舵角和航速影响下的船舶操纵运动建模与仿真

论文摘要

近年来对船舶操纵运动数学模型的研究主要从两方面入手,一是从基本运动方程出发,求出运动参数进行建模；二是运用控制理论,将船舶作为一个动态系统进行研究。本文正是从这两个角度出发,考虑到操舵过程中舵角变化和航速变化对船舶操纵性能的影响,以大连海事大学实习船“育龙”轮为例分别建立其Nomoto模型和改进后的Nomoto模型,并通过回转试验验证模型的正确性。国内很多人在对MMG模型的使用上存在误区,本文通过对其建模机理的学习,以校船为例建立其MMG模型。另外本文对于不同的船舶运动数学模型的建模方法进行了系统的研究,并期望通过对现存一些问题的分析,对模型的建立提出几点改进的意见。通过对传统Nomoto模型的研究发现其建模过程中并没有考虑到操舵对船体流体动力的干扰,本文根据Clarke的相关研究并结合实船数据对相关线性流体动力导数加以修正。然后利用Simulink对模型进行旋回仿真,结果发现仿真数据与实船适航数据基本吻合,验证了所建立的船舶运动模型的有效性。在对船体和螺旋桨的建模过程中遵循MMG模型的建模方法,但在对舵机的建模过程中本文采用了流场模拟计算方法,与以前有所区别。首先通过三维建模软件Solidworks分别建立裸船体、螺旋桨和舵叶的物理模型,然后采用商用软件Fluent对处于船舶尾部复杂流场中的舵叶进行流体计算分析,绕过常规建模过程中大量的简化计算,从而提高计算结果的精度。在对模型进行旋回仿真的过程中也发现了一些问题,在对转首角速度的处理中,很多文献都是采用离散的点表征不同船速下的K值和T值,这样处理在很大程度上会对试验结果的准确性产生影响。本文通过多次计算不同船速下的K值和T值,并对结果进行回归计算,这样就可以通过连续的函数对模型进行旋回仿真,提高仿真的精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文内容、方法及意义
• 第2章 船舶运动数学模型
• 2.1 船舶运动坐标系统与船舶运动方程
• 2.1.1 坐标系统
• 2.1.2 船舶运动方程式的建立
• 2.1.3 流体动力导数的无量纲化
• 2.2 裸船体上的流体动力及力矩计算模型
• 2.2.1 惯性类流体动力及力矩模型的计算
• 2.2.2 粘性类流体动力及力矩模型的计算
• 2.3 螺旋桨及推进装置计算模型
• 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的计算
• 2.3.3 螺旋桨处伴流系数和推力减额系数的估算
• 2.3.4 主机控制模型
• 2.4 舵及舵机特性计算模型
• 2.4.1 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 舵机控制模型
• 第3章 船舶尾部舵叶处流场模拟计算
• 3.1 软件介绍
• 3.2 计算对象物理模型的建立
• 3.2.1 船舶模型的建立
• 3.2.2 船体、螺旋桨和舵叶模型的装配及布尔运算
• 3.3 网格划分及边界条件的设定
• 3.3.1 网格类型的选择
• 3.3.2 Gambit边界条件的设定
• 3.3.3 Fluent求解设定及计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 船舶操纵运动数学模型仿真计算
• 4.1 "育龙"轮Nomoto的建立
• 4.1.1 MATLAB简介
• 4.1.2 船舶运动数学模型参数计算
• 4.2 四自由度船舶数学模型的建立
• 4.3 "育龙"轮MMG模型的建立
• 4.3.1 裸船体上的流体动力及力矩计算模型
• 4.3.2 粘性流体动力及力矩模型
• 4.3.3 螺旋桨及推进装置计算模型
• 4.3.4 舵及舵机特性计算模型
• 4.3.5 MMG模型仿真计算与结果分析
• 4.4 小结
• 第5章 结论
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历