港内超大型双桨双舵集装箱船舶运动数学模型

摘要

随着集装箱船舶的日益大型化，以及船舶航行环境相对更加恶劣，为提高船舶航行的安全性，国际上对船舶操纵性的要求也逐渐提高。超大型双桨双舵集装箱船舶应运而生，而且不断发展，其操纵性研究也变得日益迫切。因此为提高超大型双桨双舵集装箱船舶的安全系数，深入地研究其操纵性能，建立能代表超大型双桨双舵船舶操纵特性的数学模型是非常必要的。
　　本文针对超大型双桨双舵集装箱船舶运动数学模型进行了深入地研究。基于MMG分离建模的思想，将船体、桨、舵作为独自的个体进行分析，考虑因螺旋桨和舵安装位置与单桨单舵船舶的不同所引起的流体动力与流体动力矩的改变，以及双桨之间、双舵之间的相互影响，根据动量定理和动量矩定理分别建立三者的数学模型;然后充分考虑船体、螺旋桨、舵三者之间的相互干涉作用，并对模型参数及流体动力导数的不同求取方法进行比较分析，总结不同方法的优点与不足，并且加以综合利用;再建立能相当准确地描述在港内操纵的船舶受到环境约束和干扰的数学模型，最终建立3自由度的港内超大型双桨双舵集装箱船舶运动数学模型，以期更好地描述实际航行中船舶的操纵性能。
　　本文以马士基3E级系列集装箱船舶中的“Maersk Marie”作为研究仿真对象，利用Matlab仿真软件中的S函数建立超大型双桨双舵集装箱船舶运动数学模型，通过搭建Simulink仿真框图进行船舶仿真试验。通过仿真试验结果与实船试验结果的比对，验证了本文建立的船舶运动数学模型能够准确地反映超大型双桨双舵集装箱船舶的操纵性能。然后针对所建立的数学模型，利用闭环增益成形算法和非线性反馈控制算法对船舶航向保持问题进行了控制器的设计，仿真试验结果表明两种控制算法的控制效果都令人满意，但后者具有节能、安全的优点。
　　本文建立的超大型双桨双舵集装箱船舶运动数学模型可用于相同类型船舶的运动仿真，从而对它的操纵性能进行预报，也可用于改进航海模拟器中关于超大型双桨双舵船舶运动数学模型部分，还可在此模型的基础上设计各种控制算法解决船舶自动靠离泊等问题。

目录

声明

摘要

论文主要表格

论文主要图形

论文主要符号

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外方面

1．2．2 国内方面

1．3 存在的问题

1．4 论文的主要内容和章节安排

第2章 超大型双桨双舵船舶运动数学模型

2．1 双桨双舵船舶概述

2．2 船舶运动坐标系

2．3 无量纲化

2．4 船舶质量和转动惯量

2．4．1 船舶质量

2．4．2 船舶绕z0轴的转动惯量

2．5 裸船体流体动力

2．5．1 惯性流体动力

2．5．2 黏性流体动力

2．6 螺旋桨及相互干涉流体动力

2．6．1 螺旋桨推力系数

2．6．2 螺旋桨伴流系数

2．6．3 螺旋桨推力减额系数

2．6．4 舵对螺旋桨影响

2．7 舵及相互干涉流体动力

2．7．1 舵正压力

2．7．2 舵伴流系数

2．7．3 舵阻力减额系数

2．7．4 aH、xH计算

2．8 船舶大型化修正

2．9 舵机特性模型

第3章 港内船舶运动数学模型

3．1 低速域

3．1．1 全速模型

3．1．2 大漂角和小漂角组合模型

3．2 浅水域

3．2．1 浅水域的界定

3．2．2 浅水域的修正

3．3 风的干扰力数学模型

3．4 流的干扰力数学模型

第4章 船舶操纵运动仿真实例

4．1 3E级集装箱船舶

4．1．1 船舶参数

4．1．2 船舶旋回试验

4．2 MMG模型仿真实现

4．2．1 无限水域仿真试验

4．2．2 港内仿真试验

4．2．3 风流影响下仿真试验

4．3 船舶运动数学模型应用

4．3．1 船舶航向PID控制

4．3．2 船舶航向非线性反馈控制

4．4 小结

第5章 总结与展望

参考文献

附录

攻读学位期间公开发表论文

致谢