船舶运动建模与特性仿真研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文船舶运动建模与特性仿真研究姓名：李修强申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：陈辉20100501武汉理一I：人学硕七学位论文摘要分析船舶的运动规律和控制方法可以通过海上实验，但实船海上实验存在成本高，周期长，而且具有一定的危险性等缺点。而利用船舶运动模型，通过仿真的方法进行实验克服了上述限制，可以在～定程度上反映船舶运动的规律，替代部分海上实验。因此，研究船舶的受力状况和数学模型对研究船舶运动控制及海洋平台的动力定位均具有重要意义，在开发各种推进方式的船舶模拟器中也具有重要地位。

2、本文通过对船舶受力和系统各组成部件运动学规律的分析，建立了船舶三自由度运动的数学模型，并考虑了环境干扰力对船舶运动的影响，进行了相关的仿真实验，对船舶运动位置和航向变化进行了分析。本文的主要工作如下：(1)介绍了研究船舶运动时的坐标系统，船舶在运动时所受的各种形式的作用力，影响螺旋桨推力和转矩的因素，以及船舶运动时船体和螺旋桨的相互作用。(2)研究了四象限螺旋桨特性及其解析形式，探讨了螺旋桨有效推力和转矩的计算、船舶附加质量和船舶阻力的相关内容，并建立了船．机．桨系统的数学模型。(3)在数学模型的基础上建立

3、基于MATLAB／simuliIll(的仿真模型，并进行船舶典型工况仿真实验，通过与KONGSBERG软件运行结果的对比，表明本文所建模型可以反映船桨系统的动态特性。(4)分析了船舶运动系统和环境干扰力的特点，根据船舶运动学规律建立了船舶三自由度运动方程，计算了质量阵和阻尼阵，并将运动方程表示为状态空间形式，然后对设定推力情况时的船舶运动进行了仿真研究，对船舶位置和航向受干扰力的影响进行了分析。本文建立的船．机．桨模型可以为电力推进系统基于dSPACE的硬件在回路仿真研究提供参考，船舶三自由度运动模型可以在

4、一定程度上反映船舶的运动规律，是船舶和海洋平台动力定位研究的探索。最后，对本文工作和存在的问题进行了总结，提出了下一步工作设想。关键词：船舶运动模型，仿真研究，螺旋桨特性，MATLAB／Simulinl(武汉理一l：大学硕十学位论文AbstractMoV锄entmles锄dcontr01methodsofShipscallbe锄a1)，zedthrou曲shipexp嘶m锄tsatsea，howeV％theseexp耐melltsareofhi曲cost，longcycle，柚dsometimeshaVes

5、ome—sks．IIlstead，simulationexpenmentsofshipmotionmodelcould0vercomemesedisadvaIltages，andtoacertainextent，theyc舳reflecttlleshipmoVementnlles，锄dr印lacesomeoftheseaeXp甜meIlts．TherefIore，s觚蛳ngforce狮dmath锄aticalmodelsofshipsnotonlyhaLs伊eatsignificancetoshipmoti

6、oncontl讲a11ddyn锄icpositioningofoff．Shoreplatfo册，butplaysaVeryimportalltroletothedeVelopmeIltofaVarietyofshipsimulator．Basedontheanalysistoforceandthelawofkinematicsofsystenlcomponentsofships，tllispaperestablishesShipmathelnaticalmodelinthreedeg聆esoff沁edom，

7、锄dconsiderstheenViro姗entaldisturballceforceontheshipmoVelllellt，a11dthellrelatedsimulationeXp甜meIltsaredonewhilepoSitionandheadingchangesoftheShipmotionareaIlalyzed．(1)T11ispaperintroducesthecoordinatesyst锄oftheshjp，V撕ollSfo册sofforceitsu行打s，thefactorswhich

8、impactthepropellerthrust锄dtorque，aIldtlleinteraCtionbe帆eeIltheshiphullaIldpropellermoV锄ent．(2)Four-quadrantpropellercharacteristicsanditsanal”icalfo肌aresnldied，锄d硪．ectiVepropellerthmstandtorquecalculationmeth