摘 要

近年来，随着海上资源开采的深入以及航运业的迅速发展，拖曳作业在拖带大型海洋平台、救助海上事故船以及港区协助船舶操纵上的应用越来越普遍。然而即使在温和的海况下，不合理的拖航工况也会影响拖航效率并可能发生诸如撞船、拖缆断裂等潜在的危险。同时港区不合理的拖轮调度也会使拖轮助操作业无法达到预期效果并影响港口效率。

本文以MMG建模的思想建立了三自由度拖航操纵运动数学模型，采用悬链线模型及牛顿法对拖缆力进行求解，通过MATLAB软件编写了基于4阶龙格-库塔法的求解程序对运动数学模型进行求解。通过控制拖缆长度、初始悬垂以及水深等变量对理想状态下的吊拖运动进行了仿真，探究了它们对拖航系统的运动特点、航向稳定性、转向性以及安全性的影响。同时本文基于PD控制模型建立了拖轮功率控制模型并对港区内的拖轮助操运动进行了仿真，并通过与无控制条件下的仿真结果对比对控制方案的优越性进行了验证。对与海上拖航的安全作业以及港区拖轮调度安排均有一定的指导意义和参考价值。

关键词：拖航操纵性; 船舶运动仿真; 浅水; MMG; 靠泊仿真

Abstract

With the rapid development of marine resources and the rapid development of the shipping industry in recent years, tugboats are more and more frequently used in towing large-scale offshore platform, rescue broken ships and assisting ship maneuvering on the harbor. However, even in the mild sea conditions, unreasonable dragging conditions will also affect the efficiency of towing and may occur accident such as collision vessels, towline broken and other potential hazards. At the same time, unreasonable tugboat dispatching in the port area will make the tug opera unable to achieve the desired effect and affect the efficiency of the port.

This paper establish a 3-DOF mathematical model of towing depend on the idea of MMG modeling and use the catenary model and the Newton method to solve the towline force. The solution based on the fourth-order Runge-Kutta method is written by MATLAB software to solve the mathematical model of motion. The effects of drag trajectory length, initial drape and water depth on the traction movement under ideal conditions are simulated, and their effects on the movement characteristics, heading stability, steering force and safety of the towing system are analyzed in tjis paper. At the same time, this paper builds up the tug power control model based on the PD control model and simulates the tug opera movement in the port area, and verifies the superiority of the control scheme by comparing with the simulation results under no control condition. It has certain guiding significance and reference value for the safe operation of sea towing and the arrangement of tugs in harbor area.

Key words：Towing maneuverability；Ship Movement Simulation；Shallow water；MMG；Berthing Simulation;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2研究现状 1

1.3 本文主要工作内容 3

第2章 船舶操纵模型的建立 4

2.1 坐标系的建立与船舶运动方程的建立 4

2.1.1固定坐标系 4

2.1.2 运动坐标系 5

2.1.3 固定坐标系和动坐标系之间的转换 5

2.2 MMG操纵运动模型 5

2.3 模型参数的无因次化 6

2.4 水动力计算 6

2.3.1 附加质量力 6

2.3.2 粘性类水动力 7

2.5 舵力 9

2.6浅水修正 10

2.4.1浅水中的舵力修正 10

2.4.2 浅水中的附加质量和附加惯性矩修正 11

2.4.3 浅水中纵向流体动力修正 11

2.4.4 浅水中线性流体动力修正 11

2.4.5 浅水中非线性流体动力的修正 12

第3章 拖航运动模型的建立 13

3.1 港内拖航运动的方式 13

3.1.1 吊拖 13

3.1.2 顶推 13

3.1.3 傍拖 14

3.1.4 组合拖曳 14

3.2 拖航系统运动模型 15

3.2.1 吊拖运动运动数学模型 15

3.2.2 顶推和傍拖 16

3.3拖缆力 17

3.3.1 计算模型 17

3.3.2 计算模型的求解 18

3.3 拖船推力的计算 19

3.3.1 推力计算模型 19

3.3.2 伴流与推力减额 20

3.3.3 推力系数拟合 20

3.3.4 拖轮推力 21

3.5 运动控制模型 22

第4章 模型的求解与验证 23

4.1 模型求解 23

4.2 模型验证 24

4.2.1 运动模型验证 24

4.2.2 拖缆力验证 27

第5章 拖航操纵运动模拟分析 29

5.1直拖运动模拟 29

5.2 吊拖偏荡运动模拟 33

5.3.浅水对拖航的影响 38

5.3.1 浅水中的直拖 38

5.3.2 浅水中的偏荡运动 39

5.4 拖航系统的转向性 41

第6章 港区拖带运动仿真 45

6.1 仿真环境与对象 45

6.2 减速停船 45

6.3 顶推助泊 48

6.4 离泊出港仿真 51

第7章 总结与展望 54

7.1 全文总结 54

7.2 研究展望 55

参考文献 56

附录A 58

附录A1 牛顿法迭代函数 58

附录A2 靠泊仿真控制程序 58

附录A3 靠泊动画制作程序 59

致谢 61

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着经济的全球化，全球航运业迅速发展，运输船舶越来越趋于大型化。首先，船舶的大型化提高了货物运输效率，降低运输成本但同时由于大型船舶排水量大，吃水深，同时运动惯性也大，使得其操纵变得困难，运动状态也更难控制，尤其是在进出港口航道，靠离码头和狭窄水道的航行中容易发生碰撞、搁浅等事故。为了避免事故的发生，增强船舶在受限制水域的操纵的灵活性，目前世界多数港口均配有一定数额的全回转拖轮协助船舶进出港及靠离泊等。同时随着海洋资源的开发，海洋平台的应用越来越频繁，大型海洋平台由于自身无动力往往也需要拖轮拖带至相应的工作区域，对于救助海上发生故障而无法移动的船只也主要由拖轮进行救助，因此海上的拖航作业也变得越来越普遍，有关拖航运动的研究也因此兴起。

同时由于海上情况复杂，在海上进行的拖航作业往往受到诸如风、浪、流及天气变化的影响，使得拖航作业更趋于复杂，尤其是当拖航系统受到外界扰动时则会发生偏荡，当扰动过大或拖航系统稳定性较差时，发生的大幅度偏荡则容易导致发生危险。拖缆的种类、长度以及拖带时拖缆悬垂值也对拖航系统有着一定的影响。在港区拖带中，拖轮协助大型船舶减速制动以及顶推助泊也是主要的港区拖带内容，对于拖轮功率的分配以及拖带的方式等对拖轮助操效果以及港区作业效率有着很大的影响。