CN111125881B - 一种船舶靠离泊过程中系缆作业仿真的方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶靠离泊过程中系缆作业仿真的方法，通过缆绳在滚筒上的缠绕算法和滚筒外的弹性悬链线模型，分两段建立相应的仿真模型，对于缆机滚筒上的缆绳利用螺旋线原理，通过建立缆绳的缠绕算法模型计算出缆绳在滚筒上的收放速度，以实现缆绳滚筒外的缆绳与滚筒上的缆绳同步，对于滚筒外的缆绳根据悬链线模型计算出缆绳在不同工况下的缆绳形状及端点处的受力，同时实现了对缆绳破断的预报分析，验证了本文提出的缆绳模型的正确性和实用性。将这两种模型应用到船舶系缆作业仿真中，具有仿真效果逼真，实时性好的特点。

Description

一种船舶靠离泊过程中系缆作业仿真的方法

技术领域

本发明涉及系缆作业技术领域，特别涉及一种船舶靠离泊过程中系缆作业 仿真的方法。

背景技术

系缆作业是船舶靠离泊操纵重要组成部分，一般来说，船舶靠泊过程中系 缆作业包括备缆、出缆、松缆、上桩、收缆、挽缆、调整，直至最后挽牢。在 这一过程中，缆绳受力十分复杂，缆绳姿态反复呈现为曲线、直线状态。在船 舶进行系缆作业时，精确、有效的计算缆绳张力，对指导实际系缆作业过程， 研究带缆后船舶运动规律，增强船舶操纵运动模拟的逼真度有重要意义。现有 技术中的研究都是针对船与船、船与岸之间的连接部分，并没涉及缆绳与绞缆 滚筒交互模拟。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种船舶靠离泊过 程中系缆作业仿真的方法，通过缆绳在滚筒上的缠绕算法和滚筒外的弹性悬链 线模型，将这两种模型应用到船舶系缆作业仿真中，具有仿真效果逼真，实时 性好的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种船舶靠离泊过程中系缆作业仿真的方法，包括以下步骤；

步骤一：建立悬链线模型：

在缆绳两端固定于O、Q两点，O点为船舶导缆孔处，Q点为码头缆桩，以 O点为原点建立坐标系，l和h分别为悬链部分在水平和垂直方向上的投影长度， 缆绳上每一点相对于O点的非延伸坐标用s表示，而拉伸后缆绳上相对于原点 的坐标用p表示，考虑缆绳自重荷载集度随缆绳应变而变化，从缆绳微元力学 平衡关系出发，建立更符合实际的缆绳悬链线模型，任取缆绳上的微元d_s

由静力平衡关系得

式中：H、V分别为导缆孔处缆绳所受外力的水平和垂直分力；B、W分别 为缆绳微元自身受到的浮力和重力；L为缆绳长度，根据虎克定律，

式中：E是缆绳的杨氏模量，A为缆绳的横截面积，又结合缆绳的几何约束条件，

可得缆绳的张力：

式中T(s)为缆绳张力，定义缆绳支撑点的边界条件为

其中，L_s是缆绳拉伸后的长度。结合式(4)～(6)，并对dx和dz积分，得到s＝0到s的函数x(s)和z(s)表达式：

将边界条件(6)和式(7)、(8)相结合，可以得到Q点到O点的缆绳水平距离l和垂 直距离h：

从而得到各节点的坐标x(s)、z(s)；

步骤二：建立缠绕模型；

将柔性缆绳在滚筒上时，采用分段的方法将缆绳缠绕在滚筒上，动态地给 出缆绳节点位置，使滚筒上的缆绳跟随滚筒一起运动，缆绳在滚筒上的分布符 合圆柱螺旋线规律，基于圆柱螺旋线的原理计算在滚筒上的缆绳节点的位置，

其中：(X(θ)，Y(θ)，Z(θ))为绕滚筒旋转θ角度后的节点位置；(X₀，Y₀，Z₀)为计算起始点； R为滚筒半径；r为缆绳半径；θ为该节点的旋转角度；

当缆绳到达滚筒边界时，需要调整滚筒半径R的大小，以增减螺旋线的半径， 滚筒半径R的调整公式为

建立缆机的三维模型放置在场景，并设置好缆机滚筒大小、缆绳半径以及 其他参数。

所述的步骤一和步骤二在系统仿真时，根据缆绳是否在滚筒上，分别建立 两种模型，缆绳总长度不变。

所述的步骤一和步骤二应用于步骤三的碰撞处理中，包括；

对船舷和码头之间的缆绳的距离进行处理，将缆绳和码头投影到水平面， 在水平面内判断两者是否相交，p₃p₄和p₁p₂分别为缆绳和码头在XOZ平面的投 影；

若要判断缆绳和码头是否碰撞，先要判断缆绳与码头在XOZ平面上的投影 是否相交，即检测p₃p₄和p₁p₂是否相交，当p₃p₄和p₁p₂同时满足

时，即可判断和相交即

接着再比较两者的高度，若两者在水平面内投影相交且缆绳高度小于码头 高度，则可判定缆绳与码头发生碰撞，否则就认为没有发生碰撞；

码头内的缆绳只要判断缆绳的高度是否大于码头高度加上缆绳半径，对于 缆绳X₁X₂和节点p_i，计算节点p_i到圆柱体中心的最短距离d；

如果d小于圆柱体半径r，就可认为二者发生了碰撞，否则不发生碰撞，如 果缆绳X₁X₂和节点p_i发生碰撞，就将节点沿op_i方向移动一定的距离，使二者不 再碰撞。

所述的步骤三中具体做法如下，假设节点p_i到圆柱体中心距离最近时所对 应的点为o，那么o指向节点p_i的单位向量

然后对节点p_i的位置做如下调整：

其中D为需要调整的距离，其计算公式如下：

D＝r-d  (15)。

由于缆绳总长度是不变的，步骤一、二的缆绳总长度不变，两段缆绳在滚 筒上出口处连接。步骤一、二在计算时都要考虑步骤三的作用，这样仿真效果 更好。

本发明的有益效果：

本文根据靠泊系缆作业过程中缆绳是否在缆机滚筒上，分两段建立相应的 仿真模型。对于缆机滚筒上的缆绳利用螺旋线原理，通过建立缆绳的缠绕算法 模型计算出缆绳在滚筒上的收放速度，以实现缆绳滚筒外的缆绳与滚筒上的缆 绳同步。对于滚筒外的缆绳根据悬链线模型计算出缆绳在不同工况下的缆绳形 状及端点处的受力，同时实现了对缆绳破断的预报分析，验证了本文提出的缆 绳模型的正确性和实用性。整合缆绳模型与绞缆机、岸壁等三维模型，实现了 船舶靠离泊过程中系缆作业的三维可视化，在系缆作业过程中能够直观的看到 缆绳的长度、位置变化，建立的缆绳作业仿真模型对船舶靠离泊操纵具有一定 的指导意义。

附图说明

图1为本发明缆绳结构示意图。

图2为缆绳微元受力图。

图3为缆绳计算流程图。

图4为碰撞检测平面图。

图5为缆绳与码头碰撞响应示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

仿真模型

悬链线方程

在靠离泊操纵过程中，缆绳姿态反复呈现为曲线、直线状态。本文假定采 用的缆绳绝对柔性，即缆绳只承受拉力，不承受弯矩；缆绳仅受沿弧长均匀分 布的自重载荷；缆绳材料满足胡克定律，即考虑缆绳的质量、应变和弹性的影 响，缆绳可采用悬链线方法进行处理。参考图1所示的缆绳结构示意图，缆绳 两端固定于O、Q两点，O点为船舶导缆孔处，Q点为码头缆桩。以O点为原 点建立坐标系，l和h分别为悬链部分在水平和垂直方向上的投影长度。缆绳上 每一点相对于O点的非延伸坐标用s表示，而拉伸后缆绳上相对于原点的坐标用p表示。考虑缆绳自重荷载集度随缆绳应变而变化，从缆绳微元力学平衡关 系出发，建立更符合实际的缆绳悬链线模型。任取缆绳上的微元d_s，如图2所 示。

由静力平衡关系得

式中：H、V分别为导缆孔处缆绳所受外力的水平和垂直分力；B、W分别为缆 绳微元自身受到的浮力和重力；L为缆绳长度。根据虎克定律，

式中：E是缆绳的杨氏模量，A为缆绳的横截面积。又结合缆绳的几何约束条件，

可得缆绳的张力：

式中T(s)为缆绳张力。定义缆绳支撑点的边界条件为

其中，L_s是缆绳拉伸后的长度。结合式(4)～(6)，并对dx和dz积分，得到s＝0到s的函数x(s)和z(s)表达式：

将边界条件(6)和式(7)、(8)相结合，可以得到Q点到O点的缆绳水平距离l和垂 直距离h：

图1所示的悬链线方程，由缆绳两端点O、Q的位置可得缆绳在水平和垂 直方向上实际投影长度H_or和V_er，同时缆绳悬链部分单位长度重量

和悬链长度 L均已知。采用Newton-Raphson迭代法计算出满足条件的导缆孔处水平和垂直 方向分力H、V以及各个分段上的悬链长度s，最终计算出各节点的坐标x(s)、z(s)， 计算流程如图3所示。

缠绕算法

当柔性缆绳在滚筒上时，采用分段的方法将缆绳缠绕在滚筒上，为让滚筒 上的缆绳和实际绞缆时那样紧密的排列在滚筒上，同时提高计算机绘制的效率， 这里采用忽略缆绳的刚体属性，使其不受物理引擎的影响，通过给动态地给出 缆绳节点位置，使滚筒上的缆绳跟随滚筒一起运动，对放出的缆绳再重新赋予 其物理属性进行碰撞检测。缆绳在滚筒上的分布符合圆柱螺旋线规律，基于圆 柱螺旋线的原理计算在滚筒上的缆绳节点的位置：

其中：(X(θ)，Y(θ)，Z(θ))为绕滚筒旋转θ角度后的节点位置；(X₀，Y₀，Z₀)为计算起始点；R为滚筒半径；r为缆绳半径；θ为该节点的旋转角度。

当缆绳到达滚筒边界时，需要调整滚筒半径R的大小，以增减螺旋线的半径 ^[8]。滚筒半径R的调整公式为

建立缆机的三维模型放置在场景，并设置好缆机滚筒大小、缆绳半径以及 其他参数，按照上述算法计算出的缆绳在滚筒上的位置，并对整个场景进行渲 染；

碰撞处理

在进行备缆、撇缆、松缆、收缆等操作时，缆绳会与船体或者码头等发生 碰撞，为防止仿真时缆绳进入船体或码头内部，需对缆绳和码头进行碰撞检测。 利用传统的包围盒、空间剖分等方法缆绳与码头之间进行碰撞检测，或者计算 精度难以保证，或者计算量较大。而距离场法计算速度较快、结果准确，适合 用于检测缆绳节点与船体或码头等刚体的碰撞，因此本文采用基于距离场的方 法处理缆绳的碰撞检测。

船舷和码头之间的缆绳可归结为多边形间的距离计算。将缆绳和码头投影 到水平面，在水平面内判断两者是否相交。判断相交的方法如图4所示，p₃p₄和 p₁p₂分别为缆绳和码头在XOZ平面的投影。

若要判断缆绳和码头是否碰撞，先要判断缆绳与码头在XOZ平面上的投影 是否相交，即检测p₃p₄和p₁p₂是否相交。当p₃p₄和p₁p₂同时满足

时，即可判断

和

相交^[9]。即

接着再比较两者的高度，若两者在水平面内投影相交且缆绳高度小于码头 高度，则可判定缆绳与码头发生碰撞，否则就认为没有发生碰撞。

码头内的缆绳我们只要判断缆绳的高度是否大于码头高度加上缆绳半径。 对于如图5所示的缆绳X₁X₂和节点p_i，计算节点p_i到圆柱体中心的最短距离d。

如果d小于圆柱体半径r，就可认为二者发生了碰撞，否则不发生碰撞。如 果缆绳X₁X₂和节点p_i发生碰撞，就将节点沿op_i方向移动一定的距离，使二者不 再碰撞。具体做法如下，假设节点p_i到圆柱体中心距离最近时所对应的点为o， 那么o指向节点p_i的单位向量

然后对节点p_i的位置做如下调整：

其中D为需要调整的距离，其计算公式如下：

D＝r-d  (30)

系统的可视化

通过步骤一和步骤二计算公式，结合实际的步骤三应用，起到了防止船舶 靠岸的作用；

由于缆绳总长度是不变的，步骤一、二的缆绳总长度不变，两段缆绳在滚 筒上出口处连接。步骤一、二在计算时都要考虑步骤三的作用，这样仿真效果 更好。

实施例：

本文以4万吨货船“长山海”轮为母船，应用三维建模软件3ds Max建立 船体、系缆装置、港口等三维模型，将模型导入Unity3D引擎中，构建船舶靠 离泊操纵场景。在三维场景中基于缆绳张力计算模型进行船舶靠离泊过程中系 缆作业的仿真。船舶靠泊操纵过程包括：准备工作、投掷撇缆绳、松缆、绞缆、 结束工作等。船舶解缆作业过程基本上与系缆时相同，先收进舷外物体和挡鼠 板，当系缆完全松弛时，码头工人从缆桩取下系缆琵琶头，船上船员操作缆机 回收缆绳。下面将主要对船舶靠泊操纵进行介绍。

准备工作

在船舶靠泊系缆作业时，船员需要提前5min上岗做准备工作。如：绞缆机 加油并试车，清理工作现场，移走妨碍带缆作业的杂物。为保证带缆作业中能 够迅速地将缆绳送出，事先需要将要用的缆绳倒出一部分排在甲板上，并把琵 琶头移到各自的导缆孔前。

投掷撇缆绳

撇缆是甲板部船员的一项重要基本技能，工作环境的特殊性决定了撇缆绳 也具有一些区别于普通绳子的特点。撇缆绳多采用直径为6～～7mm的编织化纤绳， 长度一般为40m左右。其尾端为一个眼接环，前端接一个撇缆头。撇缆头的重 量为0.35～0.4kg，可用内有沙袋外用油麻绳编织或用撇缆绳直接将沙袋编织在 内而成，也可用硬橡胶制成。

操作者进行撇缆操作时，撇缆绳沿着抛物线送出，直至撇缆绳被撇到码头 上。撇缆绳同时受自身重力作用而下垂，最终搭在船舷和码头边，。撇缆抛出 后，船员将手中的撇缆绳在缆绳的琵琶头上打一个撇缆活结，然后将缆绳送出 舷外等待执行下一步操作。

松缆

绞缆机在松缆绳或绞缆绳过程中，缆绳长度随时间而变化。如果绞缆机松 缆绳过快，柔性的缆绳可能缠绕在一起；同样如果绞缆机收揽过快，缆绳的张 力可能会变得很大损坏拖缆及绞缆机，甚至超过缆绳的极限强度导致缆绳断裂。 从操纵安全角度考虑，十分有必要研究缆绳在收放过程中的响应。船上的船员 操作绞缆机，同时码头工人拖拽撇缆绳，撇缆绳带着缆绳一起被拉到码头上， 缆绳的收放速率根据码头工人拖拽速度设定。

绞缆

当缆绳挂到码头缆桩后，船上船员使用绞缆机收紧缆绳，收揽的速度根据 船的位置做相应调整，直至船舶靠上码头。缆绳松紧程度对系泊安全至关重要， 操作绞缆机收紧缆绳时需要对缆绳的破断力进行估算。缆绳的破断力估算公式：

T_d＝D²×1％×k×9.8  (31)

式中：T_d为缆绳破断力，kN；D为缆绳直径，mm；k为破断系数，尼龙缆的破 断系数取1.19～1.33，在本文中破断系数取1.20。

表1选用缆绳的相关参数

总长度/m	直径/mm	<![CDATA[线密度/(kg·m<sup>-1</sup>)]]>	弹性模量/MPa	破断系数
					220	80	3.05	77.985	1.20

取一条参数如表1所示的尼龙缆绳，计算系缆的破断强度为752.64kN，结 合系缆的安全系数(这里取6)，得到缆绳的安全强度125.44kN，确保在操作 绞缆机收紧缆绳时，缆绳张力小于安全强度。

结束工作

当船已靠妥，所有系缆均带好后，应挂上挡鼠板。盘好多余的缆绳，收妥 属具，盖上绞缆机防护罩，并清扫现场，完成系泊作业。

Claims (4)

1.一种船舶靠离泊过程中系缆作业仿真的方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤一：建立悬链线模型：

在缆绳两端固定于O、Q两点，O点为船舶导缆孔处，Q点为码头缆桩，以O点为原点建立坐标系，l和h分别为悬链部分在水平和垂直方向上的投影长度，缆绳上每一点相对于O点的非延伸坐标用s表示，而拉伸后缆绳上相对于原点的坐标用p表示，考虑缆绳自重荷载集度随缆绳应变而变化，从缆绳微元力学平衡关系出发，建立更符合实际的缆绳悬链线模型，任取缆绳上的微元dx

由静力平衡关系得

式中：H、V分别为导缆孔处缆绳所受外力的水平和垂直分力；B、W分别为缆绳微元自身受到的浮力和重力；L为缆绳长度，根据虎克定律，

式中：E是缆绳的杨氏模量，A为缆绳的横截面积，又结合缆绳的几何约束条件，

可得缆绳的张力:

式中T(s)为缆绳张力，定义缆绳支撑点的边界条件为

其中，L_s是缆绳拉伸后的长度，结合式(4)～(6)，并对dx和dz积分，得到s＝0到s的函数x(s)和z(s)表达式：

将边界条件(6)和式(7)、(8)相结合，可以得到Q点到O点的缆绳水平距离l和垂直距离h：

步骤二：建立缠绕模型；

将柔性缆绳在滚筒上时，采用分段的方法将缆绳缠绕在滚筒上，动态地给出缆绳节点位置，使滚筒上的缆绳跟随滚筒一起运动，缆绳在滚筒上的分布符合圆柱螺旋线规律，基于圆柱螺旋线的原理计算在滚筒上的缆绳节点的位置，

其中：(X(θ),Y(θ),Z(θ))为绕滚筒旋转θ角度后的节点位置；(X₀,Y₀,Z₀)为计算起始点；R为滚筒半径；r为缆绳半径；θ为该节点的旋转角度；

当缆绳到达滚筒边界时，需要调整滚筒半径R的大小，以增减螺旋线的半径，滚筒半径R的调整公式为

建立缆机的三维模型放置在三维场景，并设置好缆机滚筒大小、缆绳半径。

2.根据权利要求1所述的一种船舶靠离泊过程中系缆作业仿真的方法，其特征在于，所述的步骤一和步骤二在系统仿真时，根据缆绳是否在滚筒上，分别建立两种模型，缆绳总长度不变。

3.根据权利要求1所述的一种船舶靠离泊过程中系缆作业仿真的方法，其特征在于，所述的步骤一和步骤二应用于步骤三的碰撞处理中，包括；

对船舷和码头之间的缆绳的距离进行处理，将缆绳和码头投影到水平面，在水平面内判断两者是否相交，p₃p₄和p₁p₂分别为缆绳和码头在XOZ平面的投影；

若要判断缆绳和码头是否碰撞，先要判断缆绳与码头在XOZ平面上的投影是否相交，即检测p₃p₄和p₁p₂是否相交，当p₃p₄和p₁p₂同时满足

时，即可判断和相交即

接着再比较两者的高度，若两者在水平面内投影相交且缆绳高度小于码头高度，则可判定缆绳与码头发生碰撞，否则就认为没有发生碰撞；

码头内的缆绳只要判断缆绳的高度是否大于码头高度加上缆绳半径，对于缆绳X₁X₂和节点p_i，计算节点p_i到圆柱体中心的最短距离d；

如果d小于圆柱体半径r，就可认为二者发生了碰撞，否则不发生碰撞，如果缆绳X₁X₂和节点p_i发生碰撞，就将节点沿op_i方向移动一定的距离，使二者不再碰撞。

4.根据权利要求3所述的一种船舶靠离泊过程中系缆作业仿真的方法，其特征在于，所述的步骤三中具体做法如下，假设节点p_i到圆柱体中心距离最近时所对应的点为o，那么o指向节点p_i的单位向量

然后对节点p_i的位置做如下调整：

其中D为需要调整的距离，其计算公式如下：

D＝r-d(15)

式中，d为节点p_i到圆柱体中心的最短距离，即d＝|op_i|。

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