一种平整冰中船舶回转数值模拟方法技术

本申请公开了一种平整冰中船舶回转数值模拟方法，涉及船舶技术领域，该方法将船舶在平整冰中的按照舵角和初始运动参数展开的破冰回转过程离散为若干个时间步长，并在每个时间步长内基于MMG分离建模思想进行迭代求解构建得到船舶在水平面内三自由度的微分运动方程，在时域内应用逐步积分法求解得到船舶的回转运动数值模拟结果。该方法兼顾船体运动和受力的耦合效应，基于经典MMG分离建模思想以及船

【技术实现步骤摘要】
一种平整冰中船舶回转数值模拟方法


[0001]本申请涉及船舶
，尤其是一种平整冰中船舶回转数值模拟方法。

技术介绍

[0002]随着全球气候变暖趋势加剧，北极海冰不断消融，北极航道全面通航也指日可待。随着北极航道的开通，极地船舶作为极区航运贸易、航道运营、资源开发等场景的必需装备，成为各国造船业研发和建造的热点。
[0003]极地船舶除要求具有良好的敞水航行性能外，还要具有良好的冰区快速性能，优良的破冰能力以及冰区操纵性能。操纵性能是船舶航行性能体系的一个重要方面，船舶操纵性能的精确预报对其正常情况下经济运营及紧急情况下安全避险等具有指导和辅助决策作用。与开敞水域船舶操纵性能预报不同，极地船舶在平整冰区操纵性能预报要重点考虑海冰介质的存在对船体运动和受力的影响，船
‑
冰相互作用是极其复杂的非线性动态过程，且船体受到的冰阻力与运动是相互耦合的。
[0004]传统的极地船舶冰区操纵性数值模拟思路主要是基于船舶敞水区域的操纵运动数学模型，在计算水动力导数项时计及冰阻力的影响。目前，国内由于船
‑
冰相互作用数值建模及冰水池试验测试技术发展的滞后，对平整冰中船舶操纵运动数值模拟的研究主要基于常规水域操纵运动数值模型，采用经验公式或简化的数值方法计算连续破冰阻力。这种方法虽然在一定程度上能够获得与国外参考文献相近的数值模拟结果，但对冰区操纵特性的模拟不够精确，大部分研究忽略了冰区操纵过程中船体运动与受力的耦合。

技术实现思路

[0005]本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种平整冰中船舶回转数值模拟方法，本申请的技术方案如下：
[0006]一种平整冰中船舶回转数值模拟方法，该方法包括：
[0007]将船舶在平整冰中的按照舵角δ和初始运动参数展开的破冰回转过程离散为若干个时间步长，并在每个时间步长内基于MMG分离建模思想进行迭代求解构建得到船舶在水平面内三自由度的微分运动方程；船舶在任意第k个时间步长内在水平面内的微分运动方程其中，M为质量矩阵，A为附加质量矩阵，M和A基于船舶的船舶设计参数拟合得到；表示船舶在第k个时间步长内达到预设收敛条件时的航行加速度；F_ice
k
是船舶在第k个时间步长内达到预定收敛条件时的冰阻力，F_hyd
k
是船舶在第k个时间步长内达到预定收敛条件时的水动力；F_ice
k
基于船舶的实时运动参数和实时冰层结构迭代计算得到，F_hyd
k
基于船舶设计参数以及船舶的实时运动参数拟合得到；
[0008]在时域内应用逐步积分法求解船舶在破冰回转过程的各个时间步长内的微分运动方程，得到船舶的回转运动数值模拟结果。
[0009]本申请的有益技术效果是：
[0010]本申请公开了一种平整冰中船舶回转数值模拟方法，该方法基于经典MMG分离建
模思想以及船
‑
冰相互作用物理机理，实现平整冰回转数值模拟，相比于在敞水操纵运动数学模型基础上对连续破冰阻力采用经验估算进行处理的手段，本申请兼顾船体运动和受力的耦合效应，通过建立船体三自由度运动方程进行时域动态评估，评估结果具有更高的可靠性和稳定性，经与实船试验结果对比验证，数值模拟结果具有一定的精度，满足工程应用需求。
[0011]另外，在本申请根据平整冰中船舶回转的运动特征，将运动方程由六自由度简化为三自由度，在确保数值精度的前提下大幅提高了数值模拟效率，并进一步在确保数值精度的前提下忽略了阻尼矩阵和恢复力矩阵，且船舶受到的水动力计算采用成熟的经验公式，经实船测试验证，数值模拟结果精度满足工程应用需求。
[0012]另外，与之前对冰层边缘进行节点离散、将冰层离散为若干圆形或椭圆及将破碎后的海冰离散为楔形或扇形等方式不同，本申请从工程适用性角度创新性的将水线处的冰层预先离散为若干大小相同的正方形网格，且假设冰层是等厚度的。这种离散方法的好处在于既能通过合理的假设建立方形网格与真实碎冰形状的关联性，又能有利于数值算法的实施，大幅提高连续破冰阻力数值模拟的效率。
附图说明
[0013]图1是一个实施例中平整冰中船舶回转数值模拟方法的方法流程图。
具体实施方式
[0014]下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
[0015]本申请公开了一种平整冰中船舶回转数值模拟方法，请参考图1所示的流程图，该方法包括如下步骤：
[0016]一、船体数值的离散。
[0017]首先是船体数值的离散，船舶在平整冰中进行破冰回转时，船体与冰层接触，以及冰层破碎之前对船舶的作用区域主要集中于船体水线附近，因此本申请对船舶的水线WL进行节点离散为若干个线段，每相邻两个节点之间的线段在船舶长度方向上的投影距离ΔL相等。而为了方便获取在后续数值模拟过程中所需的船舶的各类倾角，本申请除了对水线WL进行节点离散之外，还对船舶水线上方预定位置的第一辅助水线WL1以及水线下方预定位置的第二辅助水线WL2按照水线的节点离散方式进行同样方式的节点离散，然后对水线WL、第一辅助水线WL1和第二辅助水线WL2上相应的节点进行计算即可以确定船舶的倾角，本申请中主要使用到的船舶的倾角有船舶的艏部倾角以及水线角α，具体的计算方式是本领域较为通用的做法，本申请不再赘述。
[0018]二、对连续破冰过程的时序离散。
[0019]本申请将船舶在平整冰中的按照舵角δ和初始运动参数展开的破冰回转过程离散为若干个时间步长，以起始值为0的时间步长参数k进行记录，依次分别记为第0个时间步长、第1时间步长、第2时间步长
……
。并在每个时间步长内基于MMG分离建模思想进行迭代求解构建得到船舶的微分运动方程，考虑到船舶在平整冰中做回转运动时，船体的横摇、纵摇和垂荡运动幅值均较小，船体主要受力和运动均在水平面内，因此构建得到船舶在水平面内三自由度包括横荡、纵荡和艏摇的微分运动方程。当船舶在平整冰中进行破冰回转时，
船舶在水平面内三自由度的运动方程的形式为其中，M为质量矩阵，A为附加质量矩阵，B为阻尼矩阵，C为恢复力矩阵，表示船舶的航行加速度，表示船舶的航速，r表示船舶的位置，F_ice是船舶受到的冰阻力，F_hyd是船舶受到的水动力。由于本申请所针对的船舶在平整冰中破冰回转过程通常是在海冰覆盖区域，因此在误差范围内可以忽略阻尼矩阵B和恢复力矩阵C，因此船舶在任意第k个时间步长内在水平面内的微分运动方程可以写为在每个时间步长内的方程建立过程都是类似的，本申请对任意第k个时间步长建立方程的步骤介绍如下，包括如下步骤S1
‑
S7：
[0020]在开展迭代求解时，需要给定一些初始值，包括船舶的初始运动参数和回转使用的舵角δ，以及平整冰初始的冰层结构。初始运动参数包括船舶在第0个时间步长内初始的第0迭代位置第0迭代航速和第0迭代航行加速度第0迭代位置和第0迭代航速作为初始值由用户输入，初始的第0迭代航行加速度通常定为0。
[0021本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平整冰中船舶回转数值模拟方法，其特征在于，所述方法包括：将船舶在平整冰中的按照舵角δ和初始运动参数展开的破冰回转过程离散为若干个时间步长，并在每个时间步长内基于MMG分离建模思想进行迭代求解构建得到船舶在水平面内三自由度的微分运动方程；所述船舶在任意第k个时间步长内在水平面内的微分运动方程其中，M为质量矩阵，A为附加质量矩阵，M和A基于所述船舶的船舶设计参数拟合得到；表示所述船舶在第k个时间步长内达到预设收敛条件时的航行加速度；F_ice
k
是所述船舶在第k个时间步长内达到预定收敛条件时的冰阻力，F_hyd
k
是所述船舶在第k个时间步长内达到预定收敛条件时的水动力；F_ice
k
基于所述船舶的实时运动参数和实时冰层结构迭代计算得到，F_hyd
k
基于船舶设计参数以及船舶的实时运动参数拟合得到；在时域内应用逐步积分法求解船舶在破冰回转过程的各个时间步长内的微分运动方程，得到所述船舶的回转运动数值模拟结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，质量矩阵附加质量矩阵其中，m为船舶设计参数中的船体质量，I
66
是所述船舶沿着随船坐标系的z方向的转动惯量，且基于船舶设计参数中的船舶排水量拟合得到；A
11
是所述船舶在随船坐标系的x方向的附加质量，A
22
是所述船舶在随船坐标系的y方向的附加质量，A
66
是所述船舶在随船坐标系的z方向的附加质量；A
11
、A
22
、A
66
均基于船舶设计参数中的船体质量m、船长L、船宽B、船舶吃水T以及船舶方形系数C
b
拟合得到。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，g是重力加速度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述船舶受到的水动力包括船体的水动力F
H
、螺旋桨的水动力F
P
以及舵的水动力F
R
，船体的水动力F
H
基于船舶设计参数以及船舶的实
时航速拟合得到，螺旋桨的水动力F
P
以及舵的水动力F
R
基于船舶设计参数结合净推力T
net
和流体速度V
f
拟合得到。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，船体的水动力F
H
在水平面三个自由度上的分量分别为：其中，X
H
、Y
H
、N
H
分别为F
H
在随船坐标系的x方向纵荡的分量、在随船坐标系的y方向横荡的分量、在随船坐标系的z方向艏摇的分量；船舶设计参数包括船体湿表面积S
ω
、船体纵向各剖面位置x处的吃水D(x)、船长L以及船体纵向各剖面位置x处的拖曳力系数C
D
(x)；船舶的实时航速包括船舶在随船坐标系的x方向的纵向速度u，以及船舶纵向各剖面位置x处的横向速度v(x)；表示雷诺数，λ是运动学黏性系数，ρ
w
是流体密度。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：刁峰，张海华，陈京普，程红蓉，王伟，万熠璟，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心，
类型：发明
国别省市：