拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，包括模型模块、参数模块、控制模块、计算模块、数学模型模块及输出模块；模型模块用于建立几何模型并划分网格，参数模块用于输入环境参数及大型油轮和拖轮的船舶参数，控制模块用于控制大型油轮和拖轮的航向和速度，计算模块用于建立环境干扰力及力矩、船体水动力及力矩、螺旋桨力及力矩和舵力及力矩的数学模型，数学模型模块通过代入计算模块的计算结果，建立四自由度船舶运动的数学模型，输出模块通过求解数学模型模块所得到的数学模型，能够输出四自由度运动的实时动态轨迹，及输出数据文件。本发明专利技术能够更精确地模拟拖轮傍拖大型油轮工况，为航海教学、培训等提供省时、高质的服务。

【技术实现步骤摘要】
拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统
本专利技术涉及航海模拟器船舶运动仿真领域，尤其涉及一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统。
技术介绍
近年来，全球经济及航运业的飞速发展和海洋资源的不断开发，使得国内外港口数目激增，船舶也不断向大型化、多样化发展。但因为港口内可航水域较小和大型船舶尺度大、惯性大等特点，船舶操纵性受到极大制约，在进出港口时的操作困难程度无须多言。而作为协助大船操作的重要工具，拖轮有着自身吨位小、灵活性强、操纵方便等特点，除此之外更可以提供较大的推力或拉力，这无疑使得拖轮协助大船操作这一辅助操纵手段成为保障船舶安全靠离泊的首选方法。国际海事组织(IMO，InternationalMaritimeOrganization)海上安全委员会在第77次会议，设备委员会在第30次会议和海上环境保护委员会在第49次会议上就港口提供足够的拖轮来协助大型船舶操纵，可以提高航行和港口安全达成共识。而国内外各大港口的普遍选择全回转拖轮作为港作拖轮，港作拖轮中又以全回转尾推进拖轮(AzimuthSternDriveTug，简称ASD)为主。在港口拖航中，拖轮的操纵和与大船之间的配合决定了拖轮能否安全协助大船进出港口，那么对于拖轮驾驶员来说，拥有丰富的操作拖轮协助大型船舶靠离港的经验和完全掌握拖轮的操纵运动特性是十分重要的。但众所周知，利用实船进行培训拖轮驾驶员有着周期长、费用大的弊端。而基于计算机仿真技术的模拟，在这一方面的优势显露无疑，可以在减少资金投入、缩短培训周期的同时，高质量的完成对拖轮驾驶员及引航员的培训，达到预期效果。通常，拖轮作业工况的方式包括三种：顶推、拖带和傍拖，其中，傍拖的拖带形式可以使得船舶无论在直航运动还是回转运动中都能有效减少所占用的水域大小，具备操纵性强，靠泊、驻位比较准确等优点，有着很强的实用性。同时，傍拖拖带广泛应用在组合拖带方案中，对于傍拖数学模型的研究也可以为组合拖带中各种拖带方式的合理搭配组合提供理论依据，以便有效利用港口拖轮的马力及数量，做到拖轮资源的有效利用。因此，本专利技术主要对傍拖的作业工况进行模拟研究。在计算机仿真技术中，航海运动的数学模型的精确度直接决定了航海模拟的行为真实感。然而，现有技术中[1]傍拖作业工况的数学模型仅为三自由度数学模型，其假设船舶航行在无限深广水域，仅考虑处于水平面内的运动，即纵荡、横荡和艏摇，不考虑船舶的纵摇、升沉及横摇运动，该种假设对于一般大小的船舶可以满足实际要求，但是对于大型油轮，由于其重心较高，实际运动中的横倾角较大，大型油轮时常会因横倾而产生倾覆沉没，因此，三自由度数学模型在模拟傍拖大型油轮作业工况时是明显不准确的；另外，现有技术中[1]考虑外界环境力时，未完全对风、浪和流建立数学模型，因此，急需一种更为精确表示实际的拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统。参考文献：[1]周宏伟.大型被拖船操纵运动建模与运动特性仿真研究[D].镇江：江苏科技大学.2013.03.[2]贾欣乐,杨盐生.船舶运动数学模型[M].大连：大连海事大学出版社.1997:15-20
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中傍拖船舶操纵运动的数学模型的不精确的问题，而提出一种更为精确的拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，具体技术方案如下：一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，包括:模型模块，其包括几何模型建立子模块和网格划分子模块；其中，所述几何模型建立子模块根据实船尺寸、拖轮数量及拖轮位置构建拖轮傍拖大型油轮的几何模型，其中，所述拖轮的数量大于等于1；所述网格划分子模块对所述几何模型及其周围的计算域进行网格划分，以在计算模块中作为载体，对船体受力进行分析求解；参数模块，其包括环境参数子模块、大型油轮船舶参数子模块和拖轮船舶参数子模块；其中，所述环境参数子模块用于输入实际环境中风、浪和流的参数；所述大型油轮船舶参数子模块和所述拖轮船舶参数子模块分别用于输入大型油轮和拖轮的船舶参数；控制模块，其包括大型油轮控制子模块及拖轮控制子模块,分别控制大型油轮和拖轮的航向和航速；计算模块，基于分离型模型的方法分别建立船、桨、舵及环境的数学模型，其包括环境干扰力及力矩计算子模块、船体水动力及力矩计算子模块、螺旋桨力及力矩计算子模块和舵力及力矩计算子模块；其中，所述环境干扰力及力矩计算子模块分别对风、浪及流建立关于干扰力及力矩的数学模型，并分别计算风、浪、及流的干扰力及力矩，将其叠加在一起得到环境干扰力及力矩；所述船体水动力及力矩计算子模块根据经验公式分别建立大型油轮和拖轮的关于船体水动力及力矩的数学模型，并分别计算大型油轮和拖轮的船体水动力及力矩；所述螺旋桨力及力矩计算子模块根据经验公式建立拖轮傍拖大型油轮整体的关于螺旋桨力及力矩的数学模型，并计算拖轮傍拖大型油轮整体的螺旋桨力及力矩；所述舵力及力矩计算子模块根据经验公式建立大型油轮的关于舵力及力矩的数学模型，并计算大型油轮的舵力及力矩；数学模型模块，基于牛顿动量定理和动量矩定理，建立关于纵荡、横荡、艏摇及横摇的四自由度船舶运动的常微分方程组,并将所述计算模块中求得的所述环境干扰力及力矩、所述大型油轮和拖轮的船体水动力及力矩、所述拖轮傍拖大型油轮整体的螺旋桨力及力矩和所述大型油轮的舵力及力矩分别叠加到所述的四自由度船舶运动的常微分方程的右边，得到拖轮傍拖大型油轮的四自由度运动的数学模型；输出模块，其利用四阶龙格-库塔算法对所述数学模型模块所得到的所述拖轮傍拖大型油轮的四自由度运动的数学模型进行结算，输出拖轮傍拖大型油轮的所述四自由度运动的实时动态轨迹，及输出数据文件。优选地，所述环境参数子模块包括风、浪和流，其中，所述风包括风向和风级，所述浪包括波高和波向角，所述流包括流向和流速；所述大型油轮船舶参数子模块至少包括船长、船宽、吃水、排水量、方形系数、船舶初稳性高度、盘面比、展弦比、桨直径、螺距比；所述拖轮船舶参数子模块至少包括船长、船宽、吃水、排水量、方形系数、船舶初稳性高度、桨直径、螺距比。优选地，所述大型油轮控制子模块包括大型油轮舵机指令和大型油轮主机指令；所述拖轮控制子模块包括拖轮舵机指令和拖轮主机指令；所述大型油轮舵机指令为正负35°之间的舵角；所述拖轮舵机指令为正负90°之间的舵角；所述大型油轮主机指令为前进速度；所述拖轮主机指令为前进速度。优选地，所述数学模型模块中得到的所述拖轮傍拖大型油轮的四自由度运动的数学模型为：其中，mv、mt分别为所述大型油轮和所述拖轮的船舶质量；mvx、mtx分别为所述大型油轮和所述拖轮在ox轴方向的附加质量，mvy、mty分别为所述大型油轮和所述拖轮在oy轴方向的附加质量；Ivlcc_zz、Jvlcc_zz分别为所述大型油轮在oz轴方向的转动惯量和附加转动惯量；Itug_zz、Jtug_zz分别为所述拖轮在oz轴方向的转动惯量和附加转动惯量，Ivlcc_xx、Jvlcc_xx分别为所述大型油轮绕ox轴方向的转动惯量和附加转动惯量；Itug_xx、Jtug_xx分别为所述拖轮绕ox轴方向的转动惯量和附加转动惯量；u为船舶在ox轴方向的速度，v为船舶在oy方向的速度，r为艏摇角速度，p为横摇角速度，X，Y，N，L分别为纵向、横向、艏摇、横摇自由度方向上的作用力和力矩，带有VLCC和TUG的下标表示该项力或力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，其特征在于：包括模型模块，其包括几何模型建立子模块和网格划分子模块；其中，所述几何模型建立子模块根据实船尺寸、拖轮数量及拖轮位置构建拖轮傍拖大型油轮的几何模型，其中，所述拖轮的数量大于等于1；所述网格划分子模块对所述几何模型及其周围的计算域进行网格划分，以在计算模块中作为载体，对船体受力进行分析求解；参数模块，其包括环境参数子模块、大型油轮船舶参数子模块和拖轮船舶参数子模块；其中，所述环境参数子模块用于输入实际环境中风、浪和流的参数；所述大型油轮船舶参数子模块和所述拖轮船舶参数子模块分别用于输入大型油轮和拖轮的船舶参数；控制模块，其包括大型油轮控制子模块及拖轮控制子模块,分别控制大型油轮和拖轮的航向和航速；计算模块，基于分离型模型的方法分别建立船、桨、舵及环境的数学模型，其包括环境干扰力及力矩计算子模块、船体水动力及力矩计算子模块、螺旋桨力及力矩计算子模块和舵力及力矩计算子模块；其中，所述环境干扰力及力矩计算子模块分别对风、浪及流建立关于干扰力及力矩的数学模型，并分别计算风、浪、及流的干扰力及力矩，将其叠加在一起得到环境干扰力及力矩；所述船体水动力及力矩计算子模块根据经验公式分别建立大型油轮和拖轮的关于船体水动力及力矩的数学模型，并分别计算大型油轮和拖轮的船体水动力及力矩；所述螺旋桨力及力矩计算子模块根据经验公式建立拖轮傍拖大型油轮整体的关于螺旋桨力及力矩的数学模型，并计算拖轮傍拖大型油轮整体的螺旋桨力及力矩；所述舵力及力矩计算子模块根据经验公式建立大型油轮的关于舵力及力矩的数学模型，并计算大型油轮的舵力及力矩；数学模型模块，基于牛顿动量定理和动量矩定理，建立关于纵荡、横荡、艏摇及横摇的四自由度船舶运动的常微分方程组,并将所述计算模块中求得的所述环境干扰力及力矩、所述大型油轮和拖轮的船体水动力及力矩、所述拖轮傍拖大型油轮整体的螺旋桨力及力矩和所述大型油轮的舵力及力矩分别叠加到所述的四自由度船舶运动的常微分方程的右边，得到拖轮傍拖大型油轮的四自由度运动的数学模型；以及输出模块，其利用四阶龙格‑库塔算法对所述数学模型模块所得到的所述拖轮傍拖大型油轮的四自由度运动的数学模型进行结算，输出拖轮傍拖大型油轮的所述四自由度运动的实时动态轨迹，及输出数据文件。...

【技术特征摘要】
1.一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，其特征在于：包括模型模块，其包括几何模型建立子模块和网格划分子模块；其中，所述几何模型建立子模块根据实船尺寸、拖轮数量及拖轮位置构建拖轮傍拖大型油轮的几何模型，其中，所述拖轮的数量大于等于1；所述网格划分子模块对所述几何模型及其周围的计算域进行网格划分，以在计算模块中作为载体，对船体受力进行分析求解；参数模块，其包括环境参数子模块、大型油轮船舶参数子模块和拖轮船舶参数子模块；其中，所述环境参数子模块用于输入实际环境中风、浪和流的参数；所述大型油轮船舶参数子模块和所述拖轮船舶参数子模块分别用于输入大型油轮和拖轮的船舶参数；控制模块，其包括大型油轮控制子模块及拖轮控制子模块,分别控制大型油轮和拖轮的航向和航速；计算模块，基于分离型模型的方法分别建立船、桨、舵及环境的数学模型，其包括环境干扰力及力矩计算子模块、船体水动力及力矩计算子模块、螺旋桨力及力矩计算子模块和舵力及力矩计算子模块；其中，所述环境干扰力及力矩计算子模块分别对风、浪及流建立关于干扰力及力矩的数学模型，并分别计算风、浪、及流的干扰力及力矩，将其叠加在一起得到环境干扰力及力矩；所述船体水动力及力矩计算子模块根据经验公式分别建立大型油轮和拖轮的关于船体水动力及力矩的数学模型，并分别计算大型油轮和拖轮的船体水动力及力矩；所述螺旋桨力及力矩计算子模块根据经验公式建立拖轮傍拖大型油轮整体的关于螺旋桨力及力矩的数学模型，并计算拖轮傍拖大型油轮整体的螺旋桨力及力矩；所述舵力及力矩计算子模块根据经验公式建立大型油轮的关于舵力及力矩的数学模型，并计算大型油轮的舵力及力矩；数学模型模块，基于牛顿动量定理和动量矩定理，建立关于纵荡、横荡、艏摇及横摇的四自由度船舶运动的常微分方程组,并将所述计算模块中求得的所述环境干扰力及力矩、所述大型油轮和拖轮的船体水动力及力矩、所述拖轮傍拖大型油轮整体的螺旋桨力及力矩和所述大型油轮的舵力及力矩分别叠加到所述的四自由度船舶运动的常微分方程的右边，得到拖轮傍拖大型油轮的四自由度运动的数学模型；以及输出模块，其利用四阶龙格-库塔算法对所述数学模型模块所得到的所述拖轮傍拖大型油轮的四自由度运动的数学模型进行结算，输出拖轮傍拖大型油轮的所述四自由度运动的实时动态轨迹，及输出数据文件。2.根据权利要求1所述的一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，其特征在于，所述环境参数子模块包括风、浪和流，其中，所述风包括风向和风级，所述浪包括波高和波向角，所述流包括流向和流速；所述大型油轮船舶参数子模块至少包括船长、船宽、吃水、排水量、方形系数、船舶初稳性高度、盘面比、展弦比、桨直径、螺距比；所述拖轮船舶参数子模块至少包括船长、船宽、吃水、排水量、方形系数、船舶初稳性高度、桨直径、螺距比。3.根据权利要求1所述的一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，其特征在于，所述大型油轮控制子模块包括大型油轮舵机指令和大型油轮主机指令；所述拖轮控制子模块包括拖轮舵机指令和拖轮主机指令；所述大型油轮舵机指令为正负35°之间的舵角；所述拖轮舵机指令为正负90°之间的舵角；所述大型油轮主机指令为前进速度；所述拖轮主机指令为前进速度。4.根据权利要求1所述的一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，其特征在于，所述数学模型模块中得到的所述拖轮傍拖大型油轮的四自由度运动的数学模型为：其中，mv、mt分别为所述大型油轮和所述拖轮的船舶质量；mvx、mtx分别为所述大型油轮和所述拖轮在ox轴方向的附加质量，mvy、mty分别为所述大型油轮和所述拖轮在oy轴方向的附加质量；Ivlcc_zz、Jvlcc_zz分别为所述大型油轮在oz轴方向的转动惯量和附加转动惯量；Itug_zz、Jtug_zz分别为所述拖轮在oz轴方向的转动惯量和附加转动惯量，Ivlcc_xx、Jvlcc_xx分别为所述大型油轮绕ox轴方向的转动惯量和附加转动惯量；Itug_xx、Jtug_xx分别为所述拖轮绕ox轴方向的转动惯量和附加转动惯量；u为船舶在ox轴方向的速度，v为船舶在oy方向的速度，r为艏摇角速度，p为横摇角速度，X，Y，N，L分别为纵向、横向、艏摇、横摇自由度方向上的作用力和力矩，带有VLCC和TUG的下标表示该项力或力矩分别属于所述大型油轮和所述拖轮，H，P，R，D分别代表船体、桨、舵、外界干扰。5.根据权利要求1所述的一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，其特征在于，所述风的干扰力及力矩的数学模型为：其中，Xwind、Ywind、Nwind、Lwind分别为风的干扰力在纵向、横向、艏摇、横摇自由度方向的作用力及力矩，αR为风舷角，右舷来风时αR<0，左舷来风时αR>0，ρa为空气密度，Af为船舶水线以上的正投影面积，As为水线以上的侧投影面积，Loa为总船长，Cwx(αR)、Cwy(αR)、Cwn(αR)分别为x轴和y轴方向上的风压力系数以及绕z轴的风压力系数，Hlm为相对船高，UR为风速；。所述浪的干扰力及力矩的数学模型为：其中，Xwave、Ywave、Nwave、Lwave分别为浪的干扰力在纵向、横向、艏摇、横摇自由度方向的作用力及力矩，a为波幅，k为波数，χ为遭遇角，g为重力加速度，ωe为遭遇频率，t为遭遇时间，B为船宽，dm为吃水，L为船长，Cb为方形系数，ρ为水密度，zb为船舶浮心纵向高度；所述流的干扰力及力矩的作用等同于用流的速度对船舶的速度进行修正，其数学模型为：其中，u、v分别为船舶的对地速度，ur、vr分别为船舶的对水速度，Vc为流速，ψc为流向，ψ为航向。6.根据权利要求1所述的一种拖轮傍拖大型油轮工况的仿真系统，其特征在于，所述船体水动力及力矩按照其产生的原因分为惯性类船体水动力及力矩和粘性类船体水动力及力矩，所述惯性类船体水动力及力矩的作用结果相当于船舶附加质量和船舶附加惯性矩，所述船舶附加质量和附加惯性矩的数学模型为：和3其中，L为船长，B为船宽，d为吃水，Cb为方形系数，mx为船舶纵向附加质量，my为船舶横向附加质量，JZZ为船舶在oz轴方向的附加惯性矩，m为船舶质量,W为船舶的排水量，g为重力加速度，kx为惯性半径，c为系数，Ixx为横摇惯性矩，Jxx为横摇附加惯性矩；所述粘性类船体水动力及力矩的数学模型为：当漂角|β|≤20°时，采用井上模型，为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王子良，张秀凤，尹勇，孙霄峰，神和龙，刘秀文，任俊生，任鸿翔，刘春雷，白宇，苑洋，梁松，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21