船舶回转运动仿真

７ ０年 代 国外 的研 究者 相 继 推 导 出 了船 舶 运 动 方 程 ，
为船 舶 操 纵 性 的 研 究 提 供 了 理 论 基 础 。 近 几 年 ，
国内一 些 研 究 者 运 用 不 同 的方 法 建 立 了 船 舶 运 动 数学 模 型 ，对 船 舶 操 纵 性 的 数 值 预 报 进 行 了研 究 ，
ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｓ ｔ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｉ ｐ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｏ ｒ ， ｔ ｈ ｕｓ ｔ ｈ ｅ ｕ ｓ ｅ ｒ ｓ ｆ ｅ ｅ ｌ ｍｏ ｒ ｅ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｉ ｔ ｓ ｈａ ｎ ｄｌ ｉ ｎｇ
摘 要 ： 针对船 舶驾驶 模拟器模 拟 的逼真度 要求 ， 研究 船舶 对 操舵 后 的动 态 响应 。建立 了风 、 流共 同作 用
下船 舶操纵 系统 的动力学 数学模 型 ， 该数 学模 型 为动 态 响应 线性 型 ； 利 用 已 知 的 某 船 型 的 主 机 参 数 和 船 形 尺 寸 参 数， 求 出所需 的相关 量 ， 建 立 船 舶 运 动 仿 真 模 型 并 进 行 相 关 试 验 的 仿 真 。模 拟 了 船 舶 回 转 性 的 试 验 和 风 、 流 共 同 作 用 下对船 舶操纵 性能 的影响试 验 ， 使船 舶 操作 者 进 一 步 了解 船舶 回转性 的特 性 以及 风 、 流 对 于船 舶航 迹 的影 响 。 将该 模 型与船舶 驾驶模 拟 器 结合 ， 用 于 驾驶 模 拟 器模 拟船 舶 操 舵后 的视 觉 仿 真 ， 使 使 用 者 感 觉 其 操 纵 特 性 更 加
ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｓ ｈｉ ｐ ｍｏ ｖ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ； ｓ ｔ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎｇ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ； ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｅ
０ 引 言
甚少。
对 于船 舶 横 向运动 （ ｍ＋ｍ ） （ ， ｎ＋ ｍ ） ／ Ｚ ／ ＂ ＝Ｙ Ｈ＋ｌ ， Ｐ ＋Ｙ Ｒ ；
，
．
、
本 文在 基 于 Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ的船 舶 运 动 响应 数 学 模 型 建 立 的基础 上 ，通 过与 船舶 驾驶 模 拟器 的有 效结 合 ，
・
１ Ｏ・
舰
船
科
学
技
术
第３ ５卷
研 究 。 目前 ， 已 有 相 关 学 者 建 立 了 基 于 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ／
对 于 船 舶 纵 向运 动 （ ， 孔＋ｍ ） ｈ一（ ｍ ＋ｍ ） ｒ ＝ Ｘ日 ＋ 尸＋ Ｘ Ｒ ；
Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ的船 舶运 动 响应 数 学 模 型 ，但 是 相 关 文 章
ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｙ ｓ ｔ ｕｄ ｉ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｉ ｐ ｔ ｏ ｔ ｈｅ ｓ ｔ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎｇ ． Ｆｉ ｒ ｓ ｔ ， ｅ ｓ ｔ ａ ｂｌ ｉ ｓ ｈ ｔ ｈｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ
因 准确 度 原 因 以 及 船 舶 操 纵 的 重 要 性 还 需 进 一 步
基 金项 目： 江苏省高校科研成果 产业化推进 资助项 目（ Ｊ Ｈ Ｂ ２ ０ １ １— ４ １ ） 作 者简介 ： 陈宁 （ １ ９ ６ ３一） ， 男， 教授 ， 长期 从 事 船 舶 动力 系 统 设 计 、 船舶先进 制造技术 、 企 业 信 息 集 成 等研 究 。
对 于船舶 回转运 动
Ｉ ｚ ｚ＋Ｊ ｚ ｚ ＝ＮＨ＋Ｎ Ｐ＋Ｎ Ｒ 。
模 拟 驾驶模 拟 器 操 纵 下 的 船 舶 运 动视 觉 仿 真 ，使 研 究者 能够 从 带 有 约 束 的 风 、浪 、流 环 境 下 直 观 地 放
映船 舶 的操纵 特 性 ，以及 该 约束 环 境 对 船 舶 运 动 轨
逼真。
关键 词 ： 船 舶 运 动模 型 ； 操 舵模 拟 ； 系 统 建 模
中图分 类号 ： Ｕ ６ ７ ５ ． ９ １
文 献标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ： １ ６ ７ ２—７ ６ ４ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３— ０ ０ ０ ９— ０ ６ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ４ ０ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２—７ ６ ４ ９ ． ２ ０ ｌ ３ ． ０ ３ ． ０ ０ ３
第３ ５卷 第 ３期
２ ０ １ ３年 ３月
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ １ ． ３ ５ ，Ｎｏ ． ３
Ｍａ ｒ ．，２ ０１ ３
ＳＨＩ Ｐ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ
船 舶 回 转 运 动 仿 真
陈 宁 ， 龚 苏斌
（ 江 苏科技 大学 能 源与 动 力工程 学院 ， 江苏 镇江 ２ １ ２ ０ ０ ３ ）
Ｔｈｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｓ ｈ ｉ ｐ ｔ ｕ ｒ ｎｉ ｎｇ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｓ ｉ ｍ ｕｌ ｉ ｎ ｋ
ＣＨ ＥＮ Ｎｉ ｎ ｇ， ＧＯＮＧ Ｓ ｕ — ｂ ｉ ｎ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ２ １ ２ ０ ０ ３， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｍａ ｋ ｅ ｔ ｈｅ ｏ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｕ ｎｄ ｅ ｒ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｉ ｐ ｒ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｗｉ ｎｄ ｌｏ ｆ ｗ Ｓ ｉ ｎｆ ｌ ｕｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｎ
量 ，式 （ １ ） 化 简后 为 ］ ：
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ： Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉｄ ｅ ｌ ｉ ｔ ｙ ｒ ｅ ｑ ｕｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｉ ｐ ｄ ｒ ｉ ｖ ｉ ｎ ｇ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｏ ｒ Ｓ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｔ ｈ ｉ ｓ
ｔ ｈ ｅ ｓ ｈｉ ｐ ｕ ｎ ｄｅ ｒ ｔ ｈｅ ｉ ｎ ｌｕｅ ｆ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗｉ ｎｄ ａ ｎｄ ｆ ｌｏ ｗ．Ｔｈｅ ｍ ａ ｔ ｈｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｂ ｅ ｌ ｏ ｎ ｇ ｓ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｔ ｙ ｐｅ ．Ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ，ｕ ｓ ｅ ｔ ｈｅ ｋｎ ｏ ｗｎ ｓ ｈ ｉ ｐ Ｓ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｔ ｏ ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｖ ａ ｌ ｕｅ ｓ ．
Ｔｈ ｉ ｒ ｄ， ｅ ｓ ｔ ａ ｂｌ ｉ ｓ ｈ ａ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎ ｋ ｔ ｏ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｌｕ ｆ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗｉ ｎｄ ａ ｎ ｄ ｌｏ ｆ ｗ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈｉ ｐ ｍａ ｎ ｅ ｕ ｖ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｐ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ， ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｍｅ ａ ｎ ｔ ｉ ｍｅ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｓ ｏ ｃ ｉ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ． Ｗｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｓ ｈ ｉ ｐ ｒ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐａ ｃ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｏ ｆ ｓ ｈ ｉ ｐ ｈ ａ ｎ ｄ ｌ ｉ ｎ ｇ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｕ ｎｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｗｉ ｎ ｄ ｌｏ ｆ ｗ ｉ ｎ ｌｕｅ ｆ ｎ ｃ ｅ．Ｓ ｏ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｔ ｃ ａ ｎ
１ 船 舶 运 动仿 真 建模
船舶 运 动 数 学模心 。 本 文 采 用 日本 拖 曳 水 池 委 员 会
（ Ｊ Ｔ Ｔ Ｃ）提 出的分 离 型 结 构 模 型—— ＭＭ Ｇ 模 型 ，利 用其 船 舶运 动数 学 模 型 的 响应 模 型 表 达 式 ，研 究 船 舶操 纵 性及 船舶 航 向 、航 迹 自动 控制 中的反 应特 性 。 运 动模 型 的 建 立 基 于 １ ３ ０ ０ ０ Ｄ ＷＴ散 货 船 ，具 体 参 数 统计 表 如表 １所 示 。
表 １ １ ３ ０ ０ ０ Ｄ ＷＴ散 货 船 参 数 表
Ｔａ ｂ． １ Ｔｈ ｅ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｏ ｆ １ ３ ００ ０ ＤＷ Ｔ ｂ ｕｌ ｋ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ
船 舶绕 ｚ轴 的 附加 质量 惯性 矩 。 将作 用在 船 体 上 的流 体 动 力 线 性 化 ，忽 略 二 阶
，
式中 ：
，
，
，Ⅳ 为作 用 于 裸 船 体 上 的流 体 动 力 ；
为螺旋 桨 推 力 ；Ｘ ，Ｙ ， Ｎ 为 舵 力 ；ｈ ，
迹 的影 响 ，使 得 船 舶 驾 驶 模 拟 器 的 操 纵 特 性 更 为
逼真。
为 船舶 运 动 的加速 度分 量 ； （＝ ） 为 转首 角加 速 度 ；ｍ 为 船舶 质量 ；ｍ 和 ｍ 为船 舶 沿 轴 和 】 ， 轴 的附加 质 量 ；Ｉ ｚ ｚ 为 船舶 绕 ｚ轴 的质 量 惯性 矩 ；Ｊ ｚ ｚ 为
船 舶 操 纵 性 能 是 指 船 舶 在 外 力 作 用 下 能 够 保 持 或 者 改 变 船舶 的 航 速 、航 向 和 位 置 的 动 态 特 性 ，
包 括 航 向 稳 定 性 和 回转 性 ２个 方 面 。２ ０世 纪 ６ ０、
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ８— ２ ０ ；修 回 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ９—１ ４
ｔ ｈｅ ｓ ｈｉ ｐ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ． Ｔｈｅ ｃ ｏ ｍｂｉ ｎａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄｅ ｌ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｒ ｉ ｖ ｉ ｎ ｇ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｍａ ｉ ｎｌ ｙ ｕｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ