CN110834703A - 一种模拟甲板横摇倾角随外力变化关系分析方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域:
本发明涉及船舶摇摆角度随外力作用的分析方法,具体公开了一种模拟甲板横摇倾角随外力变化关系分析方法。
背景技术:
在海浪和海风作用下,船舶会产生横摇、纵摇以及升降等姿态运动,这对于舰载机及其他设备和人员操作会产生严重影响。为了再现舰船的运动姿态,本发明提出一种70m×20m的全尺寸甲板,可以漂浮在平静水域,在其自带的多组动力***驱动下,实现可控的摇摆运动,为舰载机或其他设备和人员进行训练或实装验证提供实验平台。本发明研究建立浮动甲板模型,分析外力作用下甲板的运动状态,总结不同姿态下的运动条件,船底固定模拟甲板横摇角度随外力作用的变化关系分析方法。
发明内容:
本发明的目的是提供一种模拟甲板横摇倾角随外力变化关系分析方法。
上述方法通过以下步骤实现:
步骤一:设计合理的船体模型以及理想的实验环境,正浮状态下对船底进行固定,使之只发生横摇运动。
模拟甲板的形状设计时,要满足以下几个条件:
(1)在最大设计倾斜角度Φmax时,甲板不没入水线以下;
(2)在最大设计倾斜角度Φmax时,船体不倾覆;
(3)在不借助驱动力作用下,能自动回复到初始状态。
根据以上条件,设计船体模型如图1所示。所设计的船体模型如图1所示,所设计的实验环境如图2所示,实验环境由船体模型(2)、驱动装置(1)、固定装置(3)和水池(4)组成。其中驱动装置(1)为船体模型提供外作用力矩,固定装置(3)安装在船体模型底部,使其只能发生横摇运动。
为准确描述模拟甲板的摇摆姿态,分别建立船体坐标系和大地坐标系。大地坐标系的原点建立在船体模型的底平面、中横剖面和中纵剖面的交点上,记为点O,以船体模型的中线面与基平面的交线为X轴,船艉指向船艏为正方向,中站面与基平面的交线为Y轴,指向右舷为正方向,中站面与中线面的交线为Z轴,垂直向上为正方向,建立大地坐标系OXYZ。同理,建立船体坐标系OX1Y1Z1,初始状态下,大地坐标系与船体坐标系重合。
前述,大地坐标系与船体坐标系重合,即X0=0,Y0=0,Z0=0。
上式中,单位矢量积分别为:
由以上公式可知,确定船体坐标系和大地坐标系的九个余弦角中,除3个相互独立外,其余六个可用正交条件表示。物理模型坐标系在大地坐标系中的角度表示可以用3个Euler角余弦矩阵。
横倾角Φ的变换矩阵:
步骤三:对模型受力分析。
对所设计的模型施加外力,使之发生横摇运动,视运动过程为静态过程,分析倾角为Φ时的受力,得出此状态下船体模型的受力为重力G、浮力F和外力W。由于固定装置提供的拖拉力是通过坐标原点的,其对船舶产生的力矩为0,计算时不予考虑。
在进行力矩的计算过程中,重力的方向始终相对于固定坐标系竖直向下,且大小为G,根据以上条件,得到力矩公式:
Z1G----重力在Z1轴上的坐标位置,m。
由上式得到重力产生的力矩在各个坐标轴上的分量,公式如下:
MxG----重力在大地坐标系中的力矩,N.m。
同理,得外力在船体坐标系的位置在大地坐标系中的表示:
Wx----外力在大地坐标系中X轴上的分量,N;
Wy----外力在大地坐标系中Y轴上的分量,N;
Wz----外力在大地坐标系中Z轴上的分量,N;
W----外力在船体坐标系中的表示,N。
以此类推,外力作用点在船舶坐标系相对于大地坐标系的相对位置变化为:
XW----外力在大地坐标系中X轴方向的分量,m;
YW----外力在大地坐标系中Y轴方向的分量,m;
ZW----外力在大地坐标系中Z轴方向的分量,m;
Z1W----外力在船舶坐标系中Z轴方向的分量,m。
MWx----外力矩在大地坐标系中X轴方向的分量,N.m;
本发明以船体的横摇研究为例,即船体模型在所设立的大地坐标系中绕着X轴旋转的,所以在船体坐标系当中,浮力的作用点在X轴上的坐标位置不会发生变化,为(0,Y1F,Z1F)。由于浮力大小和浮心位置随着没入水中的船体模型的体积的改变而改变,因此,在对浮力进行计算时,引入多个变量计算。首先,将浮力的坐标点由船体坐标系向大地坐标系进行转化:
XF----浮力在大地坐标系中X轴方向的分量,m;
YF----浮力在大地坐标系中Y轴方向的分量,m;
ZF----浮力在大地坐标系中Z轴方向的分量,m;
Y1F----浮力在船舶坐标系中Y轴方向的分量,m;
Z1F----浮力在船舶坐标系中Z轴方向的分量,m。
MxF----浮力力矩在大地坐标系中X轴方向的分量,N.m;
由以上计算,以逆时针方向为正,我们可以得到各个力对物理模型在大地坐标系下的力矩方程:
Mx----总力矩在大地坐标系中X轴方向的分量,N.m;
视任意状态为静态过程,其合力矩为0,得出外力随倾角变化关系表达式如下:
附图说明:
附图1是本发明的船体模型图。
附图2是本发明的实验环境示意图。
附图3是本发明的坐标系示意图。
附图4是本发明的受力分析图。
具体实施方式:
步骤一:设计合理的船体模型以及理想的实验环境,正浮状态下对船底进行固定,使之只发生横摇运动。
模拟甲板的形状设计时,要满足以下几个条件:
(1)在最大设计倾斜角度Φmax时,甲板不没入水线以下;
(2)在最大设计倾斜角度Φmax时,船体不倾覆;
(3)在不借助驱动力作用下,能自动回复到初始状态。
根据以上条件,设计船体模型如图1所示。所设计的船体模型如图1所示,所设计的实验环境如图2所示,实验环境由船体模型(2)、驱动装置(1)、固定装置(3)和水池(4)组成。其中驱动装置(1)为船体模型提供外作用力矩,固定装置(3)安装在船体模型底部,使其只能发生横摇运动。
为准确描述模拟甲板的摇摆姿态,分别建立船体坐标系和大地坐标系。大地坐标系的原点建立在船体模型的底平面、中横剖面和中纵剖面的交点上,记为点O,以船体模型的中线面与基平面的交线为X轴,船艉指向船艏为正方向,中站面与基平面的交线为Y轴,指向右舷为正方向,中站面与中线面的交线为Z轴,垂直向上为正方向,建立大地坐标系OXYZ。同理,建立船体坐标系OX1Y1Z1,初始状态下,大地坐标系与船体坐标系重合。
前述,大地坐标系与船体坐标系重合,即X0=0,Y0=0,Z0=0。
上式中,单位矢量积分别为:
由以上公式可知,确定船体坐标系和大地坐标系的九个余弦角中,除3个相互独立外,其余六个可用正交条件表示。物理模型坐标系在大地坐标系中的角度表示可以用3个Euler角余弦矩阵。
横倾角Φ的变换矩阵:
步骤三:对模型受力分析。
对所设计的模型施加外力,使之发生横摇运动,视运动过程为静态过程,分析倾角为Φ时的受力,得出此状态下船体模型的受力为重力G、浮力F和外力W。由于固定装置提供的拖拉力是通过坐标原点的,其对船舶产生的力矩为0,计算时不予考虑。
步骤四:由公式可以得出重力G、浮力F和外力W对船体模型的作用力矩,根据稳态过程中合力矩为0的条件,可得出模拟甲板横摇倾角Φ随外力作用的变化关系。
在进行力矩的计算过程中,重力的方向始终相对于固定坐标系竖直向下,且大小为G,根据以上条件,得到力矩公式:
Z1G----重力在Z1轴上的坐标位置,m。
由上式得到重力产生的力矩在各个坐标轴上的分量,公式如下:
MxG----重力在大地坐标系中的力矩,N.m。
同理,得外力在船体坐标系的位置在大地坐标系中的表示:
Wx----外力在大地坐标系中X轴上的分量,N;
Wy----外力在大地坐标系中Y轴上的分量,N;
Wz----外力在大地坐标系中Z轴上的分量,N;
W----外力在船体坐标系中的表示,N。
以此类推,外力作用点在船舶坐标系相对于大地坐标系的相对位置变化为:
XW----外力在大地坐标系中X轴方向的分量,m;
YW----外力在大地坐标系中Y轴方向的分量,m;
ZW----外力在大地坐标系中Z轴方向的分量,m;
Z1W----外力在船舶坐标系中Z轴方向的分量,m。
MWx----外力矩在大地坐标系中X轴方向的分量,N.m;
本发明以船体的横摇研究为例,即船体模型在所设立的大地坐标系中绕着X轴旋转的,所以在船体坐标系当中,浮力的作用点在X轴上的坐标位置不会发生变化,为(0,Y1F,Z1F)。由于浮力大小和浮心位置随着没入水中的船体模型的体积的改变而改变,因此,在对浮力进行计算时,引入多个变量计算。首先,将浮力的坐标点由船体坐标系向大地坐标系进行转化:
XF----浮力在大地坐标系中X轴方向的分量,m;
YF----浮力在大地坐标系中Y轴方向的分量,m;
ZF----浮力在大地坐标系中Z轴方向的分量,m;
Y1F----浮力在船舶坐标系中Y轴方向的分量,m;
Z1F----浮力在船舶坐标系中Z轴方向的分量,m。
MxF----浮力力矩在大地坐标系中X轴方向的分量,N.m;
由以上计算,以逆时针方向为正,我们可以得到各个力对物理模型在大地坐标系下的力矩方程:
Mx----总力矩在大地坐标系中X轴方向的分量,N.m;
视任意状态为静态过程,其合力矩为0,得出外力随倾角变化关系表达式如下:
Claims (1)
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CN201911115932.XA CN110834703A (zh) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | 一种模拟甲板横摇倾角随外力变化关系分析方法 |
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ID=69575078
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CN201911115932.XA Pending CN110834703A (zh) | 2019-11-15 | 2019-11-15 | 一种模拟甲板横摇倾角随外力变化关系分析方法 |
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Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20050097014A (ko) * | 2004-03-30 | 2005-10-07 | 삼성탈레스 주식회사 | 선박에 장착되는 조준 장치의 시차 보정 방법 |
CN101881620A (zh) * | 2010-06-25 | 2010-11-10 | 哈尔滨工程大学 | 基于光纤陀螺惯性测量***的船舶横纵荡信息测量方法 |
CN103727937A (zh) * | 2013-11-20 | 2014-04-16 | 中国人民解放军海军大连舰艇学院 | 一种基于星敏感器的舰船姿态确定方法 |
JP2014165511A (ja) * | 2013-02-21 | 2014-09-08 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法 |
CN104459608A (zh) * | 2014-11-27 | 2015-03-25 | 中国船舶重工集团公司第七二四研究所 | 一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法 |
CN105825061A (zh) * | 2016-03-17 | 2016-08-03 | 大连海事大学 | 一种基于stl模型的船舶任意浮态计算方法 |
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2019
- 2019-11-15 CN CN201911115932.XA patent/CN110834703A/zh active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20050097014A (ko) * | 2004-03-30 | 2005-10-07 | 삼성탈레스 주식회사 | 선박에 장착되는 조준 장치의 시차 보정 방법 |
CN101881620A (zh) * | 2010-06-25 | 2010-11-10 | 哈尔滨工程大学 | 基于光纤陀螺惯性测量***的船舶横纵荡信息测量方法 |
JP2014165511A (ja) * | 2013-02-21 | 2014-09-08 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 衛星追尾アンテナシステムおよび衛星追尾アンテナ制御方法 |
CN103727937A (zh) * | 2013-11-20 | 2014-04-16 | 中国人民解放军海军大连舰艇学院 | 一种基于星敏感器的舰船姿态确定方法 |
CN104459608A (zh) * | 2014-11-27 | 2015-03-25 | 中国船舶重工集团公司第七二四研究所 | 一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法 |
CN105825061A (zh) * | 2016-03-17 | 2016-08-03 | 大连海事大学 | 一种基于stl模型的船舶任意浮态计算方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
刘胜 等: "《自动控制原理》", 30 September 2015, 哈尔滨工程大学出版社 * |
苏振超 等: "《理论力学》", 31 August 2018, 华中科技大学出版社 * |
蒋维清 等: "《船舶原理》", 30 November 1979, 人民交通出版社 * |
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