基于Simulink的ULOC旋回降速仿真研究

王遠(yuǎn)淵

（大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連 116000）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化的進(jìn)程不斷加快，對(duì)煤炭和鐵礦石的需求促進(jìn)了散貨船的大型化，ULOC應(yīng)運(yùn)而生。但是，船舶的大型化使船舶操縱難度發(fā)生碰撞、觸底等海難事故的危險(xiǎn)性大大增加。由于大型散貨船投入使用時(shí)間較短，相關(guān)的研究較少，更缺少基于數(shù)學(xué)模型的操縱性研究。因此，開(kāi)展該方面的研究具有重大的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 課題研究綜述

散裝貨船簡(jiǎn)稱散貨船，散貨船通常用來(lái)載運(yùn)谷物、煤炭、礦砂等大宗散體貨物的運(yùn)輸船舶[1]。近些年來(lái)，隨著國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)散貨需求的增長(zhǎng)，散貨船舶的大型化也成為其發(fā)展的一大特點(diǎn)，目前是繼集裝箱船之后發(fā)展最快的船型[2]。

大型船舶操縱性研究從最早的對(duì)大型船舶操縱特性的探索與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)展成為定量的仿真研究，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們對(duì)大型船舶操縱性的研究開(kāi)始越來(lái)越深入。由于超大型散貨船操縱性的船型特點(diǎn)，關(guān)于超大型散貨船操縱性的研究，就需要充分考慮外界環(huán)境對(duì)船舶操縱性的影響，在探索風(fēng)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響的基礎(chǔ)上，馬向能、夏尚鈺、S.Inoue 和 Y.Ishibashi、芳村康男、A.Tanaka、Martin L.L、M.Hirano等國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)船舶操縱性能展開(kāi)了進(jìn)一步的研究。本文是作者在參考以上諸位學(xué)者在強(qiáng)風(fēng)下建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)大型散貨船的操縱性進(jìn)行了進(jìn)一步探索。

2 船舶運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型研究

2.1 船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程

按照MMG建模思想[10]，將作用于船體上的外力及外力矩，分為裸船體、螺旋槳、舵的力及力矩，表示為：

其中：下標(biāo)H表示流體動(dòng)力；P表示螺旋槳力；R表示舵力。

2.2 流體動(dòng)力和力矩的求取

當(dāng)|β|≤20°時(shí)，采用貴島模型[11]

當(dāng)30°＜|β|≤180°時(shí)，采用芳村模型，參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。當(dāng)20°＜|β|≤30°時(shí)，采用上述兩模型的內(nèi)插值。

2.3 螺旋槳力及力矩的求取

根據(jù)本文所研究的實(shí)際工況，建立如下螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩模型：

其中：tP為推力減額系數(shù)；DP為槳直徑；n為主機(jī)轉(zhuǎn)速；FT為槳推力；kT(JP)、kM(JP)分別為槳的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)，JP=(1-wP)u/nDP；MP為螺旋槳吸收轉(zhuǎn)矩。

2.4 舵力及力矩的求取

舵力及力矩計(jì)算模型：

其中：FN為垂直于舵葉平面的正壓力；δ為舵角；tR為舵力減額系數(shù)；aH為操舵誘導(dǎo)船體橫向力的修正因子；xH為操舵誘導(dǎo)船體橫向力作用中心到船舶重心的距離；xR為作用于舵上的橫向力作用點(diǎn)的縱向坐標(biāo)。

3 船舶操縱運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

在計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，搭建船舶運(yùn)動(dòng)仿真預(yù)報(bào)的平臺(tái)要在非線性MMG模型變形式的基礎(chǔ)之上。四階龍格-庫(kù)塔法中在SIMULINK模塊中已有相應(yīng)的集成模塊，就不再需要重新列式計(jì)算。仿真計(jì)算船舶的操縱性試驗(yàn)，運(yùn)用MATLAB 2011b語(yǔ)言來(lái)編寫計(jì)算機(jī)仿真程序，以此驗(yàn)證模型的適用性是否滿足工程上的精度要求，如圖3.1所示。

圖3.1 Matlab仿真程序框架圖

3.2 仿真實(shí)例

本文以一艘38萬(wàn)噸的超大型礦砂船VALE CHINA為例，通過(guò)實(shí)船旋回?cái)?shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型的可靠性。船舶的主要參數(shù)如下：

表3.1 “VALE CHINA”輪船舶的主要尺度

在主機(jī)轉(zhuǎn)速均0.6r/s，吃水均為11.45m，風(fēng)速為 5.11m/s，風(fēng)向?yàn)?0.0°的工況下操左（右滿舵），實(shí)船旋回軌跡和仿真旋回軌跡如圖3.2所示。

圖3.2 a 實(shí)船旋回軌跡

圖3.2 b 仿真旋回軌跡

通過(guò)對(duì)實(shí)船旋回軌跡和仿真旋回軌跡的比對(duì)，VALE BRASIL 輪數(shù)學(xué)模型的仿真旋回軌跡與實(shí)船在試航實(shí)驗(yàn)中的旋回軌跡差別很小，誤差范圍均在±20%以內(nèi)，因此所建立的模型具有較高的精度。

3.3 旋回降速仿真研究

旋回降速是指由于船舶姿態(tài)變化和水動(dòng)力的變化，在船舶旋回運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生船舶速度降低的現(xiàn)象，稱為旋回降速。本文對(duì)VALE CHINA輪在壓載狀態(tài)下滿舵全速旋回時(shí)的降速進(jìn)行了仿真研究。在航向角轉(zhuǎn)過(guò)90°、180°、270°、360°時(shí)的船舶降速如3.3所示。

圖3.3 旋回運(yùn)動(dòng)速度變化曲線

4 結(jié)論

通過(guò)研究分析可知：（1）超大型散貨船在定常旋回時(shí)的船速約為初始船速的1/5，這主要是因?yàn)榇霸谛剡\(yùn)動(dòng)過(guò)程中橫向速度和角速度的存在使船舶處于斜航和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，船舶阻力比直航時(shí)大為增加，可見(jiàn)大型散貨船的旋回降速較大。（2）通過(guò)分析左旋回和右旋回可知，兩種旋回方式造成的航速變化較為一致，船舶的旋回方向?qū)π亟邓俚挠绊懖淮蟆＃?）綜合分析，超大型散貨船的回轉(zhuǎn)性能較好，但是船舶在旋回時(shí)由于斜航阻力較大，旋回降速較大。

[1]Kose.K.On the new mathematical model of maneuvring motions of a ship and its application.I.S.P.29(336)，1982

[2]李偉.船舶結(jié)構(gòu)與設(shè)備.大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.8.

[3]馬向能，沈定安，何春榮.大型集裝箱船受風(fēng)工況下操縱性計(jì)算預(yù)報(bào).船舶力學(xué)，2001

[4]夏尚鈺，竺瑞庭.均勻風(fēng)作用下的船舶操縱性研究.艦船科學(xué)技術(shù).北京.1984.

[5]芳村康男.淺水域の操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)モデルの檢討(第2報(bào))[J].關(guān)西造船協(xié)會(huì)志，1988，210:77-84.