螺旋桨逆转工况下船舶运动建模与仿真

摘要

为了使操船者能够准确预判船舶动态，减少乃至避免事故的发生，船舶在限制水域的多工况仿真预报的研究尤为重要，实际意义十分明显。然而，到目前为止，关于螺旋桨反转制动及倒航的仿真预报研究仍然不够成熟。本文对船舶运动建模与仿真的研究工作是在考虑到船和环境的相互作用下进行的。 首先，考虑到船舶在螺旋桨逆转情况下必将经历倒车制动和倒车倒航过程。因此，本文在对前人提出的常速域数学模型和浅水、低速、大漂角数学模型研究的基础上，并考虑到船舶运动的连续性，采用了将两种数学模型相结合的方法建立了既能体现船舶在常速域的运动特性，又能体现船舶在浅水、低速、大漂角情况下的运动特性的船舶运动数学模型。即在建立运动数模时，小漂角(小于20度)采用贵岛模型，大漂角(大于30)采用芳村模型，漂角在两者之间是采用两个模型的内插。考虑浅水影响时采用了贵岛的研究结果。 然后，为了满足船舶多工况动态仿真的需要，本文给出适用于计算机仿真的螺旋桨推力系数与转矩系数的四象限计算方法。并用MATLAB工具编辑了计算程序，能使计算机直接根据输入的船型参数方便的计算出B系列螺旋桨的四象限特性曲线并用于船舶操纵运动仿真预报，为最后利用Matlab仿真创造条件。在考虑螺旋桨横向力对船舶操纵运动的影响时，根据各种横向力的物理成因采用了理论计算的方法，并将结果用于最后的仿真。 最后，为验证本文所建议的模型的正确性与可行性，结合前人的在船舶数学模型方面的理论和经验，利用Matlab进行了船舶旋回、制动和倒航实例仿真并与实船试验进行了比较，吻合很好，验证了该数学模型的正确，有效，可用于螺旋桨逆转工况下的船舶运动性能参数的计算与预报。其中为使预报结果更接近实际，还考虑了风、流及浅水影响，得到了一系列满意的仿真预报结果。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

1.1课题依据的历史背景

1.2课题的提出及本文的主要工作

第2章 船舶运动数学模型的建立

2.1船舶平面运动的坐标系统和运动方程

2.1.1船舶平面运动的坐标系统

2.1.2船舶平面运动方程的建立

2.2船体流体动力的计算

2.2.1船体惯性类流体动力及力矩的计算

2.2.2船体粘性类流体动力XH、YH及力矩NH的求取

2.2.3船舶流体动力导数的浅水影响

2.3船舶主动力及力矩的计算模型

2.4船舶干扰力(风、流)及力矩的计算模型

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 螺旋桨四象限推力与转矩的计算

3.1伴流系数的计算与浅水影响

3.1.1伴流系数ωp的计算

3.1.2伴流系数ωp的浅水修正

3.2推力减额系数tp的计算

3.2.1正车前航时推力减额系数的计算

3.2.2倒车前航时推力减额系数的计算

3.2.3倒车倒航时推力减额的计算

3.2.4船舶横向和旋转运动对推力减额的影响时

3.2.5螺旋桨负荷变化对推力减额的影响

3.2.6推力减额系数的浅水修正

3.3桨的四象限推力系数与转矩系数的计算

3.3.1桨的四象限推力系数，转矩系数的构成

3.3.2桨的四象限推力系数，转矩系数的MATLAB实现方法

3.3.3计算实例

第4章 螺旋桨逆转工况下横向力的计算

4.1船舶伴流横向力的计算

4.1.1伴流横向力的产生机理

4.1.2伴流横向力的理论计算

4.2螺旋桨排出流横向力的计算

4.2.1排出流横向力的产生机理

4.2.2排出流横向力的理论计算

4.3螺旋桨斜流横向力的计算

4.3.1斜流横向力的产生机理

4.3.2斜流横向力的理论计算

4.4螺旋桨逆转时其横向力及力矩的综合计算

第5章 螺旋桨逆转工况下船舶运动仿真

5.1船舶旋回性能仿真

5.1.1船舶深水旋回仿真

5.1.2船舶浅水旋回仿真

5.1.3小结

5.2船舶制动性能仿真

5.2.1压载状况下的船舶制动仿真

5.2.2不同进速下的船舶制动仿真

5.2.3浅水影响下的船舶制动仿真

5.2.4风影响下的船舶制动仿真

5.2.5流影响下的船舶制动仿真

5.2.6小结

5.3船舶在螺旋桨逆转工况下的全过程运动仿真

5.3.1仿真预报曲线图

5.3.2小结

结论

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文

致 谢

研究生履历