內河貨船操縱運動建模與仿真

聞光華++余葵++趙藤

摘 要：本文選取內河貨船為參考，根據目前對船舶操縱性研究的一些前沿研究成果，對船舶進行受力分析和運動分析，結合一些經驗公式，列出船舶操縱性運動方程式并建立船舶操縱運動數學模型，利用Visual Basic程序語言，采用高精度的四階龍格-庫塔-吉爾（Lunge-Kutta-Gill）算法求解操縱運動微分方程，編制了可用于船舶操縱運動仿真和操縱性預報的計算程序。運用仿真程序對船舶的操縱性試驗--Z形操縱試驗和回轉試驗進行驗證性仿真計算。

關鍵詞：內河貨船；船舶操縱；受力分析和運動分析

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、經濟性以及軍艦的戰斗力和生命力有密切的關系。船舶一旦喪失操縱能力，航行就缺少了起碼的安全保障。國際上有很多學者已經認識到，船舶滿足IMO現行的操縱性標準，并不能保證在限制水域中的安全航行；要切實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動與受力特點，提高船舶在限制水域中的操縱性，特別是低速操縱性，并制定相應的船舶操縱性標準。本文的目的即從現有已成熟的單槳單舵船舶靜水中的操縱性計算方法出發，分析總結前人對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果，并且加以綜合利用，對內河雙槳雙舵貨船操縱運動及其水動力進行建模，并建立一個合理可靠的數值仿真預報程序，研究內河貨船的操縱性能。

2 內河貨船操縱運動方程

2.1 坐標系

在描述船舶運動方程時，本文采用兩種不同的坐標系統：慣性坐標系統（固定坐標系統）和附體坐標系統（運動坐標系統），如圖1所示。

2.2 操縱運動的線性方程式

（1）

圖1 描述船舶運動的坐標系

3 船舶操縱性數值仿真預報

利用Visual Basic 6.0計算機語言，對建立的船舶操縱運動數學模型進行編程，實現船舶操縱仿真平臺的開發。仿真平臺源程序具體實現的流程圖如圖2所示，輸入界面如圖3所示。

3.1 仿真船舶的具體參數

結合仿真程序的工程應用，選取某內河貨船作為輸入程序的默認參數：船舶長度46m，水線長44m，排水量640t，型寬10.5m，型深3.6m，滿水吃水2.5m，船中橫剖面系數0.996，水線面系數 0.8799，方型系數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，螺旋槳盤面積，2.69m2，設計航速，18km/h，設計航速下的推力，17t.

3.2 船舶操縱運動仿真

回轉試驗。

靜水回轉試驗：在靜水條件下，船舶初始航速為18m/s，艏向角為0°進行5°、15°、30°舵角右旋回轉試驗仿真，仿真結果如下：

5°舵角回轉試驗航跡線 15°舵角回轉試驗航跡線30°舵角回轉試驗航跡線

4 結論

通航密度的提高，船舶的大型化、專用化，使得船舶操縱性問題日益突出，同時也使得人們對船舶操縱性問題更加重視。對船舶操縱性問題仿真的研究，將有助于人們在船舶設計階段更好地進行船舶操縱設計，在船舶營運階段更好地操縱船舶，防止船舶事故的發生，有助于熱門更好地進行港航設計和科學管理。

參考文獻：

[1]盛振邦，劉應中.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2011.