基于海况的船舶运动仿真关键技术研究

摘要

本文的主要工作是建立了基于海况的船舶运动仿真，并将其结合到一个具有剧本流程和潜水器、机器人、潜水员等多个实体互动的援潜救生作业仿真系统中，提高了仿真系统的真实性。在船体运动方面，本文选择了基于频域的切片法作为运动模型。首先介绍了相关理论，包括如何获取船在不同频率下的水动力系数，如何计算船在波浪中的受力和力矩，最后建立船的运动微分方程组。本文的工作是，在仿真程序中通过龙格库塔法实时求解该方程组，计算各个时刻船的升沉和纵摇的数据。在海面运动方面，本文选择了基于海浪谱和Gerstner模型来构建海面。相关的理论包括，海浪谱的原理及如何用海浪谱计算海面上波的参数，如何使用Gerstner模型计算海面上水质点的位移，以及风级与海况等级的相关知识。本文从海况等级出发，近似地选择对应的三一波高，计算了各海况下波浪主要频率的上下限；然后设计了适当的网格，计算各个时刻水质点的运动，渲染生成一个动态的海面。在对船舶运动和海况研究结果的基础上，对两套算法的数据进行匹配，并设计了计算的流程并编写了相关代码，实现了基于海况的船舶运动；分析了一个现有的援潜救生作业的仿真系统的程序结构，确定合适的位置，将基于海况的船舶运动仿真作为一个模块结合进去，实现了增加新的功能后仿真程序仍能正常运行；优化了仿真系统的代码与模型，实现了在加入更多计算后程序的运行速度基本不变。运行仿真程序后，本文通过观察援潜救生船在海面上执行作业的情况，确认在4级海况下，波浪对援潜救生作业的安全性影响不大，作业过程是安全的。本文的创新在于，首次将海况与船体运动直接关联起来建立仿真，首次将船体在海浪中运动的仿真结合到一个具有作业剧本流程和多个实体互动的仿真系统中，提高了后者的真实性。本文的研究成果，还可以用于其它类型船舶的仿真，在应用前景方面具有明显的战略意义和实用价值。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究的工程需求和现实意义

1.2 研究现状

1.2.1 船舶运动理论

1.2.2 海洋环境模拟

1.2.3 船舶在海浪中的运动仿真

1.3 本文的工作

第二章 船舶运动理论

2.1 概述

2.1.1 建立坐标系

2.1.2 船体运动相关概念与假定

2.1.3 建立运动方程

2.2 船体横剖面振荡的水动力计算

2.2.1 建立坐标系

2.2.2 流场相关概念与假设

2.2.3 求解速度势

2.2.4 格林函数G 及其导数的数值处理

2.3 船体受力与运动的计算

2.3.1 速度势与受力分析

2.3.2 计算船体运动的数值解

2.4 本章小结

第三章 海洋环境模拟

3.1 基于海况和海浪谱的海面模型

3.1.1 风与风浪

3.1.2 风级海况表

3.1.3 海面不规则波理论

3.1.4 海浪谱

3.1.5 主要频率范围的选择

3.1.6 海浪参数的设定

3.2 基于GERSTNER 模型的波浪构造

3.2.1 Gerstner 模型

3.2.2 验证各海况下单元波参数满足Gerstner 模型的现实条件

3.2.3 三维Gerstner 模型

3.3 绘制海面

3.3.1 海面网格设计

3.3.2 海面渲染

3.4 本章小结

第四章 系统实现

4.1 仿真系统概述

4.1.1 软硬件环境

4.1.2 程序结构

4.2 船体在海浪中运动的实现

4.2.1 模块相关文件

4.2.2 系统优化

4.2.3 仿真结果

4.2.4 对援潜救生作业仿真的分析

4.3 本章小结

第五章 全文总结

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文