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全回转式拖轮非线性建模与仿真

李同山  
【摘要】: 为了使全回转式拖轮上的操船者能够准确掌握拖轮的操纵运动特性,减少乃至避免在港口作业中事故的发生,对全回转式拖轮本身的运动特性进行研究显得尤为重要,其实际意义亦十分明显。故本文在总结前人在船舶运动数学模型的研究成果的基础上,对适用于全回转式拖轮的运动数学模型进行了研究,并做出了如下工作: 首先,考虑到全回转式拖轮在实际运动中横摇运动对其安全的影响,本文提出了包括横摇运动和平面运动的四自由度运动数学模型。同时考虑到拖轮在实际操纵中必将跨越低速大漂角,在对前人提出的常速域数学模型和低速、大漂角数学模型研究的基础上,并考虑到拖轮运动的连续性,本文采用了将两种数学模型相结合的方法建立了既能体现全回转式拖轮在常速域的运动特性,又能体现其在低速、大漂角情况下的运动特性的船舶运动数学模型。即在建立运动数模时,小漂角(小于20度)采用贵岛模型,大漂角(大于30度)采用芳村模型,漂角在两者之间时采用两个模型的内插。 然后,为了满足全回转式拖轮多工况动态仿真的需要,本文对配备于全回转式拖轮上的导管螺旋桨进行了研究,给出适用于计算机仿真的导管螺旋桨的推力和转矩计算方法。并用Visual Basic语言编辑了计算程序,能使计算机直接根据输入的导管螺旋桨参数计算出导管螺旋桨的特性曲线并用于船舶操纵运动仿真预报。 最后,为验证本文所提出的模型的正确性与可行性,本文利用Visual Basic语言开发了全回转式拖轮的操纵运动仿真平台,并对全回转式拖轮的两种典型运动(旋回运动和横移运动)进行了仿真。通过与“津港3”轮实船测试的数据的比较,发现吻合度很好,其误差满足工程应用,该结果验证了本文提出的数学模型正确有效,可用于全回转式拖轮运动性能参数的计算与预报。


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