缆船非线性拖带系统及数值仿真[1]

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1、!"卷第#期$总第%"&期’中国造船()*+!",)+#$-./01*,)+%"&’#223年3月-4567859:5,;<=>45,?@AB.#223文章编号C%222D!EE#$#223’2#D222%D2F缆船非线性拖带系统及数值仿真朱军%H张旭#H陈强#$%+海军工程大学船舶与海洋工程系H湖北武汉!&22&&G#+海军装备研究院舰船研究所H北京%222"&’摘要基于船舶操纵性运动方程和拖缆的三维动力学运动方程H提出了被拖带船舶拖点位置匹配的方法H建立了缆D船非线性整体的拖带动力学模型H采用数值计算法实现了时域内拖带运动的模拟I对一艘具有航向稳定性船舶进行了拖带运动数值计算H

2、拖带船舶采用6:控制方法较真实地模拟了拖带船舶航向改变的运动过程I数值计算讨论了拖点位置J拖缆长度J拖带航速对拖带航向稳定性的影响H结果表明C拖带航向稳定性与线性拖带理论一致H即拖点位置在水动力作用点之前拖带航向具有稳定性H拖缆长度和拖带航速对拖带航向稳定性无影响I拖缆长度和拖带航速可以影响拖带的航行品质H增加拖缆长度能有效抑制拖缆张力的振荡H拖带航速影响到航向角的响应快慢和超调量I关键词C船舶J舰船工程G拖航G操纵性G航向稳定性G拖缆中图分类号C833%+&文献标识码C?%引言根据日本对其近海域的海难事故调查H需要救助的遇难船舶日益增多H其中每年小型船舶占"2K左右H货船和油轮占

3、#2KL&2KM%NI因海难事故无法航行的船舶H若在原地放置不仅妨碍其它船舶的航行H甚至有可能引起新的海难事故H或因原油流溢造成污染等社会问题H因此需要尽快将其拖至安全地带I在拖带时为了保证拖船与遇难船舶的航行安全H被拖带船舶的航向稳定性是一个重要的问题I上世纪O2年代起众多的学者对拖带船舶的航向稳定性进行了大量的研究I文献M#N采用线性理论分析发现H改变拖缆长度和拖点位置可使拖航保持稳定I文献M&LON同样采用线性理论研究了包括多个被拖带船舶的航向稳定性问题H5B)A.假定拖缆在平衡状态下为前后对称的悬链$P1Q.B1/R’曲线H通过拖缆的扰动量导出拖带扰动运动方程H进而采用S)

4、AQTD4A/U0QV判别式得到了拖缆弹性J拖缆质量对拖带航向稳定性影响I文献M3N将水下拖体与拖缆作为一个整体建立了拖体D缆索的动力学方程H以动态平衡位置为基点摄动展开拖缆张力的扰动量H得到拖体D缆索扰动运动方程H同样采用S)AQTD4A/U0QV判别式分析计算了拖体的纵向运动稳定性I从力学模型上分析H上述方法中

5、H该方法假定拖缆的张力为直航阻力G而文献M%N则根据经验公式计算拖缆张力在运动中的变化H同时还采用了拖缆与被拖带船舶之间水平面内夹角的经验公式H进而计算了倾覆船舶被拖带的航向运动H计算结果与模型试验结果吻合较好I在处理被拖点的运动关系上H文献M"N的方法显得粗糙H文献M%N则借助了经验公式较为符合实际情况$适应范围有限’I但是H作用在被拖带船舶的主动力YY拖缆张力H不仅与水平面内的夹角有关H更重万方数据收稿日期C#22!D2"D##G修改稿收稿日期C#22!D%2D%%&中国造船学术论文要的是与拖缆松弛状态相关!即拖缆垂直面内的夹角"#事实上拖缆松弛状态直接关系到拖缆张力的大小$显

6、然张力大小直接关系到被拖带船舶的运动#拖带问题不仅要求被拖带船舶的航向稳定性$也需要提高拖带航行的品质$即如何控制或抑制被拖带船舶航向扰动幅度等$以减小航行阻力#本文将被拖带船舶和拖缆作为一个整体$建立被拖带船舶%缆索动力学方程$采用被拖带点位置匹配的技术来确定拖缆张力$即被拖带船舶与拖缆满足运动学条件#本文所建立的模型可预报拖带船舶任意机动下被拖带船舶的运动#数值计算某船舶被拖带运动发现$通过改变缆索的长度可有效抑制拖缆张力和航向扰动幅度#&拖带船舶与被拖带船舶运动方程通常船舶操纵性所采用的坐标系如图’所示#惯性坐标系为()*+$运动坐标系为,下标--.-/-0-$1’$&分别表

7、示拖带船舶与被拖带船舶!下同"#2’32&是拖点处拖缆与船体垂直面内夹角$4’34&是拖点处拖缆与船体水平面内夹角#图’坐标系定义拖带船舶在水平面内的运动方程如下!在不至于引起歧义情况下$不标注下标"7&5!689:8.;:"1<775!9=6:8.;:"1>!’"7?0:=5.;!9=6:"1@其中A5为船舶质量B.为船舶重心的纵向坐标B?为绕C0轴的转动惯量B<3>为作用于船体上沿;0C.3C/方向上的水动力B@为绕C0轴的外力矩B639为坐标原点的速度在船体运动