波浪中船舶六自由度操纵/摇荡耦合运动仿真研究

论文摘要

船舶在海上作机动航行时,在操纵运动的基础上实时伴随着摇荡运动,然而人们至今一直沿用着船舶操纵运动与摇荡运动分开单列研究的传统做法,其结果不能真实反映船舶在海上机动航行的实际运动状态。本文开展操纵-摇荡耦合运动仿真技术研究,试图模拟并反映船舶在海上机动航行时的实际运动。依据船舶运动的动力学基本原理,应用船舶操纵运动分离建模思想,考虑了船舶在横摇、纵摇、垂荡及摇首上水动力的非线性和耦合作用,简化了水动力的表达式,建立了波浪中船舶六自由度操纵/摇荡耦合运动仿真模型。基于傅汝德-克雷洛夫假设,将船舶近似为箱型船,建立了规则波浪对船舶六自由度运动的主干扰力和漂移力数学模型,并将该数学模型推广至不规则波浪对船舶的作用力。将波浪的主干扰力（矩）、波浪漂移力、螺旋桨推力及舵力作为外力的一部分,叠加到船舶六自由运动数学模型中,开发了某大型船舶在波浪作用下的六自由度操纵/摇荡耦合运动实时仿真模拟系统;经过对不同舵角、不同波高、不同浪向等工况的试算,得出了不同工况下某船的操舵响应回转运动轨迹,回转过程中的横摇、纵摇和升沉运动以及波浪力的时间历程曲线。计算结果与国外该船的设计资料相符,验证了所建立的六自由运动数学模型和波浪力数学模型的合理性以及所开发仿真系统的可靠性,具有工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的目的和意义
• 1.2 国内外同类研究发展现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 波浪中船舶六自由度操纵/摇荡耦合运动仿真建模
• 2.1 坐标系的建立
• 2.2 船舶运动的动力学基本原理
• 2.3 船舶裸船体流体动力建模
• 2.3.1 流体动力的一般表达式
• 2.3.2 惯性类水动力
• 2.3.3 粘性类水动力
• 2.3.4 流体动力的综合表达
• 2.3.5 流体动力简化方法
• 2.4 波浪中船舶六自由度操纵/摇荡耦合运动仿真建模
• 2.5 推力、舵力和恢复力数学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 船舶波浪力仿真建模
• 3.1 规则波浪力的数学模型
• 3.1.1 规则波主干扰力
• 3.1.2 规则波漂移力
• 3.2 不规则波浪力的数学模型
• 3.2.1 不规则波主干扰力
• 3.2.2 不规则波漂移力
• 3.3 本章小结
• 第4章 波浪中船舶六自由度操纵/摇荡耦合运动仿真实验
• 4.1 仿真系统概述
• 4.2 船舶阻力与推力的估算
• 4.3 静水中船舶操纵运动仿真实验及其结果分析
• 4.4 规则波中船舶操纵/摇荡耦合运动仿真实验及其结果分析
• 4.4.1 回转运动
• 4.4.2 回转运动中的船舶波浪力
• 4.4.3 回转运动中的船舶摇荡运动
• 4.4.4 回转运动中的船舶作业点处振荡运动
• 4.4.5 其它海况下船舶操纵/摇荡耦合运动
• 4.5 不规则波中船舶操纵/摇荡耦合运动仿真实验及其结果分析
• 4.5.1 回转运动
• 4.5.2 回转运动中的船舶波浪力
• 4.5.4 回转运动中的船舶摇荡运动
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢