大型船舶出坞数值仿真研究与试验

【摘要】： 船舶进出坞是船坞修造船过程中必不可少的工艺环节，目前国内外对待船舶进出坞问题仍然采用传统的经验方法，通过对船舶出坞时环境载荷估算，来确定船舶进出坞方法和船舶出坞时拖轮的使用和配备。本文从探索船舶出坞过程中的各种环境条件出发，利用正交设计理论制定了一套船舶出坞过程的环境载荷计算模型和环境载荷试验测试方法，分析了在不同的出坞环境条件中，作用于船舶的环境载荷对船舶出坞的影响程度，利用目前的优化技术和模糊评价方法，率先研究和探讨了船舶出坞过程中，拖轮配置机理、拖轮配置数量和方法，以及船舶出坞过程的运动仿真预报，还讨论了挡水板对船舶出坞影响这一特殊问题。这些研究减少了船舶出坞过程中的盲目性，为船舶出坞提供了一定的理论基础和实践指导。 一、论文对大型船舶出坞过程仿真预报数学模型进行了系统的研究与实践，对涉及船舶出坞过程中船舶水动力、船舶受到的风、浪、流各种环境力、浅水效应和壁岸效应等各种力都进行了深入的分析，采用了OCIMF介绍的数学模型，求解环境载荷。 二、利用正交设计方法，制定了船舶出坞过程环境载荷测量方案，完成了船舶在出坞过程中从90°到0°过程中在不同风、浪、流组合下的环境外力测试和分析处理，利用级差分析方法，重点分析了风、浪、流以及方向对船舶出坞的影响程度大小，并把试验结果和OCIMF方法计算结果作了比较分析，验证了OCIMF方法计算结果的可靠性。 三、制定了不同数量拖轮协助船舶出坞时的基本布置形式，给出了不同拖轮协助船舶出坞时的拖轮布置示意图，并试验分析了船舶出坞回转力矩与回转时间和拖轮拖力之间关系，并确定了用于船舶出坞回转的拖轮拖力的余度大小。 四、利用遗传算法，重点对船舶出坞拖轮的配置优化问题进行了研究和实践。遗传算法对船舶出坞拖轮的配置与使用优化计算结果稳定、可靠，并采用了多目标优化遗传算法对船舶出坞拖轮配置和使用均匀化问题进行研究，从而可以保证船舶出坞过程的安全，最后针对实际工程应用中，已知租借的拖轮的数量和功率情况，采用多目标遗传算法，反向求解这些拖轮是否能满足船舶出坞的安全要求，应该如何配置这些拖轮，使用这些拖轮出坞的安全余度有多大。 五、结合17.5万吨好望角型散货船及30万吨油轮等有代表性的船型，对船舶出坞过程仿真预报进行了广泛而有重点的研究和实践。在建立船舶出坞过程的数学模型和求解微分方程的数值解法，以及船舶出坞时拖轮力的计 武汉理工大学博士学位论文 算模型和求解方法等基础上，建立了船舶出坞过程的仿真预报系统，并分别 对有代表性的三种船舶进行了仿真预报。该研究结果已在上海外高桥造船有 限公司17.5万吨散货船和“番禺号”FPSO出坞中得到应用。 六、结合外高桥造船有限公司船坞情况开展了增加挡水板以后船舶流载 荷变化试验分析和研究。 总之，通过分析船舶出坞的各种载荷和计算方法，建立船舶出坞过程仿 真模型，对船舶出坞过程进行仿真预报，对船舶出坞拖轮进行配置优化，解 决了船舶出坞环境力、拖轮拖力等计算，解决了船舶出坞的拖轮配置、需要 水域大小和船舶出坞安全等问题。本文主要贡献在于提出了船舶出坞过程运 动模型和仿真预报方法、拖轮配置方案和优化方法，以及船舶出坞环境载荷 测量试验和船舶出坞回转性、挡水板等试验，这些研究结果对船厂大型船舶 进出坞具有重要的理论意义和实践上的指导意义。