国内外拖带系统的研究现状和发展趋势

已经有许多学者对船舶拖带过程中的运动响应、受力情况、操纵性和以及在风浪流载荷多重作用下船舶的耐波性进行了研究和分析。


在六十年代开始,海洋拖带作业受到重视,国内外众多学者对船舶拖带运动响应做了大量深入的的研究分析。

1、 国外研究现状

   1968年,阿尼西莫娃给出一组非线性水动力系列化船模实验结果。

Strandhangen[1]以线性理论为基础,对拖带作业进行研究。他发现可以通过改变缆绳长度和拖缆孔的位置使得拖带船舶保持航向稳定性。Inoue[2]同样以线性理论为基础,研究多条被拖船的航向稳定性问题。Inoue首先假定缆绳处于平衡状态时为对称的悬链状,利用缆绳扰动方程式推导得到运动的方程,然后根据Routh-Hurwitz方程对缆绳进行判别,最终总结出缆绳弹性和质量对拖带作业过程中船舶航向稳定性的作用规律。

Charters[3]以传统线性不变理论研究了拖带作业,选择四种不同的、具有代表性的被拖船作为研究对象,研究了浅水对被拖船稳定性的影响,最后定义了稳定性参数的概念。

   Bernitsas[4] 在考虑了缆绳弹性作用的条件下,分析了被拖船舶非线性情况下的稳定性问题。

   Tao Jiang[5]同样以非线性理论为基础,采用PID自动控制舵,分析了拖带作业中影响其稳定性的因素。

   Wulder[6] 主要研究港内拖船与被拖船相互作用的问题。他选取三种有代表性的大型船舶船做为被拖船舶,利用拖轮进行拖带作业,最后求出拖轮与被拖船相互作用力,分析了影响拖船与被拖船的协调性的因素 。

   Yukawa[7] 选择一艘倾覆了的船舶作为被拖船,利用经验公式计算了拖带作业过程中缆绳张力的变化情况,又利用拖缆水平内夹角经验公式,通过计算结果总结出被拖船的运动情况。通过系列模型实验,验证了其结论的正确性。

   上世纪八十年代起,就有学者利用MMG[8]模型来对船舶的各种运动进行仿真。日本学者小濑邦治利用该模型模拟了Z型拖船的全回转运动,通过试验及计算,分析总结了影响Z型拖船推力、流体力以及拖船和被拖船之间的作用力的因素。贵岛胜郎通过仿真试验,着重研究了水深、缆绳长度、以及水流对拖带过程中船舶稳定性的影响,并分析了这三种因素对稳定性的影响程度,得出了水深对稳定性的影响大于缆绳长度的影响的结论。同时,他通过研究发现,逆流会对拖带作业产生明显的偏离作用。贵岛与古川在受限水域中对拖带过程中拖缆孔位置和缆绳长度进行了研究。贵岛和田着重研究了风对拖带过程中稳定性的影响,通过改变风向和风力,对拖带过程中的稳定性进行比较分析,最后给出了稳定性区域。贵岛和岸本采用损伤船作为被拖船通过模型仿真实验,限制被拖船的运动,分析了影响拖带稳定性的因素。Varyani同样以损伤船作为被拖船,通过系列仿真实验,研究了拖轮助操情况下风对拖带系统的稳定的影响,最后给出了稳定性区域。

2、 国内研究现状

我国著名学者杨盐生[9],通过建立港内助操拖轮数学仿真模型,求出了作用在拖轮上的流体力,总结归纳出估算第四象限中拖船Z型导管桨推力系数的计算方法。张乐文在考虑缆绳弹性的条件下,对单缆拖带作业进行模拟,对被拖船的运动响应进行分析,研究了其稳定性问题。朱军[10-11] 利用被拖点位置匹配技术,把拖船和被拖船以及连接它们的缆绳看成一个整体系统,计算了缆绳张力,对拖带系统进行非线性动力学模型仿真,在不考虑拖船与被拖船相互作用的基础上,分别在静水和波浪中进行模拟,并计算其运动响应。严似松和黄根余[12-13]在分别在静水条件下,研究了拖带过程中航行的稳定性问题,又对了风、浪载荷同时作用下拖带过程的进行数学模型仿真。他们假设拖带过程中船舶没有发生大幅度机动,在不考虑非线性水动力作用的条件下,总结出船速、缆绳长度、纵倾和外界环境对拖带过程的运动响应以及缆绳张力的作用规律。但由于他们的研究忽略了非线性水动力部分,因此不能全面反映拖带系统的操纵性能。戚心源、朱祖祺[14]对拖带系统进行了模型试验,探讨了拖带系统在不规则波浪载荷作用下,缆绳长度、浪向角、船速等因素对其运动和缆绳张力的影响,他们的实验结果在实际工程领域中有很大的实用性。