横傾斜を含む4自由度操縦運動数学モデルと操縦性推定

摘要

Ship manoeuvrability has been generally predicted based on 3-DOF mathematical model. However, medium-high speed ships such as containerships and passenger ferries make sometimes a large roll motion by the steering,which more or less affects on the ship manoeuvrability. Although a lot of researches have been done about the effect of roll motion, the mathematical models of hydrodynamic forces have been proposed individually putting the additional terms of roll angle into the conventional 3-DOF mathematical model. This makes the difficulty in the prediction of manoeuvrability. In this paper, the captive model tests have been performed with a container ship and a passenger ferry. In order to grasp the characteristics of the effect of roll angle on the conventional 3-DOF mathematical model, CMT(Circular Motion Test)have been carried out with setting a constant roll angles. And then, the effects of roll angle on the hydrodynamic derivatives have been extracted. From this analysis, the suitable 4-DOF mathematical model has been introduced by means of eliminating the less contributing terms of the roll effect. For the validation of the proposed mathematical model, free running model tests were carried out with several GM and ship 's speed since the roll angle during a manoeuvring is affected by them.After comparing simulated results by the proposed 4-DOF mathematical model and the results of free running model test, it is found that the effect of GM and ship' s speed on turning trajectories or the overshoot of Z-test can be well predicted by the proposed 4-DOF mathematical model.%船の操縦運動の取扱は，前進·横流れ·旋回の3自由度が基本になっており，横傾斜の影響は副次的に捉えられてきた.しかし，コンテナ船やフエリ一などの中速船では横傾斜が大きく，操縦運動に及ぼす影響が少なくない. 横傾斜が操縦性能に及ぼす影響についての研究は，特に高速コンテナ船やRO/RO船の出現以来，種々検討が行われてきたが，横傾斜運動が入ることでダイナミックスが複雑になる他，流体力にもこの影響が現れる.このため，船体流体力には斜航角と旋回角速度に加えて横傾斜角のパラメータを追加挿入する方法が提案されてきた.著者の一人も横傾斜を伴う帆装船の流体力を数多くの多項式で表現することを試みた.操縦運動流体力はもともと非線形性が強いことから，3自由度でも斜航角と旋回角速度の組合せによる数多くの高次の項が既に数学モデルに存在し，これに横傾斜角の影響を全て取り入れると，流体力を表す数学モデルの項数は一挙に膨れあがることになる.文献の例では各流体力毎に60数個もの項が使用されている.項数が多いと推定精度は上がるが，計算が煩雑な他，何よりもそれら係数の特定が困難である.孫らはこの点に関して，斜航·旋回·横傾斜角をパラメータとした3乗多項式モデルを提案し，4自由度数学モデルの基礎を築いたが，斜航試験をベースにした流体力解析であり，自由航走模型試験結果との比較もなぐモデルの妥当性まで確認されていない.安川らは，CMTによって詳細に流体力を計測し，このデータを基に横傾斜の操縦性への影響を解析·検討したが，拘束模型試験の運動範囲が限られる他，自由航走模型試験による検証まで一貫して行われていない.