船舶动力定位系统波浪扰动仿真_宋健

不规则波进行仿真时, 为满足仿真对海浪谱能量占 总能量的足够比率的要求, 海浪谱的仿真频段选为 0. 05 ~ 5. 5 rad s. 为保证足够的仿真精度, 谐波的级 数取到 100 级.
仿真运算所得的规则波纵荡( Surge) 干扰力、横 荡( Sway) 干扰力、艏摇( Yaw) 干扰力矩计算结果如 图 3 所示, 不规则波的计算结果如图 4 所示. 可以看 出: 两者的变化轨迹相似, 在大致相同时间出现各自 的最大值, 数值对应保持在同一数量级上.
平台位置的移动和工作也有重要影响. 本文只考虑波
浪漂移力对船舶的影响. 波浪的数学描述分为规则波 与不规则波两种, 分别研究这两种情况下波浪扰动的
模拟及数值计算模型.
1. 1 规则波干扰力 力矩建模
规则波是指波面近似于正弦波, 具有确定波高、 周期的波浪. 假设波浪对船舶的干扰力 力矩作用符
合 傅 汝 德 - 克 雷 洛 夫 假 设 ( 即 Froude-Krylov Hypothesis) [ 2] , 船舶外形为正六面体, 吃水和船宽不 随船舶纵向位置变化, 即为常数, 截面面积 也为常
反演的线性叠加法在 Matlab Simulink 仿真平台上模拟 出不规则长峰波海浪[ 5] .
海面上固定点长峰波海浪波高方程为 ( t ) =
ai cos( wit - i ) . 随机初相位为[ 0, 2 ] 区间内均
i= 1
匀分布的随机变量, 而谐波波幅 ai 可以通过波能谱
密度函数 S ( w ) 得到. 波能谱密度函数 S ( w ) 有纽
第 4期
宋 健, 等: 船舶动力定位系统波浪扰动仿真
7
波向角, = - .
图 1 船舶与波浪运动坐标系
波浪干扰力一般分为一阶波浪干扰力和二阶波浪
力( 又称波浪漂移力) . 一阶波浪干扰力主要引发船舶纵
摇和垂荡运动, 而波浪二阶漂移力不仅会改变船舶航 行的航向和航迹, 对处于动力定位工况下船舶及钻井
在充分研究波浪扰动作用机理基础上, 本文基 于 Matlab Simulink 完成波浪仿真及其对船舶扰动计 算模块的建立. 以供给船为例, 分别进行规则波和不 规则波波浪干扰力 力矩的计算分析. 仿真结果验证 了所设计模型的有效性.
1 波浪干扰模型的建立
为描述船舶的运动情况, 引入两种坐标系, 大地 坐标系 OX 0 Y0 和波浪运动坐标系 O , 如图 1 所示. 动力定位船舶三自由度低频动力学方程表示为
SONG Jiana, DU Jialub , LI Wenhuaa , SUN Yuqing a, CHEN Haiquana
( a. M ari ne Engineering Coll ege ; b. Inf ormation Science and Technology College , Dalian Marit ime University,
ITTC two- parameter wave spectrum; regular wave; irregular wave
0引言
船舶动力定位是指船舶在不借助锚泊系统情况 下, 利用自身推进装置抵御风、浪、流等外界扰动的 影响, 以一定姿态保持在海面某目标位置, 或使船舶 精确地跟踪某一给定轨迹, 以完成各种作业功能[ 1] . 动力定位系统已广泛应用于各种船舶及海上浮式作 业平台, 是深海开发的关键技术之一, 对我国海洋开 发具有重要的现实意义. 建立一个反映海况和气象 等自然环境对船舶所造成影响的仿真模型, 对船舶 动力定位控制系统设计及其仿真实验研究均具有重 要意义.
数.
计算规则波波浪漂移力和力矩时, 采用波浪漂 移力和力矩的 Daidola 计算公式[ 3]
F = X
D wav
e
1 2
La2 cos
CDXw
FYD = wave
1 2
La2 sin
CDYw
( 2)
M ND = wav e
1 2
L2 a2 sin
CDNw
其中: L 为船长; 为波向角; a 为波幅; w 为波浪圆
3结论
针对动力定位船舶设计控制策略进行仿真实验 研究的需求, 研究计算动力定位船舶波浪扰动作用 的理论基 础, 进而基 于 Matlab Simulink 完成模 型的 设计实现. 针对规则波和不规则长峰波两种情况, 比 较仿真模型作用于 船体的力 力矩. 仿真结果表 明, 该仿真模型作用效果符合船舶实际操纵经验, 模型 整体准确性、有效性达到仿真实验分析研究的要求.
第 37 卷 第 4 期 2011 年 11 月
大 连 海事 大 学学 报 Journal of Dalian Maritime University
文章编号: 1006- 7736( 2011) 04- 0006- 03
船舶动力定位系统波浪扰动仿真
宋 健a, 杜佳璐b , 李文华a, 孙玉清a, 陈海泉a
L
L
L
其中: 为波长; k 为波数; g 为重力加速度,
=2 k
k = w2 g
( 6)
1. 2 不规则波干扰力 力矩建模
不规则波可以看作各种频率规则波的叠加. 经常
把仅存在于主风向方向且有无穷长波线、单向波峰彼
此保持平行的二次不规则波浪称为长峰波海浪[ 4] . 依据
长峰波海浪理论, 可以建立海浪信号的数学模型, 采用 波能谱( 海浪谱) 描述海浪的统计特性, 最终利用海浪
CDXw ( ) = 0. 05 - 0. 2( L ) + 0. 75( L ) 2 - 0. 51( L ) 3
CDYw ( ) = 0. 46 + 6. 83( L ) - 15. 65( L ) 2 + 8. 44( L ) 3 ( 5)
CDNw (
) = - 0. 11+ 0. 68( ) - 0. 79( ) 2 + 0. 21( ) 3
( 9)
可以得到
MN
D w
ave
=
1 2
L2 sin
m
CDXw (
i= 1
i
)
a
2 i
8
大连海事大学学报
第 37 卷
图 2 固定空间点时域海浪仿真波形
F XDw ave = F YDwav e = MNDwav e =
m
L cos
CDXw ( 2 w i g) S ( wi ) w
i= 1
m
L sin
和推进器作用于船舶的力 力矩向量.
图 1 中, 为船舶航向角, 为绝对波向角, 为
收稿日期: 2011-06- 25 基金项目: 国家自然科学基 金资助项目( 51079013) ; 辽宁省教育厅 高等学校科 研资助项 目( LT2010013) ; 中 央高校 基本科
研业务费专项资 金资助项目( 2011QN109) 作者简介: 宋 健 ( 1986- ) , 男, 河北保定人, 研究生, E- mail: sjdmu@ yahoo. com. cn 通信作者: 杜佳璐 ( 1966- ) , 女, 辽宁营口人, 教授, 博士生导师, E-mail: dujl66@ 163. com
Dalian 116026, China)
Abstract: Based on ITTC two- parameter wave spectrum and wave force torque calculation formula, models for the wave simulation and wave disturbance numerical calculation were set up based on Matlab Simulink. Wave disturbance on a supply ship was carried out for regular wave and irregular wave respectively. Results show the effectiveness of the proposed model, which laies a foundation for establishing ship dynamic positioning system s simulation platform with the wind- wave- current disturbance considered comprehensively. Key words: dynamic positioning of ships; wave drift force torque;
频率; h 为波高; T 为波浪周期,
a= h2
w= 2 T
( 3)
根据 Price 和 Bishop 给出的由风速 U 及5U2 + 1. 5
T = - 0. 001 U3 + 0. 042 U2 + 5. 6
( 4)
波浪漂移力 力矩系数计算公式如下:
波和不规则波模型作用下所受波浪干扰力. 计算 结果证明了
所建模型的有效性, 为建立综合考虑风 浪流扰动 的船舶动力
定位系统仿真平台奠定了基础.
关键词: 船舶动力定位; 波浪漂移力 力 矩; ITTC 双参数 谱; 规
则波; 不规则波
中图分类号:TP391. 9
文献标志码: A
Simulation of ship dynamic positioning system disturbance due to wave
CDXw ( 2 wi g) S ( wi ) w
i= 1
m
L2 sin
CDXw ( 2 wi g) S ( wi ) w
i= 1
( 10)
2 仿真运算与分析
基于上述理论基础, 在 Mat lab Simulink 软件平 台上分别建立规则波和不规则波仿真模型. 为验证 所设计船舶动力定位环境扰动模型的有效性, 选择 供给船进行仿真研究. 该船总长 Loa = 50 m, 排水量 W = 900 m3 , 船宽 b = 12 m [.6]