一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，針對管節自身的尺度參數非常特殊，浮運過程受航道條件、浮運距離、水文和氣象等多種因素影響，同時需要克服水上交通繁忙和多艘拖輪共同拖航的困難。本發明通過拖輪拖力和位置的不斷變化來模擬六艘拖輪在不同風、浪、流海況下協作操縱拖帶沉管浮運全過程，沉管位置每變化一次，就對沉管拖力進行一次受力分析，調整不同拖輪的操縱方式，計算單個和總體拖輪受力和沉管所受合力，并在沉管浮運拖帶系統中對沉管運動姿態進行顯示，獲取旋回時間、航跡帶寬度、拖輪使用功率等曲線。該方法可實現各艘拖輪的在航道、轉向區、基槽拖帶方式及轉向方式選擇與試驗，對操控性評價，對轉向水域尺度和拖纜長度建議；并判斷拖輪配置是否合理。
【專利說明】一種多拖輪協作沉井淳運操縱仿真控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及沉管浮運仿真操控方法，具體涉及一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真 控制方法。
【背景技術】
[0002] 沉管隧道是如今交通運輸網的重要組成部分，而沉管浮運是整個水工建設的一個 關鍵環節。沉管浮運時間跨度長、技術要求高、監管難度大，是大橋建設最關鍵、最核心的環 節，是一項超級工程。管節自身的尺度參數非常特殊，浮運過程受航道條件、浮運距離、水文 和氣象等多種因素影響，同時需要克服水上交通繁忙和多艘拖輪共同拖航的困難，任何擱 淺或碰撞都會帶來毀滅性的后果。管節尺寸巨大，流線型差，易受水流影響，自身無動力，多 拖輪協同操縱等特點，使得管節操控難度大；長距離拖航，復雜的海況環境，繁忙的水上交 通，脆弱的混泥土結構，航道寬度限制和淺水區域等不利條件，使得安全保障難度大；水文 氣象條件、交通管制時間、工程施工期限都嚴格限制浮運時間，有限的時間內須完成管節起 浮、出塢、拖航、系泊、沉放、對接等工序，使得浮運時間要求高。
[0003] 因此要求多拖輪協作管節浮運需要在較成熟的條件下進行多次試驗才能獲得較 好的浮運效果，仿真操控就是一種既省時間、節約成本、又高效可靠的方法。目前國內外對 管節浮運在航道、轉向區、基槽內浮運的多拖輪協作操縱仿真的研究較少。
【發明內容】
[0004] 本發明針對現有技術所存在的不足，而提供一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控 制方法，該方法可實現各艘拖輪的在航道、轉向區、基槽拖帶方式及轉向方式選擇與試驗， 對操控性評價，對轉向水域尺度和拖纜長度建議；并判斷拖輪配置是否合理。
[0005] 為了達到上述目的，本發明采用如下的技術方案
[0006] 多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，該方法包括如下步驟：
[0007] 1. -種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，其特征在于通過仿真操縱多艘拖 輪協作拖帶沉管至目的地過程，獲得較好的拖輪配置方案。該方法包括如下步驟：
[0008] (1)設置沉管管節參數，設置風速風向，流速流向，設置拖輪數量、位置檔位和初始 拖帶角度等參數；
[0009] (2)沉管位移及姿態角每變化一次，就對多拖輪協作操縱進行一次受力分析，并把 拖輪組合力數據在拖輪拖帶系統中顯示；
[0010] (3)對沉管管節所受外力分析，計算縱向和橫向位移及姿態角，生成沉管管節操縱 控制軌跡圖。
[0011] 本發明的優選實例中，所述步驟（2)中管節受外力分析包括如下步驟：
[0012] (2. 1)螺旋槳推力及轉矩計算；
[0013] (2. 2)舵力及力矩計算；
[0014] (2. 3)單個拖輪主動力及力矩計算；
[0015] (2· 4)拖輪組合合力及力矩計算；
[0016] 在本發明的優選實例中，所述步驟（3)包括如下步驟：
[0017] (3. 1)管節的沉管管節慣性水動力和力矩計算；
[0018] (3. 2)獲取總轉動慣量；
[0019] (3. 3)粘性類水動力及力矩計算；
[0020] (3. 4)風干涉力及力矩計算；
[0021] 進一步的，所述步驟（3. 1)通過如下公式計算：
[0022]
【權利要求】
1. 一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，其特征在于通過仿真操縱多艘拖輪協 作拖帶沉管至目的地過程，獲得較好的拖輪配置方案。該方法包括如下步驟： (1) 設置沉管管節參數，設置風速風向，流速流向，設置拖輪數量、位置檔位和初始拖帶 角度等參數； (2) 沉管位移及姿態角每變化一次，就對多拖輪協作操縱進行一次受力分析，并把拖輪 組合力及力矩數據在拖輪拖帶系統中顯示； (3) 對沉管管節所受外力分析，計算縱向和橫向位移及姿態角，生成沉管管節操縱控制 軌跡圖。
2. 根據權利要求書1所述的一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，其特征在 于，所述步驟（2)中拖輪組合力及力矩計算包括如下步驟： (4) 螺旋槳推力及轉矩計算； (5) 舵力及力矩計算； (6) 單個拖輪主動力及力矩計算； (7) 拖輪組合合力及力矩計算；
3. 根據權利要求書1所述的一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，其特征在 于，所述步驟（3)中沉管管節所受外力包括如下步驟： (8) 管節的沉管管節慣性水動力和力矩計算； (9) 獲取總轉動慣量； (10) 粘性類水動力及力矩計算； (11) 風干涉力及力矩計算；
4. 根據權利要求書3所述的一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，其特征在 于，所述步驟（3. 1)用如下公式計算：
(1) 式中： L--管節的長； B--管節的寬； d--管節吃水； Cb--方形系數，是船型因素中的一項，管節借鑒肥大型船舶取方形系數為0.935左 右。
5. 根據權利要求書3所述的一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，其特征在 于，所述步驟（9)中的管節的轉動慣量等參數通過實驗獲得。
6. 根據權利要求書3所述的一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，其特征在 于，所述步驟（10)通過對模型實驗結果進行數據回歸，找出水動力導數與沉管設計參數之 間的關系，得出近似估算公式。
7. 根據權利要求書3所述的一種多拖輪協作沉井浮運操縱仿真控制方法，其特征在 于，所述步驟（11)通過如下公式計算：
(2) 式中： Va--風速； P a-空氣密度； Af--水線以上管節正投影面積； As--水線以上管節側投影面積； C?(aE)-縱向風壓力系數； Cwy(aE)-橫向風壓力系數； Cwn(aE)-繞Z軸的風壓力矩系數。
【文檔編號】G05B17/02GK104298124SQ201410366120
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】張 浩, 肖英杰, 周偉, 白響恩, 楊小軍, 陳亮 申請人:上海海事大學