王五桂

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

不同舵速對船舶回轉(zhuǎn)性能影響理論與試驗分析

王五桂

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

為分析不同舵速對船舶回轉(zhuǎn)性能的影響，采用理論仿真和模型試驗相結合的方法，基于流體力學和船舶操縱性基本理論，建立三自由船舶運動模型，對模型進行仿真驗證。通過構建自航模試驗系統(tǒng)，進行不同舵速下的自航模試驗，理論與試驗結果表明：不同舵速對戰(zhàn)術直徑、定?；剞D(zhuǎn)直徑和橫距無明顯影響，但對縱距影響較明顯。

舵速 回轉(zhuǎn)性能 數(shù)值仿真 自航模試驗

0 引言

船舶回轉(zhuǎn)性能與避讓、靠離泊、靈活掉頭等操縱密切相關，在船舶設計的不同階段研究船舶回轉(zhuǎn)性能都具有重要的意義［1］。舵是船舶不可缺少的控制裝置，用以船舶的航向保持與轉(zhuǎn)向操縱［2］。文獻［3］針對傳統(tǒng)舵機舵速響應較慢的情況下，提出一種適應于航向控制低速舵機的舵/ 鰭聯(lián)合減搖方法，達到了無需對已有舵機進行改造或更換便可實現(xiàn)橫搖減搖的目的。文獻［4］從減振降噪的角度，提出一種低舵速操舵控制技術，并通過數(shù)字仿真，驗證了此種操舵控制技術的可行性和有效性。文獻［5］通過仿真研究探討了通過提高船的轉(zhuǎn)舵速度來提高船的操縱性能的可行性。

本文采用理論仿真和模型試驗相結合的手段，分析不同舵速對船舶回轉(zhuǎn)性能的影響。理論分析基于流體力學和船舶操縱性基本理論和方法，建立三自由船舶運動模型，通過理論分析和數(shù)值計算等方法，獲取相關水動力系數(shù)，在此基礎上進行不同舵速對船舶回轉(zhuǎn)性能的仿真研究。同時，設計自航模試驗系統(tǒng)，開展模型試驗研究，進行不同舵速對船舶回轉(zhuǎn)性能的試驗研究。通過對理論仿真結果和模型試驗結果進行分析，總結不同舵速對船舶回轉(zhuǎn)運動性能的影響規(guī)律。

1船舶三自由度運動建模

根據(jù)MMG分離建模的思想，運動坐標系的坐標原點取在船舶重心處，假定運動坐標軸為慣性主軸，將作用于運動船舶上的力分解為船體力、螺旋槳力、舵力，建立的船舶三自由度運動數(shù)學模型為［6］

1）船體水動力建模

航行中的船舶所受到的水動力或力矩可以表示為如下形式：

對上式進行泰勒展開及相應的簡化后得到：

2）推進力及力矩建模

船舶航行時，螺旋槳的推力是主控力，用來克服水的阻力，維持船舶的操縱運動。螺旋槳產(chǎn)生的推進和轉(zhuǎn)矩與槳的直徑、轉(zhuǎn)速、進速、水的密度、水的粘性系數(shù)和重力加速度等有關。一般可表示為：

3）舵產(chǎn)生的控制力及力矩建模

根據(jù)船舶運動控制原理，舵提供在船舶橫剖面內(nèi)的控制力，一般可表示為：

上述所建立的模型涉及的水動力系數(shù)可通過計算流體力學（CFD）、船模試驗或經(jīng)驗公式得到，關于水動力系數(shù)的估算方法參見文獻［1］，也可通神經(jīng)網(wǎng)絡等算法對模型中水動力參數(shù)進行辨識得到［7］。

2 船模試驗構架設計

自航模試驗是船舶操縱性能預報的有效手段之一，也是進行操縱性設計優(yōu)劣和計算結果驗證的方法［8］。采用自航模試驗方法驗證不同舵速下對船舶回轉(zhuǎn)性能的影響，試驗水池長 80 m，寬60 m，水深 1.5 m。船?？s尺比為1：33，模型為木質(zhì)，表面油漆、拋光。舵為鋁合金質(zhì)，根據(jù)實船所用舵按縮尺比加工制作及安裝。

1）試驗設備

a）船模重心運動軌跡測量：船模重心運動軌跡的測量采用帶基準站的雙頻RTK-GPS定位系統(tǒng)，定位精度為平面橢圓誤差不大于2 cm。

b）船模航行姿態(tài)測量：采用姿態(tài)方位組合導航系統(tǒng)，精度為：船模水平面方位角測量誤差不大于0.1°；船模姿態(tài)角測量誤差不大于0.2°。

c）運動控制設備：試驗船模的運動控制設備采用數(shù)字式位置控制方式，舵角的位置精度為0.1°，主機的轉(zhuǎn)速精度為5r/min。

2）試驗準備

a）船模與試驗設備的安裝：根據(jù)圖紙文件，完成模型安裝，包括：水線繪制、舭龍骨、軸托架、舵的準確定位和安裝；安裝試驗設備時，應和模型狀態(tài)的調(diào)試同步進行，需要兼顧船模重心的位置。

b）船模狀態(tài)校驗：利用浮態(tài)觀察對船模重心橫向位置和縱向位置進行校驗；利用傾斜試驗對船模重心高度進行校驗；采用空氣中的扭擺周期方法對船模轉(zhuǎn)動慣量進行校驗。

3）試驗內(nèi)容

a）船模航速：2.495 m/s和1.604 m/s，（對應實船航速分別為 28 kn，F(xiàn)n=0.386和 18 kn，F(xiàn)n=0.248）。

b）回轉(zhuǎn)舵角：±20°和±35°。

c）執(zhí)行舵速：船模轉(zhuǎn)舵65度需要的時間分別為4.8s，2.4s和1.2s，對應實船轉(zhuǎn)舵速度為一舷35度至另一舷30度所需時間為28 s，14 s，7 s。

3理論分析

為了驗證所建立的船舶三自由度運動模型的有效性，以某通用船模為研究對象，基于Matlab進行不同舵速下對船舶回轉(zhuǎn)性能影響理論分析。仿真船速為：28 kn、18 kn；舵速為一舷35°至另一舷30°所需時間為28 s，14 s，7 s，5 s。圖1 和2分別給出了航速28 kn和18 kn時不同轉(zhuǎn)舵速度操縱運動仿真結果。

圖1 28km不同轉(zhuǎn)舵速度回轉(zhuǎn)運動仿真結果

根據(jù)上述回轉(zhuǎn)運動仿真軌跡可以看出，船舶的定?；剞D(zhuǎn)直徑隨著轉(zhuǎn)舵速度的改變基本沒有變化，反橫距值本身范圍過小，因而舵速改變對這一特征值的影響不易考察。轉(zhuǎn)舵速度對縱距影響較明顯，當轉(zhuǎn)舵速度增至7s轉(zhuǎn)65度后，轉(zhuǎn)舵速度對縱距影響程度不明顯。

4 試驗結果分析

為了驗證仿真結果的有效性，根據(jù)所構建的自航模試驗系統(tǒng)，根據(jù)試驗內(nèi)容，進行不同舵速下對船舶回轉(zhuǎn)性能影響自航模試驗。限于篇幅，這里只給出了航速為 2.495m/s，轉(zhuǎn)舵 65度 2.4s 下+35°的回轉(zhuǎn)試驗結果和航速為1.604m/s，轉(zhuǎn)舵65度2.4s下+35°的回轉(zhuǎn)試驗結果，如圖3和圖4所示：

圖3 航速為2.495m/s時試驗結果

圖4 航速為1.604m/s時試驗結果

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行分析，轉(zhuǎn)舵速度的變化對戰(zhàn)術直徑、定常回轉(zhuǎn)直徑無明顯影響，考慮到試驗過程中的設備誤差以及環(huán)境干擾，轉(zhuǎn)舵速度對回轉(zhuǎn)直徑以及橫距影響并不明顯。但縱距隨轉(zhuǎn)舵速度的增加而減小，隨著轉(zhuǎn)舵速度提高，對縱距的影響也隨之減少，圖5給出了不同轉(zhuǎn)舵速度下對縱距的影響試驗結果。試驗結果和理論仿真結果一致，說明所得到的結論能夠有效支撐對船舶操縱性研究。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，18 kn工況下，轉(zhuǎn)舵速度對縱距影響具體數(shù)值情況如下：1）轉(zhuǎn)舵65度 4.8 s至耗時 2.4 s 縱距降低的范圍為3%-8%；2）轉(zhuǎn)舵65度2.4 s至耗時1.2 s 縱距基本沒有變化。

28 kn工況下：1）轉(zhuǎn)舵65度4.8 s至耗時2.4 s 縱距降低的范圍為5%-15%；2）轉(zhuǎn)舵65度2.4 s至耗時1.2 s 縱距基本沒有變化。

4 結語

本文主要針對不同轉(zhuǎn)舵速度下對船舶回轉(zhuǎn)運動性能進行數(shù)值計算及模型試驗研究。數(shù)值計算主要通過建立船舶三自由度運動數(shù)學模型，運用計算機仿真方法分析不同轉(zhuǎn)舵速度對船舶回轉(zhuǎn)運動能的影響；模型試驗主要是通過制作試驗用模型，開展不同轉(zhuǎn)舵速度下船舶回轉(zhuǎn)性能試驗，根據(jù)試驗結果來分析不同轉(zhuǎn)舵速度下船舶回轉(zhuǎn)性能的變化規(guī)律。根據(jù)理論仿真結果和模型試驗結果可知，不同轉(zhuǎn)舵速度對戰(zhàn)術直徑、定?；剞D(zhuǎn)直徑和橫距無明顯影響，但縱距隨轉(zhuǎn)舵速度的增加而減小，隨著轉(zhuǎn)舵速度提高，對縱距的影響也隨之減少。理論仿真結果和模型試驗結果一致。

圖7不同轉(zhuǎn)舵速度對縱距影響試驗結果

［1]賈欣樂. 船舶運動數(shù)學模型—機理建模與辨識建模版［M］. 大連: 大連海事大學出版社， 1999: 23-36.

［2]金鴻章， 姚緒梁. 船舶控制原理［M］. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社， 2001: 38- 71.

［3]金鴻章， 王帆. 低舵速下具有能量優(yōu)化的舵鰭聯(lián)合減搖研究［J］. 兵工學報， 2009， 30 （7）: 945-950.

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［5]劉 偉， 許 晟， 王永寧，等. 轉(zhuǎn)舵速度對船舶操縱性影響研究［J］. 中國水運， 2014， 14 （2）: 1-3.

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Analysis of Theory and Experiment for Ship' s Turning Effects Under Different Rudder Speed

Wang Wugui
（China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China）

To analyze the ship's turning effects under different rudder speed， a method including the theory and the experiment is developed. Based on fluid mechanics and manoeuvrability theory， 3-DOF ship motion equation is established， and then the simulation approach is validated for motion equation. The free running model experiments are proceeded by constructing experiment system. Numerical and experimental results indicate that there is non-obviously effects on tantical diameter， steady diameter and transfer under different rudder speed. However the advance decreases with the rise of rudder speed.

rudder speed； turning effect； numerical simulation； free running model experiment

U675.9

A

1003-4862（2016）07-0001-04

2016-02-15

王五桂（1985-），男， 博士。研究方向：船舶航行操縱控制技術。