一种波浪中三体船纵向运动模拟控制方法技术

本发明专利技术公开了一种波浪中三体船纵向运动模拟控制方法，包括以下步骤：获取目标船舶型线和控制附体基础数据，使用三维建模软件建立裸船体模型和推进器

【技术实现步骤摘要】
一种波浪中三体船纵向运动模拟控制方法


[0001]本专利技术涉及计算机仿真
，具体来说涉及一种波浪中三体船纵向运动模拟控制方法
。

技术介绍

[0002]高性能三体船具有单体舰船无可比拟的横向稳定性优势，但在高速复杂环境航行中会产生较大的升沉和纵摇幅度，这种现象被称为高速船纵向运动
。
高速纵向运动会带来一系列问题，影响船上人员安全
、
货物安全
、
设备安全和船体安全
。
以上一系列不利影响与安全隐患问题的亟待解决，更加凸显了三体船纵向减摇技术在国内外船舶科学研究领域中的重要研究意义与地位，国内外通常采用在船体加装减摇附体，以降低阻力增加回复力矩来提高减摇效果，采用合适的方法对加装附体的减摇效果进行有效评估和预测，能够为高性能船舶波浪中航行性能的提升提供支撑作用
。
[0003]在高性能船舶纵向运动减摇控制研究领域，除了采用费用较高的试验方法外，大多采用简化假设的船舶运动和控制数学仿真模型，通过编译仿真计算程序开展研究，并且取得了很好的运动预报和运动控制效果
。
但是经过简化的数学模型仿真难以获取船舶运动控制过程中和周围环境的交互细节，也难以考虑复杂环境的非线性以及粘性水动力的实时变化反馈
。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术的不足，本专利技术提供一种波浪中三体船纵向运动模拟控制方法
。
本专利技术能够有效对高性能三体船在波浪中航行纵向运动姿态进行控制研究/>。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种波浪中三体船纵向运动模拟控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1
：获取目标船舶型线和船体运动姿态控制附体基础数据，使用三维建模软件建立裸船体模型和推进器
、
舵机和纵向运动控制附体尾压浪板的三维物理模型；
[0008]S2
：将所述裸船体模型
、
推进器
、
舵和尾压浪板的三维物理模型导入
CFD
系统，建立
CFD
数值模拟计算域
、
船体运动域
、
推进器旋转域
、
舵运动域和尾压浪板旋转域，设置相关全局坐标系
、
船体坐标系
、
推进器旋转坐标系和控制附体旋转坐标系；
[0009]S3
：确定所述
CFD
计算域各边界条件和各运动域边界条件，确定所计算工况波浪参数，获取
CFD
数值求解模型；
[0010]S4
：初始化流场及设置，根据所述
CFD
数值模拟计算域和所述
CFD
数值求解模型，实现船舶波浪中纵向运动控制的直接模拟，获取附体控制下船舶航速
、
纵摇
、
垂荡的变化曲线，与无控制情况下船舶航速和姿态曲线进行对比，求得附体对船舶运动姿态控制的结果
。
[0011]进一步地，所述
S2
具体包括以下步骤：
[0012]S201
：将所述推进器和尾板或水翼的物理模型分别作为单独运动模型，将其余物理模型合并为整体运动模型；
[0013]S202
：将获取的整体运动模型和单独运动模型导入
CFD
系统，进行计算区域划分，所述计算区域划分包括背景运动域
、
船体运动域
、
推进器旋转域
、
控制附体旋转域；
[0014]S203
：建立多级坐标系，多级坐标系包括大地坐标系
O
‑
XYZ、
背景域坐标系为
O
B
‑
X
B
Y
B
Z
B
、
船体运动坐标系
O
G
‑
X
G
Y
G
Z
G
、
推进器旋转坐标系
O
p
‑
X
p
Y
p
Z
p
和控制附体旋转坐标系
O
a
‑
X
a
Y
a
Z
a
，其中大地坐标系为固定坐标系，背景域坐标系和船体运动域坐标系为次级坐标系，推进器旋转坐标系和控制附体旋转坐标系为子次级坐标系；
[0015]S204
：建立运动模块，根据船体纵向运动的纵荡
、
垂荡和纵摇自由度，建立船舶纵向运动三自由度运动模块，船舶运动模块根据计算的波浪中船体和控制附体尾压浪板的实时受力，通过刚体运动方程和所述多级坐标系，对船体航速和垂荡纵摇运动姿态进行计算
。
[0016]进一步地，所述
S3
具体包括以下步骤：
[0017]S301
：对所述背景运动域
、
船体运动域
、
推进器旋转域
、
控制附体旋转域进行网格划分和处理，其中建立重叠网格的部分包括背景域与船体运动域之间
、
船体运动域与推进器转子旋转域之间
、
船体运动域和尾压浪板旋转域之间；
[0018]S302
：根据模拟需要设置规则波或不规则波，其中规则波采用斯托克斯五阶波，不规则波采用双重线性叠加方法处理为若干有限数量线性子波叠加，背景域速度入口边界设置为波浪模拟边界条件，以此模拟波浪环境；
[0019]S303
：采用
VOF
自由表面跟踪方法进行自由液面捕捉，选用
k
‑
ε
或
k
‑
ω
湍流模型，设定各计算域的速度入口
、
压力出口
、
壁面
、
重叠网格等边界条件；
[0020]S304
：通过以航速为误差项的自动控制器控制推进器转子转速，通过以纵摇角为误差项的自动控制器控制尾压浪板
。
[0021]进一步地，所述
S4
具体包括以下步骤：
[0022]S401
：初始化设置，设定三体船初始航速并初始化波浪环境；
[0023]S402
：根据每个时间步下船体航速和垂荡纵摇运动迭代结果与目标值的差别，自动更新推进器转速控制器和尾压浪板旋转控制器的对应转速和旋转速度，以此实现波浪中三体船航速和纵向姿态的实时控制
。
[0024]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0025]专利技术提供了一种波浪中三体船纵向运动模拟控制方法，该方法在建立了随机波浪和船体及控制附体运动数值模型的基础上，通过采用以纵摇角为误差项自动控制尾压浪板旋转以控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种波浪中三体船纵向运动模拟控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：获取目标船舶型线和船体运动姿态控制附体基础数据，使用三维建模软件建立裸船体模型和推进器
、
舵机和纵向运动控制附体尾压浪板的三维物理模型；
S2
：将所述裸船体模型
、
推进器
、
舵和尾压浪板的三维物理模型导入
CFD
系统，建立
CFD
数值模拟计算域
、
船体运动域
、
推进器旋转域
、
舵运动域和尾压浪板旋转域，设置相关全局坐标系
、
船体坐标系
、
推进器旋转坐标系和控制附体旋转坐标系；
S3
：确定所述
CFD
计算域各边界条件和各运动域边界条件，确定所计算工况波浪参数，获取
CFD
数值求解模型；
S4
：初始化流场及设置，根据所述
CFD
数值模拟计算域和所述
CFD
数值求解模型，实现船舶波浪中纵向运动控制的直接模拟，获取附体控制下船舶航速
、
纵摇
、
垂荡的变化曲线，与无控制情况下船舶航速和姿态曲线进行对比，求得附体对船舶运动姿态控制的结果
。2.
根据权利要求1所述的一种波浪中三体船纵向运动模拟控制方法，其特征在于，所述
S2
具体包括以下步骤：
S201
：将所述推进器和尾板或水翼的物理模型分别作为单独运动模型，将其余物理模型合并为整体运动模型；
S202
：将获取的整体运动模型和单独运动模型导入
CFD
系统，进行计算区域划分，所述计算区域划分包括背景运动域
、
船体运动域
、
推进器旋转域
、
控制附体旋转域；
S203
：建立多级坐标系，多级坐标系包括大地坐标系
O
‑
XYZ、
背景域坐标系为
O
B
‑
X
B
Y
B
Z
B
、
船体运动坐标系
O
G
‑
X
G
Y
G
Z
G
、
推进器旋转坐标系
O
p...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雷，谢家耀，刘开豪，张佳宁，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：