基于Simulink的ULOC旋回降速仿真研究

王遠淵

（大連海事大學航海學院，遼寧大連 116000）

0 引言

隨著世界經濟全球化的進程不斷加快，對煤炭和鐵礦石的需求促進了散貨船的大型化，ULOC應運而生。但是，船舶的大型化使船舶操縱難度發生碰撞、觸底等海難事故的危險性大大增加。由于大型散貨船投入使用時間較短，相關的研究較少，更缺少基于數學模型的操縱性研究。因此，開展該方面的研究具有重大的理論價值和現實意義。

1 課題研究綜述

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

大型船舶操縱性研究從最早的對大型船舶操縱特性的探索與實踐經驗發展成為定量的仿真研究，國內外的學者們對大型船舶操縱性的研究開始越來越深入。由于超大型散貨船操縱性的船型特點，關于超大型散貨船操縱性的研究，就需要充分考慮外界環境對船舶操縱性的影響，在探索風對船舶運動的影響的基礎上，馬向能、夏尚鈺、S.Inoue 和 Y.Ishibashi、芳村康男、A.Tanaka、Martin L.L、M.Hirano等國內外學者對船舶操縱性能展開了進一步的研究。本文是作者在參考以上諸位學者在強風下建立數學模型的基礎上對大型散貨船的操縱性進行了進一步探索。

2 船舶運動的數學模型研究

2.1 船舶操縱運動方程

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H表示流體動力；P表示螺旋槳力；R表示舵力。

2.2 流體動力和力矩的求取

當|β|≤20°時，采用貴島模型[11]

當30°＜|β|≤180°時，采用芳村模型，參見文獻[12]。當20°＜|β|≤30°時，采用上述兩模型的內插值。

2.3 螺旋槳力及力矩的求取

根據本文所研究的實際工況，建立如下螺旋槳推力和轉矩模型：

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

2.4 舵力及力矩的求取

舵力及力矩計算模型：

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；aH為操舵誘導船體橫向力的修正因子；xH為操舵誘導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的縱向坐標。

3 船舶操縱運動仿真

3.1 計算機實現

在計算機仿真實現過程中，搭建船舶運動仿真預報的平臺要在非線性MMG模型變形式的基礎之上。四階龍格-庫塔法中在SIMULINK模塊中已有相應的集成模塊，就不再需要重新列式計算。仿真計算船舶的操縱性試驗，運用MATLAB 2011b語言來編寫計算機仿真程序，以此驗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 仿真實例

本文以一艘38萬噸的超大型礦砂船VALE CHINA為例，通過實船旋回數據和仿真數據對比，驗證模型的可靠性。船舶的主要參數如下：

表3.1 “VALE CHINA”輪船舶的主要尺度

在主機轉速均0.6r/s，吃水均為11.45m，風速為 5.11m/s，風向為50.0°的工況下操左（右滿舵），實船旋回軌跡和仿真旋回軌跡如圖3.2所示。

圖3.2 a 實船旋回軌跡

圖3.2 b 仿真旋回軌跡

通過對實船旋回軌跡和仿真旋回軌跡的比對，VALE BRASIL 輪數學模型的仿真旋回軌跡與實船在試航實驗中的旋回軌跡差別很小，誤差范圍均在±20%以內，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變化和水動力的變化，在船舶旋回運動過程中，會產生船舶速度降低的現象，稱為旋回降速。本文對VALE CHINA輪在壓載狀態下滿舵全速旋回時的降速進行了仿真研究。在航向角轉過90°、180°、270°、360°時的船舶降速如3.3所示。

圖3.3 旋回運動速度變化曲線

4 結論

通過研究分析可知：（1）超大型散貨船在定常旋回時的船速約為初始船速的1/5，這主要是因為船舶在旋回運動過程中橫向速度和角速度的存在使船舶處于斜航和旋轉狀態，船舶阻力比直航時大為增加，可見大型散貨船的旋回降速較大。（2）通過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，船舶的旋回方向對旋回降速的影響不大。（3）綜合分析，超大型散貨船的回轉性能較好，但是船舶在旋回時由于斜航阻力較大，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.船舶結構與設備.大連：大連海事大學出版社，2008.8.

[3]馬向能，沈定安，何春榮.大型集裝箱船受風工況下操縱性計算預報.船舶力學，2001

[4]夏尚鈺，竺瑞庭.均勻風作用下的船舶操縱性研究.艦船科學技術.北京.1984.

[5]芳村康男.淺水域の操縱運動數學モデルの檢討(第2報)[J].關西造船協會志，1988，210:77-84.