CN106777777A - 一种船舶仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种船舶仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，尤其涉及一种船舶仿真方法及系统。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：

根据本发明的第一个方面，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：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk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_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P为螺旋桨产生的横向力，N_P为船舶转艏力矩，n为螺旋桨转速，D_p为螺旋桨直径，t_p螺旋桨推力减额系数，j_p为进速系数，ρ为液体密度，C_p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，K_jk为j向辐射力脉冲响应函数，B_jk为阻尼系数，η(t)为各项运动速度，H_j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：

ω_c＝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+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H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；m_x、m_y、m_Z分别为纵向、横向和垂向船舶的附加质量；I_xx、I_yy、I_zz分别为绕x,y,z轴的转动惯量；J_xx、J_yy、J_zz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。

根据本发明的第二个方面，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：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk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_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P为螺旋桨产生的横向力，N_P为船舶转艏力矩，n为螺旋桨转速，D_p为螺旋桨直径，t_p螺旋桨推力减额系数，j_p为进速系数，ρ为液体密度，C_p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，K_jk为j向辐射力脉冲响应函数，B_jk为阻尼系数，η(t)为各项运动速度，H_j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：

ω_c＝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+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H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；m_x、m_y、m_Z分别为纵向、横向和垂向船舶的附加质量；I_xx、I_yy、I_zz分别为绕x,y,z轴的转动惯量；J_xx、J_yy、J_zz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。

本发明采用上述技术方案所具有的有益效果是：

本发明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，不同于常规船舶仿真只依托MMG模型的三自由度计算垂荡运动和纵摇运动的模拟方式，本发明的仿真方法结合水动力影响印度，通过与实际仿真实验结果匹配，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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述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是根据一实施例示出的本发明仿真方法的流程图一；

图2是根据一实施例示出的本发明仿真方法的坐标系示意图；

图3是根据一实施例示出的本发明船舶仿真的模型结构图。

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作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。

如图1所示，本发明提供了一种船舶仿真方法，包括：

S101、获取船舶的初始位置和运动参数；

S102、获取船舶以实验得到的实际六自由度参数；

S103、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；

S104、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；

预设的阈值根据船舶类型以及相关六自由度参数等数据计算，从而使计 算得到的仿真六自由度参数能够在合理误差范围内，相比于MMG模型的三自由度仿真方法，本发明所采用的六自由度仿真方法能够极大地提高船舶的仿真计算精度；

S105、输出误差在预设的阈值范围内的仿真自由度参数。

本发明仿真方法的原理在于：假设船体为刚体，依照分离建模的思想，将船、舵、螺旋桨等部件单独对船舶模型的作用相区分，并对三者的交互作用进行模拟组合，设置了摇、荡、摆等六自由度参数的不同组合；同时，取风向流向为同一方向或者相逆方向，从而减少六自由度运动分析的难度，建立了适宜的六自由度船舶仿真数学模型；另外，该仿真方法所建立的六自由度船舶运动数学模型还考虑到了水动力影响，利用水动力方程，分析船舶横摇影响，通过回归分析得到最后回归公式，以在此数学模型基础上编程实现对六自由度参数的实时测量并传输显示。

例如，预先定义船舶在六自由度船舶运动数学模型的一个虚拟的初始位置，然后输入一系列只包含船舶进退、横摇等运动的实测参数，仿真模型中的船就开始做横摇运动而且逐渐向前前进，而前进的位移也会被记录下来，直到仿真停止，船只会在初始位置的基础上移动到新的位置，并将新的位置更新为下次仿真模拟的初始位置；在仿真过程中，数学模型就会计算船只在每个时刻的状态的参数，比如对波浪力的响应，计算回转运动的数值等等，随后将这些参数输出，通过动力学方程求得仿真六自由度参数，与原先的实际六自由度参数进行对比，在两者误差较大时，通过调整模型参数重复进行仿真实验，直至仿真实验获得的仿真六自由度在合理误差范围内，从而实现对仿真六自由度参数的校正。

在本发明的一个实施例中，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中，在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后，要对船舶的初始船体位置及其运动的相对位置进行初始化处理，具体过程包括：

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，如图2中B所示的坐标系；

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，如图2中A所示的坐标系；

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。

上述初始化处理的步骤所建立的参考坐标系可以指明船舶运动是，其相对于参考坐标系的基准所产生的位摇和摆荡的位移，并可用于标示船体本身的各类参数，从而简化了六自由度参数及相对位置的计算。

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：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk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。

在实施例中，作用在船舶的螺旋桨的螺旋桨力表示如下：

Y_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P为螺旋桨产生的横向力，N_P为船舶转艏力矩，n为螺旋桨转速，D_p为螺旋桨直径，t_p螺旋桨推力减额系数，j_p为进速系数， ρ为液体密度，C_p为纵向棱形系数。

在本发明另一实施例中，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。

具体的，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，K_jk为j向辐射力脉冲响应函数，B_jk为阻尼系数，η(t)为各项运动速度，H_j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：

ω_c＝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。

实施例中，波浪力为一阶波浪力，如图3所示，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。

为了提高计算精度，本发明的仿真方法采用三维面元法计算频域一阶和二阶波浪力，并考虑波浪力的时间记忆效应，利用卡明斯脉冲响应函数法将频域一阶波浪力、阻尼系数转化到时域上的绕射和辐射波力，并通过与安川试验结果的对比可验证其准确性；另外，该仿真方法还采用单自由度横摇运动模型计算验证了横摇运动阻尼系数、GM及波浪力的准确性；以及采用三自由度MMG模型计算验证该模型对回转运动和Z形运动的精度。

回归方程包含了船体在规则波以及非规则波时水流对船体的作用力，其中非规则波可分解为振幅相位不同的规则波相互叠加所形成；同时也涵盖了风力、海水密度等环境干扰因素的影响，从而可以减少干扰因素所造成的误差影响。

在实施例中，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+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H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；m_x、m_y、m_Z分别为纵向、横向和垂向船舶的附加质量；I_xx、I_yy、I_zz分别为绕x,y,z轴的转动惯量；J_xx、J_yy、J_zz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。

本发明还提供了一种船舶仿真系统，该仿真系统采用上述实施例中所公开的仿真方法对船舶进行仿真模拟，从而得到精度较高的六自由度参数信息，该仿真系统包括：

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。

实施例中，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的过程包括：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。

实施例中，该仿真系统所构建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：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk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。

实施例中，作用在船舶的螺旋桨的螺旋桨力表示如下：

Y_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P为螺旋桨产生的横向力，N_P为船舶转艏力矩，n为螺旋桨转速，D_p为螺旋桨直径，t_p螺旋桨推力减额系数，j_p为进速系数，ρ为液体密度，C_p为纵向棱形系数。

实施例中，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；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，K_jk为j向辐射力脉冲响应函数，B_jk为阻尼系数，η(t)为各项运动速度，H_j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：

ω_c＝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。

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。

在实施例中，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+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H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；m_x、m_y、m_Z分别为纵向、横向和垂向船舶的附加质量；I_xx、I_yy、I_zz分别为绕x,y,z轴的转动惯量；J_xx、J_yy、J_zz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。

本发明的仿真系统根据MMG分离模型水动力经验公式和整合波浪力的势流理论方法，并使用三维法确定船舶侧部、底部的受力面面积，从而计算计算波浪力对六自由度的影响；同时仿真系统模拟频域波浪力，绘制船舶数学模型的面网格，设定相关船型参数，以计算不同波频、不同浪向角下的附加质量系数、阻尼系数、一阶波浪力及二阶波浪漂移力，并将计算结果封装成数据库文件，将计算得到的波浪力数据与以前学者的计算和试验结果进行对比，以验证数据库文件的可信度。

另外，仿真系统还包括验证单元，验证单元用于将数据库文件的附加质 量系数、阻尼系数和一阶波浪力，通过脉冲响应转化到时域上，采用拉格朗日插值法得到实时二阶波浪漂移力数据，并构建单自由度的横摇运动模型和三自由度的摇荡运动模型，将计算结果与相应试验结果对比来验证时域波浪力和脉冲响应函数计算的准确性。

基于以上计算方法和结果，可以构建六自由度船舶运动数学模型所需的全耦合运动程序，并利用龙格库塔法逐步计算出相关的运动参数。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

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：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk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：

Y_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P为螺旋桨产生的横向力，N_P为船舶转艏力矩，n为螺旋桨转速，D_p为螺旋桨直径，t_p螺旋桨推力减额系数，j_p为进速系数，ρ为液体密度，C_p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，K_jk为j向辐射力脉冲响应函数，B_jk为阻尼系数，η(t)为各项运动速度，H_j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：

ω_c＝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+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H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；m_x、m_y、m_Z分别为纵向、横向和垂向船舶的附加质量；I_xx、I_yy、I_zz分别为绕x,y,z轴的转动惯量；J_xx、J_yy、J_zz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。

9.一种船舶仿真系统，其特征在于，包括：

获取单元，用于获取船舶的初始位置和运动参数，以及所述船舶以实验得到的实际六自由度参数；

确定单元，用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；以及

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，重新确定所述船舶的所述仿真自由度参数；

输出单元，用于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。

10.根据权利要求9所述的仿真系统，其特征在于，所述确定单元还用于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。

11.根据权利要求9所述的仿真系统，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：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk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。

12.根据权利要求11所述的仿真系统，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：

Y_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P为螺旋桨产生的横向力，N_P为船舶转艏力矩，n为螺旋桨转速，D_p为螺旋桨直径，t_p螺旋桨推力减额系数，j_p为进速系数，ρ为液体密度，C_p为纵向棱形系数。

13.根据权利要求11所述的仿真系统，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。

14.根据权利要求13所述的仿真系统，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，K_jk为j向辐射力脉冲响应函数，B_jk为阻尼系数，η(t)为各项运动速度，H_j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：

ω_c＝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。

15.根据权利要求14所述的仿真系统，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。

16.根据权利要求9-15的任一项所述的仿真系统，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+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H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；m_x、m_y、m_Z分别为纵向、横向和垂向船舶的附加质量；I_xx、I_yy、I_zz分别为绕x,y,z轴的转动惯量；J_xx、J_yy、J_zz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。