拖航系统偏荡情况的仿真研究

1、拖航系统偏荡情况的仿真研究第32卷第3期2009年9月中国航海navigat10n0fchinavo1.32no.3sep.2009文章编号:loo04653(2009)03010606拖航系统偏荡情况的仿真研究洪碧光,李强,高孝日,吕巍巍(大连海事大学航海学院,辽宁大连116026)摘要:为研究被拖船装载情况对拖航系统偏荡程度的影响,根据分离型建模思想,建立了拖船拖缆被拖船的拖航系统数学模型,分析了拖航系统在航行时受力的情况,并利用matiab仿真软件,仿真了拖航系统的运动情况,仿真结果表明:拖航速度,拖缆长度,被拖船的载况和浮态等拖航系统自身状态会影响拖航系统的偏荡幅度,同时影响拖缆张力的

2、变化;浅水效应会在一定程度上减小拖航系统的偏荡幅度;风舷角为120.的来风对拖航系统偏荡最明显;斜流时,拖航系统会产生单偏现象.这些仿真研究对驾驶员的实际工作有一定的指导价值.关键词:水路运输;船舶;拖航系统;偏荡;仿真中图分类号:u675.93文献标志码:aasimulationstudyoftowingsystemslewingsituationh0ngbguang,ljqiang,ga0xiaori,luwei(navigationcollege,dalianmaritimeuniversity,dalian116026,china)abstract:inordertostudythei

3、mpactofloadingconditionsoftowedvesselonslewingextentoftowingsystem,amathematicalmodeloftowingsystem,whichconsistsofonetowvessel,onetowingcableandonetowedvessel,isconstructed,basedontheshipmaneuveringmodelgroupmathematicalmodel(mmg).thecableforcewhentowingsystemoperatingisanalyzedandasimulationaboutt

4、owingsystemmovementiscarriedoutbymatlab.simulationresultsshowthatslewingsituationoftowingsystemisaffectedbytowingspeed,cablelength,loadingconditionoftowedvesselsetc.;shallowwaterweakensslewingsituation;thewindwith120.windanglehaseffectonslewingsituationmostobviouslyandcrossstreamhaslessimpactofbiase

5、dswing,butthetowingsystemdeviatesfromtheplanofwholeroute.thesesimulationstudiesmaybeareferencefornavigators.keywords;waterwaytransportation;ship;towingsystem;slewingsimulation;simulation偏荡是拖航系统在以一定速度航行时,由于受到外界扰动的影响,拖船和被拖船会在预定的航线左右偏荡,从而威胁拖航安全,降低营运效率.影响拖航系统偏荡的因素很多,诸如拖航速度,拖带点在被拖船的位置,拖缆的长度,浅水和被拖船的装载情况等.

6、在以上因素中,被拖船的装载情况很容易被人们忽略,而在实际航行时,装载情况对被拖船偏荡程度的影响很大.从20世纪506o年代,就不断有学者对此进行研究,国内的研究较少,张乐文建立的模型中,拖缆力近似为被拖船的阻力,没有考虑被拖船对拖船的作用l3,严似松等忽略了水动力的非线性项l4,梁康乐虽进行了详细的研究,却没有考虑被拖船情况对拖航系统偏荡的影响1.通过对拖航系统受力情况的研究,利用船舶操纵运动数学模型小组(theshipmanauveringmathematicalmodelgroup,mmg)的分离型建模思想,建立了拖航系统运动的数学模型,并通过仿真研究拖航速度,拖缆长度,水深,装载情况及风

7、,流对被拖船偏荡的影响,得出通过改变被拖船装载情况来抑制偏荡的方法,对生产实践有一定的理论指导意义.1拖航系统的数学模型1.1建立模型的假定条件在建立拖航的数学模型时,做出如下条件设定:1)只考虑船舶在水平面的运动,即考虑进退,横移,转首的3自由度方程,忽略了纵荡,横摇和垂荡运动;收稿日期:20090524作者简介:洪碧光(1955一),男,辽宁本溪人,教授,船长,从事船舶操纵与避碰研究及海事调查.email:.洪碧光,等:拖航系统偏荡情况的仿真研究1072)拖船和被拖船只有拖缆作用耦合,而忽略拖船与被拖船的相互作用;3)被拖船没有自航能力,拖缆的作用力是被

8、拖船运动的唯一动力.1.2拖航系统运动的数学模型及坐标系采用的坐标系如图1所示.其中xoy坐标系为固定坐标系,xoy为随动坐标系.图1拖航运动坐标系y在此坐标系下,拖航系统操纵运动的数学模型为:(+m)ul(m+m)r一x胁+xp+xni(+m)(+m)r一y+yp+y(izz+jzzt)inhtjrnp+nti(1)式(1)中,x,y分别为船舶在纵向和横向受到的力;n为船舶受到的力矩;下标h,p,r分别代表水动力,螺旋桨力,拖缆力;下标i一(1,2),(1,2)分别代表拖船和被拖船.1.3螺旋桨的计算模型以拖轮津港三为例,该拖轮采用双z型推进器,其螺旋桨的推力可表示为7:xp一(1一t)pn

9、dkt(jp)(2)式(2)中,t为推力减额系数;ld为密度;为转速;d为螺旋桨直径;k为推力系数;j为进速系数.1.4船体水动力模型在计算水动力时采用贵岛水动力模型:xhx()+x+xr+xr.yhy+y,r+lf口+yrlr+y.r+yrnhn+n,r+nll+nlrir+in,r+nr.j(3)式(3)中,x()为直航阻力;y,y,nn为线性类水动力导数;xx,x,y,yy,y,n,nn,n为粘性类水动力导数.1.5拖缆力的计算模型拖缆张力模型对拖航模型的精度影响明显,在求解拖缆张力时采用悬链线模型l8:t一ead-2arsinhjj)式(4)中,e为拖缆的弹性系数;a为拖缆的横截面积;

10、d为拖缆的水平距离;为拖缆在水中每米的质量;l为拖缆的长度.因式(4)两边同时存在所求变量t,故在求解时采用迭代法.1.6风干涉力的计算模型考虑了定常风的影响,风对船体的作用力xw,及力矩nw的计算模型如下:xw一0.5a,c(口r)1y一0.5pdav2c(口r)(5)n一0.5ac(ar)j式(5)中,为风速;为空气密度;a,为水线以上船舶正投影面积;a为水线以上船舶侧投影面积;c(a),c(a)和c(a)分别为纵向z,横向y的风压力系数及绕z轴风压力矩系数.具体计算采用isherwood公式j.1.7流干涉力的计算模型仅考虑均匀流对船舶运动的影响口,计算采用下式:一r+c.s纯一l(6)

11、一+vsin(一)j式(6)中,v为流速;为流向;u,分别为船舶对地速度在附体坐标系的分量;u,分别为船舶对水速度的投影.2仿真实例为验证模型的正确性,同时研究装载情况对稳性的影响,利用matlab仿真软件对拖航系统的运动情况进行了仿真.2.1仿真算法在式(1)中,如果求出作用于船舶的外力,就可以对船舶的运动进行仿真,从而得出船舶航行时的各个动态特性,如,r;以及船舶运动的轨迹和航向,即x.,yo,此计算过程一般由四阶龙格一库塔算法来完成.所以,需将式(1)作如下变形:108中国航海2009年第3期(+7tz)1一(+iti)r一x+xp+x(m+772)一(+77z)uir一y崩+yp+yn

12、l(izz+jzz)=nh+np+n.ll=fx0一cosp一singly一zsino+口cosj(7)在给定的初始条件下,即船舶的初始运动状态,如初始条件为:ul(o)2(0)一uo,7/(o)一0,一5.,其他各量均为零,其中,l,.为拖船和被拖船的初始船速,.为拖船的主机转速,仇=5.为被拖船受到的扰动使其航向角改变5.,即可求得,x,y,随时间的变化,将x,y画在坐标系中,就是运动轨迹.同时可求拖航系统各参数的历时曲线.2.2拖船和被拖船的主要船舶资料仿真采用的拖船与被拖船的船,桨几何要素如表1所示:表1拖船与被拖船的船,桨的几何要素tab.1mainparticularofthetu

13、gandthetow拖船被拖船两柱问长/m29126船宽/m9.82o.8满载吃水8吃水/m3.18压载吃水4重心坐标/m0.630.63排水量/t519.614635方型系数0.566o.68l桨直径/m24.6桨螺距/m23.66盘面比o.650.67叶数44拖缆几何要素如表2所示:表2拖缆几何要素tab.2mainparticularofthehawser直径/mm43剖面积/ram7o1.1单位长度质量/(kg/100m)663.0强度/kn10642.3仿真内容及结果2.3.1被拖船不同载货量时的仿真航行工况为:在拖航系统在计划航向:000.,航速:4kn,拖缆长度:4倍被拖船长,水

14、深吃水比:5:1,无风无流,拖缆在拖船的位置为距艏0.9倍拖船船长,在被拖船的位置为距艏0.1倍被拖船长.由图2可得:被拖船的偏荡会对拖船产生影响,但拖船的作用会对被拖船的偏荡产生一定的抑制效果,所以被拖船的航向变化周期会比拖船的长.当载重量越大,被拖船对拖船的影响越大,被拖船航向角的变化幅度也越大.图2被拖船航向角的历时曲线fig.2thecurveofthetowedtugscourse图3是被拖船不同载重量下拖缆张力的历时曲线.由图可知,被拖船压载时,拖缆承受的张力较小,这是由于被拖船压载时所受的阻力较小的缘故.图3拖船处拖缆张力历时曲线fig.3thecurveofthetension

15、ofthetowatthetug2.3.2被拖船不同吃水差时的仿真航行工况为:计划航向:000.,航速:4kn,拖缆长度:4倍被拖船长,水深吃水比:5:1,无风无流,拖缆在拖船的位置为距艏0.9倍拖船船长,在被拖船的位置为距艏0.1倍被拖船长.洪碧光,等:拖航系统偏荡情况的仿真研究109由图4可知,被拖船为艉倾时拖船航向角和被拖船航向角的变化范围比被拖船为艏倾时小,但是,航向角变化的频率较快.这说明,被拖船为艏倾时,拖航系统的偏荡幅度要大于被拖船为艉倾的情况,但被拖船为艉倾时拖航系统的偏荡更为激烈.图4被拖船航向角的历时曲线fig.4thecurveofthetowedtugscourse图5

16、是被拖船不同吃水差下拖缆张力的历时曲线.由图可知,拖航系统偏荡幅度较大时,拖缆承受的张力的范围也较大.这对安全拖航是不利的.幽5拖船处拖缆张力历时曲线fig.5thecurveofthetensionofthetowatthetug2.3.3不同拖航速度时的仿真航行工况为:在拖航系统在计划航向:000.,拖缆长度:4倍被拖船长,水深吃水比:5:1,无风无流,拖缆在拖船的位置为距艏0.9倍拖船船长,在被拖船的位置为距艏0.1倍被拖船长.由图6可以得出,随着拖航速度的增加,被拖船的偏荡幅度也会减小,这是由于随着拖航速度的增加,被拖船在由中心位置向极限位置运动过程中,水动力与拖缆力对船舶转动的合力矩

17、较大,被拖船转首角速度较大的缘故.但是,由于航速的增加,拖船和被拖船的水动力都相应增大,因此,拖缆张力相应较大.因此,拖航系统在航行时应控制好航行速度,防止造成拖航张力过大,而导致事故.图6拖船处拖缆张力历时曲线fig.6thecurveofthetensionofthetowatthetug2.3.4不同拖缆长度时的仿真航行工况为:在拖航系统在计划航向:000.,航速:4kn,水深吃水比:5:1,无风无流,拖缆在拖船的位置为距艏0.9倍拖船船长,在被拖船的位置为距艏0.1倍被拖船长.由图7可以得出,拖缆长度对拖航系统偏荡的程度影响较小,但也存在一定的影响.具体体现为拖缆较长时,偏荡较为缓和但

18、偏荡的幅度较大,缆长较短时,偏荡的幅度虽然较小但较激烈.同时,缆长较长,悬链的悬垂度较大,拖缆的水动力较大,拖缆承受的张力较大.因此,在实际航行时,应适当调整拖缆的长度.图7拖船处拖缆张力历时曲线fig.7thecurveofthetensionofthetowatthetug2.3.5不同水深时的仿真航行工况为:在拖航系统在计划航向:000.,航速:4kn,拖缆长度:4倍被拖船长,无风无流,拖缆在拖船的位置为距艏0.9倍拖船船长,在被拖船的位置为距艏0.1倍被拖船长.由图8可以得出,在浅水中的被拖船,由于存在一定的下沉量,使其受到的水动力较深水大,因此,110中国航海2009年第3期其航向变

19、化的幅度较小,且容易达到稳定.同时,拖船的偏荡幅度也会小于深水,拖缆承受的瞬间张力小于深水.此时的拖航系统航向比较容易控制.图8被拖船航向角的历时曲线fig.8thecurveofthetowedtugscourse2.3.6风中拖航系统运动的仿真航行工况为:在拖航系统在计划航向:000.,航速:4kn,拖缆长度:4倍被拖船长,水深吃水比:5:1,无流,拖缆在拖船的位置为距艏0.9倍拖船船长,在被拖船的位置为距艏0.1倍被拖船长.从图9可以得出:风向与拖航系统的夹角对拖航系统偏荡影响明显.艉部来风时影响较小,正横来风对拖航系统偏荡影响较大,但影响最大的角度为风向与拖航系统的夹角为120.130

20、.图9被拖船偏离航线极值随风向变化曲线fig.9thecurveofmaxpositionchangewithdirectionofwind2.3.7横流时拖航系统运动的仿真航行工况为:在拖航系统在计划航向:000.,航速:4kn,拖缆长度:4倍被拖船长,水深吃水比:5:1,无风,拖缆在拖船的位置为距艏o.9倍拖船船长,在被拖船的位置为距艏0.1倍被拖船长.从图10可以看出,横流作为外界干涉力,也会使拖航系统产生偏荡现象,而且在偏荡的同时,整个拖航系统会偏离原航线,这是由于拖船航向控制器只能识别航向的偏差,而不能识别航迹的偏差导致的,在实际航行时,被拖船会偏离在拖船一侧,从而产生单偏现象.图1

21、o横流时拖航系统运动轨迹fig.10thetrackofthetowwithabeamcurrent3结语1.在水深充裕时,航速,拖缆长度,拖带位置一定的情况下,拖航系统中被拖船满载时比被拖船空载时,拖航系统的偏荡幅度较大,偏荡周期较长,拖缆承受的瞬时张力较大,在航道宽度受到限制的水域,驾驶员应根据实际情况,适当减少载货量,以减小偏荡的幅度,从而减小偏荡对安全航行的影响.2.在其他情况一定的情况下,拖航系统在被拖船艏倾时比被拖船艉倾时偏荡的幅度大,同时拖缆承受的张力较大.所以,驾驶员可以根据具体情况,适当调整艉倾,以减小拖航系统的偏荡幅度,保证航行安全.3.拖航速度会和拖缆长度对拖航系统的偏荡

22、产生影响,当拖航速度较大时,偏荡的幅度较大,拖缆承受的张力越大,这不但与偏荡幅度有关,还与航速高时水动力较大有一定的关系.拖缆长度的变化对拖航系统偏荡影响不甚明显,但当缆长较长时,拖缆的悬垂度较大,因此,拖缆承受的张力较大.4.水深是影响拖航系统偏荡的重要因素,水深较浅时,船舶的水动力较大,因此,拖航系统偏荡的幅度较小.5.风,流等外界干涉力均会对拖航系统的运动产生影响,风的影响程度与风舷角的大小有直接关系,但影响最大不是在横风时,而是在偏艉风时影响最大.流对拖航系统偏荡的影响为:顶流或顺流相当于改变了拖航的速度,而斜流或横流时会产生单偏现象,即被拖船偏离在拖船一侧.洪碧光,等:拖航系统偏荡情

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