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航海技术中的数学建模应用

航海技术中的数学建模应用 人们在社会实践与科学研究中,常常需要解决许多实际问题,而许多实际问题并不能简单地依靠经验总结,或者估计来解决,而需要从定量的角度分析和研究一个实际人们深入调查研究、了解对象信息、作出简化假设、分析内在规律等工作的基础上,用数学的符号和语言,把它表述为数学式子,也就是数学模型,然后用通过计算得到的模型结果来解释实际问题,并接受实际的检验。这个建立数学模型的全过程就称为数学建模。根据对研究对象所观察到的现象及实践经验,归结成的一套反映其内部因素数量关系的数学公式、逻辑准则和具体算法。用以描述和研究客观现象的运动规律。 船舶抛锚数学建模时考虑的各类因素分析: 锚的类型与重量、锚链的类型与重量、抛出船锚后锚链在船与海底之间所形成的曲线类型、锚链的长度、作用在船体上的外力、能够抓住船舶的力量等。 各因素间的关系: 各关系中最主要的是,拉住船舶与锚的外形所能啮入海底程度有关,即产生锚的抓力;同时也与锚链躺在海底时与海底产生的摩擦力有关。而作用与船舶的外力,如风、流等外力,都是反作用于船舶。要能拉住船舶,即抛锚使船舶相对固定在一定位置,一定是船舶的风、流等外力与锚、锚链、摩擦力等形成大小相等、方向相反的所形成的相互作用力。 总结因素: 锚泊时,锚的总抓力(P)由锚的抓力和链与海底的摩擦力两部分组成。这是建立数学模型时主要考虑的因素情况。各类锚所产生抓力各不相同,一般用抓力系数表达。同样锚链也有抓力系数。通常情况,锚的总抓力与锚重、每米锚链重成正比关系。根据一般知识,当大小、形状确定后某一类型的锚的抓力系数是固定的,所产生的锚的抓力也相对固定,而在一定水深情况下,出链长度决定了锚的总抓力,即出链越长,卧底链越长,链正在海底形成的摩擦力越大,链的抓力越大,总抓力越大,反之越小。 建模: 1、抓力模型: 总抓力=锚抓力+链抓力,对抓力建模: 其中: ----总抓力 ----锚的抓力 ----链的抓力 ----锚抓力系数(各类锚的抓力系数不同。由形状、啮入海底状况决定,一般由试验产生) ----链抓力系数(链的结构、粗细情况决定,一般由试验产生) ----锚在空气中的重量 ----链在空气中的重量 ----躺在海底的链的长度 2、抛出锚链长度建模 要保证安全锚泊的必要条件必须是锚总抓力等于或大于船体所受外力(流、风力)。即: 根据前面公式有,可知,(外力)时船舶安全的。即抓力大于外力。那么有: ; 从而得到: 船舶抛锚时整个锚链长度由以及组成,即 其中是悬链线,其长度公式: 那么计算安全抛出锚链长度的模型为: 式中:第一部分为悬链长度(由悬链线长度公式得到),第二部分为卧底链长(如上图),是链孔处出链至海底的垂直距离,是水中每米链重(因在海水中,链的重量比在空气中的重量略轻),约为0.87倍。 应用: 到此,我们可以计算当在一定外力时,抛出最短锚链长度,或者计算出抛出一定锚链长度时,锚的抓力抵御外力的极限值(最大外力)。此时是安全抛锚的最短长度。 在实际的航海中,有时会根据经验来进行抛锚(出链长度),而经验所计算的链长可以从理论上得到验证。一般经验:当风速为20m/s时(8级风):(水深)。当风速为30m/s时(11级风):。 总结: 上述是在知道船舶抛锚的主要因素以及受力分析的基础上对抛锚需要抛出多少长度的锚链进行数学建模案例。可能过去一些有经验的老船长未必懂得用数学方式计算抛锚时出链长度,他们可能以自己的经验来进行判断,如果这些经验在实际应用中表现出是成功的,那其中一定含有科学原理。从数学建模情况分析,该案例尽管所得到的数学模型是比较简单的,考虑的因素也不复杂,但其中的科学合理性是明显的,应用该模型可以对过去的经验进行验证。案例告诉我们,建立数学模型,主要是对所研究的对象进行比较详细的因素分析,该案例中的因素是锚的形状、锚链形状与长度、从船上抛出锚链到着地(海底)时锚链的形态,以及船舶所受的外力。其次,找出各因素间的关系以及相互的数学关系,进而建立模型。所以,建模的关键是这些因素得到充分考虑。 上述案例并没有考虑某一具体船舶的外形,因各类船舶外形不同、载货量不同造成船舶吃水不同,形成风、流对船舶外力大小的影响也不同。但通常情况下,某一具体船舶所配备的锚、锚链,都是根据每一船舶的具体情况而设计好,也就是已充分考虑到某一船舶的外形的受风情况以及载货后海流对船舶作用情况,进行锚、锚链(不同抓力系数)的配备,所以就单一情况的实船来说,主要考虑船舶抛锚时出链长度,因此可以用上述计算模型计算抛锚出链长度。 2.海上陆标定位: 通常,船舶在海上航行时需要对船舶进行定位,即判定船舶在海图上的而位置,从而指导船舶下一步航行的措施,确定船舶的航行的航向、速度等。船舶定位中,比较传统的方

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