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冰区破冰领航船队运动建模及仿真
| 论文题名： | 冰区破冰领航船队运动建模及仿真 |
| 关键词： | 船舶运动数学模型;冰区航行;二维数值模拟;跟驰模型 |
| 摘要： | 随着全球气候的变暖，北极航道季节性通航时间逐渐延长，船舶在极地海域航行问题引起世界关注。为保证船舶在冰区的安全航行，有必要研究船舶航行的整个过程，冰级不足的船舶无法独立航行时，就需要破冰船来开辟航道进行护航。本文对上述过程进行研究，冰区船舶与层冰和碎冰的相互作用是本文的研究重点。 针对冰区领航系统操纵运动，基于MMG分离建模思想进行受力分析，计算作用于船体上的外力（包括：裸船体、螺旋桨、舵、风、浪、流、层冰、碎冰影响所产生的力或力矩），建立船舶四自由度运动数学模型（忽略纵摇和垂荡运动）。 对于冰区领航船队的破冰模拟，首先，针对破冰船直航连续破冰过程采用射线求交方法建立了一种预测船舶在层冰中破冰性能的数值模拟方法，基于冰的弯曲破坏准则和冰阻力的经验估计，将三维问题平面化处理，进一步模拟船舶与层冰间的相互作用。在不断迭代的“接触-挤压-破坏”的过程中，得到船舶航行时的破冰阻力。二维数值仿真计算结果与经验公式结果相比，数量级均在同一数量级，且模拟所得破碎后层冰的边界与实际破冰船在层冰区航行后的航道边界吻合，说明所建立的层冰二维数值模拟计算程序具有一定的可行性。 针对跟随船采用CFD-DEM方法，计算其在碎冰区受到的碎冰阻力；根据德国汉堡水池试验设置了对照试验来验证CFD-DEM方法的可行性，结果表明，CFD-DEM仿真结果与实船试验结果误差在可接受的范围之内，并且试验现象与实际情况吻合，CFD-DEM方法具有一定的可行性。通过设置不同速度、不同碎冰尺寸、不同碎冰密集度的工况，随着单一变量的改变，观察碎冰阻力的变化趋势，并进行了碎冰阻力的多元回归。 考虑到冰区环境影响，基于道路跟驰系统理论，改进了其他学者对冰区船舶跟驰模型的研究成果。通过建立船舶运动数学模型，实时解算船舶的运动状态，分析航行过程中各船舶的速度及加速度变化，结合冰区环境干扰力对船速的影响，提出基于“船头距”的安全距离模型以及安全速度模型；并给出两船在冰区航行时的安全距离参考范围。 根据所建立的船舶四自由度运动数学模型，以及计算得到的冰阻力，搭建冰区环境下领航船队运动仿真测试平台，采用四阶龙格库塔方法解算船舶运动微分方程，预报船舶运动状态，并对所建立的船舶运动数学模型进行了验证，误差在可接受的范围内，表明本文所提出建模方法的正确性和合理性。该仿真测试平台可以实现多船同时操纵和交互，为冰区船舶以及领航船队的安全航行提供决策支持和风险提示，对冰区船舶模拟器领航船队运动数学模型的开发具有一定的应用价值。 |
| 作者： | 刘兆春 |
| 专业： | 交通运输工程 |
| 导师： | 张秀凤 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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