拖轮模拟器中拖轮拖带作业的四自由度建模

摘要

作为一种辅助操纵手段，拖轮在海上拖带以及协助大型船舶靠离洎中起到非常重要的作用。而拖轮模拟器在拖轮驾驶员及其与引航员相互协调工作的培训中优势明显。2011年1月挪威船级社(det norske veritas，DNV)对航海模拟器的等级划分的最新标准中提到，A级航海模拟器中至少具有一种拖轮模型，能够逼真地模拟出拖轮的顶推、拖带、复位和护航的作用。建立拖轮拖带被拖船的数学模型是进一步研究拖轮作业数学模型的必要准备，是拖轮模拟器研究的重要组成部分。为此，本文做了以下研究工作:
　　(1)全回转式(azimuth stern drive，ASD)拖轮和大型液化天然气(liquefiednatural gas，LNG)船舶四自由度数学模型的建立。利用MMG分离模型思想，在充分考虑了ASD拖轮双桨及LNG船舶双桨双舵的特殊性的基础上，分别对ASD拖轮与满载LNG船舶建立了较为完整的四自由度操纵数学模型。同时，利用建立好的数学模型做了旋回仿真试验，并将试验数据与相关实船数据进行比对，验证了模型的合理性。
　　(2)风、流干扰模型的建立。本文建立了海风的干扰力和力矩数学模型和海流的干扰模型，并分别对ASD拖轮和满载LNG船舶进行了操纵运动仿真预报。
　　(3)拖缆张力模型的建立。利用悬链线建模方法，建立了拖缆张力数学模型，并通过迭算法对拖缆张力进行实时解算。此外，利用已建立好的ASD拖轮和拖缆模型拖带一艘无动力驳船进行了直航稳定性试验，验证了所建模型的正确性。
　　(4)使用VS2013编程软件搭建了拖轮拖带作业仿真平台。
　　(5)进行了不同工况下拖轮拖带作业仿真。在搭建完成的仿真平台的基础上，分别对不同工况下拖轮拖带作业进行了仿真试验，同时对相关试验加入环境因素，使仿真结果与实际更加吻合。
　　本文通过对拖轮拖带作业数学模型的研究，得到了一系列与实际相符的仿真结果，进一步完善了拖轮模拟器中拖轮拖带模拟的部分。同时为拖轮拖带大型船舶作业提供了一定的理论基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 课题的研究现状

1．2．1 船舶运动数学模型的研究现状

1．2．2 拖缆数学模型的研究现状

1．2．3 拖轮拖带作业相关数学模型研究现状

1．2．4 拖轮拖带相关数学模型在模拟器上使用现状

1．3 本文的研究内容

第2章 拖轮与被拖船的四自由度建模

2．1 船舶操纵运动坐标系

2．2 ASD拖轮的四自由度建模

2．2．1 船舶运动方程的建立

2．2．2 船舶参数的无因次化

2．2．3 拖轮船体的水动力及力矩计算模型

2．2．4 拖轮主动力及力矩计算模型

2．2．5 ASD拖轮计算模型验证

2．3 大型LNG被拖船的四自由度建模

2．3．1 LNG船舶操纵运动方程的建立

2．3．2 LNG船舶水动力的计算模型

2．3．3 LNG船舶螺旋桨力的计算

2．3．4 LNG船舶舵力的计算

2．3．5 LNG船舶仿真模型验证

2．4 小结

第3章 外界环境干扰模型

3．1 风干扰力和力矩数学模型

3．1．1 ASD拖轮在风影响下的操纵仿真

3．1．2 LNG船舶在风影响下的操纵仿真

3．2 流的干扰模型

3．2．1 ASD拖轮在流影响下的操纵仿真

3．2．2 LNG船舶在流影响下的操纵仿真

3．3 小结

第4章 拖缆张力的计算模型

4．1 拖缆张力计算模型

4．2 拖缆力的解算

4．2．1 拖缆的强度

4．2．2 计算实例

4．3 小结

第5章 拖轮拖带作业仿真预报

5．1 拖带方式及作用

5．2 拖轮拖带系统操纵运动的数学模型

5．2．1 基本假设

5．2．2 运动方程

5．3 拖轮拖带作业仿真平台搭建

5．3．1 拖轮拖带作业仿真程序工作流程

5．3．2 船舶运动数学模型的解算

5．3．3 仿真程序界面

5．4 不同工况下拖轮拖带作业仿真

5．4．1 拖轮拖带无动力驳船的直线稳定性

5．4．2 单拖轮协助LNG船舶减速运动仿真

5．4．3 单拖轮协助LNG船舶转向运动仿真

5．4．4 双拖轮协助LNG船舶转向运动仿真

5．4．5 双拖轮协助LNG船舶横移运动仿真

5．5 小结

第6章 结论与展望

6．1 本文的主要工作

6．2 工作展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介