船舶操纵运动仿真平台开发及应用

论文摘要

船舶操纵性是船舶重要航行性能之一,与船舶航行的安全性和经济性密切相关。随着航道通航能力的不断提高,通航船舶密度及数量将大大增加,并向着大型化、高速化方向发展,势必给航道或通航建筑物等的通航条件提出了更高的要求。加之航运环境的复杂多变,驾驶人员素质差异较大,致使船舶操纵日趋困难,航运安全问题己经受到了广泛的关注。为确保航道、船舶及工程的安全,船舶操纵性的研究日益显示其重要性。本论文从水动力学观点出发,基于船舶操纵运动数学模型,开发船舶操纵运动仿真平台,并利用开发的仿真平台开展船舶操纵运动特性研究。论文的主要研究工作和相关结论如下:①系统地调查、总结国内外本项研究的动态和成果,总结成功的经验及存在的问题,分析得出本文的研究思路;②基于平面二维水流数学模型,利用Fortran语言编写程序进行计算。结合实际工程对该数值模拟方法进行验证,结果表明此模型达到了一定的精度,能够满足工程需要。③基于船舶操纵运动数学模型,采用VB语言编写计算程序开发仿真平台,仿真平台给出了Windows风格的菜单、工具栏及窗口,实现了计算过程的可视化和动态演示。④利用仿真平台对工程河段代表船舶进行了Z形试验和旋回试验仿真,并同实测结果进行比较,结果表明此仿真平台满足工程开发要求。⑤在水流数学模型和船舶运动数学模型验证合理的基础上,耦合水流数学模型,利用仿真平台开展菜园坝河段船舶操纵运动试验,研究船舶在典型水域的操纵特点。试验结果表明该仿真平台可以作为一种预报船舶在一定条件下操纵运动的工具,具有广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 船舶运动数学模型研究现状
• 1.3.2 船舶操纵运动仿真研究现状
• 1.4 主要研究方法及内容
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 水流数学模型
• 2.1 贴体正交曲线坐标系二维水流数学模型
• 2.1.1 贴体正交曲线坐标网格生成
• 2.1.2 控制方程
• 2.1.3 求解方法
• 2.1.4 边界条件及动边界处理
• 2.2 模型验证
• 2.2.1 验证资料
• 2.2.2 计算域选取及网格生成
• 2.2.3 计算糙率的选取
• 2.2.4 验证结果分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 船舶操纵运动数学模型
• 3.1 基本原理
• 3.2 船舶运动方程
• 3.2.1 静水中的船舶运动方程
• 3.2.2 动水中的船舶运动方程
• 3.3 水动力表达式
• 3.3.1 作用于船体的流体惯性力及力矩
• 3.3.2 作用于船体的纵、横向流体粘性类力及力矩
• 3.3.3 螺旋桨纵向力
• 3.3.4 舵力及其力矩
• 3.4 船舶操纵运动方程的求解
• 3.4.1 龙格—库塔法简介
• 3.4.2 船舶操纵运动方程的求解
• 3.5 船舶位置确定
• 3.6 本章小结
• 第四章 仿真平台设计
• 4.1 Visual Basic 6.0 程序语言简介
• 4.1.1 Visual Basic 的发展历程
• 4.1.2 Visual Basic 6.0 的特色
• 4.2 总体设计
• 4.2.1 需求分析
• 4.2.2 工作流程
• 4.2.3 功能模块设计
• 4.3 界面设计
• 4.3.1 主界面设计
• 4.3.2 参数界面设计
• 4.3.3 仿真界面设计
• 4.4 船舶航行显示设计
• 4.5 航行数据的存储与输出
• 4.6 本章小结
• 第五章 船舶操纵运动仿真
• 5.1 船舶操纵性概述
• 5.2 设计船舶具体参数
• 5.3 Z 形试验
• 5.4 旋回试验
• 5.5 船模验证
• 5.6 本章小结
• 第六章 工程应用
• 6.1 工程河段基本情况
• 6.1.1 河道概况
• 6.1.2 航道现状及发展规划
• 6.1.3 桥梁布置概况
• 6.2 工程河段船舶操纵试验方案
• 6.2.1 试验方案设计
• 6.2.2 代表船型选择
• 6.2.3 流量级选择
• 6.2.4 航线规划
• 6.2.5 船舶航行状态判别标准
• 6.3 工程河段船舶操纵运动仿真
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果