波浪中船舶操纵横摇预报及舵效影响分析

赵磊

摘 要：随着我国社会主义现代化建设的不断发展，我国的海洋船舶运输技术得到了前所未有的发展。波浪中船舶操纵横摇预报直接影响着船舶运输的有效开展。该研究将在经典MMG模型的基础上，建立集操纵性、横摇四自由度耦合模型，并在该模型叠加波浪力方式下，对S175自航船模进行操作性、横摇预报，对自航模试验做出验证，模拟了波浪中船舶不同舵速、浪向角下的运动状态，探究了波浪中船舶操纵横摇预报及舵效影响，为相关行业提供一个参考与借鉴。

关键词：波浪中操纵性 横摇预报 舵效 自航模试验

中图分类号：U661.33 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（c）-0168-02

作为海域船舶操纵过程中极为重要的组成部分，波浪中船舶操作性的预报及评估直接影响实海域船舶的操作性能，该评估结果能够在一定程度上提升设计的科学性与有效性，成为国内外科学界的研究重点。对波浪中船舶操纵横摇预报及舵效影响分析有着重要的实践意义与应用价值。

1 坐标系统

在对船舶海洋运行进行研究的过程中，一般需参照地球坐标系与船体坐标系两种，这两个坐标系处于同一水平面，且与海平面呈现齐平状态。将船舶的运动速度设为U 0，其前进速度与相应的位置在船体坐标体系中为，其中u为船舶船体坐标系下的纵向速度；v 为横向速度；r为的是艏摇角速度；p为横摇角速度，通过上述能够得出艏摇角以及横摇角[1]。在地球坐标系中，船舶速度、位置可以在欧拉角的作用下实现矩阵转化，得到相应的V E、E以及E 4×4的值。

2 数学模型

2.1 操纵运动模型

在MMG分离式模型下，可建立横荡、纵荡以及艏摇、横摇的自由度耦合模型。其中设船舶质量为m，船舶的惯性矩为I，附加质量与惯性矩则为m x、m y以及J，船体坐标系重心坐标为（xG，yG，zG），船体力、舵力以及波浪力分别用H，R，W表示。

2.2 船体力

流体力在船体上的作用主要表示为：

由上述可计算出船舶在前进状态下，静水所受的阻力：，复原力臂则为，初稳性高采用表示，横摇阻尼力矩系数用N 表示，通过试验对各项值进行确定。

2.3 螺旋桨力

一般情况下，与船体力相比，螺旋桨所产生的横向力与船舶转艏力矩相对较小，需要对舵力以及舵力矩进行有效修正，进而得出其产生的纵向推力，其表达式为：Xp=（1-t）T （u）=（1-t）

，其中流体密度采用p 表示，推力减额用t表示，由上述可得出推力系数的计算公式，进速系数用Jp表示，通过螺旋桨敞水试验可以得出J0、J1，J2的值。

2.4 舵力

在进行船舵操作时，其流体力可以采用以下计算公式表示：。

其中艏摇力矩用NR表示，横倾矩用KR表示，操舵角则为，舵在船体坐标的纵向位置采用xR表示，一般情况下船体与舵的干扰tR值为0.29，船的方形系数Cb与aH有着极为密切的联系，。舵正压力计算公式为[3]。舵面积、舵升力系数分别用AR、fa表示，且。展弦比、舵的来流速度分别用λR、UR表示，且舵来流的有效冲角采用aR表示，其计算公式为， 舵来流的速度分量分别用uR、vR表示。

2.5 波浪力

该研究采用了三维面原法HydroStar软件对船体在不同航速、波频以及二阶漂移力等进行计算，在频时域的转换作用下对时域操作方程进行计算。通常一阶力主要是对船体摇荡运动的引发，二阶力则主要对船舶航向、航迹进行改变，因此，在进行时域方程横荡、纵荡等计算时，仅用考虑二阶力的作用，横摇方程只需分析一阶力作用，然后对波浪力进行航行速度下的二维插值。

3 模型检验

该研究中采用的是S175自航船模，其尺度比为57.546，其各项相关数据见表1。研究对拟合浆推力以及进速系数曲线进行分析，可以得出J0、J1、J2的值分别为0.493 5、-0.410 3、-0.075 4。另外该研究还对该模型进行了仿真验证。主要包括以下几个方面。

3.1 操作性模块

研究对静水中回转轨迹与Z形时历进行比较，左舵角度为35°，当舵速保持在13°/s时，静水不会出现无因次回转轨迹，计算所得的转艏值明显滞后于试验值。20°/20°Z形的舵角以及艏向角时历仿真结果与试验结果呈现出良好的吻合性，反映出操作性模块具有一定的准确性[4]。

3.2 横摇模块

经过试验研究，可以发现自由横摇衰减仿真研究结果与试验结果有着良好的一致性。

3.3 波浪力模块

研究对波浪中回转轨迹与艏向角时历进行比较。构建了左舵35°、速度为13°/s的无因次回转轨迹以及艏向角时历。该模型能够在一定程度上模拟出波浪中的操作情况，仿真结果与试验结果相比，尽管会伴随时间的增加出现偏离，然而基本处于一致。

4 舵效影响分析

4.1 舵速对舵效的影响

研究对不同转舵速度下（5°/s、13°/s以及30°/s）静水右舵35°无因次回转轨迹试验，可以发现，船舶的转舵速度越高，将会越快进入回转，降低转艏时间。

4.2 浪向对舵效的影响

在两种不同的波浪工况条件下，可以发现在同一波浪工况下，Z 形试验操舵角基本相似，且迎浪船舶转艏速度最快。

5 结语

该研究对船舶波浪中的操纵与横摇运动进行了仿真，并建立了相应的耦合模型，可以发现该模型能够准确反映出预报船舶回转与横摇的特性，操舵速度与浪向对舵效均有不同程度的影响，且船舶在波浪中的回转中产生漂移很大程度上是由于二阶漂移力。

参考文献

[1] 朱冬健，马宁，顾解忡，等.波浪中船舶操纵性数值预报及自航模验证[J].中国舰船研究，2015，10（1）：76-82.

[2] 朱冬健，马宁，顾解忡，等.舵速对船舶波浪中回转及横摇的影响[J].舰船科学技术，2015，31（4）：34-40.