一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，针对管节自身的尺度参数非常特殊，浮运过程受航道条件、浮运距离、水文和气象等多种因素影响，同时需要克服水上交通繁忙和多艘拖轮共同拖航的困难。本发明通过拖轮拖力和位置的不断变化来模拟六艘拖轮在不同风、浪、流海况下协作操纵拖带沉管浮运全过程，沉管位置每变化一次，就对沉管拖力进行一次受力分析，调整不同拖轮的操纵方式，计算单个和总体拖轮受力和沉管所受合力，并在沉管浮运拖带系统中对沉管运动姿态进行显示，获取旋回时间、航迹带宽度、拖轮使用功率等曲线。该方法可实现各艘拖轮的在航道、转向区、基槽拖带方式及转向方式选择与试验，对操控性评价，对转向水域尺度和拖缆长度建议；并判断拖轮配置是否合理。
【专利说明】一种多拖轮协作沉井淳运操纵仿真控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及沉管浮运仿真操控方法，具体涉及一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真 控制方法。
【背景技术】
[0002] 沉管隧道是如今交通运输网的重要组成部分，而沉管浮运是整个水工建设的一个 关键环节。沉管浮运时间跨度长、技术要求高、监管难度大，是大桥建设最关键、最核心的环 节，是一项超级工程。管节自身的尺度参数非常特殊，浮运过程受航道条件、浮运距离、水文 和气象等多种因素影响，同时需要克服水上交通繁忙和多艘拖轮共同拖航的困难，任何搁 浅或碰撞都会带来毁灭性的后果。管节尺寸巨大，流线型差，易受水流影响，自身无动力，多 拖轮协同操纵等特点，使得管节操控难度大；长距离拖航，复杂的海况环境，繁忙的水上交 通，脆弱的混泥土结构，航道宽度限制和浅水区域等不利条件，使得安全保障难度大；水文 气象条件、交通管制时间、工程施工期限都严格限制浮运时间，有限的时间内须完成管节起 浮、出坞、拖航、系泊、沉放、对接等工序，使得浮运时间要求高。
[0003] 因此要求多拖轮协作管节浮运需要在较成熟的条件下进行多次试验才能获得较 好的浮运效果，仿真操控就是一种既省时间、节约成本、又高效可靠的方法。目前国内外对 管节浮运在航道、转向区、基槽内浮运的多拖轮协作操纵仿真的研究较少。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术所存在的不足，而提供一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控 制方法，该方法可实现各艘拖轮的在航道、转向区、基槽拖带方式及转向方式选择与试验， 对操控性评价，对转向水域尺度和拖缆长度建议；并判断拖轮配置是否合理。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案
[0006] 多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，该方法包括如下步骤：
[0007] 1. -种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，其特征在于通过仿真操纵多艘拖 轮协作拖带沉管至目的地过程，获得较好的拖轮配置方案。该方法包括如下步骤：
[0008] (1)设置沉管管节参数，设置风速风向，流速流向，设置拖轮数量、位置档位和初始 拖带角度等参数；
[0009] (2)沉管位移及姿态角每变化一次，就对多拖轮协作操纵进行一次受力分析，并把 拖轮组合力数据在拖轮拖带系统中显示；
[0010] (3)对沉管管节所受外力分析，计算纵向和横向位移及姿态角，生成沉管管节操纵 控制轨迹图。
[0011] 本发明的优选实例中，所述步骤（2)中管节受外力分析包括如下步骤：
[0012] (2. 1)螺旋桨推力及转矩计算；
[0013] (2. 2)舵力及力矩计算；
[0014] (2. 3)单个拖轮主动力及力矩计算；
[0015] (2· 4)拖轮组合合力及力矩计算；
[0016] 在本发明的优选实例中，所述步骤（3)包括如下步骤：
[0017] (3. 1)管节的沉管管节惯性水动力和力矩计算；
[0018] (3. 2)获取总转动惯量；
[0019] (3. 3)粘性类水动力及力矩计算；
[0020] (3. 4)风干涉力及力矩计算；
[0021] 进一步的，所述步骤（3. 1)通过如下公式计算：
[0022]
【权利要求】
1. 一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，其特征在于通过仿真操纵多艘拖轮协 作拖带沉管至目的地过程，获得较好的拖轮配置方案。该方法包括如下步骤： (1) 设置沉管管节参数，设置风速风向，流速流向，设置拖轮数量、位置档位和初始拖带 角度等参数； (2) 沉管位移及姿态角每变化一次，就对多拖轮协作操纵进行一次受力分析，并把拖轮 组合力及力矩数据在拖轮拖带系统中显示； (3) 对沉管管节所受外力分析，计算纵向和横向位移及姿态角，生成沉管管节操纵控制 轨迹图。
2. 根据权利要求书1所述的一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，其特征在 于，所述步骤（2)中拖轮组合力及力矩计算包括如下步骤： (4) 螺旋桨推力及转矩计算； (5) 舵力及力矩计算； (6) 单个拖轮主动力及力矩计算； (7) 拖轮组合合力及力矩计算；
3. 根据权利要求书1所述的一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，其特征在 于，所述步骤（3)中沉管管节所受外力包括如下步骤： (8) 管节的沉管管节惯性水动力和力矩计算； (9) 获取总转动惯量； (10) 粘性类水动力及力矩计算； (11) 风干涉力及力矩计算；
4. 根据权利要求书3所述的一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，其特征在 于，所述步骤（3. 1)用如下公式计算：
(1) 式中： L--管节的长； B--管节的宽； d--管节吃水； Cb--方形系数，是船型因素中的一项，管节借鉴肥大型船舶取方形系数为0.935左 右。
5. 根据权利要求书3所述的一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，其特征在 于，所述步骤（9)中的管节的转动惯量等参数通过实验获得。
6. 根据权利要求书3所述的一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，其特征在 于，所述步骤（10)通过对模型实验结果进行数据回归，找出水动力导数与沉管设计参数之 间的关系，得出近似估算公式。
7. 根据权利要求书3所述的一种多拖轮协作沉井浮运操纵仿真控制方法，其特征在 于，所述步骤（11)通过如下公式计算：
(2) 式中： Va--风速； P a-空气密度； Af--水线以上管节正投影面积； As--水线以上管节侧投影面积； C?(aE)-纵向风压力系数； Cwy(aE)-横向风压力系数； Cwn(aE)-绕Z轴的风压力矩系数。
【文档编号】G05B17/02GK104298124SQ201410366120
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】张 浩, 肖英杰, 周伟, 白响恩, 杨小军, 陈亮 申请人:上海海事大学