大型船舶在航道上的操纵运动仿真

大型船舶在航道上的操纵运动仿真

0大型船舶出合理仿真模型及系统实现大连新船称重有限公司是“大型集装箱船和浮式生产储油船”建设项目的一部分，准备将现有20万吨t级码头扩建至175m。由于浦口之前的水域平面条件和水深条件的限制，尤其是大型船舶，载重量大、水深大、规模大、惯性大、倾角大、，风和流量对运动状态的影响较小。因此，有必要通过充分反映大型船舶的外部旋转和回波后的返回码头和海口的安全。评估船型为30万吨石油船，还对10万吨、15万吨和20万吨油船进行了模拟试验。在此基础上，利用日本mmg分离建模方法，提供了大型船舶模拟模型和电子海洋图像坐标转换方法。基于此，我们在海口新船重量新船的动态下回波码头和新船通过运行监控道的出发港和海口。1船舶弯曲理论与船模型数据库1.1u3000表在描述船舶操纵运动时,一般取图1所示的两种平面直角坐标系,即空间固定坐标系X0OY0和随船运动坐标系xGy(G为船舶重心).在图1中,X,Y,N为作用于船体上的外力和外力矩;u,v,r为船舶运动的速度分量及转首角速度;φ为航向角;δ为舵角;ua、va为绝对和相对风速;φa,αa为绝对和相对风舷角;uc、φc分别为流速和流向角;β为漂角.本数学模型主要考虑船舶的平面运动,忽略船舶横摇、纵摇及垂荡对操纵运动的影响.并假设船舶的操纵运动是准定常的,认为水动力与频率无关,不考虑波浪的影响,水的自由表面作刚性壁处理.采用下列操纵运动方程式:{(m+mx)˙u-(m+my)vr=XΗ+XΡ+XR+XA+XΟ(m+my)˙v+(m+mx)ur=YΗ+YΡ+YR+YA+YΟ(Ιzz+Jzz)˙r=ΝΗ-XGYΗ+ΝΡ+ΝR+ΝA+ΝΟ2π(Ιpp+Jpp)˙n=QE+QΡ+QfΤE˙δ+δ=δE(1)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(m+mx)u˙−(m+my)vr=XH+XP+XR+XA+XO(m+my)v˙+(m+mx)ur=YH+YP+YR+YA+YO(Izz+Jzz)r˙=NH−XGYH+NP+NR+NA+NO2π(Ipp+Jpp)n˙=QE+QP+QfTEδ˙+δ=δE(1)其中:m,mx,my,Izz,Jzz分别为船舶质量、附加质量和附加惯性矩;Ipp、Jpp为桨及轴系的转动惯性矩和附加惯性矩,QE为主机发出的转矩;QP为螺旋桨消耗的转矩;Qf为轴系摩擦消耗的转矩;δE为命令舵角;TE为舵机时间常数.上式中各量下标含义为:H表示船体;P为螺旋桨;R表示舵;A为风;O为其他等产生的作用于船体上的外力和外力矩,舵机通常还有|δ|≤35°,|˙δ|≤3°/s|δ|≤35°,|δ˙|≤3°/s的限制.由于模型试验求取船体的水动力导数时是取船中心作为坐标原点的,所以上式将把对船中的力矩转换为对船重心的力矩;XG为船重心坐标,在船中前为正,船中后为负.按照作用在船体上各水动力的不同属性,船舶操纵运动模型可以表示为如图2所示层次模型.图中的其他力学模型包括浅窄水域及岸壁影响模型.船体水动力模型、外界水动力模型、操纵设备力模型及其他力学模型请参阅文献.在式(1)中,如果求出作用于船体上的外力后,应用龙格—库塔法即可求得船舶操纵运动参数,如:u,v,r,n,X0,Y0,φ,为此,需要将微分方程化为一阶微分方程组:{˙u=[(m+my)vr+XΗ+XΡ+XR+XA+XΟ]/(m+mx)˙v=[-(m+mx)ur+YΗ+YΡ+YR+YA+YΟ]/(m+my)˙r=[ΝΗ-XGYΗ+ΝΡ+ΝR+ΝA+ΝΟ]/(Ιzz+Jzz)˙n=(QE+QΡ+Qf)/[2π(Ιpp+Jpp)]˙δ=(δE-δ)/ΤE,˙φ=r˙X0=ucosφ-vsinφ,˙Y0=usinφ+vcosφ(2)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪u˙=[(m+my)vr+XH+XP+XR+XA+XO]/(m+mx)v˙=[−(m+mx)ur+YH+YP+YR+YA+YO]/(m+my)r˙=[NH−XGYH+NP+NR+NA+NO]/(Izz+Jzz)n˙=(QE+QP+Qf)/[2π(Ipp+Jpp)]δ˙=(δE−δ)/TE,φ˙=rX˙0=ucosφ−vsinφ,Y˙0=usinφ+vcosφ(2)式(2)解得的结果(X0,Y0)经过第2节介绍的坐标变换得到屏幕坐标(x0,y0),将船舶符号按照屏幕坐标动态叠加到电子海图上就可以实现船舶操纵运动的动态仿真.1.2船舶操纵数学模型为了便于船模数据的维护和管理,用ACCESS建立了船舶操纵运动数学模型数据库.该库包括系统数据表、船型数据表、实船试验数据表、离线计算数据表:SCREW为B系列四象限试验用桨的参数表;CTCQ为推力转矩系数表;NANBO为蓝波奥芬凯勒图谱表;SHIPTYPE为船型数据表;CIRCLE为旋回圈实船试验数据表;ZTEST为Z型试验数据表;SPIRE为螺旋试验数据表;MODEL为离线计算数据表.船舶模型数据库能够准确可靠地保存数据,能够在需要时方便完整地提取数据,能够用来校核船舶操纵运动数学模型,能够进行操纵性能预报.这里仅介绍NANBO表,该表有GROUP,CP,PID,PX,PY5个字段,GROUP字段表示图谱组别(A,B,C,D,E共5组);CP字段表示棱型系数;PID字段表示坐标点序号;PX字段表示图谱横坐标;PY字段表示图谱纵坐标.蓝波奥芬凯勒图谱是荷兰瓦格宁水池根据近40多年所做的大量船模试验资料给出的,适用于单桨民用船,特别是大尺度丰满船型的剩余阻力估算.本文已将5组图谱的所有曲线进行数字化并存入NANBO数据表,由NANBO表得到A组图谱如图3所示.2u3000定型原理以电子海图北向上时的左下角为坐标原点O,OY轴向上,OX轴向右,单位为毫米,建立逻辑显示坐标系.设一纸质海图或纸质海图上的一裁剪矩形区域,其左上角点地理坐标为A(φ1,λ1),右下角点为B(φ2,λ2),M(φ,λ)为图中任一点.该图在图形显示器上显示时对应A、B和M点的逻辑显示坐标分别为a(X1,Y1)、b(X2,Y2)和m(X,Y).又设A、B和M点的等量纬度分别为q1、q2和qm.则有λ2-λ1λ-λ1=X2-X1X-X1‚q2-q1qm-q1=Y2-Y1Y-Y1(3)λ2−λ1λ−λ1=X2−X1X−X1‚q2−q1qm−q1=Y2−Y1Y−Y1(3)由式(3)得到{X=λ2X1-λ1X2λ2-λ1+X2-X1λ2-λ1⋅λ‚Y=q2Y1-q1Y2q2-q1+Y2-Y1q2-q1⋅qmλ=λ1X2-λ2X1X2-X1+λ2-λ1X2-X1⋅X‚qm=q1Y2-q2Y1Y2-Y1+q2-q1Y2-Y1⋅Y(4)若已知M点的逻辑坐标为Y,则由式(3)先求得相应的等量纬度q,再由文献直接反解地理纬度.若已知M点的地理纬度为φ,则选择文献求出其等量纬度q,再由式(4)求出其逻辑纵坐标Y.3航空安全评估标准(1)通航安全模拟试验根据《海港总平面设计规范》(JTJ211-99),进行通航安全模拟试验.评价船舶操纵安全性的主要指标有:操舵角、风流压、偏航范围、操纵稳定性及航迹占有宽度.(2)评估单角角的标准一般说来,大型船舶在港内操纵,在一定的主机工况下,船舶克服风流等因素影响的保向舵角不宜大于10°～15°,风流压差也不宜太大.(3)操纵分配的船舶在较大的压舵角时,留有一定的主机操纵富裕量,能及时纠正船位和航向.另外,船舶偏离航道中心线,距航道边线的最近距离应不小于0.75倍船宽.4拖船数量的估计和模拟示例4.1ya,ya,cwy,va的计算拖船数量的计算原理是船舶匀速横向靠泊过程中拖船推力的总和等于风动力与水动力的总和.港作拖船的推力(或拖力)与拖船的类型有关,拖船每100kW功率发出的拖力如表1所示.船舶横向移动的水动力和风动力的估算公式为{Yw=1/2ρwLdv2yYa=73.6×10-5Ayv2aξCwy=6.06-2.8Η/d(10)式中,Yw,Ya,ρw,vy,Cwy,Ay,ξ,va分别为水动力、风动力、水密度、船舶横移速度、船舶横向移动水动力系数、船体水面以上横向受风面积、风压不均匀折减系数和相对风速;L为船长;d为船舶吃水;H为水深.大型船舶横向入泊速度按文献的标准不可超过0.10m/s,按文献的标准,10万t船舶有掩护泊位为0.06～0.08m/s,开敞式泊位为0.08～0.15m/s.风压不均匀折减系数一般取1.油船的满压载船体水面以上横向受风面积可按下式估算:lgAy=0.485+0.5741lgDWlgAy=0.618+0.62lgDW(11)为控制30万t油船在风流中的横移按Z型推进器拖船计算所需的拖船功率见表2.4.2试验模拟试验大连造船新厂水深图采用的平面坐标系是大连城建坐标系,高斯投影.中央经线是121°30′,且纵坐标轴西移30km.经过坐标变换得到墨卡托投影的电子海图.评估的船型主要是空载30万t原油船,对于满载吃水的10～20万t油船也进行了仿真试验,船舶主尺度如表3所示.大连新船重工有限责任公司20万t船坞位于大连臭水套水域南侧,船坞北侧为舾装码头.航道宽度、泊位长度和港池宽度分别为250.0m、400.0m和110.0m.根据提供的资料,厂区海域的潮流基本呈东西向,流速低于0.5m/s,保证率最高的潮高为2.8m,夏季多偏南风,冬季多偏北风,常风向为北风.在不同的风流条件下,利用船舶操纵仿真平台由经验丰富的船长进行拖船协助下大型船舶旋回调头进入舾装码头靠泊的实时动态仿真试验,每次模拟试验所需时间与实船操纵一样,约需时45min～1h.试验结果如图4所示.5仿真结果与分析随