一种船舶仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种船舶仿真方法及系统，属于仿真技术领域。仿真方法包括：获取船舶的初始位置和运动参数；获取船舶以实验得到的实际六自由度参数；将船舶的初始位置和运动参数输入六自由度船舶运动数学模型，确定船舶的仿真六自由度参数；在仿真六自由度参数与实际六自由度参数的误差超过预设的阈值范围时，调整六自由度船舶运动数学模型的模型参数，重新确定船舶的仿真自由度参数；输出误差在预设的阈值范围内的仿真自由度参数。本发明专利技术仿真方法所采用的六自由度船舶运动数学模型充分考虑了船舶处于非静止状态时进行垂荡运动和纵摇运动耦合影响，能够得出最优六自由度参数，从而提高了船舶仿真的计算精度，降低了实验误差。

Ship simulation method and system

The invention discloses a ship simulation method and a system, belonging to the simulation technology field. The method comprises the following steps: the initial position and get the motion parameters of the ship; the actual six DOF parameters obtained from experiment of the ship; the initial position and motion parameters of the ship type of six degree of freedom ship motion mathematical model, determine the ship's simulation of six degrees of freedom parameter; exceeds a threshold value preset in the error simulation of six degrees of freedom parameter six degrees of freedom and the actual parameters, adjust the model parameters of six degree of freedom ship motion mathematical model, to determine the degree of freedom simulation parameters of the ship; degree of freedom simulation output error threshold in the desired range of parameters. Six degrees of freedom ship motion mathematical model of the simulation method takes full consideration of heave and pitch coupling effect of the ship in the non stationary state, the optimal parameters of six degrees of freedom, so as to improve the calculation accuracy of ship simulation, reduce the experimental error.

【技术实现步骤摘要】
一种船舶仿真方法及系统
本专利技术涉及仿真
，尤其涉及一种船舶仿真方法及系统。
技术介绍
对于水面航行仿真，需要模拟航行器或船只模型，这些被仿真对象，通常会包括对质心平动过程的模拟以及对绕质心转动过程的模拟，质心平动过程需要通过三个自由度来模拟，绕质心转动过程需要通过另外三个自由度来模拟，因此需要通过六个自由度来描述被仿真对象的运动过程。模拟航行中，船舶运动数学模型决定船舶运动状态，其精度直接影响船舶模拟器仿真的逼真度。现有技术的模拟器大多使用的是MMG三自由度模型，对于船舶在大风浪中的摇晃，震荡，摆动等的模拟效果不佳，仿真结果与实际的实验数据之间仍存在较大的误差。
技术实现思路
本专利技术提供了一种船舶仿真方法及系统，旨在解决常规仿真模拟误差较大的问题，本专利技术为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：根据本专利技术的第一个方面，提供了一种船舶仿真方法，包括：获取船舶的初始位置和运动参数；获取船舶以实验得到的实际六自由度参数；将船舶的初始位置和运动参数输入六自由度船舶运动数学模型，确定船舶的仿真六自由度参数；在仿真六自由度参数与实际六自由度参数的误差超过预设的阈值范围时，调整六自由度船舶运动数学模型的模型参数，重新确定船舶的仿真自由度参数；输出误差在预设的阈值范围内的仿真自由度参数。进一步的，将船舶的初始位置和运动参数输入六自由度船舶运动数学模型，确定船舶的仿真六自由度参数的步骤，包括初始化船舶的初始船体位置及其运动的相对位置；初始化船舶的初始船体位置及其运动的相对位置，包括：根据船舶垂直于海平面的第一状态以及船舶摇荡时的第二状态，建立参考坐标系及船体坐标系；取船舶中心为原点，x轴以船舶运动时船艏为正方向，y轴以船舶运动时右舷为正方向，z轴以船舶运动时向下为正方向，建立船体坐标系；取船舶垂直于海平面状态时船舶中心为原点，w轴以船艏为正方向，u轴以船舶静止时右舷为正方向，v轴以船舶静止时向下为正方向，建立参考坐标系；其中，当船舶无六自由度运动且处于平稳匀速无摇摆震荡运动时，船体坐标系与参考坐标系重合；当船舶摇荡时，参考坐标系沿水平方向平移运动。进一步的，六自由度船舶运动数学模型包括作用在船舶的船体的船体力、作用在螺旋桨的螺旋桨力以及二者之间的相互干涉关系，其中，作用在船体的船体力表示如下：-XHI＝A11u-A22vr+A33wq-YHI＝A22v-A11ur+A33pw-ZHI＝A33w-A11uq+A22vp-KHI＝A44p+(A66-A55)qr+(A33-A22)vp-MHI＝A55p+(A44-A66)pr+(A11-A33)uw-NHI＝A66p+(A55-A44)qp+(A22-A11)uv其中，Ajk为附加质量系数，其中，j＝1,2,……，6，k＝1,2,……，6，j＝k，p、q、r分别为船体纵向、横向和垂向的速度，w、u、v分别为绕x、y、z轴的角速度。进一步的，作用在船舶的螺旋桨的螺旋桨力表示如下：YP＝0NP＝0其中，tP＝0.5CP-0.12，YP为螺旋桨产生的横向力，NP为船舶转艏力矩，n为螺旋桨转速，Dp为螺旋桨直径，tp螺旋桨推力减额系数，jp为进速系数，ρ为液体密度，Cp为纵向棱形系数。进一步的，六自由度船舶运动数学模型还包括根据船舶横摇时作用于船舶的水动力关系，确定的回归方程。进一步的，回归方程包括波浪力函数和遭遇频率函数；其中，波浪力函数包括辐射力函数和入射绕射力函数，辐射力函数和入射绕射力函数表示如下：其中，Kjk为j向辐射力脉冲响应函数，Bjk为阻尼系数，η(t)为各项运动速度，Hj为j向入射绕射力响应函数，h(τ)为τ时刻船舶瞬时的波高；遭遇频率函数表示如下：ωc＝ω0+k(X0cosχ+Y0sinχ)其中，ω0为初始频率，k为波数，χ为浪向角。X0，Y0为初始坐标。进一步的，波浪力为一阶波浪力，六自由度船舶运动数学模型的网格总数为3876，船舶的航速下频率w为0.1～12，波浪角为0～315度。进一步的，六自由度船舶运动数学模型包括六自由度运动力学方程，六自由度运动力学方程表示如下：(m+mx)(a+qc-br)＝XH+XP+XR+Xwind+Wwave(m+my)(b+ar-pc)＝YH+YP+YR+Ywind+Ywave(m+mZ)(c+pb-qa)＝ZH+ZP+ZR+Zwind+Zwave(Ixx+Jxx)p+(Izz-Iyy)qr＝KH+KP+KR+Kwind+Kwave(Iyy+Jyy)p+(Ixx-Izz)pr＝MH+MP+MR+Mwind+Mwave(Izz+Jzz)r+(Iyy-Ixx)qr＝NH+NP+NR+Nwind+Nwave，其中，XH，YH，ZH，KH，NH为裸船体在相应的六自由度方向上的力和力矩；下标为P、R的变量分别为螺旋桨和舵的力和力矩；下标为wind与wave的变量分别为风与浪的力与力矩；m为船舶质量；mx、my、mZ分别为纵向、横向和垂向船舶的附加质量；Ixx、Iyy、Izz分别为绕x,y,z轴的转动惯量；Jxx、Jyy、Jzz分别为绕x,y,z轴的附加转动惯量；a,b,c,p,q,r分别为纵向、横向和垂向的速度及绕x,y,z轴的角速度。根据本专利技术的第二个方面，还提供了一种船舶仿真系统，包括：获取单元，用于获取船舶的初始位置和运动参数，以及船舶以实验得到的实际六自由度参数；确定单元，用于将船舶的初始位置和运动参数输入六自由度船舶运动数学模型，确定船舶的仿真六自由度参数；以及在仿真六自由度参数与实际六自由度参数的误差超过预设的阈值范围时，调整六自由度船舶运动数学模型的模型参数，重新确定船舶的仿真自由度参数；输出单元，用于输出误差在预设的阈值范围内的仿真自由度参数。进一步的，确定单元还用于初始化船舶的初始船体位置及其运动的相对位置；初始化船舶的初始船体位置及其运动的相对位置，包括：根据船舶垂直于海平面的第一状态以及船舶摇荡时的第二状态，建立参考坐标系及船体坐标系；取船舶中心为原点，x轴以船舶运动时船艏为正方向，y轴以船舶运动时右舷为正方向，z轴以船舶运动时向下为正方向，建立船体坐标系；取船舶垂直于海平面状态时船舶中心为原点，x轴以船艏为正方向，y轴以船舶静止时右舷为正方向，z轴以船舶静止时向下为正方向，建立参考坐标系；其中，当船舶无六自由度运动且处于平稳匀速无摇摆震荡运动时，船体坐标系与参考坐标系重合；当船舶摇荡时，参考坐标系沿水平方向平移运动。进一步的，六自由度船舶运动数学模型包括作用在船舶的船体的船体力、作用在螺旋桨的螺旋桨力以及二者之间的相互干涉关系，其中，作用在船体的船体力表示如下：-XHI＝A11u-A22vr+A33wq-YHI＝A22v-A11ur+A33pw-ZHI＝A33w-A11uq+A22vp-KHI＝A44p+(A66-A55)qr+(A33-A22)vp-MHI＝A55p+(A44-A66)pr+(A11-A33)uw-NHI＝A66p+(A55-A44)qp+(A22-A11)uv其中，Ajk为附加质量系数，其中，j＝1,2,……，6，k＝1,2,……，6，j＝k，p、q、r分别为船体纵向、横向和垂向的速度，w、u、v分别为绕x、y、z轴的角速度。进一步的，作用在船舶的螺旋桨的螺旋桨力表示如下：Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船舶仿真方法，其特征在于，包括：获取船舶的初始位置和运动参数；获取所述船舶以实验得到的实际六自由度参数；将所述船舶的所述初始位置和所述运动参数输入六自由度船舶运动数学模型，确定所述船舶的仿真六自由度参数；在所述仿真六自由度参数与所述实际六自由度参数的误差超过预设的阈值范围时，调整所述六自由度船舶运动数学模型的模型参数，重新确定船舶的所述仿真自由度参数；输出所述误差在预设的所述阈值范围内的所述仿真自由度参数。

【技术特征摘要】
1.一种船舶仿真方法，其特征在于，包括：获取船舶的初始位置和运动参数；获取所述船舶以实验得到的实际六自由度参数；将所述船舶的所述初始位置和所述运动参数输入六自由度船舶运动数学模型，确定所述船舶的仿真六自由度参数；在所述仿真六自由度参数与所述实际六自由度参数的误差超过预设的阈值范围时，调整所述六自由度船舶运动数学模型的模型参数，重新确定船舶的所述仿真自由度参数；输出所述误差在预设的所述阈值范围内的所述仿真自由度参数。2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，将所述船舶的所述初始位置和所述运动参数输入六自由度船舶运动数学模型，确定所述船舶的仿真六自由度参数的步骤，包括初始化所述船舶的初始船体位置及其运动的相对位置；所述初始化所述船舶的初始船体位置及其运动的相对位置，包括：根据所述船舶垂直于海平面的第一状态以及所述船舶摇荡时的第二状态，建立参考坐标系及船体坐标系；取船舶中心为原点，x轴以所述船舶运动时船艏为正方向，y轴以船舶运动时右舷为正方向，z轴以船舶运动时向下为正方向，建立所述船体坐标系；取船舶垂直于海平面状态时船舶中心为原点，w轴以船艏为正方向，u轴以船舶静止时右舷为正方向，v轴以船舶静止时向下为正方向，建立所述参考坐标系；其中，当所述船舶无六自由度运动且处于平稳匀速无摇摆震荡运动时，所述船体坐标系与所述参考坐标系重合；当所述船舶摇荡时，所述参考坐标系沿水平方向平移运动。3.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述六自由度船舶运动数学模型包括作用在所述船舶的船体的船体力、作用在螺旋桨的螺旋桨力以及二者之间的相互干涉关系，其中，作用在所述船体的船体力表示如下：-XHI＝A11u-A22vr+A33wq-YHI＝A22v-A11ur+A33pw-ZHI＝A33w-A11uq+A22vp-KHI＝A44p+(A66-A55)qr+(A33-A22)vp-MHI＝A55p+(A44-A66)pr+(A11-A33)uw-NHI＝A66p+(A55-A44)qp+(A22-A11)uv其中，Ajk为附加质量系数，其中，j＝1,2,……，6，k＝1,2,……，6，j＝k，p、q、r分别为船体纵向、横向和垂向的速度，w、u、v分别为绕x、y、z轴的角速度。4.根据权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，作用在所述船舶的螺旋桨的所述螺旋桨力表示如下：YP＝0NP＝0其中，tP＝0.5CP-0.12，YP为螺旋桨产生的横向力，NP为船舶转艏力矩，n为螺旋桨转速，Dp为螺旋桨直径，tp螺旋桨推力减额系数，jp为进速系数，ρ为液体密度，Cp为纵向棱形系数。5.根据权利要求3所述的仿真方法，其特征在于，所述六自由度船舶运动数学模型还包括根据所述船舶横摇时作用于所述船舶的水动力关系，确定的回归方程。6.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述回归方程包括波浪力函数和遭遇频率函数；其中，所述波浪力函数包括辐射力函数和入射绕射力函数，所述辐射力函数和入射绕射力函数表示如下：其中，Kjk为j向辐射力脉冲响应函数，Bjk为阻尼系数，η(t)为各项运动速度，Hj为j向入射绕射力响应函数，h(τ)为τ时刻船舶瞬时的波高；所述遭遇频率函数表示如下：ωc＝ω0+k(X0cosχ+Y0sinχ)其中，ω0为初始频率，k为波数，χ为浪向角。X0，Y0为初始坐标。7.根据权利要求6所述的仿真方法，其特征在于：所述波浪力为一阶波浪力，所述六自由度船舶运动数学模型的网格总数为3876，所述船舶的航速下频率w为0.1～12，波浪角为0～315度。8.根据权利要求1-7的任一项所述的仿真方法，其特征在于，所述六自由度船舶运动数学模型包括六自由度运动力学方程，所述六自由度运动力学方程表示如下：(m+mx)(a+qc-br)＝XH+XP+XR+Xwind+Wwave(m+my)(b+ar-pc)＝YH+YP+YR+Ywind+Ywave(m+mZ)(c+pb-qa)＝ZH+ZP+ZR+Zwind+Zwave(Ixx+Jxx)p+(Izz-Iyy)qr＝KH+KP+KR+Kwind+Kwave(Iyy+Jyy)p+(Ixx-Izz)pr＝MH+MP+MR+Mwind+Mwave(Izz+Jzz)r+(Iyy-Ixx)qr＝NH+NP+NR+Nwind+Nwave，其中，XH，YH，ZH，KH，NH为裸船体在相应的六自由度方向上的力和力矩；下标为P、R的变量分别为螺旋桨和舵的力和力矩；下标为wind与wave的变量分别为风与浪的力与力矩；m为船舶质量；mx、my、mZ分别为纵向、横向和垂向船舶的附加质量；Ixx、Iyy、Izz分别为绕x,y,z轴的转动惯量；Jxx、Jyy、Jzz分别为绕x,y,z轴的附加转动惯量；a,b,c,p,q,r分别为纵向、横向和垂向的速度及绕x,y,z轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯坤，白晓亮，张玉柱，徐明亮，吕培，
申请(专利权)人：北京捷安申谋军工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11