风浪中船舶操纵运动仿真数学模型研究

论文摘要

随着模拟技术的发展,船舶操纵驾控训练模拟器得到了较快的发展。运用船舶驾控训练模拟器开展对驾驶操控人员的驾控作业培训,以培养船舶驾驶操控人员的专业技能,并提高其技术业务水平,避免在航行中因驾驶员操控不当而引发海难事故。驾控训练模拟器的技术核心是运动仿真数学模型,因此建立船舶在风浪中的六自由度操纵运动仿真数学模型,具有工程和实际应用意义。依据船舶运动的动力学原理,基于船舶操纵运动方程分离建模的思想,推导并建立船舶六自由度操纵性运动方程。以船,桨,舵单独水动力性能为基础,充分考虑相互之间的影响,简化水动力表达式,分别建立裸船体水动力,螺旋桨水动力,舵水动力仿真数学模型。将海面上随机风简化为均匀定常风,给出了风作用力仿真数学模型。根据傅汝德一克雷洛夫假设,并将船体简化为箱体,建立了一阶波浪力仿真数学模型。将波浪二阶力简化为与波高的平方成正比,建立了二阶波浪力仿真数学模型。以所给出的各作用力仿真数学模型为基础,以Fortran语言为工具,开发风浪中船舶六自由度操纵运动实时仿真系统。计算了静水中不同舵角下船舶的操纵运动,分析了船体的横倾角变化过程及船体的回转轨迹,并将计算结果与自航模试验结果对比,验证了所开发仿真系统的合理性及正确性。对船舶在风,浪中的直航运动及操纵回转运动进行了离线仿真,给出影响风,浪中船舶操纵运动轨迹及摇荡运动的因素。总结了船舶在风,浪中进行操控回转时容易引起船舶倾覆的情况,为驾驶员保证船舶在风,浪中的安全航行提供了一定的依据。将所开发的仿真计算程序源代码应用于驾驶训练模拟器,实现船舶在风浪中的推演运动,满足模拟器可以改变转速,改变风浪条件等功能需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 船舶操纵运动仿真数学模型
• 2.1 船舶操纵运动方程
• 2.1.1 坐标系及坐标系转换
• 2.1.2 船舶的操纵运动方程
• 2.2 裸船体水动力仿真数学模型
• 2.2.1 惯性类水动力
• 2.2.2 水平面运动的水动力
• 2.2.3 横摇水动力
• 2.2.4 升沉与纵摇水动力
• 2.3 螺旋桨水动力仿真数学模型
• 2.4 舵力仿真数学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 环境干扰力仿真数学模型
• 3.1 风力仿真数学模型
• 3.2 波浪力仿真数学模型
• 3.3 本章小结
• 第4章 船舶操纵运动离线仿真试验
• 4.1 静水中的船舶操纵运动离线仿真试验
• 4.2 风干扰作用下船舶操纵运动离线仿真试验
• 4.2.1 船舶直航时受到风作用力
• 4.2.2 船舶回转时受到风作用力
• 4.3 波浪干扰作用下船舶操纵运动离线仿真试验
• 4.3.1 船舶直航时受到波浪作用力
• 4.3.2 船舶回转时受到波浪作用力
• 4.4 风浪联合作用下船舶操纵运动离线仿真试验
• 4.5 操纵运动仿真模型在船舶驾驶训练模拟器上的应用
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的研究成果
• 致谢