一种解决斜浪中船舶水平运动响应发散的数值模型方法技术

本发明专利技术涉及一种解决斜浪中船舶水平运动响应发散的数值模型方法，具体包含以下步骤，步骤一、在PID(proportional,integral and derivative)自动舵基本控制方程

A Numerical Model Method for Solving the Divergence of Ship Horizontal Motion Response in Oblique Waves

【技术实现步骤摘要】
一种解决斜浪中船舶水平运动响应发散的数值模型方法
本专利技术涉及船舶与海洋工程波浪载荷技术水动力领域，可用于刚体船型及弹性体船型的斜浪中船舶水平运动响应发散的数值模型方法。
技术介绍
众所周知，真实海洋环境是斜浪，海浪可能来自任意方向。在实际航行中，波浪中的船舶都是通过不断地调整舵来保证航向。专利申请人曾在时域内对船舶水平运动进行数值模拟时发现，由于船舶水平运动不具备恢复力，所以在进行船舶水平运动的时历模拟时，一旦发生漂移，没有机制能使船舶回到原来的航向上，即使在规则波中也很难保证稳态解。水平运动的解会在时间步内发生偏移，这种偏移也将严重影响其他运动模态。随着近年来船舶主尺度不断加大，其结构的弹性变形与流体的耦合作用效果愈加显著，本专利技术也同样能够应用到弹性船体结构，即水弹性方法当中。但是现有技术方法(如人工弹簧或采用数字滤波技术)仍然存在如下问题：1.通过施加人工恢复力，即安装人工弹簧来抑制船舶横荡和首摇运动的发散。这种方法可以得到运动的稳态解，但是弹簧刚度的选取带有主观性，会影响运动的幅值和相位，因此这种方法对于实船运动预报并不可取；2.采用数字滤波技术消除发散成分。首先进行滤波所必须的最小步长数的计算，把滤波加到得到的运动位移和速度分量上，在载荷平衡中决定加速度，再把这些值作为出发值再次返回操作，采用时间积分的计算法。这种方法可以消除横荡和首摇的发散，但是该方法耗费机时过多，实际操作不方便。
技术实现思路
本专利技术的目的就是克服上述现有方法的不足，从船舶操纵性出发，借助自动舵考虑舵力效应，将其计入到运动方程中进行求解，以消除漂移现象，从而解决在时域内求解斜浪中船舶水平运动响应解发散的问题。为了解决上述问题，本专利技术提供了种解决斜浪中船舶水平运动响应发散的数值模型方法，具体过程包含以下步骤：步骤一、建立PID自动舵航向偏差修正信号模型：；式中δ为舵角信号，为航向偏差信号；k为比例常数；步骤二、建立下风或上风力矩干扰情况下为使航向保持不变的PID自动舵模型：式中，δR为偏转舵角；η2为船舶的横荡运动幅值；η6为船舶的摇首运动角度；为船舶的摇首角速度；U——船体航速；k1～k3为比例系数，根据使自动舵能适应不同的装载、航速和海况来调节；舵的有效攻角为式中，UR——舵后有效流速；(xR,yR,zR)——舵的位置坐标；——船舶的横荡运动速度；——船舶的纵荡运动速度。步骤三、由于横荡和首摇运动自身不具备恢复力，因此本专利技术只考虑舵力对于横荡和首摇运动方面的影响，引入比例系数K，则横荡和首摇运动上的舵力分量以PID自动舵数值模型的形式表示为：其中，K为比例常数，它应被整定以根据适应载重和环境要求以及避免振荡来整定。由式(5-6)，可将横荡和首摇运动上的舵力分量进一步表示为：步骤四、最终，基于PID自动舵的舵力/矩表达式，将式(8)中横荡和首摇运动上的舵力分量以矩阵的形式表示成如下形式：其中，t指时间。则摇首和横荡运动的阻尼系数BRudder、恢复力系数CRudder，积分项系数ERudder，以矩阵的形式表示如下：步骤五、在时域内，船体运动的非线性水弹性力学方程可以写作如下形式：其中，[a]、[b]、[c]分别为结构广义质量矩阵、广义阻尼矩阵、广义刚度矩阵；[A]、[B]、[C]分别为广义流体附加质量、广义流体附加阻尼和广义流体恢复力系数矩阵；FrI(t)——第r阶入射波力；FrD(t)——第r阶绕射力；Frslamming(t)——第r阶砰击力；pr(t)——主坐标，泛指前面提到的运动，和分别指运动速度和加速度；r是模态数量，r＝1～6是刚体的运动模态，当r＝7～m时，则为船体的弹性振动模态。将舵力即步骤四中的于PID自动舵的舵力/矩表达式(10-12)加入到水弹性时域运动方程(13)中，最终时域方程形式如下方程采用四阶龙格-库塔法求解，在得到主坐标后，利用模态叠加原理，得到船体结构任意剖面x处的位移w(x,t)、弯矩M(x,t)动剪切力V(x,t)。其中，wr(x)、Mr(x)、Vr(x)分别为船体梁位移、弯矩、剪力的第r阶固有振型，可由有限元法或迁移矩阵法得到。附图说明图1是自动舵验证：横荡响应时历曲线；自动舵验证：横荡响应时历(航速U＝14knots,航向角β＝45°,λ/L＝1.0；图2是自动舵验证：艏摇响应时历曲线；艏摇响应时历(航速U＝14knots,航向角β＝45°,λ/L＝1.0；图3是借助自动舵得到的规则波中船舯弯矩与试验值的比较结果，U＝18knots,H＝7m,β＝45°,λ/L＝1.0；图4是借助自动舵得到的不规则波中船舯弯矩与试验值的比较结果，不规则波中垂向弯矩结果展示U＝18knots,H1/3＝14m,β＝45°,TZ＝9.88s。具体实施方式下面具体说明本专利技术的实施方式：以弹性船体为例，一般而言船舶运动可看做是一种波浪激励力下的强迫振动，所以有,其中，[a],[b],[c]——结构广义质量矩阵、广义阻尼矩阵、广义刚度矩阵.{Fr(t)}——每一瞬时第r阶总的流体力，可看做是作用在船体上一系列流体力的组合，可表示为:r＝1,2...6——表示刚体的六个自由度的运动模态；r≥7——弹性模态。{Fr(t)}＝{FrS(t)}+{FrI(t)}+{FrD(t)}+{FrR(t)}+{Frslamming(t)}+{Frδ(t)}(12)其中,{Frs(t)}——第r阶静水回复力；{Frδ(t)}——第r阶舵力(矩)。FrI(t)、FrD(t)——第r阶船体所受的入射波力、绕射波力；{Frslamming(t)}——第r阶船体所受的砰击力；{FrR(t)}——第r阶辐射力；·静水恢复力根据三维水弹性理论，船体广义水动力在第r阶的分量可表示为：其中,P——压力；——法向向量；——弹性结构第r阶位移矢量。船体所受静水压力为:其中，ρ——水密度；g——重力加速度；pka(t)——第k阶主坐标幅值；wk——第k垂向位移。借助三维船体瞬时网格截取，第r阶船体瞬时平均湿表面上的非线性静水恢复力载荷可表示为瞬时湿表面S(t)上的流体静压力的积分：.其中，[Crk]——广义流体恢复力系数矩阵。·入射力和绕射力同理，对于入射波力和绕射波力的计算，同样借助船体瞬时网格的截取，每时每刻将入射波、绕射波压力在瞬时湿表面网格上进行积分：·辐射力第r阶辐射力表示为：式中，广义流体附加质量、广义流体附加阻尼可表示为Re和Im分别表示取结果的实部和虚部。·砰击力基于动量冲击理论，砰击载荷可表示为:其中，m(x,t)——瞬时附加质量；s(x,t)——瞬时浸湿面积；ZR(x,t)——船体与波浪的垂向相对位移。船体与波浪的垂向相对速度可表示为其中,——入射波面垂向速度。然后将砰击载荷在瞬时湿表面S(t)进行积分,则第r阶砰击力为:·舵力PID自动舵的舵力/矩表达式，可以将横荡和首摇运动上的舵力分量以矩阵的形式表达出来，即有：对于摇首和横荡运动的阻尼系数BRudder及恢复力系数CRudder，积分项系数ERudder，以矩阵的形式表示如下：式中：K为比例常数，它应被整定以根据适应载重和环境要求以及避免振荡来整定；UR——计入船体、螺旋桨影响的舵后有效流速。舵后水流的速度可采用下式确定：UR＝1.2U(26)最终，斜浪中有航速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种解决斜浪中船舶水平运动响应发散的数值模型方法，包含以下步骤，步骤一、建立PID自动舵航向偏差修正信号模型：

【技术特征摘要】
1.一种解决斜浪中船舶水平运动响应发散的数值模型方法，包含以下步骤，步骤一、建立PID自动舵航向偏差修正信号模型：；式中δ为舵角信号，为航向偏差信号；k为比例常数；步骤二、建立下风或上风力矩干扰情况下为使航向保持不变的PID自动舵模型：式中，δR为偏转舵角；η2为船舶的横荡运动幅值；η6为船舶的摇首运动角度；为船舶的摇首角速度；U——船体航速；k1～k3为比例系数，根据使自动舵能适应不同的装载、航速和海况来调节；舵的有效攻角为式中，UR——舵后有效流速；(xR,yR,zR)——舵的位置坐标；——船舶的横荡运动速度；——船舶的纵荡运动速度。[0008]步骤三、由于横荡和首摇运动自身不具备恢复力，因此本发明只考虑舵力对于横荡和首摇运动方面的影响，引入比例系数K，则横荡和首摇运动上的舵力分量以PID自动舵数值模型的形式表示为：其中，K为比例常数，它应被整定以根据适应载重和环境要求以及避免振荡来整定；将横荡和首摇运动上的舵力分量进一步表示为：步骤四、最终，基于PID自动舵的舵力/矩表达式，将式(8)中横荡和首摇运动上的舵力分量以矩阵的形式表示成如下形式：其中，t指时间。则摇...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈占阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37