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大型船舶出坞数值仿真研究与试验

作　者: 杨启
导　师: 王呈方
学　校: 武汉理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 船舶出坞船舶操纵性模型试验环境载荷遗传算法数值仿真
分类号: U673
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

船舶进出坞是船坞修造船过程中必不可少的工艺环节，目前国内外对待船舶进出坞问题仍然采用传统的经验方法，通过对船舶出坞时环境载荷估算，来确定船舶进出坞方法和船舶出坞时拖轮的使用和配备。本文从探索船舶出坞过程中的各种环境条件出发，利用正交设计理论制定了一套船舶出坞过程的环境载荷计算模型和环境载荷试验测试方法，分析了在不同的出坞环境条件中，作用于船舶的环境载荷对船舶出坞的影响程度，利用目前的优化技术和模糊评价方法，率先研究和探讨了船舶出坞过程中，拖轮配置机理、拖轮配置数量和方法，以及船舶出坞过程的运动仿真预报，还讨论了挡水板对船舶出坞影响这一特殊问题。这些研究减少了船舶出坞过程中的盲目性，为船舶出坞提供了一定的理论基础和实践指导。一、论文对大型船舶出坞过程仿真预报数学模型进行了系统的研究与实践，对涉及船舶出坞过程中船舶水动力、船舶受到的风、浪、流各种环境力、浅水效应和壁岸效应等各种力都进行了深入的分析，采用了OCIMF介绍的数学模型，求解环境载荷。二、利用正交设计方法，制定了船舶出坞过程环境载荷测量方案，完成了船舶在出坞过程中从90°到0°过程中在不同风、浪、流组合下的环境外力测试和分析处理，利用级差分析方法，重点分析了风、浪、流以及方向对船舶出坞的影响程度大小，并把试验结果和OCIMF方法计算结果作了比较分析，验证了OCIMF方法计算结果的可靠性。三、制定了不同数量拖轮协助船舶出坞时的基本布置形式，给出了不同拖轮协助船舶出坞时的拖轮布置示意图，并试验分析了船舶出坞回转力矩与回转时间和拖轮拖力之间关系，并确定了用于船舶出坞回转的拖轮拖力的余度大小。四、利用遗传算法，重点对船舶出坞拖轮的配置优化问题进行了研究和实践。遗传算法对船舶出坞拖轮的配置与使用优化计算结果稳定、可靠，并采用了多目标优化遗传算法对船舶出坞拖轮配置和使用均匀化问题进行研究，从而可以保证船舶出坞过程的安全，最后针对实际工程应用中，已知租借的拖轮的数量和功率情况，采用多目标遗传算法，反向求解这些拖轮是否能满足船舶出坞的安全要求，应该如何配置这些拖轮，使用这些拖轮出坞的安全余度有多大。五、结合17.5万吨好望角型散货船及30万吨油轮等有代表性的船型，对船舶出坞过程仿真预报进行了广泛而有重点的研究和实践。在建立船舶出坞过程的数学模型和求解微分方程的数值解法，以及船舶出坞时拖轮力的计武汉理工大学博士学位论文算模型和求解方法等基础上，建立了船舶出坞过程的仿真预报系统，并分别对有代表性的三种船舶进行了仿真预报。该研究结果已在上海外高桥造船有限公司17.5万吨散货船和“番禺号”FPSO出坞中得到应用。六、结合外高桥造船有限公司船坞情况开展了增加挡水板以后船舶流载荷变化试验分析和研究。总之，通过分析船舶出坞的各种载荷和计算方法，建立船舶出坞过程仿真模型，对船舶出坞过程进行仿真预报，对船舶出坞拖轮进行配置优化，解决了船舶出坞环境力、拖轮拖力等计算，解决了船舶出坞的拖轮配置、需要水域大小和船舶出坞安全等问题。本文主要贡献在于提出了船舶出坞过程运动模型和仿真预报方法、拖轮配置方案和优化方法，以及船舶出坞环境载荷测量试验和船舶出坞回转性、挡水板等试验，这些研究结果对船厂大型船舶进出坞具有重要的理论意义和实践上的指导意义。

全文目录

第1章绪论  15-24
  1.1 引言  15-16
  1.2 选题的科学依据与意义  16
  1.3 船舶出坞国内外现状综述  16-22
    1.3.1 国内外本领域的发展现状  17-19
    1.3.2 国内外相关领域的发展现状  19-22
  1.4 本文的主要工作  22-24
第2章船舶出坞运动过程数学模型  24-40
  2.1 概述  24
  2.2 船舶出坞坐标系的建立  24-27
  2.3 船舶出坞过程操纵运动数学模型  27-29
    2.3.1 综述  27
    2.3.2 坐标系与船舶出坞过程运动模型  27-28
    2.3.3 作用于船体的惯性力和力矩  28-29
  2.4 作用于船体上的水动力计算模型  29-31
    2.4.1 小漂角时水动力计算模型  29-30
    2.4.2 大漂角时水动力计算模型  30-31
  2.5 船舶出坞过程环境载荷计算模型  31-37
    2.5.1 风载荷计算数学模型  32-33
    2.5.2 流载荷计算数学模型  33-34
    2.5.3 波浪载荷计算数学模型  34-37
    2.5.4 浅窄水域及岸壁影响计算模型  37
  2.6 船舶出坞环境载荷计算实例  37-39
    算例一、 17.5万吨散货船  37-38
    算例二、 30万吨油轮  38-39
  2.7 本章小结  39-40
第3章船舶出坞模型试验与数据分析  40-64
  3.1 试验概述  40
  3.2 试验设计  40-51
    3.2.1 相似定律  40-41
    3.2.2 模型制作  41-45
    3.2.3 试验环境条件  45-47
    3.2.4 船舶出坞时缆绳拖轮布置形式  47
    3.2.5 正交试验设计理论  47-49
    3.2.6 正交试验表设计  49-51
  3.3 试验数据处理与分析  51-58
    3.3.1 船舶半出坞时的试验结果  51-52
    3.3.2 船舶全部出坞后的试验结果与分析  52-58
  3.4 船舶出坞试验结果和OCIMF计算结果比较分析  58-63
    3.4.1 风浪载荷比较  58-60
    3.4.2 流载荷比较  60-61
    3.4.3 风浪流合力和力矩比较  61-63
  3.5 本章小结  63-64
第4章船舶出坞拖轮配备分析及低速回转试验  64-75
  4.1 综述  64
  4.2 拖轮拖力的考虑  64-65
  4.3 拖轮配备分析  65-68
  4.4 船舶出坞低速回转试验  68-73
    4.4.1 试验目的  68-69
    4.4.2 试验内容  69
    4.4.3 低速回转试验的结果  69-71
    4.4.4 低速回转试验的分析  71-73
  4.5 本章小结  73-75
第5章船舶出坞拖轮配置与优化  75-93
  5.1 船舶出坞拖轮配置优化数学模型  75-76
  5.2 优化算法目标函数和约束条件的数学处理方法  76-79
    5.2.1 外点罚函数处理约束条件  77-78
    5.2.2 处理后的优化目标函数  78-79
  5.3 基于遗传算法的船舶出坞拖轮配置优化  79-85
    5.3.1 遗传算法的原理  79-82
    5.3.2 遗传算法优化拖轮配置的计算过程与结果分析  82-85
  5.4 船舶出坞拖轮使用均衡性问题研究  85-89
    5.4.1 多目标优化的概念及Pareto非劣集  86-87
    5.4.2 基于遗传算法的船舶出坞多目标Pareto解  87-89
  5.5 在已知拖轮数量和功率情况下的出坞可行性及其布置优化  89-92
    5.5.1 已知拖轮数量和功率时的船舶出坞拖轮配置多目标优化数学模型  89-90
    5.5.2 用遗传算法求解船舶出坞多目标优化问题  90
    5.5.3 计算过程与结果分析  90-92
  5.6 本章小结  92-93
第6章船舶出坞过程仿真预报  93-114
  6.1 引言  93
  6.2 船舶出坞操纵预报方法和内容  93-95
    6.2.1 船舶出坞操纵性能预报的方法  93-94
    6.2.2 船舶出坞操纵性能预报的内容  94-95
  6.3 船舶出坞操纵运动仿真预报  95-96
    6.3.1 船舶出坞操纵数学模型及其仿真算法  95-96
  6.4 船舶出坞过程拖轮力计算模型  96-100
    6.4.1 顶推时拖轮力和力矩模型  96-97
    6.4.2 拖曳时拖轮力和力矩模型  97
    6.4.3 拖轮坐标系中拖轮力的计算模型  97-100
  6.5 船舶出坞过程仿真预报  100-107
    6.5.1 程序设计  100
    6.5.2 主要仿真结果  100-107
      算例一: 17.5万吨好望角型散货船  100-103
      算例二: 30万吨油轮  103-105
      算例三: “番禺号”FPSO  105-107
  6.6 基于Adams的船舶出坞三维仿真  107-113
    6.6.1 三维实体建模  107-108
    6.6.2 船舶出坞过程仿真  108-113
  6.7 本章小结  113-114
第7章挡水板对船舶出坞的影响分析与试验  114-125
  7.1 挡水板对船舶出坞的影响分析  114-121
    7.1.1 有挡水板时水流的变化  114-115
    7.1.2 有挡水板时的出流分析  115-117
    7.1.3 挡水板出流的水力计算  117-120
    7.1.4 挡水板对船舶出坞影响小结  120-121
  7.2 挡水板试验介绍  121-122
    7.2.1 试验目的  121
    7.2.2 试验内容  121-122
    7.2.3 试验方法  122
  7.3 挡水板试验结果与分析  122-124
  7.4 本章小结  124-125
第8章总结与展望  125-128
  8.1 全文总结  125-127
  8.2 进一步的研究工作  127-128
致谢  128-129
参考文献  129-136
攻读学位期间发表的论文及科研工作情况  136-138
  1 攻读学位期间发表地论文  136-137
  2 攻读学位期间参加科研工作及专利情况  137-138

大型船舶出坞数值仿真研究与试验

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