大型船舶靠泊操纵仿真研究

论文摘要

伴随世界经济和国际贸易的快速发展,海上货物运输量在全球整个运输系统中所占份额不断增大,与此同时,为降低运输成本,船舶日趋向大型化方向发展。随着大型船舶数量的增多,不但改变船舶港内操纵性能,而且对船舶的安全靠离泊造成很大影响。相对大型船舶船宽大、吃水深的特点,港口内一般水深相对较浅、宽度受限。同时港内操船水域面积不足,往往无法达到自力操船最低标准的要求,给船舶安全靠泊带来隐患。同时,随着船舶货物运送周期的逐渐缩短,进出港口的船舶数量不断上升,从而使得港内船舶靠离泊操纵日益频繁,各个港口内的船舶通航密度相对提高,进而影响了船舶进出港和靠离泊安全性。由于大型船舶本身操纵特点和港内船舶操纵存在困难的情况,为了更加安全和有效地完成大型船舶的靠泊过程,大型船舶在靠泊过程中对拖轮、侧推器等的使用要求不断提高,而拖轮作为大型船舶港内操纵和靠泊过程中不可或缺的工具,所起作用日益显著,因而,综合分析大型船舶港内操纵和靠泊性能,仿真研究大型船舶在拖轮作用下的进港靠泊过程显得尤为重要。本文吸收MMG船舶运动模型思想,在前人研究的基础上建立了大型船舶港内运动数学模型；采用了龙格—库塔算法求解了浅水、低速情况下的大型船舶港内运动方程,通过定量计算,给出大型船舶在港内低速、浅水域的运动特性。在此基础上研究拖轮与大船间相互作用关系,建立拖轮港内协助大型船舶靠泊操纵数学模型。仿真研究了大型船舶的减速停船冲程,得到了不同初始航速和不同主机工况下的速度—冲程曲线,在实际操纵过程中,船舶驾引人员可查询该曲线确定船舶实时船速是否安全。对风、流等外界条件影响下的大型船舶抵泊运动特性进行了研究,综合运用车、舵及拖轮,在预设的典型风流条件下,实现了对大型船舶的抵泊操纵、转首操纵、入泊操纵的仿真计算,提出操纵要领,为船舶驾引人员实际靠泊提供了参考依据,同时为开展港口、航道安全评估工作提供了参考数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及其意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 船舶操纵性研究综述
• 1.2.2 大型船舶靠泊研究综述
• 1.3 本文研究的内容
• 第2章 大型船舶运动数学模型
• 2.1 大型船舶运动坐标系和运动方程
• 2.1.1 坐标系及运动学物理量之间的关系
• 2.1.2 大型船舶运动方程的建立
• 2.1.3 船舶参数无因次化
• 2.2 裸船体水动力及力矩计算模型
• 2.2.1 船体惯性类流体动力及力矩计算模型
• 2.2.2 粘性类流体动力及力矩计算模型
• 2.3 大型船舶主动力及力矩计算模型
• 2.3.1 螺旋桨推力及转矩计算模型
• 2.3.2 螺旋桨推力系数和转矩系数计算
• 2.3.3 螺旋桨处伴流系数和推力减额系数计算
• 2.3.4 主机控制模型
• 2.4 舵及舵机特性计算模型
• 2.4.1 船、桨干涉下的舵压力计算
• 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 舵机模型
• 2.5 浅水对船舶运动数学模型的影响
• 2.5.1 附加质量和附加惯性矩的浅水修正
• 2.5.2 贵岛模型流体动力导数的浅水修正
• 2.5.3 芳村模型流体流体动力导数的浅水修正
• 2.6 大型船舶干扰力及力矩计算模型
• 2.6.1 风的干扰力计算模型
• 2.6.2 流干扰力的计算模型
• 第3章 大型船舶靠泊操纵
• 3.1 拖轮力计算模型
• 3.1.1 拖轮协助船舶坐标系
• 3.1.2 拖轮水动力的近似估算模型
• 3.1.3 拖轮桨推力计算模型
• 3.1.4 拖轮力的计算
• 3.1.5 主机控制模型
• 3.1.6 拖轮力和力矩模型
• 3.2 大型船舶靠泊过程分析
• 3.2.1 大型船舶平行靠泊
• 3.2.2 大型船舶港内抵泊距离控制
• 3.2.3 靠泊操纵过程
• 3.2.4 拖轮协助靠泊
• 3.2.5 大型船舶靠拢角度控制
• 3.2.6 大型船舶入泊横距控制
• 第4章 大型船舶靠泊操纵仿真
• 4.1 靠泊过程的计算机实现
• 4.1.1 计算机仿真特点
• 4.1.2 船舶运动方程的数值解法
• 4.1.3 主程序流程图
• 4.2 大型船舶操纵性能仿真
• 4.2.1 旋回运动仿真
• 4.2.2 减速停船运动仿真
• 4.3 大型船舶抵泊运动仿真
• 4.3.1 惯性抵泊运动
• 4.3.2 拖轮协助停船运动
• 4.4 大型船舶转首运动仿真
• 4.4.1 无风流情况下拖轮协助大船转首运动
• 4.4.2 风对转首运动的影响
• 4.4.3 风、流作用下拖轮协助大船抵泊及转首操纵
• 4.5 大型船舶入泊运动仿真
• 4.5.1 流对入泊运动的影响
• 4.5.2 风、流合作用对入泊运动的影响
• 4.5.3 风、流作用下大船入泊操纵仿真
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历