大型集装箱船侧推器和舵转向效果比较

摘要

随着全球航运市场的日益兴旺繁荣，集装箱船舶的吨位、航速不断增加，大型集装箱船舶在其安全操纵性方面也面临着更多的挑战。船舶在低速行驶的情况下的可操控能力是其安全操纵的重要指标，国内外很多学者针对此已做了大量相关研究。
　　 侧推器作为一种船舶在航行过程中的一种辅助操纵设备，其水动力特性良好，相比拖轮对恶劣海况的适应性更强，因而被广泛应用于现代化集装箱船上，尤其是大型集装箱船舶;舵作为传统的船舶操纵设备，有其固有的特点。鉴于大型集装箱船在自身操纵性方面存在着一定的不足和缺陷，对比低速情况下侧推器和舵的转向效果，对大型集装箱船舶的安全操纵有意义重大。
　　 本文采用分离建模思想，对船体、螺旋桨、首侧推、舵等影响船舶操纵的各部分设备进行独立建模，同时将模型中各独立部分的相互干涉因素纳入思考体系。充分结合国内外专家学者的相关研究成果，对船舶港内操纵过程中常见的浅水、低速、大漂角等特点加以充分考虑，通过定量计算、定性分析，给出船舶运动特性。建立出适用于大型集装箱船的操纵运动数学模型，该模型灵活运用贵岛模型和芳村模型，即在大漂角状态下（大于30°时）采用芳村模型，而小漂角状态下（小于20°时）采用贵岛模型，漂角介于二者间对两个模型进行内插。
　　 本文利用MATLAB，通过四阶龙格—库塔法构建了仿真平台，对所建立的大型集装箱船舶运动操纵模型进行解算，并采用Simulink工具箱，模拟仿真了船舶操纵，并保证了实船的试验结果和仿真结果的吻合。通过调整载态、淌航余速、侧推器工况，分别对不同状况下侧推器和舵产生的转向效果进行仿真试验。对比航向变化量(course)和航向变化率(r speed)等要素，定性、定量分析了两者的转向效果。得出了不同工况下大型集装箱船的转向设备的最优选择，对船舶操纵人员实际操纵具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题历史背景及意义

1．2 课题研究现状

1．2．1 船舶操纵运动数学模型研究综述

1．2．2 侧推器研究综述

1．2．3 舵设计发展的研究综述

1．3 本文研究的内容

第2章 船舶操纵运动数学模型

2．1 船舶操纵运动方程

2．1．1 船舶运动坐标系

2．1．2 船舶运动方程

2．1．3 无因次化船舶运动参量

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

2．2．2 粘性类流体动力及力矩模型

2．3 螺旋桨及主机特性计算模型

2．3．1 螺旋桨的推力及其转矩计算模型

2．3．2 螺旋桨推力系数和转矩系数的计算

2．3．3 螺旋桨处的伴流系数和推力减额系数的计算

2．3．4 主机特性计算模型

2．4 船舶干扰力及力矩计算模型

2．4．1 风的干扰力计算模型

2．4．2 流干扰力的计算模型

第3章 侧推器、舵的基础理论及水动力特性

3．1 侧推器的基础理论

3．1．1 侧推器分类

3．1．2 侧推器的结构

3．1．3 侧推器水动力的影响因素

3．2 侧推器水动力特性及计算模型

3．2．1 由喷流速度计算侧推力

3．2．2 侧推器侧推力和力矩的计算

3．3 舵的基础理论

3．3．1 舵的分类

3．3．2 舵的几何要素

3．2．1 舵效及影响舵效的因素

3．4 舵水动力特性及计算模型

3．4．1 螺旋桨、船体干涉下舵正压力的计算方法

3．4．2 舵处来流有效流速及有效冲角的计算方法

3．3．3 相关系数的计算方法

第4章 计算机仿真实现与效果分析

4．1 运动方程算法的介绍

4．2 计算机实现

4．3 船舶运动仿真实例

4．3．1 模型验证实例

4．3．2 舵效验证评判

4．3．3 满载情况下侧推器和舵转向效果研究

4．3．4 满载情况下舵转向效果和艏艉侧推器单独使用转向效果研究

4．3．4 压载情况下舵转向效果和艏艉侧推器单独使用转向效果研究

第5章 结论与展望

参考文献

致谢

研究生履历