大型船舶在航道上的操縱運動仿真

大型船舶在航道上的操縱運動仿真

0大型船舶出合理仿真模型及系統(tǒng)實現(xiàn)大連新船稱重有限公司是“大型集裝箱船和浮式生產(chǎn)儲油船”建設(shè)項目的一部分，準(zhǔn)備將現(xiàn)有20萬噸t級碼頭擴建至175m。由于浦口之前的水域平面條件和水深條件的限制，尤其是大型船舶，載重量大、水深大、規(guī)模大、慣性大、傾角大、，風(fēng)和流量對運動狀態(tài)的影響較小。因此，有必要通過充分反映大型船舶的外部旋轉(zhuǎn)和回波后的返回碼頭和?？诘陌踩?。評估船型為30萬噸石油船，還對10萬噸、15萬噸和20萬噸油船進行了模擬試驗。在此基礎(chǔ)上，利用日本mmg分離建模方法，提供了大型船舶模擬模型和電子海洋圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法?；诖?，我們在?？谛麓亓啃麓膭討B(tài)下回波碼頭和新船通過運行監(jiān)控道的出發(fā)港和?？?。1船舶彎曲理論與船模型數(shù)據(jù)庫1.1u3000表在描述船舶操縱運動時,一般取圖1所示的兩種平面直角坐標(biāo)系,即空間固定坐標(biāo)系X0OY0和隨船運動坐標(biāo)系xGy(G為船舶重心).在圖1中,X,Y,N為作用于船體上的外力和外力矩;u,v,r為船舶運動的速度分量及轉(zhuǎn)首角速度;φ為航向角;δ為舵角;ua、va為絕對和相對風(fēng)速;φa,αa為絕對和相對風(fēng)舷角;uc、φc分別為流速和流向角;β為漂角.本數(shù)學(xué)模型主要考慮船舶的平面運動,忽略船舶橫搖、縱搖及垂蕩對操縱運動的影響.并假設(shè)船舶的操縱運動是準(zhǔn)定常的,認(rèn)為水動力與頻率無關(guān),不考慮波浪的影響,水的自由表面作剛性壁處理.采用下列操縱運動方程式:{(m+mx)˙u-(m+my)vr=XΗ+XΡ+XR+XA+XΟ(m+my)˙v+(m+mx)ur=YΗ+YΡ+YR+YA+YΟ(Ιzz+Jzz)˙r=ΝΗ-XGYΗ+ΝΡ+ΝR+ΝA+ΝΟ2π(Ιpp+Jpp)˙n=QE+QΡ+QfΤE˙δ+δ=δE(1)?????????????????(m+mx)u˙?(m+my)vr=XH+XP+XR+XA+XO(m+my)v˙+(m+mx)ur=YH+YP+YR+YA+YO(Izz+Jzz)r˙=NH?XGYH+NP+NR+NA+NO2π(Ipp+Jpp)n˙=QE+QP+QfTEδ˙+δ=δE(1)其中:m,mx,my,Izz,Jzz分別為船舶質(zhì)量、附加質(zhì)量和附加慣性矩;Ipp、Jpp為槳及軸系的轉(zhuǎn)動慣性矩和附加慣性矩,QE為主機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩;QP為螺旋槳消耗的轉(zhuǎn)矩;Qf為軸系摩擦消耗的轉(zhuǎn)矩;δE為命令舵角;TE為舵機時間常數(shù).上式中各量下標(biāo)含義為:H表示船體;P為螺旋槳;R表示舵;A為風(fēng);O為其他等產(chǎn)生的作用于船體上的外力和外力矩,舵機通常還有|δ|≤35°,|˙δ|≤3°/s|δ|≤35°,|δ˙|≤3°/s的限制.由于模型試驗求取船體的水動力導(dǎo)數(shù)時是取船中心作為坐標(biāo)原點的,所以上式將把對船中的力矩轉(zhuǎn)換為對船重心的力矩;XG為船重心坐標(biāo),在船中前為正,船中后為負(fù).按照作用在船體上各水動力的不同屬性,船舶操縱運動模型可以表示為如圖2所示層次模型.圖中的其他力學(xué)模型包括淺窄水域及岸壁影響模型.船體水動力模型、外界水動力模型、操縱設(shè)備力模型及其他力學(xué)模型請參閱文獻.在式(1)中,如果求出作用于船體上的外力后,應(yīng)用龍格—庫塔法即可求得船舶操縱運動參數(shù),如:u,v,r,n,X0,Y0,φ,為此,需要將微分方程化為一階微分方程組:{˙u=[(m+my)vr+XΗ+XΡ+XR+XA+XΟ]/(m+mx)˙v=[-(m+mx)ur+YΗ+YΡ+YR+YA+YΟ]/(m+my)˙r=[ΝΗ-XGYΗ+ΝΡ+ΝR+ΝA+ΝΟ]/(Ιzz+Jzz)˙n=(QE+QΡ+Qf)/[2π(Ιpp+Jpp)]˙δ=(δE-δ)/ΤE,˙φ=r˙X0=ucosφ-vsinφ,˙Y0=usinφ+vcosφ(2)???????????????????????u˙=[(m+my)vr+XH+XP+XR+XA+XO]/(m+mx)v˙=[?(m+mx)ur+YH+YP+YR+YA+YO]/(m+my)r˙=[NH?XGYH+NP+NR+NA+NO]/(Izz+Jzz)n˙=(QE+QP+Qf)/[2π(Ipp+Jpp)]δ˙=(δE?δ)/TE,φ˙=rX˙0=ucosφ?vsinφ,Y˙0=usinφ+vcosφ(2)式(2)解得的結(jié)果(X0,Y0)經(jīng)過第2節(jié)介紹的坐標(biāo)變換得到屏幕坐標(biāo)(x0,y0),將船舶符號按照屏幕坐標(biāo)動態(tài)疊加到電子海圖上就可以實現(xiàn)船舶操縱運動的動態(tài)仿真.1.2船舶操縱數(shù)學(xué)模型為了便于船模數(shù)據(jù)的維護和管理,用ACCESS建立了船舶操縱運動數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫.該庫包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)表、船型數(shù)據(jù)表、實船試驗數(shù)據(jù)表、離線計算數(shù)據(jù)表:SCREW為B系列四象限試驗用槳的參數(shù)表;CTCQ為推力轉(zhuǎn)矩系數(shù)表;NANBO為藍波奧芬凱勒圖譜表;SHIPTYPE為船型數(shù)據(jù)表;CIRCLE為旋回圈實船試驗數(shù)據(jù)表;ZTEST為Z型試驗數(shù)據(jù)表;SPIRE為螺旋試驗數(shù)據(jù)表;MODEL為離線計算數(shù)據(jù)表.船舶模型數(shù)據(jù)庫能夠準(zhǔn)確可靠地保存數(shù)據(jù),能夠在需要時方便完整地提取數(shù)據(jù),能夠用來校核船舶操縱運動數(shù)學(xué)模型,能夠進行操縱性能預(yù)報.這里僅介紹NANBO表,該表有GROUP,CP,PID,PX,PY5個字段,GROUP字段表示圖譜組別(A,B,C,D,E共5組);CP字段表示棱型系數(shù);PID字段表示坐標(biāo)點序號;PX字段表示圖譜橫坐標(biāo);PY字段表示圖譜縱坐標(biāo).藍波奧芬凱勒圖譜是荷蘭瓦格寧水池根據(jù)近40多年所做的大量船模試驗資料給出的,適用于單槳民用船,特別是大尺度豐滿船型的剩余阻力估算.本文已將5組圖譜的所有曲線進行數(shù)字化并存入NANBO數(shù)據(jù)表,由NANBO表得到A組圖譜如圖3所示.2u3000定型原理以電子海圖北向上時的左下角為坐標(biāo)原點O,OY軸向上,OX軸向右,單位為毫米,建立邏輯顯示坐標(biāo)系.設(shè)一紙質(zhì)海圖或紙質(zhì)海圖上的一裁剪矩形區(qū)域,其左上角點地理坐標(biāo)為A(φ1,λ1),右下角點為B(φ2,λ2),M(φ,λ)為圖中任一點.該圖在圖形顯示器上顯示時對應(yīng)A、B和M點的邏輯顯示坐標(biāo)分別為a(X1,Y1)、b(X2,Y2)和m(X,Y).又設(shè)A、B和M點的等量緯度分別為q1、q2和qm.則有λ2-λ1λ-λ1=X2-X1X-X1?q2-q1qm-q1=Y2-Y1Y-Y1(3)λ2?λ1λ?λ1=X2?X1X?X1?q2?q1qm?q1=Y2?Y1Y?Y1(3)由式(3)得到{X=λ2X1-λ1X2λ2-λ1+X2-X1λ2-λ1?λ?Y=q2Y1-q1Y2q2-q1+Y2-Y1q2-q1?qmλ=λ1X2-λ2X1X2-X1+λ2-λ1X2-X1?X?qm=q1Y2-q2Y1Y2-Y1+q2-q1Y2-Y1?Y(4)若已知M點的邏輯坐標(biāo)為Y,則由式(3)先求得相應(yīng)的等量緯度q,再由文獻直接反解地理緯度.若已知M點的地理緯度為φ,則選擇文獻求出其等量緯度q,再由式(4)求出其邏輯縱坐標(biāo)Y.3航空安全評估標(biāo)準(zhǔn)(1)通航安全模擬試驗根據(jù)《海港總平面設(shè)計規(guī)范》(JTJ211-99),進行通航安全模擬試驗.評價船舶操縱安全性的主要指標(biāo)有:操舵角、風(fēng)流壓、偏航范圍、操縱穩(wěn)定性及航跡占有寬度.(2)評估單角角的標(biāo)準(zhǔn)一般說來,大型船舶在港內(nèi)操縱,在一定的主機工況下,船舶克服風(fēng)流等因素影響的保向舵角不宜大于10°～15°,風(fēng)流壓差也不宜太大.(3)操縱分配的船舶在較大的壓舵角時,留有一定的主機操縱富裕量,能及時糾正船位和航向.另外,船舶偏離航道中心線,距航道邊線的最近距離應(yīng)不小于0.75倍船寬.4拖船數(shù)量的估計和模擬示例4.1ya,ya,cwy,va的計算拖船數(shù)量的計算原理是船舶勻速橫向靠泊過程中拖船推力的總和等于風(fēng)動力與水動力的總和.港作拖船的推力(或拖力)與拖船的類型有關(guān),拖船每100kW功率發(fā)出的拖力如表1所示.船舶橫向移動的水動力和風(fēng)動力的估算公式為{Yw=1/2ρwLdv2yYa=73.6×10-5Ayv2aξCwy=6.06-2.8Η/d(10)式中,Yw,Ya,ρw,vy,Cwy,Ay,ξ,va分別為水動力、風(fēng)動力、水密度、船舶橫移速度、船舶橫向移動水動力系數(shù)、船體水面以上橫向受風(fēng)面積、風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)和相對風(fēng)速;L為船長;d為船舶吃水;H為水深.大型船舶橫向入泊速度按文獻的標(biāo)準(zhǔn)不可超過0.10m/s,按文獻的標(biāo)準(zhǔn),10萬t船舶有掩護泊位為0.06～0.08m/s,開敞式泊位為0.08～0.15m/s.風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)一般取1.油船的滿壓載船體水面以上橫向受風(fēng)面積可按下式估算:lgAy=0.485+0.5741lgDWlgAy=0.618+0.62lgDW(11)為控制30萬t油船在風(fēng)流中的橫移按Z型推進器拖船計算所需的拖船功率見表2.4.2試驗?zāi)M試驗大連造船新廠水深圖采用的平面坐標(biāo)系是大連城建坐標(biāo)系,高斯投影.中央經(jīng)線是121°30′,且縱坐標(biāo)軸西移30km.經(jīng)過坐標(biāo)變換得到墨卡托投影的電子海圖.評估的船型主要是空載30萬t原油船,對于滿載吃水的10～20萬t油船也進行了仿真試驗,船舶主尺度如表3所示.大連新船重工有限責(zé)任公司20萬t船塢位于大連臭水套水域南側(cè),船塢北側(cè)為舾裝碼頭.航道寬度、泊位長度和港池寬度分別為250.0m、400.0m和110.0m.根據(jù)提供的資料,廠區(qū)海域的潮流基本呈東西向,流速低于0.5m/s,保證率最高的潮高為2.8m,夏季多偏南風(fēng),冬季多偏北風(fēng),常風(fēng)向為北風(fēng).在不同的風(fēng)流條件下,利用船舶操縱仿真平臺由經(jīng)驗豐富的船長進行拖船協(xié)助下大型船舶旋回調(diào)頭進入舾裝碼頭靠泊的實時動態(tài)仿真試驗,每次模擬試驗所需時間與實船操縱一樣,約需時45min～1h.試驗結(jié)果如圖4所示.5仿真結(jié)果與分析隨