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)濟的發(fā)展和技術(shù)的進步,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港口規(guī)則的要求,大型船舶進出港都需要拖輪的協(xié)助。并且在某些水域拖輪可能會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。隨著航運業(yè)的發(fā)展,拖輪在主要港口的使用越來越頻繁。盡管實踐年份很長、數(shù)學模型仿真和理論有相應的發(fā)展,但拖輪的操縱仍然是主要的實際問題。

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程中,本文在閱讀和總結(jié)國內(nèi)外大量資料的基礎上,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)助船舶靠離港的運動方程。考慮船舶常速域和低速域狀態(tài)下的運動數(shù)學模型,為保證船舶運動的連續(xù)性,采用了將兩種數(shù)學模型相結(jié)合的方法,即在常速域(漂角小于20°)下采用貴島勝郎的計算模型,在低速域(漂角大于30°)下采用芳村康男的計算模型,漂角在兩者之間則采用兩種模型內(nèi)插的結(jié)果。
　　

3、 為了準確建立能夠在船舶數(shù)學模型中運用的拖輪操縱模型,我們考慮了船舶在低速、淺水、大漂角、以及船舶運動連續(xù)性的特點。并且,我們綜合船舶和拖輪的數(shù)學模型建立了低速域、大小漂角情況下的數(shù)學模型,并對數(shù)學模型進行了一定的簡化處理。
　　 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、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用價值。
　　 當前,很多學者開始投入對拖輪協(xié)助操船這一問題進行研究,主要是采用將具體的工程實際問題建立的數(shù)學模型與約束船模進行試驗相結(jié)合的方法。在研究內(nèi)容上,主要包括以下幾個方面:
　　 1,拖輪協(xié)助操船的運動數(shù)學模型的研究目前,許多學者主要是針對實際工程問題建立相應的數(shù)學模型。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、流體動力、大船與拖輪之間

5、的相互干涉作用力在內(nèi)的數(shù)學模型。楊鹽生和方祥麟建立了港內(nèi)拖輪協(xié)助操船的運動數(shù)學模型,給出了拖輪流體動力和拖輪Z型導管槳四象限推力系數(shù)的實用估算法,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題的實質(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、被拖船和拖纜三個子系統(tǒng),對于拖航的研究主要是對被拖船的航向穩(wěn)定性的研究。Charters等人采用經(jīng)典的線性時不變拖航理論,分析了淺水對被拖船航向穩(wěn)定性的影響,得

6、出了拖航航向穩(wěn)定性參數(shù)。貴島勝朗等人通過研究水深、拖纜長度和流對拖航系統(tǒng)航向穩(wěn)定性的影響,指出水深對穩(wěn)定性的影響要大于拖纜長度,逆流對拖航系統(tǒng)會產(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,考慮了拖纜長度和拖航點對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。Varyani以拖帶兩艘破損船舶的工況為模型,指出了風對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大。S.wallace Slough對拖輪協(xié)助船舶操縱進行了大量的實船試驗并得出拖輪在各種不同工況下的研究結(jié)果。李強通過建

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

8、,對低速域拖輪助操工況下的船、槳和舵的干涉影響進行了研究。小林弘明和阪口泰弘就拖輪協(xié)助大船旋回所用時間和水域面積以及拖輪使用標準等不同的角度對這一領(lǐng)域作了深入全面的探討。王哲對港內(nèi)拖輪協(xié)助操船在各種工況下極限航速進行了研究,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動仿真結(jié)果,但是沒有考慮拖輪以不同角度的頂推、不同拖輪組合

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