风中单锚泊船偏荡运动及走锚过程的仿真研究

论文摘要

众所周知,大风浪中锚泊船偏荡运动是造成船舶走锚的主要原因,其后果可能造成碰撞、搁浅等海难事故。锚泊船仅处于均匀流场且流速较小时偏荡运动比较微弱,只处于涌浪或波浪中时偏荡运动非常微弱,因此强风是产生锚泊船偏荡运动的主要原因,故而研究强风中锚泊船偏荡运动规律显得尤为重要。自20世纪60年代以来,国内外众多学者从不同角度和深度对锚泊船的偏荡运动进行过理论研究和实验分析,为后人的研究奠定了良好的基础。尽管如此,近年来锚泊偏荡引起的海难事故还时有发生,因此在前人的基础之上进一步研究强风中锚泊船的偏荡运动规律以及锚泊船走锚后的运动规律,可为驾驶人员安全锚泊提供参考依据,具有重要的现实意义和实践意义。本文采用MMG建模的思想,对大家通常采用的几种低速域、大漂角水动力模型的仿真结果进行分析比较后,最终确定以芳村的低速域、大漂角水动力模型为基础,并加入浅水修正之后建立相对可行的单锚泊船偏荡运动的数学模型。本文利用MATLAB语言开发了锚泊偏荡运动与走锚过程仿真平台,并采用四阶龙格—库塔法对操纵运动方程进行解算,对锚泊船的偏荡运动进行了模拟仿真。通过定性分析和定量计算,仿真结果与实验结果比较表明本文所建立的模型是合理的。对仿真结果进行分析比较,得出不同风力、不同出链长度、不同载况、不同船型和不同纵倾姿态对单锚泊船舶偏荡运动的影响。本文在锚泊船偏荡运动的基础之上,又建立了锚泊船走锚运动数学模型,研究了走锚后船舶的运动姿态。本课题的研究,对风中锚泊船偏荡运动中船舶走锚数学模型的建立进行了初步探索,为今后进行更为完善的锚泊船走锚运动过程的仿真研究提供了借鉴。本课题的研究结果可为船舶驾驶人员采取措施、保证船舶在强风中安全锚泊以及锚泊船走锚后采取相应的措施提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 课题的研究现状
• 1.2.1 船舶操纵运动数学模型的研究现状
• 1.2.2 锚泊船偏荡问题的研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 锚泊的基本理论及锚泊船偏荡产生的机理
• 2.1 锚泊位置的选择
• 2.1.1 锚地水深
• 2.1.2 回旋余地
• 2.1.3 避风条件
• 2.2 单锚泊安全出链长度
• 2.2.1 锚的系留力
• 2.2.2 悬链长度
• 2.2.3 安全出链长度
• 2.3 锚泊船的偏荡运动
• 2.4 锚泊船偏荡运动中锚和锚链的受力情况
• 第3章 作用于船体上力模型的建立
• 3.1 船舶操纵运动方程
• 3.1.1 坐标系的建立
• 3.1.2 船舶平面运动方程
• 3.1.3 锚泊船舶偏荡运动方程
• 3.1.4 运动参量的无量纲化
• 3.2 舵的影响
• 3.3 裸船体上的流体动力和力矩的计算模型
• 3.3.1 惯性类流体动力及力矩
• 3.3.2 粘性类流体力及力矩
• 3.4 锚链力及力矩的计算模型
• 3.4.1 迭代法
• 3.4.2 优选法
• 3.4.3 庄司邦昭算法
• 3.4.4 静态悬链线法
• 3.5 风压力及力矩的计算模型
• 3.5.1 作用于船体上的平均风压力和力矩的计算
• 3.5.2 风压力系数和风压力矩系数的估算
• 第4章 锚泊船偏荡运动的仿真研究与分析
• 4.1 计算机实现
• 4.1.1 主程序流程图
• 4.1.2 MATLAB6.5仿真平台的建立
• 4.2 锚泊偏荡运动仿真计算实例
• 4.2.1 偏荡运动仿真图和偏荡中船舶重心运动轨迹
• 4.2.2 锚泊偏荡运动中各状态变量的历时曲线
• 4.3 影响锚泊偏荡的各种因素的研究
• 4.3.1 风速对锚泊偏荡运动的影响
• 4.3.2 链长对锚泊偏荡运动的影响
• 4.3.3 载况对锚泊偏荡运动的影响
• 4.3.4 纵倾姿态（吃水差或风压中心点）对锚泊偏荡的影响
• 4.4 缓解锚泊偏荡的措施
• 4.5 走锚预报
• 4.5.1 安全出链长度的确定
• 4.5.2 极限风速的确定
• 第5章 锚泊船走锚过程的仿真研究
• 5.1 影响锚泊船走锚的因素
• 5.2 锚泊船走锚后的锚链力模型
• 5.3 偏荡过程中船舶走锚后的运动过程仿真
• 5.4 预防走锚的措施
• 5.5 走锚的判断
• 5.6 走锚后的措施
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历