內(nèi)河貨船操縱運(yùn)動(dòng)建模與仿真

聞光華++余葵++趙藤

摘 要：本文選取內(nèi)河貨船為參考，根據(jù)目前對(duì)船舶操縱性研究的一些前沿研究成果，對(duì)船舶進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)分析，結(jié)合一些經(jīng)驗(yàn)公式，列出船舶操縱性運(yùn)動(dòng)方程式并建立船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，利用Visual Basic程序語(yǔ)言，采用高精度的四階龍格-庫(kù)塔-吉爾（Lunge-Kutta-Gill）算法求解操縱運(yùn)動(dòng)微分方程，編制了可用于船舶操縱運(yùn)動(dòng)仿真和操縱性預(yù)報(bào)的計(jì)算程序。運(yùn)用仿真程序?qū)Υ暗牟倏v性試驗(yàn)--Z形操縱試驗(yàn)和回轉(zhuǎn)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證性仿真計(jì)算。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河貨船；船舶操縱；受力分析和運(yùn)動(dòng)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.218

1 引言

船舶操縱性是船舶的重要性能之一，船舶操縱性與航行的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及軍艦的戰(zhàn)斗力和生命力有密切的關(guān)系。船舶一旦喪失操縱能力，航行就缺少了起碼的安全保障。國(guó)際上有很多學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，船舶滿(mǎn)足IMO現(xiàn)行的操縱性標(biāo)準(zhǔn)，并不能保證在限制水域中的安全航行；要切實(shí)提高船舶航行安全勝，更重要的是要研究船舶在限制水域中的操縱運(yùn)動(dòng)與受力特點(diǎn)，提高船舶在限制水域中的操縱性，特別是低速操縱性，并制定相應(yīng)的船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)。本文的目的即從現(xiàn)有已成熟的單槳單舵船舶靜水中的操縱性計(jì)算方法出發(fā)，分析總結(jié)前人對(duì)限制航道航行的舶操縱性和雙槳雙舵船舶操縱性的研究結(jié)果，并且加以綜合利用，對(duì)內(nèi)河雙槳雙舵貨船操縱運(yùn)動(dòng)及其水動(dòng)力進(jìn)行建模，并建立一個(gè)合理可靠的數(shù)值仿真預(yù)報(bào)程序，研究?jī)?nèi)河貨船的操縱性能。

2 內(nèi)河貨船操縱運(yùn)動(dòng)方程

2.1 坐標(biāo)系

在描述船舶運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，本文采用兩種不同的坐標(biāo)系統(tǒng)：慣性坐標(biāo)系統(tǒng)（固定坐標(biāo)系統(tǒng)）和附體坐標(biāo)系統(tǒng)（運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)），如圖1所示。

2.2 操縱運(yùn)動(dòng)的線性方程式

（1）

圖1 描述船舶運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系

3 船舶操縱性數(shù)值仿真預(yù)報(bào)

利用Visual Basic 6.0計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，對(duì)建立的船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)船舶操縱仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。仿真平臺(tái)源程序具體實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖2所示，輸入界面如圖3所示。

3.1 仿真船舶的具體參數(shù)

結(jié)合仿真程序的工程應(yīng)用，選取某內(nèi)河貨船作為輸入程序的默認(rèn)參數(shù)：船舶長(zhǎng)度46m，水線長(zhǎng)44m，排水量640t，型寬10.5m，型深3.6m，滿(mǎn)水吃水2.5m，船中橫剖面系數(shù)0.996，水線面系數(shù) 0.8799，方型系數(shù)0.620，舵面積，左舵和右舵3.7m2，舵展弦比，左舵和右舵1.03，螺旋槳直徑1.85m，螺旋槳盤(pán)面積，2.69m2，設(shè)計(jì)航速，18km/h，設(shè)計(jì)航速下的推力，17t.

3.2 船舶操縱運(yùn)動(dòng)仿真

回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

靜水回轉(zhuǎn)試驗(yàn)：在靜水條件下，船舶初始航速為18m/s，艏向角為0°進(jìn)行5°、15°、30°舵角右旋回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真，仿真結(jié)果如下：

5°舵角回轉(zhuǎn)試驗(yàn)航跡線 15°舵角回轉(zhuǎn)試驗(yàn)航跡線30°舵角回轉(zhuǎn)試驗(yàn)航跡線

4 結(jié)論

通航密度的提高，船舶的大型化、專(zhuān)用化，使得船舶操縱性問(wèn)題日益突出，同時(shí)也使得人們對(duì)船舶操縱性問(wèn)題更加重視。對(duì)船舶操縱性問(wèn)題仿真的研究，將有助于人們?cè)诖霸O(shè)計(jì)階段更好地進(jìn)行船舶操縱設(shè)計(jì)，在船舶營(yíng)運(yùn)階段更好地操縱船舶，防止船舶事故的發(fā)生，有助于熱門(mén)更好地進(jìn)行港航設(shè)計(jì)和科學(xué)管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.