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1、侧推器协助船舶靠离泊操纵的数学模型第33卷第i期2007年2月大连海事大学JournalofDalianMaritimeUniversityVoi.33No.iFeb2007文章编号:1006—7736(2007)01—0029—04侧推器协助船舶靠离泊操纵的数学模型刘春生,洪碧光,滕英祥,李同山(1.大连海事大学航海学院,辽宁大连116026;2.烟台大学海洋学院,山东烟台264005)摘要:给出一种港内运用侧推器协助靠离泊操纵的数学模型.模型吸取日本MMG分离建模的思想,以船,桨,舵单独性能为基础,并考虑其各部分之间的相互干涉,同时考虑到靠离泊的船舶运动为低速
2、,大漂角的特点,对作用于船体上流体力及桨,舵力都提出了相应的算法,将侧推器数学模型应用到该模型中,并运用MATLAB语言以某集装箱船为例进行了模拟仿真.经有关船长验证,仿真计算结果基本满足工程要求,可为完善船舶操纵模拟器提供一定的理论基础.关键词:船舶;靠离泊操纵;侧推器;数学模型中图分类号:u661.338文献标识码:A0引言1数学模型的描述随着世界各国经济的发展,海上交通日益繁忙,交通密度的增加,船舶的操纵性日益受到人们的重视.同时,随着船舶日趋专业化和大型化,在港湾等处船舶更显得拥挤,船舶在进出港靠离泊操纵,要求频繁掉头避让;为了船舶在港内操纵的安全,并考虑
3、到船舶运营的经济效益,大多船舶都安装了侧推器,侧推器在实现船舶掉头,原地旋回,横移等方面能较好地协助船舶更加安全地操纵.基于以上原因,笔者对港内侧推器协助船舶靠离泊操纵的数学模型进行仿真研究.本文结合近几年国内外在船舶操纵性研究中的成果,在他人研究成果的基础上,给出一个适用于侧推器协助船舶靠离泊操纵模拟的数学模型.在该模型中,对作用于船体上流体力,桨和舵力的计算中考虑了靠离泊时船舶为低速,大漂角的情况,引入文献[1]的横流阻力系数,使模型的精度进一步提高,并将侧推力产生的操纵力的计算加到模型中,基于Matlab进行仿真计算.1.1船舶运动数学模型及坐标系根据船舶在
4、港内靠离泊操纵的运动情况,可采用如图1所示空间固定坐标系X.OY.和随船运动坐标系.图中Fx,F,MN分别为作用于船体上外力和力矩;U,,叫,分别为船舶的纵向和横向线速度分量和转首角速度;为航向角;为舵角;为漂角;U,"0a为风速;,口为风向;U,为流速和流向,采用的数学模型为(+)?U一(+)?砌,=FxH+Fx+R+L+R+R(m+m)?+(m+m)?t'叫,:FYH+FYP+FR+FL+F+Fyc(+J)-叫,=MH+MP+MR+ML+MA+Mc其中:,,m,,-,分别为船舶质量,附加质量,惯性矩和附加惯性矩.各项下标含义分别收稿日期:2006—09—20.
5、作者简介:刘春生(1979一),男,山东潍坊人,研究生;E-mail:dlmulcs@163.corn大连海事大学第33卷为:H为裸船体,P为桨,R为舵,L为侧推器,A为风,C为流.图1坐标系1.2主机特性模型主机特性的数学模型描述为2(jPP+.,PP)?TE+TP+Tf其中,J为桨和轴系的惯性矩;Jw为附加惯性矩;n为主机转速;T为主机发出转矩;TP为桨吸收转矩;T为轴系摩擦消耗转矩.2作用于船体诸外力的计算2.1裸船体上流体力的计算Fx(+c).咖,+专uFx(r=0)Fv=(Yr—mxU)叫,+专uF一专fI+叫1.(+叫)dz(r=0)MH=Mr?7.0
6、,+告PLuM}r一fcI+WrOCI.(+叫).dx(r:0)__=专其中:L为船长;d为吃水;p为水密度;Ca为横流阻力系数…;等为系数;(,.0),Fr.(r0),FⅣ(r0)为斜航时船体的流体力,文献[2]给出计算方法.2.2桨力计算桨力计算采用Fx=lp(1一FP)7rP2[(1_)+(0.77rnDe)]CT(y)f0,n≥0F:6l∑口;,<0f0,n≥0M.=6【∑6;,<0计算.其中:F为推力减额;D为桨直径;∞为伴流系数;.,为进速系数;7为进程角;C(7),口i和b分别为系数.2.3舵力计算舵力计算采用Fx=(1一FR)FNsin
7、Fy=(1+口H)FNcoSMR=(zR+aHzH)FN∞s计算.其中:F为舵力减额;a为操舵引起船体力增额系数;为舵力作用中心坐标;为操舵引起船体力作用中心的坐标;F为作用于舵上的流体正压力,以下式表示:12F=一专∑Ksina其中:A为舵面积;为升力系数的斜率;Ki,r/i分别为系数;U,a为流入舵的有效流速和冲角,下标i=1,2分别表示处于和不处于桨尾流的部分.舵力计算的关键是Ua的计算,文献[3]给出适用于低速,大漂角的ua计算法.2.4侧推力计算艏侧推器横向力很小可以不予考虑.根据文献[6]艏侧推器有效推力Fy.和回转力矩M的计算公式如下:Fv=Fy0[
8、1_1.4
