论文摘要
分析船舶的运动规律和控制方法可以通过海上实验,但实船海上实验存在成本高,周期长,而且具有一定的危险性等缺点。而利用船舶运动模型,通过仿真的方法进行实验克服了上述限制,可以在一定程度上反映船舶运动的规律,替代部分海上实验。因此,研究船舶的受力状况和数学模型对研究船舶运动控制及海洋平台的动力定位均具有重要意义,在开发各种推进方式的船舶模拟器中也具有重要地位。本文通过对船舶受力和系统各组成部件运动学规律的分析,建立了船舶三自由度运动的数学模型,并考虑了环境干扰力对船舶运动的影响,进行了相关的仿真实验,对船舶运动位置和航向变化进行了分析。本文的主要工作如下：（1）介绍了研究船舶运动时的坐标系统,船舶在运动时所受的各种形式的作用力,影响螺旋桨推力和转矩的因素,以及船舶运动时船体和螺旋桨的相互作用。（2）研究了四象限螺旋桨特性及其解析形式,探讨了螺旋桨有效推力和转矩的计算、船舶附加质量和船舶阻力的相关内容,并建立了船-机-桨系统的数学模型。（3）在数学模型的基础上建立基于MATLAB/Simulink的仿真模型,并进行船舶典型工况仿真实验,通过与KONGSBERG软件运行结果的对比,表明本文所建模型可以反映船桨系统的动态特性。（4）分析了船舶运动系统和环境干扰力的特点,根据船舶运动学规律建立了船舶三自由度运动方程,计算了质量阵和阻尼阵,并将运动方程表示为状态空间形式,然后对设定推力情况时的船舶运动进行了仿真研究,对船舶位置和航向受干扰力的影响进行了分析。本文建立的船-机-桨模型可以为电力推进系统基于dSPACE的硬件在回路仿真研究提供参考,船舶三自由度运动模型可以在一定程度上反映船舶的运动规律,是船舶和海洋平台动力定位研究的探索。最后,.对本文工作和存在的问题进行了总结,提出了下一步工作设想。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 选题的背景及意义1.2 国内外船舶运动数学模型和船机桨特性研究情况1.2.1 国内外船舶运动数学模型研究情况1.2.2 国内外船舶电力推进船机桨特性研究情况1.3 论文主要研究内容第2章 船舶运动基础和螺旋桨特性2.1 船舶运动坐标系2.1.1 惯性坐标系和附体坐标系2.1.2 两个坐标系运动学物理量之间的转换2.2 船舶所受的作用力2.3 船舶推进器2.3.1 推进器的类型2.3.2 螺旋桨几何学2.4 敞水螺旋桨的推力和转矩2.4.1 敞水螺旋桨的推力和转矩2.4.2 螺旋桨敞水特性2.4.3 四象限螺旋桨工作特性2.4.4 进速比不变时螺旋桨的工作特性2.5 船体与螺旋桨的相互作用2.5.1 船体对螺旋桨的影响2.5.2 螺旋桨对船体的影响2.6 本章小结第3章 船机桨数学模型3.1 有界形式的四象限螺旋桨工作特性3.2 螺旋桨工作特性曲线的解析形式3.3 船机桨系统数学模型3.3.1 船舶附加质量3.3.2 螺旋桨的有效推力和转矩3.3.3 船舶所受的阻力3.3.4 船机桨数学模型3.4 本章小结第4章 船机桨系统仿真模型及实验4.1 MATLAB/Simulink简介4.2 基于MATLAB/Simulink的船机桨系统仿真模型4.2.1 进速系数子系统模型4.2.2 推力系数子系统模型4.2.3 转矩系数子系统模型4.2.4 推力减额系数子系统模型4.2.5 伴流系数子系统模型4.2.6 有效推力计算模型4.2.7 航速计算模型4.2.8 螺旋桨转矩计算模型4.2.9 船机桨系统仿真模型4.3 船机桨系统仿真实验4.3.1 船舶正车起动工况4.3.2 船舶倒车工况4.3.3 船舶正车起动后拉倒车工况4.3.4 船舶正车起动-拉倒车-停航工况4.4 本章小结第5章 船舶运动建模与仿真实验5.1 船舶三自由度运动数学模型5.1.1 低频船舶运动的数学模型5.1.2 缓慢变化的环境干扰力数学模型5.1.3 高频波浪干扰数学模型5.1.4 实测船位和航向数学模型5.2 船舶运动仿真模型5.2.1 推力分配子系统5.2.2 低频环境干扰子系统5.2.3 高频环境干扰子系统5.2.4 低频和高频共同影响时船位和方位5.3 仿真实验及结果分析5.3.1 质量阵和阻尼阵的计算5.3.2 船舶运动仿真的状态空间表示5.3.3 仿真实验5.4 本章小结第6章 结论与展望6.1 全文总结6.2 本文的不足和后续研究工作致谢参考文献攻读硕士学位期间发表论文
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