（交通信息工程及控制专业论文）超大型油轮的Williamson旋回仿真研究.pdf

r 一咯 j 。 一 - ， i i | 1 1 1 11i rll l lli i i iii iiii y 18 9 5 7 2 0 t h er e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no fw i l l i a m s o nt u r nf o rv l c c at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h a n gs h u h u i ( t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g a n dc o n t r 0 1 ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gx i a n k u m a y 2 0 1 1 一 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下。独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博 硕士学位论文= = 超太型油轮的幽! l i 婴鲤旌回笾墓匠荭：。除论文中已经注明引用的内 容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不 包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律 责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出 版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“一) 论文僦名3 务鸺导零签名： 纭害霹 1 日期驯年多月2 7 日 q ，市 ，；誓 中文摘要 摘 船舶在海上航行时，有时会发生人员落水的事件。船舶驾驶员一旦发现这种 情况，就要紧急操纵船舶，对落水人员进行救助。为了提高搜救效率，i m o a 6 0 1 决议要求船舶定期进行人员落水的操纵试验，并推荐4 种船舶旋回方案，其中 w i l l i a m s o n 旋回是最常用的方案，本文称其为“经典 w i l l i a m s o n 旋回。在超大型 油轮工作的船长发现，操纵“经典 w i l l i a m s o n 旋回对落水人员进行救助时，船舶 会偏离初始航线较远的距离而导致搜救失败。因而有必要对超大型油轮这一异常 操纵现象进行深入的研究，对“经典”w i l l i a m s o n 旋回进行相应的修改，使其适 用于超大型油轮。 本文通过超大型油轮的船舶运动数学模型来研究其操纵性。模型采用理论比 较成熟的分离型船舶运动数学模型。为了保证其精度，本文分别用普通货轮和超 大型油轮的实船试验与该模型的仿真结果对比验证。同时在该模型上加入风力、 浪力和流力干扰，使船舶运动仿真更能符合航海实际。考虑到传统风力干扰模型 的不利因素，本文采用风力干扰简化仿真模型。此外，在本课题的研究中，建立 了基于特征模型的船舶运动数学模型对船舶的操纵性进行研究。 本文在m a t l a b 的平台上，编写了船舶w i l l i a m s o n 旋回操纵程序，分别对 万吨级普通货轮和超大型油轮w i l l i a m s o n 旋回进行系统的研究。通过仿真实验 发现，按照“经典 w i l l i a m s o n 旋回操纵船舶，普通万吨级货轮能够回到初始的航 线上，超大型油轮会偏离初始航线较远的距离。 本文通过超大型油轮w i l l i a m s o n 旋回仿真的分析研究，指出“经 典 w i l l i a m s o n 旋回的不足之处，对其进行了修改。超大型油轮按照修改后的 w i l l i a m s o n 旋回进行操纵，能够回到初始航线上，对超大型油轮进行人员落水的 救助具有重要的指导意义。 关键词：w i l l i a m s o n 旋回；风力干扰；特征模型；超大型油轮 嗡0 ，忡- l 曹 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - i - _ - _ - _ _ 一 l i l 挈 i t 。 一 英文摘要 a b s t 队c t s o m e t i m e sc r e wm a ya c c i d e n t a l l yf a l lo v e r b o a r dw h i l et h ev e s s e li sn a v i g a t i n g i nt h es e a o n c et h i ss i t u a t i o nh a p p e n sa n di fi ti sd i s c o v e r e db ys o m e o n eo n b o a r dt h e v e s s e l ，t h ed u t yo f f i c e rh a st om a n i p u l a t et h ee m e r g e n c ym a n e u v e r i n go ft h ev e s s e li n o r d e rt or e s c u et h ec r e wo v e r b o a r d i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f e c t i v e n e s so fr e s c u e e f f o r t ，t h e 蹦or e s o l u t i o na 6 01c l a i m st h a tt h ev e s s e ls h o u l dc a r r yo u tt h et e s to f m o b r e g u l a r l ya n dr e c o m m e n d s4l d n d so fp r o p o s a l sf o rs h i pt u m i n g o ft h e s e p r o p o s a l s ，w i l l i a m s o n t u r ni st h em o s tu s e f u lo n e i nt h i st h e s i s ，t h i s i m o r e c o m m e n d e dw i l l i a m s o nt u r ni sc o n s i d e r e da n dc a l l e da st h ec l a s s i c w i l l i a m s o nt u r n m o s to ft h em a s t e r sw o r k i n go nt h ev l c cf i n dt h a tt h ec l a s s i c w i l l i a m s o nt u r ni sn o ta p p l i c a b l et ot h ev l c cf o ri t sr e s c u eo p e r a t i o no ft h em a i l o v e r b o a r d t h e r e f o r e ，i no r d e rt om o d i f yt h ec l a s s i cw i l l i a m s o nt u r na n dt oe r l s u r ei t i s w e l l - a p p l i c a b l et ov l c c ，i ti sn e c e s s a r y t os t u d ya n da n a l y z et h es p e c i a l m a n e u v e r a b i l i t yo ft h ev l c c i nt h i sr e s e a r c h , am a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e df o rt h em a n e u v e r a b i l i t yo f t h ev l c c t h em m gm o d e lh a sb e e na d o p t e df o ri t sm a t u r et h e o r ya n di ti ss t i l l u s i n gu n t i lt o d a y i no r d e rt oe n s u r ei t sa c c u r a c y , ar e a lo r d i n a r yv e s s e la n dar e a l v i x 2 cv e s s e la r ec h o s e nf o rs h i pm a n e u v e r a b i l i t yt e s ta n dt h e i rs i m u l a t i o n r e s u l t sa r e c o m p a r e d a tt h es a m et i m e ，w i n dd i s t u r b a n c e ，c u r r e n tf o r c ea n dw a v ef o r c ea r e a d d e dt ot h es h i pm o d e lt oi m p r o v et h es i m u l a t i o n sa c c u r a c y c o n s i d e r i n gt h e a d v e r s ef a c t o r so ft h et r a d i t i o n a lw i n dd i s t u r b a n c e ，as i m p l i f i e ds i m u l a t i o nm o d e lf o r w i n dd i s t u r b a n c ei sp u tt ou s e o nt h eo t h e rh a n d , ac h a r a c t e r i s t i cm o d e l - b a s e ds h i p m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dt os t u d yt h ev e s s e l sm a n e u v e r a b i l i t y t h ep r o g r a mo ft h ev e s s e lw i l l i a m s o nt u r ni si m p l e m e n t e di nt h em a t l a b p r o g r a m m i n gp l a t f o r ma n di ti su s e dt oa n a l y z et h eo r d i n a r yv e s s e l sw i l l i a m s o nt u r n a n dv l c cw i l l i a m s o nt u r nr e s p e c t i v e l y t h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ti sf o u n d t h a ta c c o r d i n gt ot h ec l a s s i cw i l l i a m s o nt u r n ，t h eo r d i n a r yv e s s e lc a nr e t u r nb a c kt oi t s i n i t i a lr o u t ew i t ha l m o s tn od e v i a t i o n ，b u tt h ev l c cd e v i a t e sf r o mi t si n i t i a lr o u t ea l o t r 英文摘要 t h r o u g h o u tt h er e s e a r c ha n da n a l y s i s o ft h ev l c cw i l l i a m s o nt u r n , t h e d i s a d v a n t a g eo ft h ec l a s s i cw i l l i a m s o nt u r nh a sb e e ne x p l o r e da n di t h a sb e e n m o d i f i e da n de n h a n c e d t h r o u g ht h em o d i f i e dw i l l i a m s o nt u r n ，t h ev l c cc a nr g r l l n b a c kt oi t si n i t i a lr o u t ei nl e s sd e v i a t i o n ，a n di ti si n s t r u c t i v ea n dm e a n i n g f u lt ot h e r e s t r ee f f o r to f 也ev l c c k e yw o r d s ：w i l l i a m s o nt u r n ；w i n dd i s t u r b a n c e ；c h a r a c t e r i s t i cm o d e l ；v l c c 一 ? ： 瓠 气 一 ， 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 选题的背景和意义l 1 1 1 选题的背景l 1 1 2 选题的意义：2 1 2 船舶运动数学模型研究综述3 1 3 船舶风干扰力研究综述4 1 4 特征模型研究综述5 1 5w i l l i a m s o n 旋回研究综述5 1 6 论文结构6 第2 章船舶运动数学模型7 2 1 船舶运动空间坐标系。7 2 2 分离型船舶运动数学模型一8 2 2 1 船舶附加质量和附加惯性矩的求取9 2 2 2 黏性类流体动力，和的确定9 2 2 3 黏性类流体动力导数的求取：9 2 2 4 纵向流体动力导数的近似估算公式1 0 2 2 5 螺旋桨的推力x p ，横向力y p 和力矩p 确定1 1 2 2 6 舵力以，瓦和舵力矩虬的确定1 1 2 3 基于特征模型的船舶运动数学模型1 2 2 3 1 特征模型建模方法的提出1 2 2 3 2 线性定常系统特征建模原理1 2 2 3 3 “育鲲”轮基于特征模型的船舶运动数学模型的建立1 4 2 3 4 基于特征模型的船舶运动数学模型的精度验证一l5 2 3 5 基于特征模型的船舶运动数学模型小结1 6 第3 章风力干扰的简化仿真模型1 7 3 1 传统的风力干扰模型l7 3 2 风力干扰简化仿真模型1 8 3 3 风力干扰简化仿真模型的验证1 9 3 3 1 “育鲲”轮响应型非线性数学模型的建立1 9 3 3 2 仿真验证2 0 3 3 3 风力简化干扰模型与传统风力模型的对比2 0 3 4 本章小结2 1 第4 章船舶w i l l i a m s o n 旋回仿真分析2 3 目录 4 1 模型精度的验证2 3 4 2w i l l i a m s o n 旋回m a t l a b 仿真的实现2 4 4 3w i l l i a m s o n 旋回研究。2 6 4 3 1 普通万吨级货轮的w i l l i a m s o n 旋回2 7 4 3 2 超大型油轮的w i l l i a m s o n 旋回2 7 4 4 本章小结2 9 第5 章结论与展望3 0 5 1 结论3 0 5 2 展望3 0 参考文献3 2 附录a 。3 6 附录b 。3 7 致谢3 8 研究生履历3 9 矗 嘲 - 1 ： t 超大型油轮的w i l l i a m s o n 旋回仿真研究 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 选题的背景 1 9 6 6 年，日本首先建成了当时世界上最大的“出光 号2 0 9 万吨原油轮， 该油轮创造了船舶建造史上新记录。随后欧洲也迅速跟上，建造了大量的超大型 油轮( v l c c ) 投入石油运输。v l c c 的运营带来了巨大的经济效益，这就进一步 推动了v l c c 的建造生产【1 1 ，1 9 6 6 年至1 9 7 5 年1 0 年间，日本、西欧等国家平 均每年竣工5 9 艘v l c c 。我国建造的第一艘v l c c 是大连新船重工有限责任公 司，历时3 年时间，为伊朗国家油轮公司( n i t c ) 建造的3 0 万吨巨型油轮“伊朗 德瓦尔”号，在2 0 0 2 年8 月3 1 日签字交付。据有关媒体介绍，目前全球有5 2 0 艘v l c c 投入运营，1 9 7 艘v l c c 在建，未来2 年v l c c 建造量将创纪录。 随着超大型油轮的日益增多，它的特殊操纵性能受到了船舶驾驶员和船舶科 研人员的关注【2 5 1 。不同于其他货轮，超大型油轮一旦发生事故，就会带来严重 的经济损失，对海洋环境和海洋生态也会造成不可估量的伤害。船舶的操纵性能 主要是指船舶在保持航向、改变航速或改变航向的能力。对于水面上的船舶而言， 船舶操纵实质上是操纵人员对船速和航向所进行的控制 6 1 1 7 1 。 一些在超大型油轮上工作有经验的船长，操纵超大型油轮时发现了一个其异 于普通货轮操纵性的问题【引。当他们使用国际海事组织( i m o ) 推荐的w i l l i a m s o n 旋回操纵方案对落水人员实施救助时，船舶会偏离初始航线较远的距离；一些从 事船舶运动研究工作的人员在研究船舶运动时也注意到超大型油轮的这一异常 现象【9 1 。不过前者只停留在试验的基础上，没有严格理论证明，而后者对这一问 题没有进行更深入的研究。 w i l l i a m s o n 旋回是针对人员落水进行救助的船舶操纵措施。船舶在海上航行 时，船舶驾驶员一旦发现人员落水或者人员失踪，就要紧急操纵船舶，对落水或 失踪人员实施救助。国际海事组织( i m o ) 推荐了4 种应对人员落水或失踪的操纵 方案。其中w i l l i a m s o n 旋回是最常用的一种方案，其操纵要点如下： ( 1 ) 向落水者一舷操满舵； ( 2 ) 当转向角达到4 5 0 6 0 0 时操相反一舷满舵； i 一 一 第l 章绪论 ( 3 ) 船首距初始航向的相反方向相差2 0 0 时回正舵； ( 4 ) 待船舶航向变为初始航向的相反方向时把定，发现落水者适时进行停船 接近落水者。 、 为了便于区分，本文把i m o 推荐的w i l l i a m s o n 旋回称为“经典”w i l l i a m s o n 旋回。鉴于超大型油轮的特殊操纵性能，需要对其w i l l i a m s o n 旋回进行进一步的 研究。本课题在研究船舶操纵性能的基础上，建立精度符合要求的船舶运动数学 模型。以船舶运动数学模型为平台，系统研究普通万吨级货轮和超大型油轮的 w i l l i a m s o n 旋回。 本课题来源于国家自然科学基金项目：船舶运动非线性简捷鲁棒控制 ( 5 0 9 7 9 0 0 9 ) 。 1 1 2 选题的意义 本课题的研究有如下几点的意义： ( 1 ) 对国际海事组织( m o ) 推荐的“经典”w i l l i a m s o n 旋回进行修改，使其具 有普遍的适用性。 。 国际海事组织( n v f o ) 针对船舶人员落水，推荐了4 种对落水人员进行救助的 操纵方案，其中w i l l i a m s o n 旋回是最常用的方案。但这一方案提出的年代过早， 没有考虑到超大型油轮特殊的操纵性能。本文通过建立船舶运动数学模型，对普 通万吨级货轮和超大型油轮的w i l l i a m s o n 旋回进行系统的研究，指出“经典 w i l l i a m s o n 旋回的不足之处，提出相应的修改意见，使w i l l i a m s o n 旋回具有普遍 的适用性。 ( 2 ) 本课题的研究成果可以在航海模拟器中对船舶驾驶人员进行培训及船舶 w i l l i a m s o n 旋回操纵性的研究。 a ， 厶 舡 ， t 超大型油轮的w i u i a m s o n 旋回仿真研究 征模型原先用于空间飞行器建模、控制器的设计。空间飞行器的动力模型一般都 是高阶复杂的模型，特征模型抓住高阶复杂模型的本质特征，把模型的高阶信息 压缩到特征模型的特征参量中，即能保证精度又能使模型变得简洁。本文在特征 模型理论的基础上，建立基于特征模型的船舶运动数学模型。与其他船舶运动数 学模型相比，该模型具有精度高、形式简洁的优点。 ( 4 ) 本课题中建立了风力干扰的简化仿真模型 在计算机上对船舶运动进行仿真的时候，为了提高仿真的可信度，需加上风 浪流干扰。传统的风力干扰模型结构异常复杂，即使现在也很难做到对其精确求 解；通过船模的风洞试验，能够保证其精度，但花费巨大且存在尺度效应，性价 比不高；用回归公式和经验公式求解又具有一定的误差。鉴于此，本课题根据航 海实践，参照传统风力干扰模型，提出了一种风力干扰简化仿真模型。与传统风 力干扰以风压力和力矩作用在船体不同，风力干扰简化仿真模型把风力的干扰等 效为船舶的干扰舵角，形式更为简洁。经与实船试验及传统风力干扰模型的对比 验证，风力干扰的简化仿真模型能够满足仿真精度的要求。 1 2 船舶运动数学模型研究综述 国外对船舶操纵性的研究最早可以追溯到1 8 世纪。1 7 7 6 年欧拉在关于造 船和驾驶的完整概念一书中，建立了第一个描述船舶曲线运动的方程式。18 6 0 年，人们开始使用实船或船舶模型的回转试验来确定回转轨迹。而后人们把研究 飞机和飞艇操纵性的方法和成果引入到造船中来。1 9 3 2 年w k u c h a r s k i 发表的“关 于船舶的操纵性理论”一文是最早把船舶当作机翼处理的首批文献之一。1 9 4 6 年，i c s m d a v i d s o n 和l i s c h i f f 首次给出了船舶操纵性的线性运动方程【1 0 】。这 是船舶操纵性理论研究的初始阶段。野本谦作, a b k o w i t z ，c h i s l e t t 等人对船舶操纵 性研究方面做出了巨大的贡献，推动了船舶操纵性理论研究的蓬勃发展。现在船 舶操纵性的研究主要可分为两大流派：欧美学派和日本学派。 欧美学派以a b k o w i t z 和n o n b i n 为代表【1 1 】【1 2 】，他们研究船舶模型的思想是 把船体、螺旋桨和舵看作一个整体，不考虑3 者之间的干扰影响；从整体的角度 把作用在船体上的流体动力对每个运动变量按泰勒级数展开，取至3 阶。这种模 型所取流体导数多，具有较高的精度，船舶各部分之间的相互影响已在试验中自 动考虑，不存在干扰的问题。但其方程含的项目很多，水动力导数达几十项之多， 第1 章绪论 众多的流体导数有一些物理意义不明确，并且要用船模试验确定这些导数，工作 量十分巨大。n o n b i n 在此基础上虽对3 自由度模型做了简化，但更高自由度的 模型仍复杂。 另外一个学派是日本学派，也称为m m g 学派。他们以井上、平野等人为代 表，提出了分离型船舶运动数学模型【1 3 川9 】。分离型模型的中心思想是将船体、 螺旋桨和舵所受到的水动力分开来考虑，然后在充分的估计他们之间相互影响基 础上进行叠加。该数学模型的优点是将船体、螺旋桨、舵的各自单独性能作为基 准，简洁地表达出船体、螺旋桨和舵之间的干扰，尽量的表达出作用在船体上的 流体动力。 除了上述两个主要学派之外，还有一个影响比较深远的船舶运动模型学派， 该学派是将船舶看作一个动态系统，引入运动响应模型，用控制理论来分析船舶 运动【2 0 2 2 。响应模型能够把握船舶在操舵时的操舵运动及其对操舵响应的快慢， 即使采用一阶近似的简单响应模型也能保证一定的精度。该模型参数可以直接从 实船试验中得到，这就自动消除了尺度效应。其可以用于船舶航向、航迹自动控 制研究，还可用于航海模拟器，例如v t s 模拟器。 在国内对船舶运动数学模型作出突出贡献的主要有以下几人。周昭明对日本 著名的元良图谱进行了多元回归分析，得出了船舶纵向、横向附加质量和附加惯 性矩的多元回归公式，以及对井上非线性水动力导数估算公式进行回归，他的回 归公式在国内研究船舶运动数学模型时被广泛应用。杨盐生提出船舶干扰运动数 学模型，为模型加入风浪流干扰【2 5 1 ，使船舶运动仿真更能符合航海实际。张显库 等人发现了响应型n o m o t o 模型中的推导在数学上不够严密，对船舶运动数学模 型重新进行了简化，指出了n o m o t o 模型的适用范围，并给出了小型及快速船舶 的n o m o t o 模型的参数的修正方案【冽。 1 3 船舶风干扰力研究综述 船舶在海上或港内航行时，其上层建筑将受风力作用，致使船舶偏离航向或 引起操船困难【硼。研究风力干扰对船体的影响主要是研究作用在船体上的风压力 和风压力矩的计算 2 6 - - 2 9 。风压力和风压力矩又分为平均风压力、力矩和脉动风 压力、力矩【3 0 - 3 2 1 。确定作用在船体上平均风压力和力矩通常有2 种方法。一种 方法是通过风洞试验来确定。杨盐生曾对大连海事大学校实习船“育英 轮的模 _ 一一 争 蕺 0 超大型油轮的w i l l i a m s o n 旋回仿真研究 型，在武汉交通科技大学造船系的开式风洞进行全面的试验。另一种方法是通过 公式来进行估算。在这方面，i s h e r w o o d 3 3 1 ，汤忠谷【蚓做了大量工作，他们根据 各类商船有关风压力的大量船舶风洞试验进行回归分析，给出了进行估算的回归 公式。计算脉动风压力和压力矩同样有2 种方法，一是由脉动风压力的功率谱密 度生成的方法，这方面出色的研究的人员是d a v e n p o r t 3 5 】和h a r r i s 3 6 】；另一是 a s t r o m 3 7 】与k a l l s t r o m 3 8 】提出的将风速变动看成白噪声，由白噪声实现的方法。 利用风洞试验确定风压力和力矩系数，其优点是能够保持较高的精度，但是进行 风洞试验缩尺船模与实船相比具有尺度效应，且进行风洞试验要花费大量的物力 财力，性价比不高：利用回归公式进行估算，该方法在一定程度上能保证仿真的 精度，但其用于计算的数据库存在着数据老化的问题，对于新型船舶的仿真会存 在一定的误差，且其形式过于复杂。 1 4 特征模型研究综述 特征模型的建模方法的提出者吴洪鑫院士在2 0 多年从事航天控制和工业过 程控制的实际工程应用中，总结提炼出来一套新型实用、系统性的理论方法 3 9 1 。 该建模方法能够解决一般参数未知对象和具有不确定性大型复杂对象的实际控 制问题，并已通过卫星瞬态热流控制、液压斧控制、飞船返回再入控制等多种类 型对象上百个实际系统的实际应用的验证。特征建模是以航天器和工业过程控制 为主要被控对象、从其物理机理、动力学特征和环境特征出发，结合控制目标与 性能要求的一种建模方法。 至今，特征模型的理论和方法应用在以空间飞行器作为被控对象居多，其还 没有应用在船舶运动控制相关领域的建模方面。 1 5w i l l i a m s o n 旋回研究综述 。 国外对w i u i a m s o n 旋回试验的研究很少有论文见诸报刊。国内对超大型船舶 w i l l i a m s o n 旋回的研究大部分都停留在定性分析的阶段，没有严格的理论分析和 试验进行验证。中挪诺航船员管理公司的郑炳新船长在文献 8 】中提到了有别于 “经典”操纵方法的w i l l i a m s o n 旋回，但这只是他在超大型船舶上多年工作经验 的总结，缺乏严密的理论证明。大连海事大学航海学院吕巍巍等在文献【9 】中也 提到了这个问题，并建立了数学模型对中岛川崎大型油轮进行了旋回仿真。该文 第1 章绪论 虽然用仿真实验验证了大型油轮的w i l l i a m s o n 旋回的操纵特殊性，但整个实验过 程作者只采用一艘超大型油轮，结论不具有普遍性，且其仿真实验中未考虑风浪 流的影响，仿真可信度不高。 1 6 论文结构 本文共有5 章组成。第l 章为绪论，主要介绍了本课题的选题背景和意义。 第2 章介绍了船舶运动数学模型：本课题所用到的分离型船舶运动数学模型及基 于特征模型的船舶运动数学模型。第3 章介绍了风力干扰简化仿真模型的原理、 m a t l a b 实现方法及其精度的验证。第4 章为船舶w i l l i a m s o n 旋回仿真的研究。 分别对普通万吨级货轮和超大型油轮的w i l l i a m s o n 旋回进行仿真分析和研究。第 5 章为结论与展望。 矗 螽 d 超大型油轮的w i l l i a m s o n 旋回仿真研究 第2 章船舶运动数学模型 2 1 船舶运动空间坐标系 船舶的实际运动异常复杂，在一般情况下具有6 个自由彪加】【4 1 1 。我们在描 述船舶在海上的运动时需要建立船舶运动空间坐标系。一般情况下有2 种坐标 系：空间运动坐标系和随船运动坐标系。空间运动坐标系也称作固定坐标系、惯 性坐标系。如图2 1 所示，空间运动坐标系是固定于地球表面的右手坐标系，原 点d 通常与f = o 时重心g 的位置一致，而q 平面位于静水面内，o x o 指向正北， o y o 指向正东，o z o 指向地心。随船运动坐标系，也称作附体坐标系、运动坐标 系。如图2 1 所示，0 一x y z 为随船运动坐标系，它是以船舶中心或重心为原点， 而固定于船体上的直角坐标系。0 一般为船舶的中心或重心，o x 沿船中线指向船 首，缈指向右舷，o z 指向船底。在随船运动坐标系中，船体任意时刻的运动可 以分解为船舶重心g 沿3 个坐标轴的直线运动及船体绕3 个坐标轴的转动，前者 用前进速度u 、横漂速度，、起伏速度w 来描述；后者用艏摇角速度，、横摇角速 度p 及纵摇角速度q 来表述。 图2 1 惯性坐标系和附体坐标系 f i g 2 1i n e r t i a lf r a m ea n db o d y - f i x e df r a l n e 摇 第2 章船舶运动数学模型 建立船舶运动数学模型时，一般要对船舶的6 自由度运动进行简化，本文中 所用到的船舶运动数学模型，是在保证船舶运动仿真精度的前提下，只考虑船舶 的前进、横漂和转首角速度的3 自由度船舶运动数学模型。 图2 2 船舶平面运动描述 f i g 2 2t h ep l a n er e f e r e n c ef l a m eo fs h i pm o t i o n 图2 2 所示为船舶在附体坐标系和空间坐标系综合显示的平面坐标系，由该 坐标系可得到附体坐标系和空间坐标系的关系，如式( 2 1 ) 所示 i t y ( f ) = y ( o ) + ，( t ) d t 0 而( f ) = 而( 0 ) + 九“( t ) c o s v ( t ) - 1 ，( t ) s i n w ( t ) d t 0 y o ( f ) = 蜘( o ) + ， “o ) s i n v ( t ) + v ( t ) c o s y ( f ) p 2 2 分离型船舶运动数学模型 ( 2 1 ) t j 在m m g 模型中，随船坐标系的原点取在船中，将船舶视为刚体，应用牛顿 刚体力学的动量定理和动量矩定理，得到的模型如式( 2 2 ) 所示。 ( m + ) 1 2 一( 肌+ m y ) w = 爿_ + 叉l + 叉ll ( m + m y ) 口+ ( 聊+ m x ) u r = + 】；+ k ( 2 2 ) u 琵+ j 琵y = n h + n p + n r 式( 2 2 ) 中，m 代表船舶的质量，m ，和厶代表船舶的附加质量和附加惯 性距，乞= m l 2 1 6 ，其他参量的计算见式( 2 3 ) 。局，和是船体所受到的 黏性流体动力和力矩，k ，昂和p 是螺旋桨的推力、横向力和力矩，五，k 和以 是舵对船体的纵向力、横向力和力矩。下文将介绍这些力和力矩的求取。 q ， 超大型油轮的w i l l i a m s o n 旋回仿真研究 2 2 1 船舶附加质量和附加惯性矩的求取 目前计算附加质量和附加惯性矩主要有两种方法，一是周昭明等人的回归公 式；另一是c l a r k e 4 2 1 等人的回归公式。这里用前一种方法来求取。周昭明【4 3 】等 人的回归公式如式( 2 3 ) 所示。 堡= 0 0 1 1 0 3 9 8 + 1 1 9 7 c b ( 1 + 3 7 3 d b ) 一2 z 9 c b l b ( 1 + 1 1 3 d b ) + m o 1 7 5 c b ( b ) 2 ( 1 + 0 5 4 l d b ) - 1 1 0 7 l d b 2l m _ z l ：0 8 8 2 0 5 4 c b ( 1 1 6 d b ) 一0 1 5 6 l b ( i 一0 6 7 3 c b ) + 0 8 2 6 l d b 2 ( 1 - 0 6 7 8 d b ) - o 。6 3 8 g l d b 2 ( 1 0 6 9 9 d b ) j ，z 2 z = 0 0 1 1 3 3 - 7 6 8 5 g ( 1 - o 7 8 4 c b ) + 3 4 3 l b ( 1 0 6 3 c b ) 】 其中，工为船长，b 为船宽，d 为吃水，c 6 为方形系数。 ( 2 3 ) 2 2 2 黏性类流体动力，和的确定 采用井上模型近似估算黏性流体动力【2 5 】： 而= x ( “) + k ，2 + k 订+ 群，2 i = 砭+ k 卜1 ，+ 圪i v l , + i r l ( 2 4 ) = 札+ o l v l ，+ o v 2 ，+ o w 2j 2 2 3 黏性类流体动力导数的求取 ( 1 ) 线性流体动力导数的近似估算澍2 5 】 式( 2 4 ) 中线性流体动力和力矩的无量纲如式( 2 5 ) 所示。有关无量纲化的概念 请参阅文献 2 5 】。 - 誓，2 芝鼍， ( 2 5 ) n i l = n + n ，t 、j 式( 2 5 ) 中的水动力导数采用井上近似计算公式 写= - ( n 2 2 + 1 4 c t , b l ) ( i + o 6 7 r ) f = 三五( 1 + 0 纠) n ：= 一2 ( 1 - 0 2 7 r f 、 吖= - ( o 5 4 2 - 2 2 ) ( 1 + 0 3 0 r7 ) 式( 2 6 ) 中a ，l 的含义及计算方法请参阅文献 2 5 1 。 ( 2 6 ) 第2 章船舶运动数学模型 ( 2 ) 非线性流体动力导数的近似估算方法【2 5 】 周昭明对井上图谱进行了回归，给出式( 2 7 ) 瑶= 0 0 4 8 2 6 5 6 2 9 3 ( 1 - g ) d b 瑶= 0 0 0 4 5 - 0 0 0 4 5 ( 1 一c 6 ) d b 瑶= - 0 3 7 9 1 + 1 2 8 ( 1 一g ) d b 孵= - 0 0 8 0 5 + 8 6 0 9 2 ( c b b l ) 2 - 3 6 9 8 16 ( c b b l ) 2 0 = - 6 0 8 5 6 + 1 3 7 4 7 3 5 ( c b b l ) 一1 0 2 9 51 4 ( c b b l ) 2 + 2 4 8 0 6 0 8 2 ( c b b l ) 3 = - 0 0 6 3 5 + 0 0 4 4 1 4 ( c b d b ) 2 2 4 纵向流体动力导数的近似估算公式【2 5 l 纵向流体动力模型为 霸= x 7 ( “) + 矗，陀+ e 1 ，+ 群，吃 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中，x ( “) = “忆= - s ( 砜) e “吐为直航阻力；s 为船体浸湿面积；q 为船舶总阻力系数。 ( 1 ) 船体浸湿面积s 的计算 对于单桨商船有式( 2 9 ) 三 s = v 3 ( 3 4 3 + 0 3 0 5 l w b + 0 4 4 3 b d 一0 6 4 3 c b ) ( 2 9 ) v 为排水体积，k 为设计水线长，其他参数含义同前。 ( 2 ) 船体总阻力系数的计算 c ：= c ，+ c r + c 么 ( 2 1 0 ) 其中，c s 为摩擦阻力系数；c ，为剩余阻力系数；为粗糙度补粘系数。e 和c 0 可以由文献 2 5 】中的蓝波- 奥芬凯乐图谱和计算粗糙度补贴系数c 么表 来查取计算。qf l ：l 式( 2 1 1 ) r 确定 c ，：堂( 2 1 1 ) c ，2 ( 1 9 r n ) 2 6 g 1 1 式中r = 兕y 为雷诺数；为船长，m ；y 为船速，m s ：v 为流体运动黏 性参数，m 2 s 。 ( 3 ) 其他流体动力导数的计算 籼 9 1 d 1 ， 超大型油轮的w i l l i a m s o n 旋回仿真研究 n o n b i n 给出了e 的回归公式： = ( 1 1 l g - 1 0 7 ) m ， ( 2 1 2 ) 松本根据6 艘模型的实验结果给出了式( 2 1 3 ) 喜- 0 4 引工_ n 0 0 6 引d l ( 2 - 1 3 ) 疋= 0 0 0 0 3 l dl 、 2 2 5 螺旋桨的推力砟，横向力耳和力矩坼确定 分离型模型中的螺旋桨模型可由式( 2 1 4 ) 来确定【2 5 】 砟= ( 1 一o ) 册2 磷弓( 以) l 耳= 0 ( 2 1 4 ) ，= 0l 式( 2 1 4 ) 中0 为推力减额系数，p 为海水密度，栉为螺旋桨转速，0 为推力 减额系数，d v 为螺旋桨直径，辞( 以) 为推力系数。砖( 以) 可由式( 2 1 5 ) 来计算。 弓( 以) = a o + o l 以+ a 2 名 ( 2 1 5 ) 其中a o ，口i ，口2 为对应的桨参数查螺旋桨的流体动力性能图谱，然后回归求得。 2 2 6 舵力k 。匕和舵力矩心的确定2 5 】 k = ( 1 一) 目s i n # i k = ( 1 + a n ) 目c o s 8 n r = b a + 口h x h 、) f n c o s 其中，舵正压力及其他参数的计算如式( 2 1 7 ) 所示 目= 一