拖航系统操纵性研究

作     者：梁康乐 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄国樑

授予年度：2007年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：船舶操纵性 拖航系统 航向稳定性 操纵运动仿真 浅水效应 PD控制 

摘      要：操纵性是船舶航行的重要性能之一,船舶操纵性能的好坏对航运安全有非常大的影响。随着航运业的发展,世界各国船舶检验机构及国际组织不断加强对船舶操纵性的要求。相应的,对于船舶操纵性的研究也越来越受到各方面的重视。 以往对于船舶操纵性的研究多集中于对于单船的研究,而对拖航系统的研究则相对较少。随着全球经济及航运业的发展,包括港内助拖、海上救助以及海洋工程物远洋拖带在内的海上拖航作业不断增加。与此同时,以往的海上拖航作业中,经常会发生拖缆受力过大发生断裂,施放长度不合理引发拖缆拖底,被拖船在拖航中产生较大偏荡等严重影响航行安全的事故,以往的拖航作业也大多以依靠经验进行操作为主,缺乏系统的理论指导。因此研究拖航系统的操纵性问题对于保证海上拖航作业的安全有着重要的意义。 本文首先在MMG分离式船舶运动数学模型的基础上,建立了拖航系统的操纵运动坐标系,并根据该坐标系中各参量的几何关系以及单船的操纵运动方程,构建了完整的由拖船-拖缆-被拖船组成的拖航系统的操纵运动方程。选用悬链线模型,作为计算拖缆张力的公式。在上述拖航系统操纵运动方程的基础上,编制计算机程序,使用龙格—库塔法求解各相关运动参数量的数值解,实现了拖航系统在时域内的操纵运动仿真。 随后,建立了拖航系统的线性扰动运动方程组,通过数值计算,求出扰动运动微分方程组系数矩阵的所有特征值。根据系统稳定性理论的相关知识,通过判断这些特征值的正负符号,可以确定拖航系统在某一初始状态下的航向稳定性情况,并绘制出拖航系统的航向稳定性区域图。 使用以上两种方式,本文对以下影响拖航系统操纵性的因素进行了研究和分析,这些因素包括:拖缆长度、拖航速度、被拖船的拖带点位置、被拖船大小、浅水效应以及PD自动操舵控制参数。经过研究发现,拖航系统操纵运动仿真与航向稳定性分析两种方法可以得到比较一致的