波浪中船舶操縱橫搖預報及舵效影響分析

趙磊

摘 要：隨著我國社會主義現代化建設的不斷發展，我國的海洋船舶運輸技術得到了前所未有的發展。波浪中船舶操縱橫搖預報直接影響著船舶運輸的有效開展。該研究將在經典MMG模型的基礎上，建立集操縱性、橫搖四自由度耦合模型，并在該模型疊加波浪力方式下，對S175自航船模進行操作性、橫搖預報，對自航模試驗做出驗證，模擬了波浪中船舶不同舵速、浪向角下的運動狀態，探究了波浪中船舶操縱橫搖預報及舵效影響，為相關行業提供一個參考與借鑒。

關鍵詞：波浪中操縱性 橫搖預報 舵效 自航模試驗

中圖分類號：U661.33 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（c）-0168-02

作為海域船舶操縱過程中極為重要的組成部分，波浪中船舶操作性的預報及評估直接影響實海域船舶的操作性能，該評估結果能夠在一定程度上提升設計的科學性與有效性，成為國內外科學界的研究重點。對波浪中船舶操縱橫搖預報及舵效影響分析有著重要的實踐意義與應用價值。

1 坐標系統

在對船舶海洋運行進行研究的過程中，一般需參照地球坐標系與船體坐標系兩種，這兩個坐標系處于同一水平面，且與海平面呈現齊平狀態。將船舶的運動速度設為U 0，其前進速度與相應的位置在船體坐標體系中為，其中u為船舶船體坐標系下的縱向速度；v 為橫向速度；r為的是艏搖角速度；p為橫搖角速度，通過上述能夠得出艏搖角以及橫搖角[1]。在地球坐標系中，船舶速度、位置可以在歐拉角的作用下實現矩陣轉化，得到相應的V E、E以及E 4×4的值。

2 數學模型

2.1 操縱運動模型

在MMG分離式模型下，可建立橫蕩、縱蕩以及艏搖、橫搖的自由度耦合模型。其中設船舶質量為m，船舶的慣性矩為I，附加質量與慣性矩則為m x、m y以及J，船體坐標系重心坐標為（xG，yG，zG），船體力、舵力以及波浪力分別用H，R，W表示。

2.2 船體力

流體力在船體上的作用主要表示為：

由上述可計算出船舶在前進狀態下，靜水所受的阻力：，復原力臂則為，初穩性高采用表示，橫搖阻尼力矩系數用N 表示，通過試驗對各項值進行確定。

2.3 螺旋槳力

一般情況下，與船體力相比，螺旋槳所產生的橫向力與船舶轉艏力矩相對較小，需要對舵力以及舵力矩進行有效修正，進而得出其產生的縱向推力，其表達式為：Xp=（1-t）T （u）=（1-t）

，其中流體密度采用p 表示，推力減額用t表示，由上述可得出推力系數的計算公式，進速系數用Jp表示，通過螺旋槳敞水試驗可以得出J0、J1，J2的值。

2.4 舵力

在進行船舵操作時，其流體力可以采用以下計算公式表示：。

其中艏搖力矩用NR表示，橫傾矩用KR表示，操舵角則為，舵在船體坐標的縱向位置采用xR表示，一般情況下船體與舵的干擾tR值為0.29，船的方形系數Cb與aH有著極為密切的聯系，。舵正壓力計算公式為[3]。舵面積、舵升力系數分別用AR、fa表示，且。展弦比、舵的來流速度分別用λR、UR表示，且舵來流的有效沖角采用aR表示，其計算公式為， 舵來流的速度分量分別用uR、vR表示。

2.5 波浪力

該研究采用了三維面原法HydroStar軟件對船體在不同航速、波頻以及二階漂移力等進行計算，在頻時域的轉換作用下對時域操作方程進行計算。通常一階力主要是對船體搖蕩運動的引發，二階力則主要對船舶航向、航跡進行改變，因此，在進行時域方程橫蕩、縱蕩等計算時，僅用考慮二階力的作用，橫搖方程只需分析一階力作用，然后對波浪力進行航行速度下的二維插值。

3 模型檢驗

該研究中采用的是S175自航船模，其尺度比為57.546，其各項相關數據見表1。研究對擬合漿推力以及進速系數曲線進行分析，可以得出J0、J1、J2的值分別為0.493 5、-0.410 3、-0.075 4。另外該研究還對該模型進行了仿真驗證。主要包括以下幾個方面。

3.1 操作性模塊

研究對靜水中回轉軌跡與Z形時歷進行比較，左舵角度為35°，當舵速保持在13°/s時，靜水不會出現無因次回轉軌跡，計算所得的轉艏值明顯滯后于試驗值。20°/20°Z形的舵角以及艏向角時歷仿真結果與試驗結果呈現出良好的吻合性，反映出操作性模塊具有一定的準確性[4]。

3.2 橫搖模塊

經過試驗研究，可以發現自由橫搖衰減仿真研究結果與試驗結果有著良好的一致性。

3.3 波浪力模塊

研究對波浪中回轉軌跡與艏向角時歷進行比較。構建了左舵35°、速度為13°/s的無因次回轉軌跡以及艏向角時歷。該模型能夠在一定程度上模擬出波浪中的操作情況，仿真結果與試驗結果相比，盡管會伴隨時間的增加出現偏離，然而基本處于一致。

4 舵效影響分析

4.1 舵速對舵效的影響

研究對不同轉舵速度下（5°/s、13°/s以及30°/s）靜水右舵35°無因次回轉軌跡試驗，可以發現，船舶的轉舵速度越高，將會越快進入回轉，降低轉艏時間。

4.2 浪向對舵效的影響

在兩種不同的波浪工況條件下，可以發現在同一波浪工況下，Z 形試驗操舵角基本相似，且迎浪船舶轉艏速度最快。

5 結語

該研究對船舶波浪中的操縱與橫搖運動進行了仿真，并建立了相應的耦合模型，可以發現該模型能夠準確反映出預報船舶回轉與橫搖的特性，操舵速度與浪向對舵效均有不同程度的影響，且船舶在波浪中的回轉中產生漂移很大程度上是由于二階漂移力。

參考文獻

[1] 朱冬健，馬寧，顧解忡，等.波浪中船舶操縱性數值預報及自航模驗證[J].中國艦船研究，2015，10（1）：76-82.

[2] 朱冬健，馬寧，顧解忡，等.舵速對船舶波浪中回轉及橫搖的影響[J].艦船科學技術，2015，31（4）：34-40.