基于T型翼和压浪板的高速船虚拟仿真系统研究

摘要

当三体船高速航行时，由于三体船结构特殊，所产生的横摇很小，不影响三体船的正常航行。但产生的纵摇会直接影响到航行的速度、舰载人员舒适感和船体的稳定性。T型翼、压浪板是近些年来出现的新型减摇设备，并且三体船船艏底部平滑，适配T型翼不会影响三体船结构特点。本文对带有T型翼、压浪板的三体船进行纵向运动分析。
　　本文针对三体船进行了结构分析，首先建立惯性坐标系，以及随三体船运动的随动坐标系。在此坐标系下对三体船进行受力分析，三体船在航行中应在6个自由度下运动，由于横向运动对三体船的影响并不明显。本文仅在纵向运动上建立了三体船的数学模型，得到所受到的升力、升力距与海浪以及船体自身结构的关系。并根据实船模型，利用CFD仿真与遗传算法得到三体船纵向运动的状态空间方程，推导出传递函数。这有助于加深对三体船模型的认识，可以明了的看出波浪等对三体船升沉、纵摇的影响。
　　在建立了三体船的数学模型后、得到了实船的传递函数后，在实船上装配T型翼、压浪板，进行分析。还是在纵向上对其进行分析，得到了装配T型翼、压浪板的三体船纵向运动方程。根据此方程设计控制器，控制T型翼、压浪板变化角度，从而减摇三体船升沉、纵摇。由于T型翼、压浪板相互耦合，对三体船的升沉、纵摇同时有作用效果，因此必须对其进行解耦计算。以纵摇最终全部作用在T型翼上，升沉全部作用在压浪板上为基本原则，对系统进行解耦。解耦完成后，利用LQR控制算法，针对此系统设计解耦反馈控制器。最终，验证了T型翼、压浪板减少三体船升沉纵摇的可行性。
　　为了验证设计的控制器是否可以有效的减少三体船纵摇，需要对其进行验证。由于实艇成本过高，一旦出错会大大增加开发成本。因此，首先利用虚拟仿真的方式进行验证。本文利用Vega Prime与MFC相结合的方式，开发了三体船视景仿真系统。开发虚拟仿真系统，首先要绘制三体船的三维模型。本文利用3D MAX2013与Creator软件相结合的方式，1∶1的绘制了三体船、T型翼、压浪板的三维模型，利用Creator自带的阴影、配色、光线等功能对三体船进行渲染，达到拟真效果。根据T型翼、压浪板运动方式设置DOF节点。
　　模型绘制完成后，利用LynX Prime软件将其加载到ACF文件中，配置相关海洋模块、海浪效果等。之后在VC++6.0开发环境下，开发三体船视景仿真程序。应用程序中包含了场景渲染、模型驱动、人机交互等功能。并在软件中写好控制程序，编写相关的曲线控件后，对系统进行仿真验证。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究目的和意义

1．2课题相关技术背景

1．2．1三体船发展综述

1．2．2 T型翼、压浪板研究现状

1．2．3三维仿真技术概况

1．3三维建模及仿真技术

1．3．1 Multigen Creator建模技术

1．3．2 Vega Prime仿真技术

1．4本文的主要研究内容

第2章三体船数学模型的建立

2．1坐标系定义

2．2三体船纵向运动数学模型

2．2．1 CFD仿真

2．3升沉力和力矩的产生的升沉纵摇

2．4波浪产生的升沉力和力矩

2．4．1基本遗传算法数学模型

2．4．2数据编码

2．4．3适应度函数

2．4．4 GA参数确定

2．4．5求解结果

2．5本章小结

3．1前言

3．2 T型翼与压浪板受力分析

3．2．1 T型翼产生作用力力矩

3．2．2压浪板产生作用力和力矩

3．3解耦滤波器

3．3．1带T型翼与压浪板的三体船数学模型

3．3．2解耦设计

3．4 LQR控制器设计

3．4．1线性二次最优控制原理

3．4．2加权矩阵的设计准则

3．5 Matlab仿真

3．6本章小结

第4章三体船三维仿真系统设计

4．1三维仿真系统总体设计思路

4．2三体船三维建模

4．2．1三体船三维模型建立

4．2．2三体船三维模型的视觉效果的实现

4．3应用程序配置文件生成

4．4基于vega prime的仿真系统程序设计

4．4．1与Matlab混合编程

4．4．2场景渲染功能实现

4．4．3模型驱动功能实现

4．4．4视点控制功能实现

4．4．5人机交互功能实现

4．5本章小结

第5章三体船三维仿真实现

5．1仿真的基本方法

5．2仿真系统回放功能测试

5．3虚拟系统控制功能验证

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢