本发明专利技术涉及航海模拟器用船舶运动数学模型的构建，尤其是涉及一种航海模拟器用ＫａＭｅＷａ型喷水推进水翼船运动数学模型的构建。首先根据水翼的水动力特性，建立了考虑水翼浅浸效应的水翼升力、水翼攻角、水翼惯性力的计算方法，然后考虑船舶外界风浪干扰的影响，建立了水翼处波面的计算方法，并拟合船体的横剖面图，在变吃水情形下实时计算船体参数浮心位置、浮力、水线面面积和水线长度，该模型也包括了倒航戽斗的ＫａＭｅＷａ型喷水推进单元的水动力的计算方法。采用本发明专利技术的数学模型，能够满足航海模拟器在培训和科学研究中对多种操纵工况和外界风浪干扰条件下对ＫａＭｅＷａ型喷水推进水翼船操纵的需要。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航海模拟器中船舶运动数学模型构建的领域，尤其是涉及一种KaMeWa型喷 水推进水翼船的运动水动力数学模型的构建。
技术介绍
航海模拟器本质上是一种人-机实时交互系统，通过仿真模型在线模拟船舶对在操纵设备 上所进行的各种操作的响应(即船舶运动状态的变化)，达到航海教育或科学研究的目的。船 舶运动状态的变化由模型解算程序根据每条船的运动数学模型、航行环境以及操船指令实时 获得。每一种类的船舶由于设计目的不同而具有较大的结构差异，导致不同种类的船舶具有 各自的操纵特性和对环境的响应特性，所以在研制航海模拟器时需要对不同种类的船舶分别 建立相应的船舶运动数学模型。KaMeWa型喷水推进水翼船是一种性能优良的新型高速船，而且也是在水路运输应用较 多的一种船型。国外学者Shimizu开发的HYPAT软件包能够对水翼和襟翼的空泡状态进 行研究。大坪英臣开发的TSLAM-FHF软件包对水翼船的垂向运动进行了研究。国内羊少 刚基于理想流体的势流理论，对船舶双体部分的兴波阻力性能和变吃水阻力性能进行计 算。对于喷水推进单元，金平仲介绍了一种内藏式喷水推进器的建造设计原理，Mou Junmin在对喷水推进单元进行建模的时候，采用了简化的方法，即用传统的螺旋桨类比喷 水推进器的方法(本质上仍为传统的螺旋桨推力的建模方法)，对喷水推进单元建立水动力数 学模型。需要指出的是这些研究均是对喷水推进水翼船某一方面的性能进行研究，并且是以船舶 建造为目的而进行的，这也使其很难应用于航海模拟器中。KaMeWa型喷水推进水翼船作为 一种具有特殊结构和性能特点的船舶，普通商船的建模方法和经验公式己经不能够继续适用 。鉴于水翼船在不同的航速时船体姿态和吃水不同，将引起船体参数较大的变化，并且 船舶在航行过程中时刻受到外界风浪的干扰，提出了通过拟合船舶横剖面图实时计算船 型参数，在数学模型水翼升力计算中考虑水翼处次波面的影响并且针对航海模拟器的 应用需要建立了 KaMeWa型喷水推进单元的数学模型，实现了 KaMeWa型喷水推进水翼船各 种不同操纵工况(如旋冋、倒车、横移等)下的操纵运动仿真。参考文献1. 任俊生，杨盐生，高速水翼双体船的结构和运动特点，中国航海学会，高速船及特殊W途特殊结构船 舶航行安全论文集，20002. Shimizu K, Masuyama K， Fukushima M, Takashina J, Ishii N， A study on the hydrodynamics aspects of hybrid hydrofoil catamaran, Proc. 2nd Inter. Conf. on Fast Sea Transportation (FAST'93), 19933. 大评英臣，久保田晃弘，水中翼付S大型高速船O縦運動t縦強度(第l報水中翼^非定常特性t止 面規則波中計算結果)，日本造船学会論文集，1990,第168号4. 羊少刚，李干洛，李洁雅，余灵，新型内河高速双体水翼船设计研究，造船技术，1994,第2期5. 金平仲，船舶喷水推进，国防工业出版社，19866. Mou Junmin, Zou Zaojian, Zhang Xiaotu， Maneuvering simulation of a catamaran with waterjets using a simplified model, Proceedings MARSIM, 20037. 任俊生，杨盐生，高速水翼双体船运动数学模型初探，中国航海学会，高速船及特殊用途特殊结构船 舶航行安全论文集,20008. 任俊生，杨盐生，对高速水翼双体船静水中运动的再研究，北京中国航海学会航海实用新技术研讨 会论文集，20029. 任俊生，杨盐生，静水中高速水翼双体船运动建模和仿真研究，大连海事大学学报,2002， 28(2)10. 任俊生，杨盐生，杜嘉立，高速水翼双体船波浪中运动建模与仿真，大连海事大学学报,2004, 30(2)11. Ren Junsheng, Yang Yansheng， Simulation of heaving and pitching motion of fast boat with hydrofoils, Journal of Dalian Maritime University, 2002, 28(Suppl.)12. 任俊生，杨盐生，刘秀文，高速水翼船模拟器中数学模型的研究，第四届全国虚拟现实Lj可视化学术 会议,2004，大连海事大学出版社13. 任俊生，杨盐生，刘秀文，高速水翼船操纵模拟器中运动数学模型的研究，系统仿真学报，2005,7(2)14. 任俊生，金一丞，随机波浪作用下高速水翼船运动建模与仿真，中国交通研究与探索——第六届全国 交通运输领域青年学术会议论文集(下册),2005,大连海事大学出版社15. Ren Junsheng, Yin Yong， Zhang Xiufeng, Maneuvering and motion simulation of waterjet-propelled ship, Proceedings MARSIM2006 (International Conference on Marine Simulation and Ship Maneuverability), The Netherlands, 200
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是航海模拟器用不同操纵工况和外界环境干扰下KaMeWa型喷 水推进水翼船的运动数学模型。为解决上述技术问题，本专利技术的数学模型建模思路为从航海模拟器培训和科学研究的实际需要出发，利用分离型船舶运动数学模型的建模思想，将KaMeWa型喷水推进水翼船分为水翼、襟翼、船体、外界干扰、喷水推进等模块，分别考察每个模块的水动力作用，然后考虑各模块之间干扰的影响，从而建立如下的航海模拟器用KaMeWa型喷水推进水翼船的运动数学模型(附+— (7W +附y )vr = ^^(y^,r) ++ JTB (/w +附少)i) + (m + mjw = !^(yff,7") + l^々/=—艺O力—+,加)—(A -xG)Vcos0 ——'=i本专利技术对KaMeWa型喷水推进水翼船运动数学模型中水翼升力的计算方法为sm a, cosor,。本专利技术对KaMeWa型喷水推进水翼船运动数学模型中水翼攻角的计算方法为本专利技术对KaMeWa型喷水推进水翼船运动数学模型中水翼惯性力的计算方法为 《,-—m^d + z^ — O^—.本专利技术对KaMeWa型喷水推进水翼船运动数学模型中水翼处波面的计算方法为= C。e—械cos(A:O》_;cG)cos;}f — fi;/)。 本专利技术对KaMeWa型喷水推进水翼船运动数学模型中襟翼液压伺服机构的延迟特性的计 算方法为《《";,+"加。本专利技术KaMeWa型喷水推进水翼船运动数学模型中，通过拟合船体的横剖面图，随着船 舶航速不同而引起的变吃水姿态变化，实时计算船体参数浮心位置、浮力、水线面面积和水 线长度。本专利技术对KaMeWa型喷水推进水翼船运动数学模型中的喷水推进单元的计算方法为Wj = (7jp sin + r力s本文档来自技高网...
【技术保护点】
航海模拟器用ＫａＭｅＷａ型喷水推进水翼船运动数学模型，其特征在于：首先根据水翼的水动力特性，建立考虑水翼浅浸效应的水翼升力、水翼攻角、水翼惯性力的计算方法；然后根据外界风浪对船体干扰的影响因素，建立水翼处次波面的计算方法，并拟合船体的横剖面图，在变吃水情形下实时计算船体参数浮心位置、浮力、水线面面积和水线长度，该模型还包括倒航戽斗的ＫａＭｅＷａ型喷水推进单元的水动力的计算方法；该ＫａＭｅＷａ型喷水推进水翼船运动数学模型如下： ＊＊＊ 其中：ｍ为船舶的质量，ｍ↓［ｘ ］为沿Ｘ向的附加质量，＊为沿Ｘ轴方向的船舶运动加速度，ｍ↓［ｙ］为沿Ｙ向的附加质量，ｖ为沿Ｙ向的船舶速度，ｒ为转首角速度，Ｘ↓［Ｈ］（β，ｒ）为船体上在Ｘ轴方向受到的水动力，β为漂角，Ｘ↓［Ｊ］为ＫａＭｅＷａ型喷水推进器在Ｘ轴方向的作用力，Ｘ↓［Ｂ］为倒车戽斗在Ｘ轴方向的作用力；＊为沿Ｙ轴方向的船舶运动加速度，ｕ为沿Ｘ轴方向的船舶运动速度，Ｙ↓［Ｈ］（β，ｒ）为船体上在Ｙ轴方向受到的水动力，Ｙ↓［Ｊ］为ＫａＭｅＷａ型喷水推进器在Ｙ轴方向的作用力，Ｙ↓［Ｂ］为倒车戽斗在Ｙ轴方向的作用力；Ｉ↓［ｚｚ］和Ｊ↓［ｚｚ］分别为绕Ｚ轴的转动惯量和附加转动惯量，＊为转首角加速度，Ｎ↓［Ｈ］（β，ｒ）为绕Ｚ轴方向船体受到的水动力矩，Ｎ↓［Ｊ］为ＫａＭｅＷａ型喷水推进器绕Ｚ轴方向的作用力矩，Ｎ↓［Ｂ］为倒车戽斗绕Ｚ轴方向的作用力矩；＊为船舶垂荡运动加速度，ξ为船舶在垂直于水平面方向的上浮量，＊为船体纵摇角速度，Ｆ↓［ｆｉ］为由水翼产生的力，Ｆ↓［ｆｐｉ］为由襟翼产生的力，▽为船体的浮力，θ为船体的纵倾角，Ｆ↓［Ｈ］为船体引起的升力，ｇ是重力加速度（９．８米／秒↑［２］）；Ｉ↓［ｙｙ］为船体相对于通过船体重心的Ｙ轴的转动惯量，＊为船体纵摇角加速度；｜ｘ↓［ｆｉ］｜、｜ｘ↓［Ｇ］｜、｜ｘ↓［ｂ］｜、｜ｘ↓［Ｈ］｜分别是水翼升力、船体的重力、浮力作用点和船体的升力作用点到船中的距离；ｘ↓［ｆｉ］、ｘ↓［Ｇ］、ｘ↓［ｂ］和ｘ↓［Ｈ］符号的确定：相对应的作用力作用点如在船中之前，取“＋”号；在船中之后，取“－”号；约定具有右下标ｉ＝１的量与前翼相关，下标ｉ＝２与后翼相关。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：任俊生，金一丞，尹勇，任鸿翔，张秀凤，刘秀文，李志华，张百安，张显库，张新宇，孙霄峰，马烈，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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