CN116720363A - 一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台及实现方法，该仿真平台包括：参数设置模块、仿真计算模块、虚拟现实可视化模块、结果保存及分析模块；参数设置模块，用于设置船舶参数；仿真计算模块，用于基于船舶参数、仿真计算模块专业知识和虚拟海试平台搭建相关知识，对船舶操纵性海试试验过程中的运动及轨迹进行实时虚拟仿真，获取船舶运动结果；虚拟现实可视化模块，用于通过船舶运动结果对船舶的运动及轨迹进行直观显示和实时渲染；结果保存及分析模块，用于对船舶运动结果进行储存和调用，并基于相关规范进行操纵性衡准。本发明旨在提高用户对船舶操纵性海试预报方法及结果分析相关知识的理解和掌握水平。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟仿真试验技术领域，特别是涉及一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台及实现方法。
背景技术
随着国家***对教育信息化水平提升的要求和推动，将虚拟现实(VirtualReality,VR)技术应用到教学课堂，可以让学生对物理现象有沉浸直观的体会认知，对学***台和高效的课程学习框架，以达到良好的教学实践目的，仍然是目前亟需解决的难题。
面向船舶操纵性知识的学习目前普遍停留在理论知识计算推导，基于数学模型预报船舶操纵运动轨迹的学习依旧停留在书本或基于计算机屏幕2D显示轨迹信息及速度时历曲线。缺乏有效理论知识在实际场景中应用的可视化空间，往往容易造成理论和实践的脱节，同时不利于学生等用户对实际情况的想象，难以满足工程设计和分析类用户的学习、培训及实践需求。
发明内容
本发明的目的是一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台及实现方法，旨在提高用户对船舶操纵性海试预报方法及结果分析相关知识的理解和掌握水平。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，包括：
参数设置模块、仿真计算模块、虚拟现实可视化模块、结果保存及分析模块；
所述参数设置模块，用于设置船舶参数；
所述仿真计算模块，用于基于所述船舶参数、仿真计算模块专业知识和虚拟海试平台搭建相关知识，对船舶操纵性海试试验过程中的运动及轨迹进行实时虚拟仿真，获取船舶运动结果；
所述虚拟现实可视化模块，用于通过所述船舶运动结果对船舶的运动及轨迹进行直观显示和实时渲染；
所述结果保存及分析模块，用于对所述船舶运动结果进行储存和调用，并基于相关规范进行操纵性衡准；
所述参数设置模块和所述仿真计算模块连接，所述仿真计算模块分别与所述虚拟现实可视化模块和所述结果保存及分析模块连接。
可选地，所述参数设置模块包括：
尺度参数设定单元、试验类型和参数选择单元；
所述尺度参数设定单元，用于自定义设置船舶的主尺度参数或选择默认型号的集装箱船和超大型油轮；
所述试验类型和参数选择单元，用于选择虚拟海试试验类型以及制定海试试验参数；
所述尺度参数设定单元和所述试验类型和参数选择单元与所述仿真计算模块连接；
其中，所述虚拟海试试验类型包括：回转试验、Z形操纵试验和急停试验；所述海试试验参数包括：仿真时间步长、试验时长、操舵速度、最大舵角、执行舵角和换舵首向角。
可选地，仿真计算模块专业知识和虚拟海试平台搭建相关知识包括：
船舶操纵性分离式数学预报模型、船体操纵性水动力经验公式预报方法、船桨舵干扰系数经验公式、螺旋桨推力计算方法、舵力计算模型。
4.根据权利要求3所述的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，所述船舶操纵性分离式数学预报模型为：
其中，m和Izz分别为船舶的质量和艏摇惯性矩，mx、my和Jzz分别为船舶纵向附加质量、横向附加质量和艏摇附加惯性矩，下标H、P、R分别代表船体力、螺旋桨力和舵力，r为船舶转首角速度，u为随船坐标系下的纵向速度，v为横向速度；
所述附加质量估算依据元良图谱回归公式：
其中，m为船舶的质量，mx为船舶纵向附加质量，my为横向附加质量，Jzz为艏摇附加惯性矩，Cb为船舶方形系数，d为船舶吃水，B为船舶型宽，L为船长。
可选地，所述船体操纵性水动力经验公式预报方法为：
其中，X'H、YH'、N'H为无因次化船体力系数，XH为船体纵向力，YH为船体横向力，NH为船体转首力矩，ρ为水密度，L为船长，d为船舶吃水，U为船舶合速度；
X'H、Y′H、N'H可表达为：
其中，u′为无因次化随船系下船舶纵向速度，v′为无因次化横向速度，X′vr为无因次化船体操纵性水动力系数，r′、r′2为无因次化转首角速度，X'H、Y′H、N'H、X′vv、X′uu、X′vvvv、Y′、Y′v|v|、Y′vvr、Y′vrr、Y′rr、N′v、N′r、N′v|v|、N′vrr、N′r|r|均为无因次化船体操纵性水动力系数。
可选地，所述螺旋桨推力计算方法为：
其中，Xp为螺旋桨推力，tp为推力减额，n、DP分别为螺旋桨的转速和直径，T为螺旋桨推力，ρ为水密度，为螺旋桨直径，KT(Jp)为推力系数；
其中，KT(Jp)为推力系数，Jp为进速系数，J0、J1、J2、Jp、均为螺旋桨敞水曲线拟合系数；
Jp＝(1-wp)u/(n·Dp)
其中，wp为伴流分数，u为随船坐标系下的纵向速度，n为螺旋桨转速，Dp为螺旋桨的直径。
可选地，所述舵力计算模型为：
其中，XR，YR，NR分别为舵的纵向力、横向力、转首力矩系数,tR为阻力减额系数，αR为操舵诱导船体横向力的修正因子，xH为操舵诱导的船体横向力作用中心至船舶重心的距离，FN为垂直于舵叶平面的正压力，sinδ为正弦舵角，cosδ为余弦舵角；
xH＝-L(0.4+0.1Cb)
其中，L为船长，Cb为船舶方形系数。
可选地，垂直于舵叶平面的正压力FN可写为：
其中，fα是舵升力系数在冲角α＝0时的斜率，ρ为水密度，AR为舵面积，为舵处流速，sinαR为正弦流入舵的有效冲角。
为实现上述目的，本发明还提供了应用于权利要求1-8任一项所述的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台的实现方法，包括：
设置船舶参数，基于所述船舶参数、仿真计算模块专业知识和虚拟海试平台搭建相关知识，对船舶操纵性海试试验过程中的运动及轨迹进行实时虚拟仿真，获取船舶运动结果；
通过所述船舶运动结果对船舶的运动及轨迹进行直观显示和实时渲染，对所述船舶运动结果进行储存和调用，并结合相关规范进行操纵性衡准。
可选地，设置所述船舶参数包括：
自定义设置船舶的主尺度参数或选择默认型号的集装箱船和超大型油轮，选择虚拟海试试验类型以及制定海试试验参数；
其中，所述虚拟海试试验类型包括：回转试验、Z形操纵试验和急停试验；所述海试试验参数包括：仿真时间步长、试验时长、操舵速度、最大舵角、执行舵角和换舵首向角。
本发明的有益效果为：
1)本发明提出的一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台及实现方法，利用三维建模实时渲染技术、船舶操纵性海试预报方法、虚拟现实技术，构建包含不同类型操纵性海试的仿真试验，建立可以获取船舶操纵性海试过程中实时速度及位置的水动力学仿真模拟平台。
2)本发明提出的一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台及实现方法，可以快速实现船舶操纵性海试仿真预报及结果的三维立体展示，使得用户可以更为直观沉浸地了解船舶的操纵性能，对于水动力学知识的掌握学习更为清晰、印象深刻，提高学习的主动性、探索性和趣味性。
3)本发明提出的一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台及实现方法，将船舶操纵性理论知识的学***台软件开发技术相结合，实现了低成本、可重复性和良好共享性的虚拟教育课堂教学。
4)本发明提出的一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台及实现方法，构建了船舶操纵运动与操舵控制之间的虚拟交互场景，提供了不同操舵条件下不同对象船舶操纵过程中的实时速度及位置信息，结果通过虚拟现实技术实时渲染立体呈现，增进用户对所学课程《船舶原理》、《船舶操纵与控制》等理论知识的理解和掌握。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的虚拟试验运行平台中船体建模及主尺度设置示意图；
图2为本发明实施例的虚拟试验运行平台中操纵性海试试验类型选择及试验参数设置示意图；
图3为本发明实施例的虚拟试验运行平台中仿真结果显示及交互界面示意图；
图4为本发明实施例的虚拟试验运行平台中仿真结果存储及调用示意图；
图5为本发明实施例的虚拟试验运行平台中仿真结果分析及后处理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，包括：参数设置模块、仿真计算模块、虚拟现实可视化模块、结果保存及分析模块；
参数设置模块用于设置船舶主尺度参数、操纵性海试试验类型、操纵性海试试验参数；
仿真计算模块用于基于用户设置的对象船舶及海试试验参数、仿真计算模块专业知识、虚拟海试平台搭建相关知识，对船舶操纵性海试试验过程中的运动及轨迹进行实时虚拟仿真；
虚拟现实可视化模块用于对船舶运动及轨迹进行具有沉浸感地直观显示及实时渲染；
结果保存及分析模块用于对操纵性海试虚拟仿真结果进行保存及调用，并基于相关规范进行操纵性衡准。
进一步地，子模块的集成与发布是在Unity 3D中完成，用户可以根据自己需求选择不同的发布平台:PC端、VR端、Web端。
进一步地，参数设置的方法为：
自定义输入对象船舶的主尺度参数，或选择默认的S175集装箱船、KVLCC超大型油轮；选择虚拟海试试验类型，包括回转试验、Z形操纵试验和急停试验；输入海试试验参数，包括仿真时间步长、试验时长、操舵速度、最大舵角、执行舵角、换舵首向角等参数。
进一步地，船舶主尺度参数包括：
船舶参数：船垂线间长、型宽、首吃水、尾吃水、方形系数、菱形系数、排水量；螺旋桨参数：螺旋桨直径、螺旋桨敞水曲线系数、螺旋桨螺距；舵参数：舵高、舵展弦比、舵面积。
进一步地，船舶操纵性海试试验类型包括：
回转试验、急停试验、Z形操纵试验。
进一步地，船舶操纵性海试试验参数包括：
仿真时长、时间步长、操舵速度、最大舵角、螺旋桨转速、稳定负螺旋桨转速、急停减速时间、执行舵角、换舵首向角。
进一步地，船舶仿真计算模块专业知识及虚拟海试平台搭建相关知识包括：
船舶操纵性分离式数学预报模型、船体操纵性水动力经验公式预报方法、船桨舵干扰系数经验公式、螺旋桨推力计算方法、舵力计算模型；
实时虚拟仿真需要对船舶操纵运动进行计算，计算所依据的数学方程为第一项“船舶操纵性分离式数学预报模型”。该模型中涉及到船体力、螺旋桨力、舵力，以及船桨舵三者之间干扰项的计算，分别对应的计算方法为第二项、第四项、第五项、第三项，即“船体操纵性水动力经验公式预报方法”“螺旋桨推力计算方法”“舵力计算模型”“船桨舵干扰系数经验公式”。在计算时，程序通过调用输入的船舶参数及试验参数，进行船桨舵力的计算，之后代入船舶操纵性分离式数学模型中，求解计算获得船舶运动，该运动即为实时显示所需的输入参数。
虚拟现实可视化模块和结果保存及分析模块所利用的相关知识为：虚拟现实环境下船舶实体建模及渲染、虚拟现实环境创建及实时渲染、数据的传递保存调用。
另一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真实现方法，包括如下步骤：
选择船舶主尺度参数；
设置船舶操纵性海试试验类型及试验参数；
基于船舶及试验参数、仿真计算模块专业知识及虚拟海试平台搭建相关知识，对船舶操纵性海试试验运动及轨迹的实时虚拟仿真显示；
保存并调用分析仿真的结果信息。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，包括参数设置模块、仿真计算模块、虚拟现实可视化模块、结果保存及分析模块。
参数设置模块：用于设置船舶主尺度参数、操纵性海试试验类型、操纵性海试试验参数。船舶主尺度参数设置包括设置船舶参数：船垂线间长、型宽、首吃水、尾吃水、方形系数、菱形系数、排水量；设置螺旋桨参数：螺旋桨直径、螺旋桨敞水曲线系数、螺旋桨螺距；设置舵参数：舵高、舵展弦比、舵面积；或者从平台默认的S175集装箱船或KVLCC超大型油轮范例中选择计算对象船舶。船舶操纵性海试试验类型包括：回转试验、急停试验、Z形操纵试验。船舶操纵性海试试验参数包括：仿真时长、时间步长、操舵速度、最大舵角、螺旋桨转速、稳定负螺旋桨转速、急停减速时间、执行舵角、换舵首向角。
仿真计算模块用于基于用户设置的对象船舶及海试试验参数、操纵性仿真计算模块专业知识、虚拟海试平台搭建相关知识，对船舶操纵性海试试验过程中的运动及轨迹进行实时虚拟仿真。
虚拟现实可视化模块用于对船舶运动及轨迹进行具有沉浸感地直观显示及实时渲染。
结果保存及分析模块用于对操纵性海试虚拟仿真结果进行保存及调用，并基于相关规范进行操纵性衡准。
仿真计算模块涉及到的知识包括：操纵性仿真计算模块专业知识和虚拟海试平台搭建相关知识。
具体的，船舶操纵运动计算。
船舶在静水中通常仅考虑水平面三自由度的运动，即纵向-横向-转首三自由度的运动，根据分离式操纵性数学模型(Manoeuvring Mathematical Group，MMG)可以获得船舶操纵运动计算方程为：
其中，m和Izz分别为船舶的质量和艏摇惯性矩，mx、my和Jzz分别为船舶纵向附加质量、横向附加质量和艏摇附加惯性矩，下标H、P、R分别代表船体力、螺旋桨力和舵力，r为船舶转首角速度，u为随船坐标系下的纵向速度。附加质量力估算公式依据元良图谱回归公式：
其中，m为船舶的质量，mx为船舶纵向附加质量，my为横向附加质量，Jzz为艏摇附加惯性矩，Cb为船舶方形系数，d为船舶吃水，B为船舶型宽，L为船长。
根据四阶龙格库塔法可以求解获得船舶操纵运动的速度，最终积分获得实时位置参数。
船舶操纵性水动力计算。
船体操纵性水动力经验公式预报方法为：
其中，X'H、Y′H、N'H为无因次化船体力系数，XH为船体纵向力，YH为船体横向力，NH为船体转首力矩，ρ为水密度，L为船长，d为船舶吃水，U为船舶合速度；可表达为：
其中，u′为无因次化随船系下船舶纵向速度，v′为无因次化横向速度，X′vr为无因次化船体操纵性水动力系数，r′、r′2为无因次化转首角速度，X'H、Y′H、N'H、X′vv、X′uu、X′vvvv、Y′、Y′v|v|、Y′vvr、Y′vrr、Y′r|r|、N′v、N′r、N′v|v|、N′vrr、N′r|r|均为无因次化船体操纵性水动力系数。
式中，系数带一撇上标表示该系数为无因次化值，无因次化水动力系数可以基于经验公式计算，如下所示：
其中τ′＝(dA-dF)/dm，λ＝2dm/L，dm为船舶首尾吃水的均值，τ’为(da-df)/dm,其中da为船舶尾吃水，df为船舶首吃水。
螺旋桨推力计算方法。
掌握螺旋桨推力的计算方法，
其中，tp为推力减额，n、DP分别为螺旋桨的转速和直径，T为螺旋桨推力，ρ为水密度，为螺旋桨直径，KT(Jp)为推力系数；
式中，tp为推力减额，可根据汉克歇尔公式估算：对于单桨标准型商船(CB＝0.54～0.84)，tp＝0.50Cp-0.12。n、DP分别为螺旋桨的转速和直径；推力系数其中，KT(Jp)为推力系数，Jp为进速系数，J0、J1、J2、Jp、/>均为螺旋桨敞水曲线拟合系数；其中进速系数Jp＝(1-wp)u/(n·Dp)，其中，wp为伴流分数，u为随船坐标系下的纵向速度，n为螺旋桨转速，Dp为螺旋桨的直径，式中：桨盘面处伴流分数桨盘面处漂角βp＝β-x′pr′(x′p≈-0.5)。J0、J1、J2通过螺旋桨敞水试验获得。
舵力计算方法。
掌握常规舵力的计算方法。对于考虑水平面三自由度运动时，横向、纵向、转首方向上的舵力计算公式为：
其中，XR，YR，NR分别为舵的纵向力、横向力、转首力矩系数，tR为阻力减额系数，αR为操舵诱导船体横向力的修正因子，xH为操舵诱导的船体横向力作用中心至船舶重心的距离，FN为垂直于舵叶平面的正压力，sinδ为正弦舵角，cosδ为余弦舵角；
式中，δ为舵角，舵阻力减额系数tR可通过求解，或通常取tR为0.29；操舵诱导船体横向力的修正因子/>操舵诱导的船体横向力作用中心至船舶重心的距离xH基本不受船型的影响，可取xH＝-L(0.4+0.1Cb)。其中，L为船长，Cb为船舶方形系数。
垂直于舵叶平面的正压力FN可写为：
其中，fα是舵升力系数在冲角α＝0时的斜率，ρ为水密度，AR为舵面积，为舵处流速，sinαR为正弦流入舵的有效冲角。
式中，是舵升力系数在冲角α＝0时的斜率，假设舵为平板时，在船舶操纵性研究中，可用藤井公式进行估算：fα＝6.13λ/(2.25+λ)(舵的展弦比λ＝0.5～3.0)。
虚拟现实环境下船体三维模型建立及渲染。
Unity 3D环境下船体三维模型的建立、UI用户截面构建方法、船舶操纵运动控制实现方法。
实施例：以S175集装箱船静水中回转运动为例对本发明的各个模块及实现方法进行测试。
1.选择默认S175集装箱船为计算对象船舶，其主尺度参数内置于平台中，无需输入，垂线间长为175米，型宽25.4米，首尾吃水均为9.5米，排水量2415吨，如图1所示。选择操纵性海试试验类型为回转试验，试验参数为：仿真时长500秒，时间步长0.1秒，操舵速度为2.5度每秒，最大舵角为35度，如图2所示。
2.设置完成后，点击“试验载入”，平台进行仿真计算，并将结果存储。计算结果通过虚拟现实技术及船体三维实体建模、实时渲染技术，实现了操纵性海试实时结果三维立体展示，如图3所示。
3.通过PC端、Web端或VR端设备，用户实现对船舶操纵性海试过程中船舶运动及实时位置状态的具有沉浸感直观认知了解，对船舶操纵性能有更好的把握。
4.模拟结果存储于设定路径中，并可以调用查看仿真预报结果，进行进一步的分析处理，如图4所示。对于操纵性海试结果，可以基于IMO相关船舶操纵性衡准规范进行结果的后处理，实现对于对象船舶操纵性能优劣的评价，如图5所示。
实施例二，本发明还提供了一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真实现方法，包括以下步骤：参数设置、仿真计算、虚拟现实可视化、结果保存及分析。
进一步地，试验流程主要包括以下步骤：
选择船舶类型并进行船舶建模及加载；
设置船舶主尺度参数；
设置螺旋桨参数；
设置舵参数；
选择船舶操纵性海试试验类型；
设置船舶操纵性海试试验参数；
操纵性海试仿真计算；
操纵性海试实时渲染及交互显示；
生成并保存仿真计算结果；
调用并分析仿真计算结果；
船舶操纵性分析并生成试验报告。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，包括：
参数设置模块、仿真计算模块、虚拟现实可视化模块、结果保存及分析模块；
所述参数设置模块，用于设置船舶参数；
所述仿真计算模块，用于基于所述船舶参数、仿真计算模块专业知识和虚拟海试平台搭建相关知识，对船舶操纵性海试试验过程中的运动及轨迹进行实时虚拟仿真，获取船舶运动结果；
所述虚拟现实可视化模块，用于通过所述船舶运动结果对船舶的运动及轨迹进行直观显示和实时渲染；
所述结果保存及分析模块，用于对所述船舶运动结果进行储存和调用，并基于相关规范进行操纵性衡准；
所述参数设置模块和所述仿真计算模块连接，所述仿真计算模块分别与所述虚拟现实可视化模块和所述结果保存及分析模块连接。
2.根据权利要求1所述的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，所述参数设置模块包括：
尺度参数设定单元、试验类型和参数选择单元；
所述尺度参数设定单元，用于自定义设置船舶的主尺度参数或选择默认型号的集装箱船和超大型油轮；
所述试验类型和参数选择单元，用于选择虚拟海试试验类型以及制定海试试验参数；
所述尺度参数设定单元和所述试验类型和参数选择单元与所述仿真计算模块连接；
其中，所述虚拟海试试验类型包括：回转试验、Z形操纵试验和急停试验；所述海试试验参数包括：仿真时间步长、试验时长、操舵速度、最大舵角、执行舵角和换舵首向角。
3.根据权利要求1所述的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，仿真计算模块专业知识和虚拟海试平台搭建相关知识包括：
船舶操纵性分离式数学预报模型、船体操纵性水动力经验公式预报方法、船桨舵干扰系数经验公式、螺旋桨推力计算方法、舵力计算模型。
4.根据权利要求3所述的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，所述船舶操纵性分离式数学预报模型为：
其中，m和Izz分别为船舶的质量和艏摇惯性矩，mx、my和Jzz分别为船舶纵向附加质量、横向附加质量和艏摇附加惯性矩，下标H、P、R分别代表船体力、螺旋桨力和舵力，r为船舶转首角速度，u为随船坐标系下的纵向速度,v为横向速度；
所述附加质量估算依据元良图谱回归公式：
其中，m为船舶的质量，mx为船舶纵向附加质量，my为横向附加质量，Jzz为艏摇附加惯性矩，Cb为船舶方形系数，d为船舶吃水，B为船舶型宽，L为船长。
5.根据权利要求4所述的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，
所述船体操纵性水动力经验公式预报方法为：
其中，X'H、YH'、N'H为无因次化船体力系数，XH为船体纵向力，YH为船体横向力，NH为船体转首力矩，ρ为水密度，L为船长，d为船舶吃水，U为船舶合速度；
X'H、YH'、N'H可表达为：
其中，u′为无因次化随船系下船舶纵向速度，v′为无因次化横向速度，X′vr为无因次化船体操纵性水动力系数，r′、r′2为无因次化转首角速度，X'H、YH'、N'H、X′vv、X′uu、X′vvvv、Y′、Y′v|v|、Y′vvr、Y′vrr、Y′r|r|、N′v、N′r、N′v|v|、N′vrr、N′r|r|均为无因次化船体操纵性水动力系数。
6.根据权利要求3所述的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，所述螺旋桨推力计算方法为：
其中，Xp为螺旋桨推力，tp为推力减额，n、DP分别为螺旋桨的转速和直径，T为螺旋桨推力，ρ为水密度，为螺旋桨直径，KT(Jp)为推力系数；
其中，KT(Jp)为推力系数，Jp为进速系数，J0、J1、J2、Jp、均为螺旋桨敞水曲线拟合系数；
Jp＝(1-wp)u/(n·Dp)
其中，wp为伴流分数，u为随船坐标系下的纵向速度，n为螺旋桨转速，Dp为螺旋桨的直径。
7.根据权利要求3所述的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，所述舵力计算模型为：
其中，XR，YR，NR分别为舵的纵向力、横向力、转首力矩系数,tR为阻力减额系数，αR为操舵诱导船体横向力的修正因子，xH为操舵诱导的船体横向力作用中心至船舶重心的距离，FN为垂直于舵叶平面的正压力，sinδ为正弦舵角，cosδ为余弦舵角；
xH＝-L(0.4+0.1Cb)
其中，L为船长，Cb为船舶方形系数。
8.根据权利要求7所述的的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台，其特征在于，垂直于舵叶平面的正压力FN可写为：
其中，fα是舵升力系数在冲角α＝0时的斜率，ρ为水密度，AR为舵面积，为舵处流速，sinαR为正弦流入舵的有效冲角。
9.应用于权利要求1-8任一项所述的面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台的实现方法，其特征在于，包括：
设置船舶参数，基于所述船舶参数、仿真计算模块专业知识和虚拟海试平台搭建相关知识，对船舶操纵性海试试验过程中的运动及轨迹进行实时虚拟仿真，获取船舶运动结果；
通过所述船舶运动结果对船舶的运动及轨迹进行直观显示和实时渲染，对所述船舶运动结果进行储存和调用，并结合相关规范进行操纵性衡准。
10.根据权利要求9所述的实现方法，其特征在于，设置所述船舶参数包括：
自定义设置船舶的主尺度参数或选择默认型号的集装箱船和超大型油轮，选择虚拟海试试验类型以及制定海试试验参数；
其中，所述虚拟海试试验类型包括：回转试验、Z形操纵试验和急停试验；所述海试试验参数包括：仿真时间步长、试验时长、操舵速度、最大舵角、执行舵角和换舵首向角。
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| CN202310685762.9A CN116720363A (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 一种面向船舶操纵性的虚拟海试仿真平台及实现方法 |
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| CN (1) | CN116720363A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117932791A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-26 | 武汉理工大学 | 一种基于vr技术的船舶模拟操作方法及装置 |
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| CN114676614A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-06-28 | 上海交通大学 | 一种面向船舶结构力学的虚拟仿真实验平台及实现方法 |
-
2023
- 2023-06-09 CN CN202310685762.9A patent/CN116720363A/zh active Pending
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