修造船业得到了迅速的发展，特别是中国的修造船业更是发展 迅猛，已经连续多年稳居国际造船业三强之列。因此对浮船坞的需求量越来越多， 吨位也越来越大，十几万吨的浮船坞在现代修造船行业已经成为了主力坞型。我国 自从一九七四年建成第一艘两万五千吨级浮船坞“黄山 号以来，已经建造了众 多的大型浮船坞。2 0 0 5 年，我国自主研发的7 万吨举力( 3 0 万吨级) 浮船坞“大 连号，成为当时全球最大的浮船坞。2 0 0 8 年，8 5 万吨举力( 4 0 万吨级) 的“中 海峨眉山 号下水，又刷新了当年的世界之最。 浮船坞沉浮系统的自动控制在我国的研究始于2 0 世纪9 0 年代初。主要的研 究课题有：压载舱水位检测，浮船坞四角或六角吃水测量，浮船坞挠度的检测， 浮船坞横纵倾检测、计算等等。国内对于浮船坞沉浮系统自动控制的主要做法是 由一台上位机( p c 机) 外接p l c 、配载仪以及数据采集板和打印机等设备形成一 个闭环控制回路。首先，由数据采集板采集浮船坞六角( 或四角) 的吃水情况， 以及各压载水舱液位高度和甲板挠度等信息并将信息传送给上位机。然后，上位 浮船坞沉浮系统建模及其仿真研究 机对传送来的信息进行分析处理，决定控制目标( 各压载水舱调水方案) 。最后， 由上位机将调水方案传送给p l c ，p l c 根据调水方案控制各压载水舱的进排水阀 的开度，最终达到调节各舱室水位的目的。浮船坞沉浮自动控制系统的硬件构成 如下图所示： 图1 1 浮船坞沉浮系统实时控制硬件构成 f i g 1 1h a r d w a r es t r u c t u r eo ff l o a t i n gd o c kr e a l t i m ec o n t r o ls y s t e m 近年来，国内很多研究人员对浮船坞压载水舱水量调节做了大量的研究与探 索，主要是利用计算机控制浮船坞沉浮作业，设计压载水舱配载控制系统，实现 了手动操作结合计算机自动控制。同时利用计算机计算压载水舱群液位、各水舱 配载等技术也已经得到广泛应用。浮船坞沉浮系统智能控制的构想近几年被提出， 其特点是抓住对浮船坞压载水舱、上坞船舶的变形挠度和船舶姿态这两个关键进 行控制，而忽略了传统方法中对于装载过程中装载对象和装载方案的变化引起的 船舶重量和重心的变化。这种方法的关键技术是高效率的对于船舶姿态进行总体 控制、高效率的调节压载水舱的压载水，以及准确确定船体和浮船坞甲板的变形 边界和确定船舶的装载危险边界。很多一线作业人员依据长期的浮船坞沉浮操作 经验，总结出控制浮船坞沉浮作业的模糊规则，建立了压载水舱中的管系模型， 根据检测到得浮船坞实时吃水，利用模糊规则调节各个阀门的开度【3 】。 第1 章绪论 1 4 本文的主要研究内容 本课题来源于某在建8 万吨浮船坞自动沉浮系统的设计过程，为该项目的子 课题之一。本文所研究的沉浮系统建模及其仿真，为浮船坞沉浮系统自动控制算 法提供了理论依据和软件验证，主要的研究内容如下： ( 1 ) 浮船坞浮态计算。通过对船舶与半潜船的浮态参数计算进行研究，得到浮 船坞浮态计算一般方法。主要包括浮船坞吃水差、横纵倾角、静水力曲线等，其 中重点研究了静水力曲线的计算方法。 ( 2 ) 浮船坞配载模型的建立与求解。根据力平衡，力矩平衡建立配载模型。求 解配载模型，得到浮船坞目标吃水下的调水量。 ( 3 ) 浮船坞配载模型优化与求解。优化模型分为两部分，分别为调水量的优化 和调节时间的优化。求解调水量优化模型得到目标吃水下各舱室调节水量；求解 调节时间优化模型得到调节起始时间，以控制各阀门的开启与关闭。调节量与调 节时间的配合可以达到调节量最少，坞体横纵倾值最小的要求。 ( 4 ) 利用m a t l a b 编程对模型求解。得到仿真结果并对结果进行分析。 通过查阅资料，本文总结出三种传统求解配载模型方法，传统方法适用于坞 体规则，压载水舱布局规律的浮船坞。为了将配载模型一般化，本文在配载模型 基础上建立配载优化模型，并且利用惩罚函数对其求解。优化模型对浮船坞的坞 体形状以及水舱布局基本无要求，求得的调水方案更加合理，同时可以解决阀门 操作频繁问题。 为验证优化模型可靠性，本文最后以项目设计的8 万吨浮船坞为算例，对优 化模型进行仿真。并以一艘1 5 0 0 0 t 船舶为例，仿真抬船过程并对仿真结果进行分 析。 浮船坞沉浮系统建模及其仿真研究 第2 章浮船坞配载模型建立 2 1 浮船坞工作原理及配载解释 2 1 1 浮船坞工作原理 对于各大中型船舶维修和制造工厂来说，船坞是其必不可少的重要基础设备。 现代船坞基本可分为浮船坞和干船坞，其中干船坞为传统意义上的船坞，干船坞 一般建立在濒临合适水域的陆地，用以修造船舶；而浮船坞则是为了船舶维修而 建立的海上浮动平台。 为了保持受损船舶的生命力，争取维修时间，让待修船舶尽快进入船坞就变 得意义重大，而船舶进入传统的干船坞需要选择适当的大潮时间进行。相对而言 船舶进入浮船坞不受潮汐大小影响，而且可以机动接近船舶。然而，浮船坞也有 缺点：首先，作为浮动的海上作业平台，浮船坞本身应具有基本的航海能力，其 中包括不沉性、稳定性和浮性等；其次，浮船坞是可下沉和上浮的，沉浮过程是 通过调节一个或多个水舱中的水量来实现的，水舱的设计、布局和建造具有一定 的复杂性，从而增加了浮船坞的建造难度和成本；另外，浮船坞上的机械设备对 比干船坞而言更加复杂，其设备不仅要保证浮船坞自身安全，更要保证待修船舶 入坞安全；最后，由于浮船坞设备复杂，工作环境恶劣，其维护和管理更加复杂【4 - 5 】。 2 1 2 配载 配载在传统意义上讲是指通过对运输工具的运载能力，以及货物的特殊性和 安全等因素统筹规划，制定出安全可靠且效率偏高的运输方案。此处所讲的运输 工具包括空运、水运和陆运，根据运输工具的不同，其配载问题也各具不同特点【每7 】。 对于船舶而言，因为其自身的类型和用途等不同，配载问题也不尽相同，但 所有船舶都要遵循共同的原则：通过合理分配货物和压载水使得船舶满足浮态、 稳性和强度等安全要求，同时尽量提高作业效率。 本文所指的配载是针对浮船坞压载舱中的压载水而专门提出的。浮船坞与其 他船舶不同之处在于，船坞在上浮与下沉过程中，为了保证坞体的吃水、挠度、 第2 章浮船坞配载模型建立 以及浮态等要求，需要对压载水量进行实时调节。因此，配载问题对于浮船坞的 运转非常重要，浮船坞配载模型的建立也是本文的重点。 2 2 浮船坞浮态的一般计算方法 浮船坞在一定的装载情况下所具有的漂浮( 或者浸没) 水中保持平衡的能力 叫做浮船坞的浮性。浮性是浮船坞的基本性能之一，静水中浮船坞的平衡状态称 为浮态。浮态分为四种分别为：正浮、纵倾、横倾和纵倾加横倾，利用浮船坞六 角吃水，横纵倾角等参数可以计算或者表示四种浮裂8 。1 1 。 本文借鉴船舶和半潜船浮态的计算方法，着重介绍了浮船坞各浮态参数的计 算。其中，横倾计算可以参考纵倾计算方法在文中不多加赘述。浮船坞吃水差可 以用来表示浮船坞纵倾大小，吃水差( t r i m ) 指的是浮船坞首吃水办与尾吃水函之 差，吃水差用符号p 表示。平吃水( e v e nk e e l ) 是指浮船坞首尾的吃水相等，吃水差 为零，此时浮船坞为正浮态：尾吃水差( t r i mb ys t e r n ) 是指尾吃水大于首吃水，此 时称作尾倾；首吃水差( t r i mb yh e a d ) 是指首吃水大于尾吃水，此时可称为首倾。 浮态计算是浮船坞配载模型建立的重要基础，通常在配载校核的情况下，浮 船坞的横纵倾值很小，只需要查找静水力参数表或利用静水力曲线图即可。 2 2 1 浮船坞排水量计算 配载首先要对浮船坞的排水量进行计算，在待修船舶已上坞的情况下，浮坞 上的各项重量已知，可以求得浮船坞总重量，即浮坞的排水量。 浮船坞重量项目主要包括： 1 ) 空船坞重量甄：由坞体结构、仪器机电设备、舾装设备等重量组成，这些 组成部分的重量和中心在浮船坞的使用过程中固定不变。也可以称作为浮船坞自 身重量，由装载手册直接查得 1 2 1 。 2 ) 变动重量：上坞船舶总重量尸，由实际装载情况决定。 浮船坞排水量d 即为空船坞重量和变动重量之和： d = 甄+ p ( 2 1 ) 浮船坞沉浮系统建模及其仿真研究 2 2 2 吃水差计算 ( 1 ) 吃水差的原理【t 3 - t 4 1 l b f 吖，血- x f 一 1 正 于 砑 上_ _ 、 上 万亏 6a f lbp 7 图2 1 吃水差原理 f i g 2 1t r i mp r i n c i p l e 如上图所示阴影部分为浮船坞横截面，在正浮态情况下，水线可表示为w o l o ， 浮船坞发生纵倾后，水线变化为三l ，此时纵倾角为0 ( a n g l eo f t r i m ) 。 由于浮船坞发生纵倾时纵倾角0 很小，所以可以近似认为浮船坞发生纵倾前 后两个水线w o l o 与嘲三l 的交线通过漂心f 。 浮船坞的纵稳，t 二, ( l o n g i t u d i n a lm e t e c e n t e r ) 表示为舰，该点为纵倾前后浮力作用 线的交点。当排水量发生变化时纵稳心m l 的高度也发生变化，在一定排水量情况 下，尥的高度可近似认为不变。纵稳心高度( l o n g i t u d i n a ls t a b i l i t y ) 可表示为g m l 由重心g 0 与纵稳心m l 之间距离决定。 第2 章浮船坞配载模型建立 浮船坞纵倾后纵向复原力矩可表示为以下公式： m 魁= 9 1 8 d g m ls i n 0 ( k n m )( 2 2 ) 由于浮船坞纵倾时纵倾角口很小，所以可以近似认为s i n 0 = t 9 0 。由图2 1 可以 知道： t a n 0 2 专 ( 2 3 ) 其中：p 为浮船坞纵倾角( 。) p 为浮船坞吃水差( m ) l b p 为浮船坞长度( i n ) 于是： m 魁= 9 1 8 d g m 上s i n ，p 一( k n m ) ( 2 4 ) 1 j b p 浮船坞纵向复原力矩表示为e ，纵倾力矩表示为m r ，复原力矩与纵倾力矩 相等，方向相反，纵倾力矩计算公式为： m 工= 9 8 1 d i l ( 2 5 ) 可得： 9 8 1 d g m 工s i i l = 9 8 1 d 屯 ( 2 6 ) o b p 每厘米力矩为吃水差为t = l c m = 0 0 1 m 时纵倾力矩，每厘米纵倾力矩用m t c 表 示，于是有： m t c ：鲨黑堕( k n n v e r n ) ( 2 7 ) 1 0 叱即 、 综上所述，通过计算不同排水量的情况下每厘米纵倾力矩的值m t c ，并且绘 制曲线便可得到每厘米纵倾力矩曲线。该曲线在静水力曲线或者静水力参数表中 可以查得。 ( 2 ) 吃水差的计算 浮船坞沉浮系统建模及其仿真研究 由吃水差原理介绍可知浮船坞吃水差可表示为： p ：堕( c m )( 2 8 ) p = 2i c m )i = z 萏i m t c 、 上式中：每厘米力矩m t c 可由静水力曲线图或者静水力曲线表查得。m l 为浮船坞 纵倾力矩，纵倾力矩的产生是因为浮船坞的重力的作用线和平吃水时浮力的作用 线不为同一条直线。m l 力矩为平吃水时浮力作用线和重力作用线之间的水平距离， 可表示为： l l = 一x b ( m )( 2 9 ) 咯一浮船坞重心到浮船坞中心的距离，其符号相应于吃水差的符号，一般情况下， 位于浮船坞中心前为正，位于浮船坞中心之后为负 淞一浮船坞浮心到浮船坞中心的距离，其符号与咯相同，其值可由静水力曲线 图( 或静水力参数表) 查得。 由下式计算喙的值： ：躲 ( 2 1 0 ) 其中，p f 一浮船坞一定排水量时各项载荷的重量( t ) ，主要包括空船坞重量、上坞 船重量以及各压载水舱中水的重量等等。 r 各b 的重心距离浮船坞中心的距离。 卜排水量。 综上所述，吃水差可以表示为： 夕= 9 8 而1 d 面( x 面g - 一x b ) (m)(21 1 ) p = 一 i m l， l o o 肋7 c 、7 ( 3 ) 首尾吃水计算 在一定排水量情况下，由静水力曲线图或者静水力参数表可以查得浮船坞平 均吃水厶，同时通过上述计算可以得到吃水差t ，根据图2 1 可以得到： 第2 章浮船坞配载模型建立 伊i p2 瓦8 d a 2 袁 亿1 2 ) 于是可得： 鱼二皇 坼2 1 中 ( 2 j 3 ， l 8 p 七x f 吼2 1 中 ( 2 j 4 ) 一 其中，移为漂心距离浮船坞中心的距离，可以从静水力曲线或者静水力参数表中查 得。 综上可以求得浮船坞首尾吃水分别为办和d a ： d p亿均，= + _ p( 2 1 5 ) 纽+ 石， d 一= d 一等p ( 2 j 6 ) 由幽、d p 可以确定平衡水线嘲三i 。 2 2 3 静水力曲线 在浮船坞沉浮过程中，横纵倾较小时可直接利用静水力曲线( 或由静水力曲 线表) 查得横纵倾值。在横纵倾较大的情况下，此