港内拖轮协助操船工况下本船极限航速的研究
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摘要
本文结合船舶操纵运动数学模型，就港内拖轮协助操船工况下本船的极限航速这一问题进行了深入的研究。
本文采用MMG分离建模的思想建立了一个较为精确、较为完整的适用于港内拖轮协助操船工况下的运动数学模型。分别考虑了船体、桨和舵上的力及力矩，以及三者相互之间的干涉；充分考虑了港内操纵浅水和低速两个特点；考虑了拖轮桨推力、受到的流体动力以及大船与拖轮之间的相互作用力三者之间的关系。论文对模型的算法——龙格—库塔法和梯度法作了详尽的讨论。采用C++语言和MATLAB数学软件混合编程，对船舶操纵性试验进行了仿真计算。本文对拖轮顶推大船船首一侧工况下本船的极限航速进行了定量分析。详细讨论了船舶排水量、装载状态、水深吃水比和拖轮功率与极限航速的关系，并给出极限航速估算图谱以及相应的回归公式。
通过本论题的研究，得出以下结论：
船舶排水量的增加，水深变浅，极限航速都将减小，且这种减小的趋势较为明显；增加拖轮功率，极限航速将增大，但增大的趋势并不十分明显。
本文的研究结果为引航员和船长安全地控制拖轮助操工况下本船的航速提供了参考依据，为船舶操纵安全评估提出了新的研究方向，也为船舶操纵模型器的研制与开发提供了新思路。
This thesis explores the vessel maximum velocity with tugboat assistance in harbor based on the ship maneuvering mathematical model.
According to the MMG's separated modeling theory, an integrated mathematical model is established, which can be applied to ship maneuvering with tugboat assistance in harbor. The model has taken in account the following factors: hydrodynamic forces and moments acting on the hull, propeller and rudder of the vessel, and the hydrodynamic interaction among them; the characteristics of the maneuverability in shallow water and in low speed; the variable forces and moments acting on the tugboat. The paper also elaborates on the calculating method, the Runge-Kutta method and the Grads method. By integrating C++ with MATLAB through the programming process, the research simulates the trials on the ship maneuverability.
The thesis presents a quantitative analysis of the maximum velocity with tugboat assistance at the fore part of vessel. Grounded on a comprehensive discussion of the effects of tonnage, loading condition, ratio of water depth to draft and tugboat power, the thesis puts forward the assessment curves as well as the regression formulae.
The study has obtained the following conclusion: the increase of tonnage or the decrease of water depth will lead to an obvious decrease of the maximum velocity, while the increase of the tugboat power causes an unconspicuous increase of the maximum velocity.
The research provides with the reference for the pilots and captains on safe control of the vessel maximum velocity with tugboat assistance. It brings forward a new research field in safety assessment of vessel operation, and a new idea to develop the ship-handling simulator.
本文采用MMG分离建模的思想建立了一个较为精确、较为完整的适用于港内拖轮协助操船工况下的运动数学模型。分别考虑了船体、桨和舵上的力及力矩，以及三者相互之间的干涉；充分考虑了港内操纵浅水和低速两个特点；考虑了拖轮桨推力、受到的流体动力以及大船与拖轮之间的相互作用力三者之间的关系。论文对模型的算法——龙格—库塔法和梯度法作了详尽的讨论。采用C++语言和MATLAB数学软件混合编程，对船舶操纵性试验进行了仿真计算。本文对拖轮顶推大船船首一侧工况下本船的极限航速进行了定量分析。详细讨论了船舶排水量、装载状态、水深吃水比和拖轮功率与极限航速的关系，并给出极限航速估算图谱以及相应的回归公式。
通过本论题的研究，得出以下结论：
船舶排水量的增加，水深变浅，极限航速都将减小，且这种减小的趋势较为明显；增加拖轮功率，极限航速将增大，但增大的趋势并不十分明显。
本文的研究结果为引航员和船长安全地控制拖轮助操工况下本船的航速提供了参考依据，为船舶操纵安全评估提出了新的研究方向，也为船舶操纵模型器的研制与开发提供了新思路。
This thesis explores the vessel maximum velocity with tugboat assistance in harbor based on the ship maneuvering mathematical model.
According to the MMG's separated modeling theory, an integrated mathematical model is established, which can be applied to ship maneuvering with tugboat assistance in harbor. The model has taken in account the following factors: hydrodynamic forces and moments acting on the hull, propeller and rudder of the vessel, and the hydrodynamic interaction among them; the characteristics of the maneuverability in shallow water and in low speed; the variable forces and moments acting on the tugboat. The paper also elaborates on the calculating method, the Runge-Kutta method and the Grads method. By integrating C++ with MATLAB through the programming process, the research simulates the trials on the ship maneuverability.
The thesis presents a quantitative analysis of the maximum velocity with tugboat assistance at the fore part of vessel. Grounded on a comprehensive discussion of the effects of tonnage, loading condition, ratio of water depth to draft and tugboat power, the thesis puts forward the assessment curves as well as the regression formulae.
The study has obtained the following conclusion: the increase of tonnage or the decrease of water depth will lead to an obvious decrease of the maximum velocity, while the increase of the tugboat power causes an unconspicuous increase of the maximum velocity.
The research provides with the reference for the pilots and captains on safe control of the vessel maximum velocity with tugboat assistance. It brings forward a new research field in safety assessment of vessel operation, and a new idea to develop the ship-handling simulator.
引文
[1] Abkowitz M. A., Measurement of Hydrodynamic Characteristics from Ship Manoeuvring Trails by System Identification, Trans. of SNAME, 1980, Vol.88
[2] 小川 小山 贵岛，MMG 报告—Ⅰ 操纵运动数学，日本造船学会志，1977，No．575，P192-198
[3] 浜本刚実，MMG 报告—Ⅱ 操纵性数学理论背景，日本造船学会志，1977，No．577，P322-329
[4] 葛西 汤室，MMG 报告—Ⅲ 舵作用船体·干，日本造船学会志，1977，No．578，P358-372
[5] 小濑 贵岛，MMG 报告—Ⅳ 拘束操纵性试验方法及试骏装置，日本造船学会志，1977，No．579，P404-413
[6] 小川，MMG 报告—Ⅴ 操纵运动数学实骏的检证改良，日本造船学会志，1980，No．616
[7] 藤野 葛西 小林，MSS 报告Ⅰ 低速·浅水域操纵运动数学检讨，日本造船学会志，1989，No．717，P122-129
[8] 贵岛 芳村 高品，MSS 报告Ⅱ 浅水域船操纵运动数学，日本造船学会志，1989，No．718，P207-220
[9] 浜本 野中 乌野 梅田，MSS 报告Ⅲ 低速时船体働流体力化，日本造船学会志，1989，No．719，P264-273
[10] 小濑 深沢 末光 佐伯 汤室 山上，MSS 报告Ⅳ 低速时操纵运动突用化，日本造船学会志，1989，No．721，P403-411
[11] Jakobsen, B. K. Mazurkiewicz, J. Ankudinov, V., Improved Ship Manoeuvring Assessment Based on Integration of Advanced Modeling Technique, International Workshop on Ship Manoeuvrability at the Hamburg Ship Model Basin, Hamburg Germany, 2000
[12] Benvenuto, G. Brizzolara, S. Figari, M., Simulation of the Propulsion System Behaviour during Ship Standard Manoeuvres, Practical Design of Ships and Other Floating Structures, 2001
[13] Senda, S. Kobayashi, H., On the Standard Deceleration of Ship Speed by Human Control, International Conference on Marine Simulation and Ship Manoeuvring, Orlando Florida, 2000
[14] Maekawa, K. Shuto, C. Karasuno, K. Nonaka K., Estimation of Added Mass Coefficients m_x, m_y by Using CFD through Oblique Towing Test with Constant Acceleration, Journal of Kansai Society of Naval Architects Japan, 1999, Vol.232, P55-61 (In Japanese)
[15] Makino, M. Kodama, Y., Computation of Flows around Full Hull Forms in Oblique Towing of Steady Turing Using NICE Code, Journal of the Naval Architects Japan, 1997, Vol. 181, P67-73 (In Japanese)
[16] Bailey, P. A. Hudson, D. A. Price, W. G. Temarel, P., Time Simulation of Ship Manoeuvres in Waves, International Workshop on Ship Manoeuvrability at the
Hamberg Ship Model Basin, Hamberg Germany, 2000
[17] Lee, S. K., The Calculation of Zig-zag Manoeuvre in Regular Waves with Use of the Impulse Response Functions, Ocean Engineering, 2000, Vol.27, P87-96
[18] ITTC (International Towing Tank Conference), The Manoeuvring Committee Final Report and Recommendations to the 23rd ITTC, 2002, Proceedings of the 23rd ITTC Vol.1, P153-200
[19] IMO (International Maritime Organization), Interim Standards for Ship Manoeuvrability, Resolution A. 751(18),1993
[20] 小濑 平尾 吉川 中川，港内曳船性能閧研究，日本造船学会论文集，1987，第162号，P133-138
[21] 杨盐生 方祥麟，港内拖轮协助操船仿真数学模型的研究，中国航海，1997，第2期，P19-24
[22] S. Charters, B. Sc. et al. Analysis of Towed Vessel Course Stability in Shallow Water, Trans. of RINA, Vol. 127, P247-258
[23] 贵鸟 前川 田中，浅水域曳船被曳船系针路安定性，西部造船会会报，1992，第84号，P85-95
[24] 贵鸟 古川，狭水域曳船曳航法，西部造船会会报，1994，第89号，P167-177
[25] Varyani, K. S., Course Stability Problem Formulation, 13th Intemational Conference on Hydrodynamics in Ship Design (HYDRONAV 99), 2nd International Syposium on Ship Manoeuvring (MANOEUVRING 99), Gdansk Poland, 1999
[26] 小林 石桥，曳船操纵运动関研究，日本航海学会论文集，1992，第88号，P49-56
[27] 小林 阪口，港内操船曳船支援效果—Ⅰ，日本航海学会论文集，1993，第88号，P59-66
[28] 小林 阪口，港内操船曳船支援效果—Ⅱ．，日本航海学会论文集，1994，第90号，P289-295
[29] 小林 阪口，港内操船曳船支援效果—Ⅲ．，日本航海学会论文集，1995，第92号，P91-99
[30] Wulder, J. H. et al, Applications of Interactive Tug Simulation, International Conference on Marine Simulation and Ship Manoeuvring, Orlando Florida, 2000
[31] 岩井聪，操船论，周沂 王立真，第1版，1984，人民交通出版社，P152-164
[32] 徐周华，船舶首侧推器适用的船速域，武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2002，第1期，P116-119
[33] Nomenclature for Treating the Motion of a Submerged Body Through, SNAME Technical and Research Bulletin, 1952, 1～5
[34] Norrbin N. H., Theory and Observation on the Use of a Mathematical Model for Ship Manoeuvring in Deep and Confined Waters, Publication of SSPA. Sweden, 1970, No.68
[35] 柯钦等著，理论流体力学，1960，高等教育出版社
[36] 周昭明 盛子寅 冯悟时，多用途货船的操纵性预报计算，船舶工程，1983，第6期，P21-29
[37] 李美菁，船舶在风浪流及限制航道中多工况操纵运动模拟计算与操纵性能综合
评判，武汉交通科技大学，博士学位，1988
[38] 吴秀恒，船舶操纵性与耐波性，第二版，1999，人民交通出版社，P99-112
[39] Inoue, S. and Co-workers, A Practical Calculation Method of Ship Manoeuvring Motion, I.S.P., 1981,Vol.28
[40] 芳村康男，浅水域操纵运动数学检讨(第2报)，関西造船协会志，1988，No．210
[41] 伊绍琳，船舶阻力，第一版，1985，国防工业出版社，P141-170
[42] 贾欣乐 杨盐生，船舶运动数学模型——机理建模与辨识建模，第一版，1999，大连海事大学出版社，P1-443
[43] 李世谟 周俊麟，船舶阻力，1984，武汉水运工程学院
[44] 松本 他，操纵运动数学船体·推进器·舵干效果，関西造船协会志，1983，No．190，P45-61
[45] Kijima, K. et al, On the Manoeuvring Performance of a Ship with the Parameter of Loading Condition, Journal of The Society of Naval Architeccts of Japan, 1990, Vo1.168
[46] 黄晓斌 杨盐生，船舶操纵运动数学模型预报精度的研究，大连海事大学学报，1997，第2期，P26-29
[47] 刘正江，船舶倒车停止性能的研究，大连海事大学，硕士学位，1987
[48] 杨盐生，船舶操纵模拟器数学模型的研究，国家教委科技委交通运输学科组青年学术骨干学术讨论会，西安，1993
[49] Hirano, M. et al, An Experimental Study on Manoeuvring Hydrodynamic Forces in Shallow Water, 西部造船会会报, 1985, Vol.69
[50] 盛子寅，浅水中船体操纵水动力导数的计算，中国造船，1981，第73期
[51] Kobayashi, E., The Development of Practical Simulation System to Evaluate Ship Manoeuvrability in Deep and Shallow Water, Proceedings of MARSIM&ICSM'90, 1990
[52] 乌野 他，低速时主船体操纵性流体力新数学(第2报)—旋回时场合—，関西造船协会志，1990，第217号
[53] Van Lammeren W.P.A. et al, The Wageningen B-Screw Series, Tans. of SNAME, 1969, P269-317
[54] 平野雅祥，初期设计时船操纵运动计算法，日本造船学会论文集，1980，第147号
[55] 芳村康男，浅水域操纵运动数学检讨—MMG浅水域适用，関西造船协会志，1986，第200号，P41-50
[56] 高桥通雄 矢崎敦生，展开面积比大AU型设计図表，船舶，1971，44(1)，P59-65
[57] The SSPA Standards Propeller Family Open Water Characteristics, Statens Skeppsprovningsanstalt, 1967, No.60
[58] 赵月林 古文贤，浅水中船舶操纵运动的模拟计算，大连海运学院学报，1990，第4期，P337-344
[59] 芳村康男 野本谦作，增减速伴操纵运动取扱，日本造船学会论文集，1978，第144号，P57-69
[60] 森正彦，後流中置舵直压力计算，関西造船协
会志，1974，第153号
[61] Michael J. Young, Visual C++ 6从入门到精通，邱仲潘等，第1版，1999，电子工业出版社，P1-132
[62] 李丽 王震领，MATLAB工程计算及应用，第1版，2001，人民邮电出版社，P1-293
[63] 李庆阳 王能超 易大义，数值分析，第3版，2000，华中理工大学出版社，P154-203
[64] 徐士良，C常用算法程序集，第2版，2001，清华大学出版社，P167-216
[2] 小川 小山 贵岛，MMG 报告—Ⅰ 操纵运动数学，日本造船学会志，1977，No．575，P192-198
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[10] 小濑 深沢 末光 佐伯 汤室 山上，MSS 报告Ⅳ 低速时操纵运动突用化，日本造船学会志，1989，No．721，P403-411
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[27] 小林 阪口，港内操船曳船支援效果—Ⅰ，日本航海学会论文集，1993，第88号，P59-66
[28] 小林 阪口，港内操船曳船支援效果—Ⅱ．，日本航海学会论文集，1994，第90号，P289-295
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[62] 李丽 王震领，MATLAB工程计算及应用，第1版，2001，人民邮电出版社，P1-293
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[64] 徐士良，C常用算法程序集，第2版，2001，清华大学出版社，P167-216
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