POD推进方式大型船舶的运动建模与仿真

论文摘要

目前,航海模拟器在诸多领域已经得到广泛的应用,并取得了可喜的成果。由STCW78/95公约对具有三维视景的航海模拟器的规定和航海模拟器应用领域的需求可以看出,航海模拟器要为操作者提供尽可能逼真而完善的操作环境。其中,船舶操纵数学模型占有比较突出的地位,船舶操纵数学模型的准确与否是整个航海模拟器系统成败的关键所在。从逐步完善航海模拟器的角度看,把各种推进方式的船舶加入到航海模拟器中来,真实地模拟各种推进方式船舶的各种运动形式是非常必要的。本文对POD推进方式的大型船舶的运动数学模型问题进行了分析研究,对近些年来已公开的关于POD推进器的研究资料进行了总结,建立了POD推进器的计算模型,并利用日本MMG分离建模思想,建立了一个适用于当前航海模拟器的三自由度的POD推进方式大型船舶的运动数学模型。在建模过程中,对坐标系的建立、裸体船的水动力计算、POD桨的水动力计算、POD桨处的伴流系数、推力减额系数的计算、主机的计算模型等问题进行了详细的分析。最后通过四阶龙哥—库塔方法解算,得到船舶的运动状态。为验证本文所建立模型的正确性与可行性,本文以中国第一艘POD推进的半潜船“泰安口”为例,对其进行了旋回、倒航仿真,仿真结果与实船试验数据相吻合,验证了该数学模型是正确、有效的。为使预报结果更接近实际情况,本文还考虑了风、流影响,得到了一系列满意的仿真预报结果。本文建立的数学模型为船舶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一定的理论基础;对船舶驾驶人员安全地操纵此类型船舶有着理论上的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题依据的历史背景及意义
• 1.2 课题研究的现状
• 1.2.1 船舶运动数学模型的发展历程
• 1.2.2 POD推进器技术发展
• 1.2.3 POD推进器的特点
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 POD推进器基础理论及水动力特性
• 2.1 POD推进器的形式
• 2.2 SSP吊舱式推进器系统的构成和特点
• 2.3 POD推进器的水动力特性
• 2.3.1 伴流系数的计算
• 2.3.2 推力减额系数的计算
• 2.3.2.1 正车前航时推力减额系数的计算
• 2.3.2.2 倒车前航时推力减额系数的计算
• 2.3.2.3 倒车倒航时推力减额的计算
• 2.3.2.4 POD桨负荷变化对推力减额的影响
• 2.4 POD桨推力系数与转矩系数的计算
• 第3章 船舶运动数学模型的建立
• 3.1 船舶平面运动的坐标系统和运动方程
• 3.1.1 船舶平面运动的坐标系统
• 3.1.2 船舶平面运动方程的建立
• 3.1.3 运动参量的无因次化
• 3.2 船体流体动力的计算
• 3.2.1 船体惯性类流体动力及力矩的计算
• 3.2.2 船体黏性类流体动力及力矩的求取
• 3.3 主机特性的计算模型
• 3.4 船舶干扰（风、流）力及力矩的计算模型
• 3.4.1 风的干扰力和力矩的数学模型
• 3.4.2 作用于船体上的平均风压力和力矩的计算
• 3.4.3 风压力系数和风压力的矩系数的估算
• 3.4.4 流干扰力的计算模型
• 3.5 组合推力及力矩的计算模型
• 3.6 POD推进方式的大型船舶的运动仿真
• 3.6.1 运动方程求解方法的介绍
• 3.6.2 计算机的实现
• 第4章 POD推进方式的大型船舶运动模型的仿真实例
• 4.1 模型验证实例的实船资料
• 4.2 对泰安口船舶的操纵运动进行仿真
• 4.2.1 船舶旋回运动仿真
• 4.2.2 船舶倒车仿真图
• 4.2.3 船舶在流干扰下全速旋回仿真图
• 4.2.4 船舶在风干扰下全速旋回仿真图
• 4.3 对泰安口船舶的操纵运动仿真数据比对分析
• 第5章 结论与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 本文中的不足及以后研究方向
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 致谢
• 研究生履历