艏艉侧推器操纵效能仿真研究

论文摘要

随着船舶向大型化、高速化、专用化发展,海上运输和河运交通变得日益繁忙和拥挤,在港口内发生碰撞、触底等海难事故的危险性也大大增加,使得人们对船舶操纵性要求相对提高。船舶在港内航行时往往船速较低,水域受限,侧推器的使用可以有效提高船舶的操纵性能,但目前研究的多为艏侧推器,对于艉侧推器的研究甚少,本文综合研究了艏、艉侧推器的辅助操纵性能,并对结果进行分析,阐明了艏、艉侧推器在各种工况下操纵性能的异同。本文采用了日本MMG分离建模的思想,以船体、螺旋桨、舵单独性能为基础,并考虑其各部分之间的相互干涉。将侧推器的侧推力作为一个外力加入到模型中,充分考虑了港内操纵浅水、低速两个特点,结合前人的研究成果建立一个完整的侧推器协助船舶操纵的数学模型,即在建立运动数模时,小漂角(小于20°)采用贵岛模型,大漂角(大于20°)采用芳村模型,漂角在两者之间是采用两个模型的内插。考虑浅水影响时采用了芳村的研究结果。通过对艏、艉侧推器操纵性能综合分析,得出以下结论:1)侧推器的操纵性能主要与航速有关,当船舶处于浅水区时,随船速增加,艏侧推器所产生的有效侧推力将显著下降,而艉侧推器的侧推力将增加;2)在浅水中,随着水深的变浅,艏、艉侧推器效率会明显下降;船舶的回转、横移能力也随之下降;3)借助于侧推器可显著提高船舶的操纵性能。本课题的研究结果给船舶驾驶人员安全的靠离泊操纵提供了理论指导,具有一定的实际意义,为船舶操纵安全评估提出了新的研究方向;同时,也为模拟船舶的操纵性能提供了一定的理论方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及其意义
• 1.2 课题研究的现状
• 1.2.1 船舶运动数学模型研究综述
• 1.2.2 侧推器国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 船舶运动数学模型
• 2.1 船舶运动的坐标系统与运动方程
• 2.1.1 坐标系与船舶各个运动参量之间的关系
• 2.1.2 船舶平面运动方程的建立
• 2.1.3 船舶参数的无因次化
• 2.2 裸船体上的水动力及力矩计算模型
• 2.2.1 惯性类水动力及力矩计算模型
• 2.2.2 粘性类水动力及力矩模型
• 2.3 螺旋桨及主机特性计算模型
• 2.3.1 螺旋桨推力及转矩计算模型
• 2.3.2 螺旋桨处伴流系数和推力减额系数的计算
• 2.3.3 螺旋桨推力系数和转矩系数的计算
• 2.3.4 主机特性计算模型
• 2.4 舵及舵机特性计算模型
• 2.4.1 考虑螺旋桨、船体对舵的干涉时正压力的计算
• 2.4.2 舵处来流有效流速及有效冲角的计算
• H、x_H、x_R、t_R的计算'>2.4.3 系数a_H、x_H、x_R、t_R的计算
• 2.4.4 舵机特性
• 第3章 侧推器基础理论及水动力特性
• 3.1 侧推器简介
• 3.1.1 组成
• 3.1.2 分类
• 3.1.3 用途
• 3.2 侧推器的结构
• 3.3 侧推器的工作原理
• 3.4 侧推器的水动力特性
• 3.4.1 影响侧推器水动力特性的因素
• 3.4.2 由喷流速度计算侧推力
• 3.4.3 船舶回转角速度的计算
• 3.5 侧推器侧推力和力矩的计算
• 第4章 计算机仿真实现及结果分析
• 4.1 计算仿真实例
• 4.1.1 主程序的工作流程
• 4.1.2 运动方程的数值解法
• 4.1.2.1 计算机仿真特点
• 4.1.2.2 四阶龙格—库塔算法
• 4.1.3 模型仿真验证
• 4.2 船舶在不同操纵方式下的船舶旋回运动轨迹
• 4.3 不同船速下艏艉侧推器操纵效能比较
• 4.4 船舶在不同吃水下艉侧推器仿真预报
• 4.5 不同载况下艏、艉侧推器仿真效果
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 致谢
• 研究生履历