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两船干扰水动力计算及操控能力分析研究
| 论文题名： | 两船干扰水动力计算及操控能力分析研究 |
| 关键词： | 船舶操纵性;MMG模型;一阶泰勒展开边界元法;PID控制;水动力导数 |
| 摘要： | 随着国际贸易往来日益密切，贸易运输需求不断增长，船舶逐渐向大型化和高速化发展，航行密度增大。船舶进出港口、协同作业等情况增多，在这些情况下，船舶间的水动力相互干扰会对船舶的操纵运动产生影响，船舶的操纵安全重要性进一步提高。当前，针对船舶相互干扰力的研究多集中于定航向定航速状态，较少考虑船舶受干扰力影响后的运动状态。基于以上背景，本文构建可准确求解船舶相互干扰力的计算方法，并考虑干扰力对船舶操纵运动的实时影响，加入船舶桨、舵控制，及时调节船舶的运动状态，对干扰力作用下的船舶操控能力进行研究。 本文首先以分离型的MMG(ManeuveringModelingGroup)模型为基础建立了船舶操纵运动数学模型，并以KVLCC2船舶为研究对象进行验证。针对MMG模型中水动力导数和系数的CFD计算方法，利用STAR-CCM+软件进行了斜拖试验模拟，由模拟结果拟合得到位置水动力导数，并与试验值进行了对比。使用Fortran语言编写MMG模型程序，求解运动微分方程。代入不同方法得到的水动力导数和系数，对静水中的回转运动进行模拟，并比较了回转运动参数。最终选定模拟准确度较高的水动力导数和系数，用于后续的船舶操纵控制模拟。 随后计算了船舶相互干扰力，主要利用基于源偶混合分布模型的一阶泰勒展开边界元方法进行计算，这一方法可有效提高计算的准确度和效率。针对做任意平面运动的船舶，考虑船舶面元法向变化的影响，在随船系（非惯性系）下进行干扰力的求解，并与惯性系下的干扰力计算结果进行对比，验证了非惯性系下计算方法的正确性，并且探究了横距和航速对于干扰力的影响。 最后综合考虑干扰力作用下的船舶操纵控制，在MMG模型中加入相互干扰力部分，依据PID原理，对船舶的桨、舵进行控制以达到航速和航向的控制目标，对航迹的控制通过航向控制间接实现。采用KVLCC2和Aframax船舶作为模拟对象，对两船的追踪情况进行了模拟，结果显示，在目前的控制方法下，可达到控制目标。最后探究了横向调节参数以及舵速对控制的影响，并针对干扰力作用下的最小横向航行距离进行了讨论。 |
| 作者： | 沈育静 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 段文洋 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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