努瓦克肖特港拖船协助船舶操纵技术

论文摘要

随着全球经济的发展和技术的进步,船舶趋向大型化、高速化,并且船舶数量猛增。港口发展的局限造成了港内运输流的繁忙,从而增加了碰撞的可能性。出于安全的角度和相应港口规则的要求,大型船舶进出港都需要拖轮的协助。并且在某些水域拖轮可能会用于确保操纵能力受到限制船舶的安全、或恶劣海况条件下协助船舶摆脱困境。随着航运业的发展,拖轮在主要港口的使用越来越频繁。尽管实践年份很长、数学模型仿真和理论有相应的发展,但拖轮的操纵仍然是主要的实际问题。拖轮协助船舶操纵通常是发生在船舶靠泊或离泊过程中,本文在阅读和总结国内外大量资料的基础上,吸取了日本MMG建模思想,建立了一组较为精确、完整的拖轮协助船舶靠离港的运动方程。考虑船舶常速域和低速域状态下的运动数学模型,为保证船舶运动的连续性,采用了将两种数学模型相结合的方法,即在常速域(漂角小于20°)下采用贵岛胜郎的计算模型,在低速域(漂角大于30°)下采用芳村康男的计算模型,漂角在两者之间则采用两种模型内插的结果。为了准确建立能够在船舶数学模型中运用的拖轮操纵模型,我们考虑了船舶在低速、浅水、大漂角、以及船舶运动连续性的特点。并且,我们综合船舶和拖轮的数学模型建立了低速域、大小漂角情况下的数学模型,并对数学模型进行了一定的简化处理。船舶、拖轮的操纵参照了努瓦克肖特港口或附近水域的实际情况。为了方便文章的定性分析,分别考虑了船舶与拖轮的相互作用、从而得到了所需方程。本文运用MATLAB仿真了船舶在不同在装载状态、不同航速、不同拖轮带缆点、不同天气海况下的情况。仿真结果和分析肯定了本文的实用价值。当前,很多学者开始投入对拖轮协助操船这一问题进行研究,主要是采用将具体的工程实际问题建立的数学模型与约束船模进行试验相结合的方法。在研究内容上,主要包括以下几个方面：1,拖轮协助操船的运动数学模型的研究目前,许多学者主要是针对实际工程问题建立相应的数学模型。小濑邦治等人以全回转双Z型拖轮为例,建立了包括拖轮桨推力、流体动力、大船与拖轮之间的相互干涉作用力在内的数学模型。杨盐生和方祥麟建立了港内拖轮协助操船的运动数学模型,给出了拖轮流体动力和拖轮Z型导管桨四象限推力系数的实用估算法,这种不再将拖轮力作为常力的处理方法能更为精确的反映拖轮助操问题的实质。2,拖航系统的航向稳定性的研究拖航系统包括拖轮、被拖船和拖缆三个子系统,对于拖航的研究主要是对被拖船的航向稳定性的研究。Charters等人采用经典的线性时不变拖航理论,分析了浅水对被拖船航向稳定性的影响,得出了拖航航向稳定性参数。贵岛胜朗等人通过研究水深、拖缆长度和流对拖航系统航向稳定性的影响,指出水深对稳定性的影响要大于拖缆长度,逆流对拖航系统会产生较大的偏荡作用。贵岛和古川研究了在受限水域中的拖带方法,考虑了拖缆长度和拖航点对系统稳定性的影响。Varyani以拖带两艘破损船舶的工况为模型,指出了风对系统稳定性影响较大。S.wallace Slough对拖轮协助船舶操纵进行了大量的实船试验并得出拖轮在各种不同工况下的研究结果。李强通过建立大船与拖轮两套船舶模型,研究了风、流等外力对拖航系统的运动情况产生的影响,并指出风会对拖航系统产生一定的偏航角,且随着受风面积的增大而增大。顶流时会加剧偏荡的幅度；顺流会减缓偏荡的幅度。3,港内拖轮协助船舶操纵的研究20世纪80年代后期,日本很多学者采用MMG模型围绕港内拖轮协船舶操纵进行了研究。小濑邦治等人建立了一套拖轮协助操纵能力的评估方法,重点研究了大船在航时拖轮的协助操纵性能。小林弘明等人采用约束船模试验的方法,对低速域拖轮助操工况下的船、桨和舵的干涉影响进行了研究。小林弘明和阪口泰弘就拖轮协助大船旋回所用时间和水域面积以及拖轮使用标准等不同的角度对这一领域作了深入全面的探讨。王哲对港内拖轮协助操船在各种工况下极限航速进行了研究,得出了拖轮不同工况下的极限航速。张鹏采用变化的拖轮力就拖轮协助船舶在各种工况下进行了研究,得出了船舶在不同载况、不同速度以及拖轮协助船舶作原地旋回等工况下的运动仿真结果,但是没有考虑拖轮以不同角度的顶推、不同拖轮组合顶推等问题。对于港内拖轮助操问题上,拖轮在风流中协助船舶掉头研究的较少,本文将重点研究拖轮在风流中协助船舶操纵的仿真。为了使本文建立的数学模型能够满足工程上的要求,更好地跟实际情况相结合,便于应用分析,文中考虑了风、流等外界环境因素对拖轮与船舶之间作用力的影响。采用四阶龙格—库塔法对操纵运动方程的数学模型进行解算,并采用MATLAB数学工具语言中的Simulink工具箱对拖轮协助船舶在各种情况下的掉头运动进行了仿真,包括拖轮自身的不同工况及风、流等外界环境干扰的情况,得出了一系列重要的结论,能够对实际船舶驾驶有一定的指导意义。本课题的研究结果对驾引人员的安全操纵船舶具有一定的参考价值和理论上的指导意义,为拖轮的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了一定的理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• Chapter 1 Introduction
• 1.1 Historical background
• 1.2 Current situation
• 1.2.1 Mathematical model for ship motion
• 1.2.2 Ship maneuvering with tug assistance
• 1.3 Research content of this thesis
• Chapter 2 Mathematical model of ship motion
• 2.1 Coordinate system and equations of the ships plane of motion
• 2.1.1 Coordinate system
• 2.1.2 Establishment of the equation
• 2.1.3 Establishment of equations of maneuverability
• 2.1.4 Dimensionless parameters
• 2.2 Fluid dynamics and torque
• 2.2.1 Calculation of their effect on the hull
• 2.2.2 Calculation of viscous effects on the hull and torque
• 2.3 Computation model of the propeller and the main engine characteristics
• 2.3.1 Propeller thrust and torque
• 2.3.2 Wake and thrust deduction near the propeller coefficients
• 2.3.3 Computation of the thrust and torque coefficient
• 2.3.4 Computational model of the main engine characteristics
• 2.4 Computation and characteristics of the rudder
• 2.4.1 Determination of the Positive pressure
• 2.4.2 Effective inflow velocity and attack angle calculations
• H,x_H,x_R,t_R calculation'>2.4.3 Factor a_H,x_H,x_R,t_Rcalculation
• 2.5 Affect of shallow water
• 2.5.1 Amendment of the additional mass and added moment of inertia
• 2.5.2 Amendment of the fluid dynamics of the Kiji model
• 2.5.3 Amendment of the fluid dynamics derivatives in Kijima model
• 2.5.4 Amendment of the propeller thrust and the torque
• Chapter 3 Motion of large vessel under assistance of tug
• 3.1 Types and Characteristics of Tug
• 3.1.1 Types of port tug
• 3.1.2 Characteristics of port's tug
• 3.2 Role and method of assistance of port tug
• 3.3 Determination of power and number of tugs
• 3.3.1 Required pulling force determination
• 3.3.2 Total pulling force required
• 3.4 Computation of the tug force
• 3.4.1 Maneuvering motion equations and its coordinate system
• 3.4.2 Modeling of the tug hydrodynamics
• 3.4.3 Modeling of the tug's propeller thrust
• 3.4.4 Modeling of the tug force and torque
• 3.4.5 Modeling of the main engine's controller
• 3.4.6 Calculation of the tug forces
• 3.5 Force from the tug and the corresponding effect
• 3.5.1 Tug effect on the ship still in the water
• 3.5.2 Tug effect when ship moving ahead
• Chapter 4 Comparison between simulation results and experience
• 4.1 Definition of the algorithm of the motion equation
• 4.2 Definition of the simulation platform
• 4.3 Autonomous Port of Nouakchott （Nouakchott port）
• 4.3.1 Generalities
• 4.3.2 Presentation of port "friendship" Quay
• 4.4 Simulations of ships maneuvering technology by tugs, in the port of Nouakchott
• 4.4.1 Berthing in Berth Ⅰ Container ship
• 4.4.2 Berthing in Berth Ⅱ
• 4.4.3 Berthing in Berth Ⅲ Huge container ship
• 4.4.4 Berthing in Berth Ⅲ bulker ship
• Chapter 5 Conclusion
• References
• Thanks