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风浪中船舶操纵运动建模与仿真

肖仲明  
【摘要】:本文利用1993年浜本刚实提出的水平的随体坐标系(Horizontal Body Axes System),建立六个自由度船舶操纵运动数学模型,然后,利用MATLAB编程、绘图,以及SIMULINK动态系统仿真集成软件包对船舶操纵运动进行仿真。由于时间紧迫,且本人水平有限,在对操纵运动进行仿真试验时,遇到了困难,于是仅对四个自由度运动模型进行了旋回仿真试验,试验结果比较理想,最后还对风浪中船舶旋回运动进行了安全分析。 在建立数学模型时分别研究了作用在船体、桨、舵上的力和力矩以及三者之间的相互干涉关系,充分考虑了经典的MMG三个自由度的船舶平面运动与横摇、纵摇、垂荡的耦合,并考察了风干扰力和力矩模型和波浪干扰力和力矩模型,将船舶在风浪中的操纵运动与摇荡运动结合起来。 在对操纵运动进行仿真试验时,仅对四个自由度运动模型进行了仿真。仿真结果表明该模型的精度能满足实际的要求,而在不同工况下的仿真结果进行分析,得出以下结论: 船舶在风浪中旋回操纵过程中,风和浪联合作用对旋回轨迹、横摇角,即用舵旋回掉头所需水域的大小,船舶旋回过程中最大动力横摇角的影响较大。仿真计算结果表明,风浪越大,影响越大;不同方向风、浪对于旋回运动的影响不同,随风(浪)、左横风(浪)对于船舶右旋回操纵的旋回轨迹影响最大;对于同一船舶,横稳性高度越小,最大动力横摇角约越大;船舶相对波浪的初始位置也对旋回运动产生影响,船舶初始位于波峰处的横摇角比波谷处的横摇角要大,船舶初始位于波峰处对于旋回轨迹的影响要比波谷处和两者之间的影响要小,而船舶初始位于波谷处对于旋回轨迹的影响最大。 本课题的研究结果对船舶驾驶人员在实际操船过程中具有一定参考价值,同时,也为模拟船舶在波浪中的操纵性能提供了一定的理论基础。


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