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航海模拟器中拖轮拖带作业数学模型的研究

作　者: 郭万庶
导　师: 任俊生
学　校: 大连海事大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 航海模拟器船舶运动数学模型缆绳张力模型拖轮拖带作业
分类号: U666.158
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 67次
引　用: 2次
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内容摘要

航海模拟器在驾驶员培训、航道设计等诸多领域发挥着越来越重要的作用。随着船舶向着大型化发展,拖轮协助大型船舶操纵已经成为了十分重要的手段。2007年挪威船级社对航海模拟器的认证标准提出了A级和B级船桥模拟器都应至少包括一个拖轮模拟器单元,故将拖轮协助大型船舶操纵的数学模型加入到航海模拟器中,实现拖轮拖带作业运动的仿真是非常必要的。本文将拖轮作为一个单独本船,通过缆绳拖带被拖船,把拖轮拖带作业的操纵数学模型加入到航海模拟器中来。为此,本文做了以下三个方面的工作：(1)建立了拖轮拖带作业的运动数学模型,使用龙格-库塔四阶(RK4)算法对模型进行解算。被拖船的数学模型是针对丹麦水池试验标准船模Mariner轮采用整体型建模理论建立的,拖轮的数学模型是采用分离建模理论建立的。同时还对所建立Mariner轮的数学模型进行了旋回试验和Z形试验,试验结果与实船试验结果基本吻合,表明所建模型满足精度要求。(2)建立了拖缆张力的计算模型。拖缆张力的计算分两种情况：一是拖缆应变小于25%时,满足虎克定律,利用悬链线方程推导出拖缆水平张力与无应力长度之间的一一对应关系,然后通过迭代法计算出拖缆的张力。二是拖缆应变大于25%时,不满足虎克定律,忽略拖缆自重,通过拖缆应变曲线图拟合的多项式来计算拖缆张力。本文以直径为96mm的尼龙单丝复合缆为例进行了实例验证,结果表明所建拖缆计算模型是正确和有效的。(3)搭建拖轮拖带作业的测试平台。本文基于Visual C++6.0语言环境开发了测试平台,对建立拖轮拖带作业的模型进行实时仿真测试。测试分为两个阶段：第一阶段拖轮与被拖船自航;第二阶段拖轮速度明显快于被拖船,当两船间距大于拖缆张力模型开始解算的水平距离时,拖缆张力模型开始解算,实现拖轮拖带被拖船运动的仿真测试,结果表明所建拖带作业模型是正确的。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题依据的历史背景及意义  9-10
  1.2 国内外相关课题的研究现状  10-12
  1.3 本文的研究内容  12-14
第2章拖船与被拖船的运动数学模型  14-24
  2.1 拖船与被拖船平面运动的坐标系统  14-15
  2.2 被拖船平面运动的运动方程  15-20
    2.2.1 被拖船操纵运动方程的建立  15
    2.2.2 被拖船参数无因次化  15-16
    2.2.3 被拖船仿真测试  16-20
  2.3 拖船平面运动的运动方程  20-24
    2.3.1 拖船操纵运动方程的建立  20
    2.3.2 拖船流体动力和力矩的计算  20-22
    2.3.3 拖船参数无因次化  22-23
    2.3.4 拖船模型的仿真测试  23-24
第3章拖轮拖带作业中拖缆张力的计算模型  24-32
  3.1 拖缆的种类与特性  24-26
  3.2 拖缆张力计算  26-29
    3.2.1 拖缆线性应变时的张力计算模型  26-28
    3.2.2 拖缆非线性应变时的张力计算模型  28-29
  3.3 拖缆张力数学模型的解算方法  29
  3.4 拖缆张力计算实例  29-32
第4章拖轮拖带运动系统的建模与仿真  32-45
  4.1 拖轮拖带运动坐标系的建立  32
  4.2 被拖船的主要参数  32-33
  4.3 拖轮的主要参数  33-34
  4.4 拖船与被拖船的动力计算模型  34
  4.5 拖轮拖带作业的运动仿真  34-36
  4.6 仿真平台的搭建  36-45
    4.6.1 程序设计思路及流程  36-39
    4.6.2 数学模型的解算  39-41
    4.6.3 程序仿真界面图  41-42
    4.6.4 拖轮拖带被拖船转向的运动仿真  42-45
第5章结论与展望  45-47
  5.1 本文的主要工作  45
  5.2 研究展望  45-47
参考文献  47-51
致谢  51-53
研究生履历  53-54

航海模拟器中拖轮拖带作业数学模型的研究

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