努瓦克肖特港拖船協(xié)助船舶操縱技術(shù).pdf

1、隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,船舶趨向大型化、高速化,并且船舶數(shù)量猛增。港口發(fā)展的局限造成了港內(nèi)運(yùn)輸流的繁忙,從而增加了碰撞的可能性。出于安全的角度和相應(yīng)港口規(guī)則的要求,大型船舶進(jìn)出港都需要拖輪的協(xié)助。并且在某些水域拖輪可能會(huì)用于確保操縱能力受到限制船舶的安全、或惡劣海況條件下協(xié)助船舶擺脫困境。隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展,拖輪在主要港口的使用越來(lái)越頻繁。盡管實(shí)踐年份很長(zhǎng)、數(shù)學(xué)模型仿真和理論有相應(yīng)的發(fā)展,但拖輪的操縱仍然是主要的實(shí)際問(wèn)題。

2、　　 拖輪協(xié)助船舶操縱通常是發(fā)生在船舶靠泊或離泊過(guò)程中,本文在閱讀和總結(jié)國(guó)內(nèi)外大量資料的基礎(chǔ)上,吸取了日本MMG建模思想,建立了一組較為精確、完整的拖輪協(xié)助船舶靠離港的運(yùn)動(dòng)方程?？紤]船舶常速域和低速域狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,為保證船舶運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性,采用了將兩種數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法,即在常速域(漂角小于20°)下采用貴島勝郎的計(jì)算模型,在低速域(漂角大于30°)下采用芳村康男的計(jì)算模型,漂角在兩者之間則采用兩種模型內(nèi)插的結(jié)果。
　　

3、 為了準(zhǔn)確建立能夠在船舶數(shù)學(xué)模型中運(yùn)用的拖輪操縱模型,我們考慮了船舶在低速、淺水、大漂角、以及船舶運(yùn)動(dòng)連續(xù)性的特點(diǎn)。并且,我們綜合船舶和拖輪的數(shù)學(xué)模型建立了低速域、大小漂角情況下的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理。
　　 船舶、拖輪的操縱參照了努瓦克肖特港口或附近水域的實(shí)際情況。為了方便文章的定性分析,分別考慮了船舶與拖輪的相互作用、從而得到了所需方程。本文運(yùn)用MATLAB仿真了船舶在不同在裝載狀態(tài)、不同航速、不同拖

4、輪帶纜點(diǎn)、不同天氣海況下的情況。仿真結(jié)果和分析肯定了本文的實(shí)用價(jià)值。
　　 當(dāng)前,很多學(xué)者開(kāi)始投入對(duì)拖輪協(xié)助操船這一問(wèn)題進(jìn)行研究,主要是采用將具體的工程實(shí)際問(wèn)題建立的數(shù)學(xué)模型與約束船模進(jìn)行試驗(yàn)相結(jié)合的方法。在研究?jī)?nèi)容上,主要包括以下幾個(gè)方面:
　　 1,拖輪協(xié)助操船的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的研究目前,許多學(xué)者主要是針對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。小瀨邦治等人以全回轉(zhuǎn)雙Z型拖輪為例,建立了包括拖輪槳推力、流體動(dòng)力、大船與拖輪之間

5、的相互干涉作用力在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型。楊鹽生和方祥麟建立了港內(nèi)拖輪協(xié)助操船的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,給出了拖輪流體動(dòng)力和拖輪Z型導(dǎo)管槳四象限推力系數(shù)的實(shí)用估算法,這種不再將拖輪力作為常力的處理方法能更為精確的反映拖輪助操問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。
　　 2,拖航系統(tǒng)的航向穩(wěn)定性的研究拖航系統(tǒng)包括拖輪、被拖船和拖纜三個(gè)子系統(tǒng),對(duì)于拖航的研究主要是對(duì)被拖船的航向穩(wěn)定性的研究。Charters等人采用經(jīng)典的線性時(shí)不變拖航理論,分析了淺水對(duì)被拖船航向穩(wěn)定性的影響,得

6、出了拖航航向穩(wěn)定性參數(shù)。貴島勝朗等人通過(guò)研究水深、拖纜長(zhǎng)度和流對(duì)拖航系統(tǒng)航向穩(wěn)定性的影響,指出水深對(duì)穩(wěn)定性的影響要大于拖纜長(zhǎng)度,逆流對(duì)拖航系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的偏蕩作用。貴島和古川研究了在受限水域中的拖帶方法,考慮了拖纜長(zhǎng)度和拖航點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。Varyani以拖帶兩艘破損船舶的工況為模型,指出了風(fēng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大。S.wallace Slough對(duì)拖輪協(xié)助船舶操縱進(jìn)行了大量的實(shí)船試驗(yàn)并得出拖輪在各種不同工況下的研究結(jié)果。李強(qiáng)通過(guò)建

7、立大船與拖輪兩套船舶模型,研究了風(fēng)、流等外力對(duì)拖航系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況產(chǎn)生的影響,并指出風(fēng)會(huì)對(duì)拖航系統(tǒng)產(chǎn)生一定的偏航角,且隨著受風(fēng)面積的增大而增大。頂流時(shí)會(huì)加劇偏蕩的幅度；順流會(huì)減緩偏蕩的幅度。
　　 3,港內(nèi)拖輪協(xié)助船舶操縱的研究20世紀(jì)80年代后期,日本很多學(xué)者采用MMG模型圍繞港內(nèi)拖輪協(xié)船舶操縱進(jìn)行了研究。小瀨邦治等人建立了一套拖輪協(xié)助操縱能力的評(píng)估方法,重點(diǎn)研究了大船在航時(shí)拖輪的協(xié)助操縱性能。小林弘明等人采用約束船模試驗(yàn)的方法

8、,對(duì)低速域拖輪助操工況下的船、槳和舵的干涉影響進(jìn)行了研究。小林弘明和阪口泰弘就拖輪協(xié)助大船旋回所用時(shí)間和水域面積以及拖輪使用標(biāo)準(zhǔn)等不同的角度對(duì)這一領(lǐng)域作了深入全面的探討。王哲對(duì)港內(nèi)拖輪協(xié)助操船在各種工況下極限航速進(jìn)行了研究,得出了拖輪不同工況下的極限航速。張鵬采用變化的拖輪力就拖輪協(xié)助船舶在各種工況下進(jìn)行了研究,得出了船舶在不同載況、不同速度以及拖輪協(xié)助船舶作原地旋回等工況下的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果,但是沒(méi)有考慮拖輪以不同角度的頂推、不同拖輪組合

9、頂推等問(wèn)題。對(duì)于港內(nèi)拖輪助操問(wèn)題上,拖輪在風(fēng)流中協(xié)助船舶掉頭研究的較少,本文將重點(diǎn)研究拖輪在風(fēng)流中協(xié)助船舶操縱的仿真。
　　 為了使本文建立的數(shù)學(xué)模型能夠滿足工程上的要求,更好地跟實(shí)際情況相結(jié)合,便于應(yīng)用分析,文中考慮了風(fēng)、流等外界環(huán)境因素對(duì)拖輪與船舶之間作用力的影響。采用四階龍格一庫(kù)塔法對(duì)操縱運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解算,并采用MATLAB數(shù)學(xué)工具語(yǔ)言中的Simulink工具箱對(duì)拖輪協(xié)助船舶在各種情況下的掉頭運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真,包括