波浪中船舶操縱橫搖預(yù)報及舵效影響分析

趙磊

摘 要：隨著我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，我國的海洋船舶運輸技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。波浪中船舶操縱橫搖預(yù)報直接影響著船舶運輸?shù)挠行ч_展。該研究將在經(jīng)典MMG模型的基礎(chǔ)上，建立集操縱性、橫搖四自由度耦合模型，并在該模型疊加波浪力方式下，對S175自航船模進(jìn)行操作性、橫搖預(yù)報，對自航模試驗做出驗證，模擬了波浪中船舶不同舵速、浪向角下的運動狀態(tài)，探究了波浪中船舶操縱橫搖預(yù)報及舵效影響，為相關(guān)行業(yè)提供一個參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：波浪中操縱性 橫搖預(yù)報 舵效 自航模試驗

中圖分類號：U661.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（c）-0168-02

作為海域船舶操縱過程中極為重要的組成部分，波浪中船舶操作性的預(yù)報及評估直接影響實海域船舶的操作性能，該評估結(jié)果能夠在一定程度上提升設(shè)計的科學(xué)性與有效性，成為國內(nèi)外科學(xué)界的研究重點。對波浪中船舶操縱橫搖預(yù)報及舵效影響分析有著重要的實踐意義與應(yīng)用價值。

1 坐標(biāo)系統(tǒng)

在對船舶海洋運行進(jìn)行研究的過程中，一般需參照地球坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系兩種，這兩個坐標(biāo)系處于同一水平面，且與海平面呈現(xiàn)齊平狀態(tài)。將船舶的運動速度設(shè)為U 0，其前進(jìn)速度與相應(yīng)的位置在船體坐標(biāo)體系中為，其中u為船舶船體坐標(biāo)系下的縱向速度；v 為橫向速度；r為的是艏搖角速度；p為橫搖角速度，通過上述能夠得出艏搖角以及橫搖角[1]。在地球坐標(biāo)系中，船舶速度、位置可以在歐拉角的作用下實現(xiàn)矩陣轉(zhuǎn)化，得到相應(yīng)的V E、E以及E 4×4的值。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 操縱運動模型

在MMG分離式模型下，可建立橫蕩、縱蕩以及艏搖、橫搖的自由度耦合模型。其中設(shè)船舶質(zhì)量為m，船舶的慣性矩為I，附加質(zhì)量與慣性矩則為m x、m y以及J，船體坐標(biāo)系重心坐標(biāo)為（xG，yG，zG），船體力、舵力以及波浪力分別用H，R，W表示。

2.2 船體力

流體力在船體上的作用主要表示為：

由上述可計算出船舶在前進(jìn)狀態(tài)下，靜水所受的阻力：，復(fù)原力臂則為，初穩(wěn)性高采用表示，橫搖阻尼力矩系數(shù)用N 表示，通過試驗對各項值進(jìn)行確定。

2.3 螺旋槳力

一般情況下，與船體力相比，螺旋槳所產(chǎn)生的橫向力與船舶轉(zhuǎn)艏力矩相對較小，需要對舵力以及舵力矩進(jìn)行有效修正，進(jìn)而得出其產(chǎn)生的縱向推力，其表達(dá)式為：Xp=（1-t）T （u）=（1-t）

，其中流體密度采用p 表示，推力減額用t表示，由上述可得出推力系數(shù)的計算公式，進(jìn)速系數(shù)用Jp表示，通過螺旋槳敞水試驗可以得出J0、J1，J2的值。

2.4 舵力

在進(jìn)行船舵操作時，其流體力可以采用以下計算公式表示：。

其中艏搖力矩用NR表示，橫傾矩用KR表示，操舵角則為，舵在船體坐標(biāo)的縱向位置采用xR表示，一般情況下船體與舵的干擾tR值為0.29，船的方形系數(shù)Cb與aH有著極為密切的聯(lián)系，。舵正壓力計算公式為[3]。舵面積、舵升力系數(shù)分別用AR、fa表示，且。展弦比、舵的來流速度分別用λR、UR表示，且舵來流的有效沖角采用aR表示，其計算公式為， 舵來流的速度分量分別用uR、vR表示。

2.5 波浪力

該研究采用了三維面原法HydroStar軟件對船體在不同航速、波頻以及二階漂移力等進(jìn)行計算，在頻時域的轉(zhuǎn)換作用下對時域操作方程進(jìn)行計算。通常一階力主要是對船體搖蕩運動的引發(fā)，二階力則主要對船舶航向、航跡進(jìn)行改變，因此，在進(jìn)行時域方程橫蕩、縱蕩等計算時，僅用考慮二階力的作用，橫搖方程只需分析一階力作用，然后對波浪力進(jìn)行航行速度下的二維插值。

3 模型檢驗

該研究中采用的是S175自航船模，其尺度比為57.546，其各項相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。研究對擬合漿推力以及進(jìn)速系數(shù)曲線進(jìn)行分析，可以得出J0、J1、J2的值分別為0.493 5、-0.410 3、-0.075 4。另外該研究還對該模型進(jìn)行了仿真驗證。主要包括以下幾個方面。

3.1 操作性模塊

研究對靜水中回轉(zhuǎn)軌跡與Z形時歷進(jìn)行比較，左舵角度為35°，當(dāng)舵速保持在13°/s時，靜水不會出現(xiàn)無因次回轉(zhuǎn)軌跡，計算所得的轉(zhuǎn)艏值明顯滯后于試驗值。20°/20°Z形的舵角以及艏向角時歷仿真結(jié)果與試驗結(jié)果呈現(xiàn)出良好的吻合性，反映出操作性模塊具有一定的準(zhǔn)確性[4]。

3.2 橫搖模塊

經(jīng)過試驗研究，可以發(fā)現(xiàn)自由橫搖衰減仿真研究結(jié)果與試驗結(jié)果有著良好的一致性。

3.3 波浪力模塊

研究對波浪中回轉(zhuǎn)軌跡與艏向角時歷進(jìn)行比較。構(gòu)建了左舵35°、速度為13°/s的無因次回轉(zhuǎn)軌跡以及艏向角時歷。該模型能夠在一定程度上模擬出波浪中的操作情況，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相比，盡管會伴隨時間的增加出現(xiàn)偏離，然而基本處于一致。

4 舵效影響分析

4.1 舵速對舵效的影響

研究對不同轉(zhuǎn)舵速度下（5°/s、13°/s以及30°/s）靜水右舵35°無因次回轉(zhuǎn)軌跡試驗，可以發(fā)現(xiàn)，船舶的轉(zhuǎn)舵速度越高，將會越快進(jìn)入回轉(zhuǎn)，降低轉(zhuǎn)艏時間。

4.2 浪向?qū)Χ嫘У挠绊?/p>

在兩種不同的波浪工況條件下，可以發(fā)現(xiàn)在同一波浪工況下，Z 形試驗操舵角基本相似，且迎浪船舶轉(zhuǎn)艏速度最快。

5 結(jié)語

該研究對船舶波浪中的操縱與橫搖運動進(jìn)行了仿真，并建立了相應(yīng)的耦合模型，可以發(fā)現(xiàn)該模型能夠準(zhǔn)確反映出預(yù)報船舶回轉(zhuǎn)與橫搖的特性，操舵速度與浪向?qū)Χ嫘Ь胁煌潭鹊挠绊?，且船舶在波浪中的回轉(zhuǎn)中產(chǎn)生漂移很大程度上是由于二階漂移力。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱冬健，馬寧，顧解忡，等.波浪中船舶操縱性數(shù)值預(yù)報及自航模驗證[J].中國艦船研究，2015，10（1）：76-82.

[2] 朱冬健，馬寧，顧解忡，等.舵速對船舶波浪中回轉(zhuǎn)及橫搖的影響[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2015，31（4）：34-40.