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波浪作用下缆船拖带系统非线性运动数值模拟.pdf

波浪作用下缆船拖带系统非线性运动数值模拟.pdf

上传者: 342290365 2013-01-03 评分 5 0 182 25 825 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《波浪作用下缆船拖带系统非线性运动数值模拟pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含文章编号:()波浪作用下缆船拖带系统非线性运动数值模拟朱军,李炜,程虹(海军工程大学船舶与海洋工程系,湖北武汉海军装备研究院舰船研究所,北京)摘要:符等。

文章编号:()波浪作用下缆船拖带系统非线性运动数值模拟朱军,李炜,程虹(海军工程大学船舶与海洋工程系,湖北武汉海军装备研究院舰船研究所,北京)摘要:基于船舶操纵性运动方程和拖缆的三维动力学运动方程,提出了被拖点位置匹配的方法,建立了拖船拖缆被拖船系统整体非线性拖带动力学模型。为了考察被拖船航向稳定性与横向稳性的关系以及波浪载荷作用的影响,被拖船采用水平面四自由度运动方程,并引入了波浪的作用力和力矩。拖船采用PD控制方法较真实地模拟了拖船航向改变的运动过程。对一个拖船拖缆被拖船系统(t的拖船和t的被拖船)在时域内进行了规则波浪作用下拖带运动的模拟,计算结果表明被拖带船舶在波浪中运动呈现运动稳定、不稳定和临界状态种可能的特性。根据模拟计算结果,认为波浪中拖带航向稳定是被拖带船舶保持稳性的必要条件。关键词:拖曳系统波浪稳性航向稳定性边界条件中图分类号:P文献标识码:ANumericalsimulationofnonlineardynamicmovementoftowedcableshipZHUJun,LIWei,CHENGHong(DeptofNavalArchitectureOceanEng,NavalUnivofEngineering,Wuhan,ChinaInstituteofNavalResearch,Beijing,China)Abstract:Basedontheequationsgoverningthemotionoftheshipandthreedimensionsequationsofthetowedcablesystem,thenonlineartowingsystemdynamicmodelofthetowingshipandtowedshipconnectedwithcableisestablishedbymatchingboththepositionsofthetowedpointofshipandtheendpointofcableForevaluatingtherelationshipbetweencoursestabilityandtransversestabilityofthetowedship,thefourdegreeequationsofthetowedshipisusedinthetowingsystemdynamicmodelFortheresearchonregularwavesinfluenceonthemotionsofthetowedship,thewaveactionforceandmomentontheshipisalsointroducedThetowingshipmotionissimulatedbysteeringrudderusingcontrolruleofPD,sothemotionoftowingshipundersteeringrudderiscalculatedtrulyforsimulationForonetowedsystemthatincludesonetowingshipoftonsandonetowedshipoftonsconnectedbytowingcable,itsmotionsaresimulatedbyusingthenonlineartowingsystemdynamicmodelestablishedinthisresearchThemotioncharacteristicsofthetowedshipshowsthreestates:stable,instableandcriticalunderregularwavesimulationFromtheresultsofthesimulation,onecanseethatforkeepingtransversestabilityofthetowedship,thecoursestabilityofthetowedshipmustbekeptKeywords:towedsystemwavestransversestabilitycoursestabilityboundarycondition收稿日期:作者简介:朱军(),男,江西安福人,教授,主要从事船舶操纵性研究。根据日本对其近海域的海难事故调查,需要救助的遇难船舶日益增多,其中小型船舶占左右,货船和油轮每年大约~。因遭遇海难事故无法航行的船舶在原地放置不仅妨碍其它船舶的航行,甚至有可能引起新的海难事故,以及原油的流出造成海洋环境污染等社会问题,因此需要尽快地将其拖至安全海域、港湾或修船厂。在拖带时为了保证拖带船舶与遇难船舶的航行安全,被拖带船舶的航向稳定性是一个重要的问题。上世纪年起众多的学者对拖带船舶的航向稳定性进行了大量的研究。Strandhangen采用线性理论第卷第期年月海洋工程THEOCEANENGINEERINGVolNoAug分析发现,改变拖缆长度和拖点位置可以使拖航保持稳定。Inoue~同样采用线性理论研究了包括多个被拖带船舶的航向稳定性问题,Inoue假定拖缆在平衡状态下为前后对称的悬链(catenary)曲线,通过拖缆的扰动量导出拖带扰动运动方程,进而采用RouthHurwitz判别式得到了拖缆弹性、拖缆质量对拖带航向稳定性影响。Ohkusu将水下拖体与拖缆作为一个整体建立了拖体缆索的动力学方程,以动态平衡位置为基点摄动展开拖缆张力的扰动量,得到拖体缆索扰动运动方程,同样采用RouthHurwitz判别式分析计算了拖体的纵向运动稳定性。从力学模型上分析,上述方法中Ohkusu的拖体缆索整体的动力学模型能够更准确地反映拖缆对拖体运动的影响,但动力学模型解算上采用了动态平衡位置的扰动运动方程,故而仅仅能对运动稳定性计算分析。为了能够反映拖带船舶运动对被拖带船舶的影响,包括拖缆的作用,严似松等人采用时域方法数值解算拖带航向运动稳定问题,该方法假定拖缆的张力为直航阻力,而Yukawa则根据经验公式计算拖缆张力在运动中的变化,同时还采用了拖缆与被拖带船舶之间水平面内夹角的经验公式,进而计算了倾覆船舶被拖带的航向运动,计算结果与模型试验结果吻合较好。在处理被拖点的运动关系上严似松的方法显得粗糙,Yukawa则借助了经验公式较为符合实际情况(适应范围有限),但是,作用在被拖带船舶的主动力拖缆张力不仅仅与水平面内的夹角有关,更重要的是与拖缆松弛状态相关,也就是拖缆垂直面内的夹角。事实上拖缆松弛状态直接关系到拖缆张力的大小,显然张力大小直接关系到被拖带船舶的运动。波浪作用下被拖船运动特性的研究是一个复杂的问题,在拖带研究的文献资料中往往形式上给出波浪的作用力和力矩,计算结果仅仅给出定性的影响趋势。本文将拖船拖缆被拖船作为一个整体,建立了非线性整体拖带动力学模型,采用被拖带点位置匹配的技术来确定拖缆张力,即被拖船与拖缆的运动学条件。进而在被拖船的运动模型中引入规则波的作用力和力矩,数值模拟得到了规则波作用下被拖船的运动规律。根据数值模拟计算结果,分析了被拖船航向稳定性与稳性的关系,并得到了对拖带作业具有指导意义的结论。拖带船舶与被拖带船舶运动方程按照通常船舶操纵性所采用的坐标系如图所示。惯性坐标系为E,运动坐标系为oixiyizi,下标i=,分别表示拖船与被拖船(下同)。!、!是拖点处拖缆与船体垂直面内夹角,、是拖点处拖缆与船体水平面内夹角。图坐标系定义FigCoordinatesystem为简化起见拖船的运动仅考虑为水平面内个自由度,拖船在水平面内的运动方程如下m(uvrxgr)=Xm(vurxgr)=YIzrmxg(vur)=N()式中:m为船舶质量,xg为船舶重心的纵向坐标,Iz为绕Oz轴的转动惯量,X、Y为作用于船体上沿Ox、Oy方向上的水动力,N为绕Oz轴的外力矩,u、v为坐标原点的速度在船体运动坐标系Ox、Oy轴上的投影分量,r为绕Oz轴的转动角速度。按照MMG分离模型的方法,上式等号右端水动力表达如下X=XHXPXRY=YHYRN=NHNR()式中:下标H、P、R分别表示船体、螺旋桨和舵。为简化起见不考虑拖缆张力对拖带船舶运动的影响,而将焦第期朱军,等:波浪作用下缆船拖带系统非线性运动数值模拟点集中在被拖船与拖缆的相互作用上,即在上式中不包含拖缆的张力。式()中船、桨、舵水动力展开式参见文献。为考虑被拖船的横摇运动,与拖船运动方程相比增加横摇运动方程,即个自由度的运动方程如下m(uvrxgr)=Xm(vurxgr)=YIzrmxg(vur)=NIxp=K()方程右端包括以下部分的水动力X=XHXTXWY=YHYTYWN=NHNTNWK=KHKTKW()式中:下标T!和W!分别表示拖缆张力和风作用力在运动坐标系下投影分量,p为绕Ox轴的转动角速度。令拖缆在被拖点的张力为TT,将张力投影到被拖带船舶运动坐标系上,得到力和力矩为XT=TTcoscos!YT=TTsincos!NT=YTxTPKT=YTzTP()式中:xTP、zTP为被拖点在被拖船运动坐标系中的位置坐标,并隐含了拖点位于船对称面上的假定。目前大部分的研究方法是直接在运动方程中迭加波浪力,这种方法在势流理论范围内被Nonaka用双时标展开法证明是可行的。本文按照船舶耐波性线性理论的划分,将波浪力分为辐射力、入射力和绕射力。辐射力以附加质量形式计入,对于波浪的入射力和绕射力,即仅计入一阶高频波浪谐振力,把入射力和绕射力做线性迭加后,波浪力和力矩如下XW=YW=YWcos(#ety)KW=KWcos(#etk)KW=!NWcos(#etn)()上式中符号!表示波浪力幅值,根据切片理论计算。为波浪力初始相位,#e是遭遇频率,且#e=##gUcos()图拖缆微元段力学模型FigCablesegmentationmodel式中:#为规则波自然圆频率,U为舰船水平面航速,为浪向角,#为顺浪,#为顶浪。上述拖船缆被拖船动力学模型归纳为:拖船简化为自由度水平面运动方程,忽略了波浪风和拖缆对它运动的影响被拖船运动的主动力是拖缆张力,其动力学模型中考虑了横摇运动与水平面运动的耦合影响,风的影响以作用力和力矩的形式计入拖缆张力由下一节的拖缆动力学模型确定,并且通过拖缆拖点和被拖点的边界条件确定其唯一性。拖缆运动方程按照Ablow方法,拖缆微元段缆S(图)的矢量方程如下TSWFB=()式中:T为拖缆断面张力矢量,W、B分别是单位缆长重力和浮力矢量,F是单位缆长流体动力。在拖缆局海洋工程第卷部坐标系下展开后得到拖缆的动力学方程~:My=Nyq()式中:变量y=(T,Ut,Un,Ub,,!)T分别是微元段拖缆的张力、切向速度、个法向速度、局部坐标系到惯性坐标系转换的个欧拉角,上标!和!分别表示对缆长、时间的微分,系数矩阵M、N、q如下式:M=TTcos!Ubcos!UnUbsin!UtUtcos!Unsin!,q=wsin!eTCtUt|Ut|wcos!eTCnununubeTCbubunub,N=mUteeTmmUbcos!mUnmUneeTmmUbsin!mUtmUbeeTmmUtcos!mUnsin!e(eT)(eT)cos!()且,e=EA,w=m(A,m=m(A。E为拖缆的弹性模量,A为拖缆截面面积,m为单位缆长质量,(为水的质量密度,Ct为单位缆长切向水动力无因次系数,Cb和Cn则是单位缆长法向水动力无因次系数,对于圆形截面两者相等。上述拖缆动力学方程中,包括了拖缆的几何与材料属性。对一段有限长度拖缆将其离散为n段,则共有n个独立的方程(式()),(n)个节点共有(n)个未知数,所以尚需通过拖缆两个端点的边界条件确定拖缆运动的唯一性。拖缆的边界条件整个拖带系统由拖船、拖缆、被拖船构成,拖缆是连接拖船和被拖船的中间物,其拖点和被拖点的边界条件决定了这个系统唯一运动。其中拖点张力大小与方向影响到拖船的运动,为了简化起见并不影响问题的本质,忽略拖缆对拖船的影响,拖点的边界条件则由拖船运动决定,即拖点的速度和位置直接取拖船对应点的数值。拖缆的被拖点张力对被拖船而言是主动力,决定了被拖船的运动,同时被拖船的运动状态(包括位置姿态)又影响到拖缆的形态,也就是影响到拖缆被拖点的大小和方向,这又影响到被拖船的运动状态,所以,在处理拖缆被拖点的边界条件时,本文提出了位置匹配方法,具体实现步骤在数值计算中给出。拖点处的边界条件可以这样考虑,拖带船舶在拖点处的运动速度与拖缆拖点的运动速度应该一致,拖带船舶在拖点处的运动速度是通过拖带船舶的运动方程唯一确定的,所以,拖缆拖点的运动速度是唯一的。设拖带船舶坐标系原点的运动速度和角速度分别为V、),拖点在船体运动坐标系下位置为rTP(xTP,yTP,zTP),则船体运动坐标系下拖点速度Up(Uxp,Uyp,Uzp)不难得到:Up=V)rTP()先将Up转换到惯性坐标系(E)中,如下所示Up=UxpcosUypsinUp=UxpsinUypcosUp=Uzp()式中:为拖带船舶的航向角。再将上式转换到拖缆的局部坐标系中,得到拖点在局部坐标系下的三个运动速度(Utp,Unp,Ubp):第期朱军,等:波浪作用下缆船拖带系统非线性运动数值模拟Utp=Upcoscos!Upsincos!Upsin!Unp=Upcossin!Upsinsin!Upcos!Ubp=UpsinUpcos()式()为拖缆运动方程的个补充方程。对于拖缆尾端点的边界条件,与自由拖带边界条件~不同,这里提出位置边界条件:拖缆张力TT作用下被拖带船舶拖点的位置rT作为拖缆尾端点的位置,根据拖曳系统的几何关系不难得到:rT=l(eT)tds且l为拖缆长度,矢量t为拖缆局部坐标系下缆切向单位矢量。将上式转换到惯性坐标系下,并写成分量形式T=l(eT)coscos!dsT=l(eT)sincos!dsT=l(eT)sin!ds()将拖缆运动式()离散后,与拖点边界条件式()和被拖点边界条件式()(离散后)构成拖缆系统封闭的动力学运动方程。缆船非线性系统拖带数值计算数值计算步骤拖船拖缆被拖船构成的非线性拖带系统的数值计算步骤为:选取计算时间步长t,根据拖船动力学方程计算下一时刻的运动根据拖点和被拖点的边界条件,由拖缆动力学方程确定拖缆的阵形及被拖点的张力TT由被拖点的张力TT和被拖带船舶的动力学方程,计算下一时刻的运动,包括被拖点的坐标位置。由于被拖船的主动力是拖缆,所以拖缆张力大小和状态(!和)确定了被拖船的运动,包括被拖点的位置,而被拖点的位置又确定拖缆张力大小和状态,所以,被拖船的运动必需通过被拖点位置的迭代匹配实现。在数值计算中,假定一个合理的被拖点位置rT作为初始值,该初始值作为拖缆的边界条件式(),由封闭的拖缆动力学方程计算得到被拖点张力TT和状态!、,将此代入到式()中,根据被拖带船舶的动力学方程计算得到被拖点的位置rT,若|rTrT|<m,则迭代结束,进入到下一时间步长计算,否则取(rTrT)作为新的被拖点位置,继续计算直到满足迭代精度要求。本研究中,拖带船舶的运动仅仅提供一个拖点的合理运动,没有考虑拖带船舶和拖缆的相互作用影响,而拖缆与被拖带船舶则通过被拖点位置的匹配计入了拖缆和被拖带船舶的相互作用,构成了缆船非线性的整体动力学方法。计算模型参数选取拖带船舶和被拖带船舶的排水量分别约为t、t,船体水动力无因次系数见表。拖缆选取直径为mm的圆截面钢缆。对拖缆缆长l=m,被拖点位置坐标xTP=,拖带航速U=kn的状况进行了大量的数值计算。计算的初始条件为拖带船航速U=kn,初始航向角=#,目标航向角T=#。拖带船的转舵规律取PD控制:=kpkd()式中:、分别为航向偏差和偏差角速度,系数kp、dd分别为PD控制参数。浪向角从#到#,每#为一个计算点。海洋工程第卷表拖船与被拖船的船体无因次水动力系数TabNondimensionalhydrodynamicsoftowingandtowedships符号数值拖带船被拖船符号数值拖带船被拖船mYvvvmYrrrmNvmNTXvrNvvrYvNvrrYrNvvvYvvrNrrrYvrr数值计算分析被拖带舰船在波浪中运动仿真结果表明,被拖带舰船抵抗波浪保持航向稳定的能力非常低,其运动特性呈现种情况:波浪作用下被拖带舰船航向角和横倾角!幅值很小,拖带运动航向稳定,同时横向运动也稳定,如图所示。图波浪作用下被拖带舰船航向角和横倾角变化过程FigThechangeofand!underthewaves图波浪作用下被拖带舰船航向角和横倾角变化过程FigThechangeofand!underthewaves图波浪作用下被拖带舰船航向角和横倾角变化过程FigThechangeofand!underthewaves(波浪作用下被拖带舰船航向角呈现低频振荡,幅值没有明显增大趋势,横倾角!呈现高频振荡,幅值在一定范围内也无明显增大趋势。拖带运动处于稳定与不稳定临界状态,如图所示。)波浪作用下被拖带舰船航向角和横倾角!呈现低频振荡,并且幅值明显增大发散。拖带运动不稳定,如图所示。上述个特性表明,在拖带航速、拖缆长度、拖点位置一定条件下,各浪向角下被拖带舰船运动稳定性存在一个不确定区域,即被拖带舰船的运动不表现明显的稳定性和不稳定性,在这个区域以外则呈现明显的稳定或不稳定运动。表归纳出大致的稳定和不稳定波长。第期朱军,等:波浪作用下缆船拖带系统非线性运动数值模拟表各个浪向角下对应稳定与不稳定的波长TabStableandunstablewaveslengthunderdifferentwaveangles浪向角(#)稳定波长,m不稳定波长,m结语以拖缆动力学方程和被拖带船舶动力学方程为基础,提出了被拖点位置匹配方法,构建了拖船拖缆被拖船整体的非线性拖带动力学方程,被拖带船考虑了波浪的作用,并采用了水平面四自由度的运动方程,通过数值计算手段实现了时间域内任意拖带运动的模拟。对一艘具有航向稳定性船进行了拖带运动数值计算,讨论了波浪作用对被拖带船的航行运动以及横向运动的影响。对计算结果的分析认为:拖船拖缆被拖船整体的非线性拖带动力学方程在时域内能有效模拟拖带运动(波浪载荷是一个扰动因素,其作用导致拖带航向稳定性降低)波浪中拖带,保持拖带的航向稳定是被拖带稳性的必要条件。本文仅对一艘具有航向稳定性的船舶进行了波浪作用下的拖带运动数值计算,对于不具有航向稳定性的情况,以及模拟结果的试验验证,尚需今后进一步深入研究。参考文献:YukawaK,HoshinoK,HaraS,etalHydrodynamicforcesactingoncapsizedvesselwithgeometricalconfigurationanditstowingmethodJJournalofSocietyofNavalArchitectsofJapan,,():StrandhangenAG,SchoenhersKE,KobayashiFMThedynamicstabilityoncourseofyowedshipsJSNME,,:InoueS,KakizakiS,KasaiH,etalThecoursestabilityoftowedboatsJTransactionoftheWestJapanSocietyofNavalArchitects,,:InoueS,LimSTThecoursestabilityoftowedboats(continued)JTransactionoftheWestJapanSocietyofNavalArchitects,,:InoueS,LimSTThecoursestabilityoftowedboatsWhenthemassoftowropesisconsideredJTransactionoftheWestJapanSocietyofNavalArchitects,,:OhkusuM,KashiwagiM,KoterayamaWHydrodynamicsofadepthcontrolledtowedvehicleJJournalofSocietyofNavalArchitectsofJapan,,():严似松,黄根余,姚强,等半潜驳在静水与大风浪中被拖航时的直线稳定性分析J潜水与打捞,,范尚雍,朱军,程智斌驱逐舰操纵性预报J中国造船,,():KNonakaOnthemanoeuvringmotionofashipinwavesJTransactionoftheWestJapanSocietyofNavalArchitects,,:AblowCM,SchechterSNumericalsimulationofunderseacabledynamicsJOceanEngng,,():朱军,庞永杰,徐玉如拖曳线列阵振荡幅值响应特性J海洋工程,,():ZhuJ,LiuJTowedcablearraysystemsimulationsonturningmanoeuversJJournalofNavalUniversityofEngineering,,():朱军,刘军,邓志纯潜艇双拖系统运动仿真研究J船舶力学,,():海洋工程第卷

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