CN111210692A - 一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法 - Google Patents

一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111210692A
CN111210692A CN202010183724.XA CN202010183724A CN111210692A CN 111210692 A CN111210692 A CN 111210692A CN 202010183724 A CN202010183724 A CN 202010183724A CN 111210692 A CN111210692 A CN 111210692A
Authority
CN
China
Prior art keywords
yacht
pitch
heave
motion
dolphin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010183724.XA
Other languages
English (en)
Inventor
尹勇
李笑晨
孙霄峰
张秀凤
神和龙
任俊生
刘秀文
刘春雷
朱忠显
钱小斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Haida Zhilong Technology Co Ltd
Dalian Maritime University
Original Assignee
Dalian Haida Zhilong Technology Co Ltd
Dalian Maritime University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Haida Zhilong Technology Co Ltd, Dalian Maritime University filed Critical Dalian Haida Zhilong Technology Co Ltd
Priority to CN202010183724.XA priority Critical patent/CN111210692A/zh
Publication of CN111210692A publication Critical patent/CN111210692A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B9/00—Simulators for teaching or training purposes
    • G09B9/02—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft
    • G09B9/06—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft for teaching control of ships, boats, or other waterborne vehicles
    • G09B9/066—Sailing; Surfing

Abstract

本发明公开了一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法，包括以下步骤：读取游艇设计参数；计算游艇静水中定常运动状态；计算游艇垂荡和纵摇两个自由度运动的水动力系数；基于Routh‑Hurwitz线性稳定性判据判断游艇海豚运动发生的边界条件；采用人工干预法激励游艇海豚运动的发生。本发明从游艇高速运动的本质出发，基于平板滑行理论对游艇受力进行分析，基于高频自由液面假设对游艇高速运动状态下的垂荡和纵摇各水动力系数进行求解，将解算出游艇各水动力系数传入游艇模拟器系统可解算出游艇实时运动姿态，同时配合游艇模拟器视景，最终驱动游艇模拟器运行，既满足了游艇模拟器仿真实时性的要求，也满足了游艇模拟器精度的要求。

Description

一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法
技术领域
本发明涉及游艇模拟器，特别涉及一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法。
背景技术
游艇是一种惊险刺激的水上休闲娱乐项目，目前已逐步走入人们的视野。但是游艇项目因为其费用仍较为高昂且游艇从业者较为稀缺，该项目并没有达到大众普及的程度。游艇模拟器是一种模拟游艇水上运动的仿真设备。从消费者角度考虑，该设备可以降低游艇体验成本，无需登上实艇甚至无需到达海边即可体验全方位的游艇感受；从游艇从业者考虑，该设备可以降低游艇驾驶员培训成本与风险，游艇驾驶员在模拟器上进行充分训练后，再进行实船训练及考证。
海豚运动是游艇在静水中，处于一定航速下发生的一种周期性、有界性、垂直平面内的运动，剧烈的海豚运动会导致船舶越出水面，然后撞入水中，该运动理论上会损害船体结构，但在游艇实际航行过程中，这种颠簸的运动是游艇体验乐趣非常重要的一部分，因此非常具有研究意义。这类不稳定性运动发生在静水中，并无激励存在，海豚运动的产生与船舶结构设计和船速有关，存在一定的发生阈值。线性稳定性分析可揭示这类不稳定行为可能发生的条件。
目前游艇海豚运动的研究成果中，相关学者大多采用的是基于模型实验的实验流体力学方法和基于计算流体力学的二维、二维半、三维方法。实验流体力学对试验场地要求很高，要求拥有实验水池、拖曳设备和实船模型，该方法对于理论研究有着巨大的意义，需要消耗大量的人力物力资源。而计算流体力学是对游艇几何模型表面进行剖分，计算每一个微分单元上的受力，然后进行求和从而得到船体上所受合力，该方法计算量非常大，通常使用高性能服务器或者超级计算机进行计算，计算前期需要大量准备工作且计算过程非常耗时。上述两种方法对于理论研究具有巨大意义，但是对于以工程应用为目的，需要严格实时计算并控制生产成本的游艇模拟器并不合适，因此提出一种能够应用于游艇模拟器的可以仿真游艇海豚运动的实时算法非常有必要。
上述技术的参考文如下：
[1]朱珉虎.游艇概论[M].上海:上海交通大学出版社,2012:20-25。
[2]Faltinsen O M.Hydrodynamics of high-speed marine vehicles[M].Cambridge university press.2006.342-389。
[3]林焰,何靖仪.基于支持向量机的高速滑行艇航态优化[J].船海工程,2019,48(04):1-7。
[4]申云磊,高霄鹏,罗富强.滑行艇静水性能试验研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2019,43(02):337-340。
[5]凌宏杰,王志东.高速滑行艇“海豚运动”现象的实时数值预报方法[J].上海交通大学学报,2014,48(01):106-110。
[6]朱鑫,段文洋,倪阳,马山.基于二维砰击模型的滑行艇水动力求解及应用[J].华中科技大学学报(自然科学版),2013,41(08):111-115。
[7]李笑晨,尹勇.基于改进Savitsky方法的静水游艇快速仿真(英文)[J].系统仿真学报,2019,31(11):2264-2274。
[8]李笑晨,尹勇,周宏宇,张秀凤.正横规则波中游艇操纵运动仿真[J].大连海事大学学报,2017,43(03):1-6。
[9]金一丞,尹勇.航海模拟器[M].北京:科学出版社,2013:11-30。
[10]Mahdi Sajedi Sayyed,Ghadimi Parviz,Sheikholeslami Mohammad,Ghassemi Mohammad A.Experimental and numerical analyses of wedge effects onthe rooster tail and porpoising phenomenon of a high-speed planing craft incalm water[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,2019,233(13)。
[11]Mehran Mansoori,Antonio Carlos Fernandes.The interceptorhydrodynamic analysis for controlling the porpoising instability in highspeed crafts[J].Applied Ocean Research,2016,57。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够实时仿真游艇海豚运动，且计算精度满足游艇模拟器对游艇海豚运动要求的游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法，包括以下步骤：
A、读取游艇设计参数
从游艇模型数据库中读取游艇设计参数，将游艇设计参数传入游艇运动数学模型计算程序。
B、计算游艇静水中定常运动状态
基于平板滑行理论和Savitsky关于棱柱形滑行艇的相关研究，游艇定常纵倾角由公式(1)-(4)计算。根据游艇重量和宽度，由公式(1)计算出游艇的动升力系数，再由式(2)对动升力系数进行斜升角修正，根据游艇的重心纵向位置、游艇宽度和速度计算出游艇运动的游艇宽度傅汝德数，由式(3)计算游艇运动的实时浸湿表面长宽比，将游艇修正后的动升力系数、游艇实时浸湿表面长宽比和游艇宽度傅汝德数代入式(4)计算出游艇定常纵倾角。
Figure BDA0002413438820000031
Figure BDA0002413438820000032
Figure BDA0002413438820000033
Figure BDA0002413438820000034
其中，FLβ为游艇所受动升力，Δ为游艇排水量，ρ为海水密度，V为游艇航行速度，B为游艇宽度，τ为游艇航行定常纵倾角、以角度为单位，β为游艇的斜升角，CL0为斜升角为0时的动升力系数，λW为浸湿表面长宽比，FnB为游艇宽度傅汝德数，CLβ为斜升角为β时的动升力系数，lcg为游艇重心距船艉纵向位置。
C、计算游艇垂荡和纵摇两个自由度运动的水动力系数
游艇垂荡和纵摇运动的耦合方程如下式所示：
Figure BDA0002413438820000035
其中，M为游艇重量，η3为游艇垂荡运动位移，η5为游艇纵摇运动角度，t为时间，Ajk为附加质量，Bjk为阻尼系数，Cjk为回复系数；下标j取值为3或5，下标k取值为3或5，3表示垂荡运动，5表示纵摇运动；I55是纵摇转动惯量。游艇垂荡和纵摇运动的水动力系数计算采用高频自由液面假设，游艇附加质量和阻尼系数假设与频率无关，阻尼由游艇升力效应引起。
C1、计算游艇垂荡和纵摇附加质量
附加质量的计算考虑游艇高速运动时船艏抬升现象，此时部分船体会抬出水面，在船体上出现水流分离点，船艏至折角边浸水起始处的船体和折角边浸水起始处至船艉的船体，并简称为第一部分船体和第二部分船体。附加质量计算按两部分船体分别计算。
第一部分船体对垂荡附加质量的贡献为：
Figure BDA0002413438820000041
第一部分船体对垂荡和纵摇的耦合附加质量为：
Figure BDA0002413438820000042
第一部分船体的纵摇附加质量为：
Figure BDA0002413438820000043
第二部分船体对垂荡附加质量的贡献为：
Figure BDA0002413438820000044
第二部分船体对垂荡和纵摇的耦合附加质量为：
Figure BDA0002413438820000045
第二部分船体的纵摇附加质量为：
Figure BDA0002413438820000046
其中，K为垂荡附加质量求解的过程变量，zmax为最大压力处垂向坐标，上标1表示第一部分船体，上标2表示第二部分船体，LC为折角线的浸湿长度，xG为游艇重心纵向坐标，LK为龙骨线浸湿长度，xs为游艇水流分离点纵向坐标。
游艇附加质量如以下公式所示：
Figure BDA0002413438820000051
C2、计算游艇垂荡和纵摇阻尼系数
采用准定常方法分析游艇运动状态，即垂荡速度引起的定常纵倾角和定常升力的变化。
游艇的垂荡和纵摇运动将引起垂向力：
Figure BDA0002413438820000052
将公式(1)-(4)代入公式(13)化简计算游艇垂荡阻尼系数，得：
Figure BDA0002413438820000053
游艇的垂荡速度产生相对于重心的纵摇力矩为：
F5＝F3(0.75λWB-lcg) (15)
将公式(1)-(4)代入公式(15)化简计算游艇垂荡和纵摇耦合阻尼系数，得：
B53＝B33(0.75λWB-lcg) (16)
游艇纵摇阻尼系数与垂荡和纵摇耦合阻尼为：
Figure BDA0002413438820000054
其中，xT为船艉纵向坐标，a33(xT)为xT处附加质量。
C3、计算游艇垂荡和纵摇回复系数
将船舶的纵摇角度分为船舶常速航行所产生的定常纵倾角与垂荡和纵摇两种运动耦合产生的纵摇角两部分进行分析。
根据垂荡和纵摇回复系数的定义：
Figure BDA0002413438820000055
其中，下标0表示平衡位置，即定常运动状态，通过解析方法得到游艇垂荡回复系数与垂荡和纵摇耦合回复系数的公式如下：
Figure BDA0002413438820000061
游艇绕重心的纵倾力矩也表示为：
Figure BDA0002413438820000062
其中，lp为压力重心纵向位置。将公式(1)-(4)代入公式(20)化简计算游艇纵摇回复系数与垂荡和纵摇耦合回复系数，推导得：
Figure BDA0002413438820000063
D、基于Routh-Hurwitz线性稳定性判据判断游艇海豚运动发生的边界条件
公式(5)所示的耦合方程为线性系统。利用Routh-Hurwitz线性稳定性判据判断游艇发生海豚运动的边界条件，即求解公式(5)的非平凡解，表示为：
ηj＝ηjαest,j＝3,5 (22)
其中，ηj是一个复值函数，s＝α+iw，代入公式(5)得：
Figure BDA0002413438820000064
要使ηj有非零解，则上式组成的系数行列式必须为零，即：
Figure BDA0002413438820000065
根据Routh-Hurwitz线性稳定性判据，线性系统稳定的要求是：
Figure BDA0002413438820000071
E、采用人工干预法激励游艇海豚运动的发生
当游艇进入定常运动状态后，由Routh-Hurwitz线性稳定性判据对当前运动状态进行判断，若游艇当前运动状态并未到达海豚运动发生的阈值，则游艇在静水中进行定常抬艏运动；若游艇当前运动状态达到海豚运动发生的阈值，则由游艇模拟器系统对游艇运动进行人工干预，实施激励，游艇则在此激励后在自身所所受水动力作用下进行海豚运动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、为了解决实验流体力学和计算流体力学在游艇模拟器工程应用中的不适用问题，本发明从游艇高速运动的本质出发，基于平板滑行理论对游艇受力进行分析，基于高频自由液面假设对游艇高速运动状态下的垂荡和纵摇各水动力系数进行求解，将解算出游艇各水动力系数传入游艇模拟器系统可解算出游艇实时运动姿态，同时配合游艇模拟器视景，最终驱动游艇模拟器运行，既满足了游艇模拟器仿真实时性的要求，也满足了游艇模拟器精度的要求。
2、本发明基于Routh-Hurwitz线性稳定性判据对游艇运动稳定性状态进行判断，判断游艇发生海豚运动边界阈值，当游艇达到海豚运动发生的阈值后，采用人工干预的方法对游艇运动实施激励，游艇受到激励后在自身所受水动力作用下进行海豚运动，解决游艇模拟器中无法进行游艇海豚运动仿真的问题。
附图说明
图1为本发明的方案流程图。
图2为游艇运动局部坐标系。
图3为游艇航行时与水线面沿船长方向投影面示意图。
图4为游艇在不同垂荡纵摇幅值下的水动力系数A33曲线。
图5为游艇在不同垂荡纵摇幅值下的水动力系数B33曲线。
图6为游艇在不同垂荡纵摇幅值下的水动力系数C33曲线。
图7为游艇发生海豚运动线性稳定性判据边界条件。
图8为游艇人工激励下未发生海豚运动垂荡历时曲线。
图9为游艇人工激励下未发生海豚运动纵摇历时曲线。
图10为游艇人工激励下发生海豚运动垂荡历时曲线。
图11为游艇人工激励下发生海豚运动纵摇历时曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法，包括以下步骤：
1、读取游艇模型数据
从游艇模型数据库中读取游艇设计参数，将游艇设计参数传入游艇运动数学模型计算程序。
2、计算游艇静水中定常运动状态
如图2所示，建立游艇运动局部坐标系O-XYZ：坐标原点O为游艇简化模型重心，X轴指向船艉，Y轴指向右舷，Z轴垂直XY平面指向上方。
基于平板滑行理论和Savitsky关于棱柱形滑行艇的相关研究，游艇定常纵倾角由公式(1)-(4)计算。根据游艇重量和宽度，由公式(1)计算出游艇的动升力系数，再由式(2)对动升力系数进行斜升角修正，根据游艇的重心纵向位置、游艇宽度和速度计算出游艇运动的游艇宽度傅汝德数，由式(3)计算游艇运动的实时浸湿表面长宽比，将游艇修正后的动升力系数、游艇实时浸湿表面长宽比和游艇宽度傅汝德数代入式(4)计算出游艇定常纵倾角。
Figure BDA0002413438820000081
Figure BDA0002413438820000082
Figure BDA0002413438820000083
Figure BDA0002413438820000084
3、计算游艇垂荡和纵摇两个自由度运动的水动力系数
游艇垂荡和纵摇运动的耦合方程如下式所示：
Figure BDA0002413438820000091
3.1、计算游艇垂荡和纵摇附加质量
附加质量的计算考虑游艇高速运动时船艏抬升现象，此时部分船体会抬出水面，在船体上出现水流分离点，船艏至折角边浸水起始处的船体和折角边浸水起始处至船艉的船体，并简称为第一部分船体和第二部分船体。附加质量计算按两部分船体分别计算，如图3所示。
第一部分船体对垂荡附加质量的贡献为：
Figure BDA0002413438820000092
第一部分船体对垂荡和纵摇的耦合附加质量为：
Figure BDA0002413438820000093
第一部分船体的纵摇附加质量为：
Figure BDA0002413438820000094
第二部分船体对垂荡附加质量的贡献为：
Figure BDA0002413438820000095
第二部分船体对垂荡和纵摇的耦合附加质量为：
Figure BDA0002413438820000096
第二部分船体纵摇附加质量为：
Figure BDA0002413438820000097
游艇附加质量如以下公式所示：
Figure BDA0002413438820000101
图4为使用上述方法计算所得游艇在不同垂荡纵摇运动幅值下的水动力系数A33。
3.2、计算游艇垂荡和纵摇阻尼系数
采用准定常方法分析游艇运动状态，即垂荡速度引起的定常纵倾角和定常升力的变化。
游艇的垂荡和纵摇运动将引起垂向力：
Figure BDA0002413438820000102
将公式(1)-(4)代入公式(13)化简计算游艇垂荡阻尼系数，得：
Figure BDA0002413438820000103
游艇的垂荡速度产生相对于重心的纵摇力矩为：
F5＝F3(0.75λWB-lcg) (40)
将公式(1)-(4)代入公式(15)化简计算游艇垂荡和纵摇耦合阻尼系数，得：
B53＝B33(0.75λWB-lcg) (41)
游艇纵摇阻尼系数与垂荡和纵摇耦合阻尼为：
Figure BDA0002413438820000104
其中，xT为船艉纵向坐标值，a33(xT)为xT处附加质量。
图5为使用上述方法计算所得游艇在不同垂荡纵摇运动幅值下的水动力系数B33。
3.3、计算游艇垂荡和纵摇回复系数
将船舶的纵摇角度分为船舶常速航行所产生的定常纵倾角与垂荡和纵摇两种运动耦合产生的纵摇角两部分进行分析。
根据垂荡和纵摇回复系数的定义：
Figure BDA0002413438820000111
通过解析方法得到游艇垂荡回复系数与垂荡和纵摇耦合回复系数的公式如下：
Figure BDA0002413438820000112
游艇绕重心的纵倾力矩也表示为：
Figure BDA0002413438820000113
其中，lp为压力重心纵向位置。将公式(1)-(4)代入公式(20)化简计算游艇纵摇回复系数与垂荡和纵摇耦合回复系数，推导得：
Figure BDA0002413438820000114
图6为使用上述方法计算所得游艇在不同垂荡纵摇运动幅值下的水动力系数C33。
4、基于Routh-Hurwitz线性稳定性判据判断游艇海豚运动发生的边界条件
公式(5)所示的耦合方程为线性系统。利用Routh-Hurwitz线性稳定性判据判断游艇发生海豚运动的边界条件，即求解公式(5)的非平凡解，表示为：
ηj＝ηjαest,j＝3,5 (47)
其中，ηj是一个复值函数，s＝α+iw，代入公式(5)得
Figure BDA0002413438820000115
要使ηj有非零解，则上式组成的系数行列式必须为零，即
Figure BDA0002413438820000121
根据Routh-Hurwitz稳定性判据，系统稳定的要求是
Figure BDA0002413438820000122
图7为某艇的Routh-Hurwitz线性稳定性判据界限示意图，不同曲线代表游艇不同重心位置对应的稳定性曲线，当游艇稳定性曲线为正时，游艇运动是稳定的，不会发生海豚运动，当游艇稳定性曲线为负时，游艇运动是不稳定，会发生海豚运动。
5、采用人工干预法激励游艇海豚运动的发生
公式(5)所示的耦合方程在无激励条件下不能进行海豚运动仿真，因此采用人工干预方法对游艇运动实施激励。当游艇进入定常运动状态后，由Routh-Hurwitz线性稳定性判据对当前运动状态进行判断，若游艇当前运动状态未达到海豚运动发生的阈值，则游艇在静水中进行定常抬艏运动，此时游艇即使受到激励后也将恢复到稳定的定常纵倾运动状态，如图8-9所示；若游艇当前运动状态达到海豚运动发生的阈值，由游艇模拟器系统对游艇运动进行人工干预，实施激励，游艇则在此激励后在自身所所受水动力作用下进行海豚运动，如图10-11所示。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、读取游艇设计参数
从游艇模型数据库中读取游艇设计参数，将游艇设计参数传入游艇运动数学模型计算程序；
B、计算游艇静水中定常运动状态
基于平板滑行理论和Savitsky关于棱柱形滑行艇的相关研究，游艇定常纵倾角由公式(1)-(4)计算；根据游艇重量和宽度，由公式(1)计算出游艇的动升力系数，再由式(2)对动升力系数进行斜升角修正，根据游艇的重心纵向位置、游艇宽度和速度计算出游艇运动的游艇宽度傅汝德数，由式(3)计算游艇运动的实时浸湿表面长宽比，将游艇修正后的动升力系数、游艇实时浸湿表面长宽比和游艇宽度傅汝德数代入式(4)计算出游艇定常纵倾角；
Figure FDA0002413438810000011
Figure FDA0002413438810000012
Figure FDA0002413438810000013
Figure FDA0002413438810000014
其中，FLβ为游艇所受动升力，Δ为游艇排水量，ρ为海水密度，V为游艇航行速度，B为游艇宽度，τ为游艇航行定常纵倾角、以角度为单位，β为游艇的斜升角，CL0为斜升角为0时的动升力系数，λW为浸湿表面长宽比，FnB为游艇宽度傅汝德数，CLβ为斜升角为β时的动升力系数，lcg为游艇重心距船艉纵向位置；
C、计算游艇垂荡和纵摇两个自由度运动的水动力系数
游艇垂荡和纵摇运动的耦合方程如下式所示：
Figure FDA0002413438810000021
其中，M为游艇重量，η3为游艇垂荡运动位移，η5为游艇纵摇运动角度，t为时间，Ajk为附加质量，Bjk为阻尼系数，Cjk为回复系数；下标j取值为3或5，下标k取值为3或5，3表示垂荡运动，5表示纵摇运动；I55是纵摇转动惯量；游艇垂荡和纵摇运动的水动力系数计算采用高频自由液面假设，游艇附加质量和阻尼系数假设与频率无关，阻尼由游艇升力效应引起；
C1、计算游艇垂荡和纵摇附加质量
附加质量的计算考虑游艇高速运动时船艏抬升现象，此时部分船体会抬出水面，在船体上出现水流分离点，船艏至折角边浸水起始处的船体和折角边浸水起始处至船艉的船体，并简称为第一部分船体和第二部分船体；附加质量计算按两部分船体分别计算；
第一部分船体对垂荡附加质量的贡献为：
Figure FDA0002413438810000022
第一部分船体对垂荡和纵摇的耦合附加质量为：
Figure FDA0002413438810000023
第一部分船体的纵摇附加质量为：
Figure FDA0002413438810000024
第二部分船体对垂荡附加质量的贡献为：
Figure FDA0002413438810000025
第二部分船体对垂荡和纵摇的耦合附加质量为：
Figure FDA0002413438810000026
第二部分船体的纵摇附加质量为：
Figure FDA0002413438810000031
其中，K为垂荡附加质量求解的过程变量，zmax为最大压力处垂向坐标，上标1表示第一部分船体，上标2表示第二部分船体，LC为折角线的浸湿长度，xG为游艇重心纵向坐标，LK为龙骨线浸湿长度，xs为游艇水流分离点纵向坐标；
游艇附加质量如以下公式所示：
Figure FDA0002413438810000032
C2、计算游艇垂荡和纵摇阻尼系数
采用准定常方法分析游艇运动状态，即垂荡速度引起的定常纵倾角和定常升力的变化；
游艇的垂荡和纵摇运动将引起垂向力：
Figure FDA0002413438810000033
将公式(1)-(4)代入公式(13)化简计算游艇垂荡阻尼系数，得：
Figure FDA0002413438810000034
游艇的垂荡速度产生相对于重心的纵摇力矩为：
F5＝F3(0.75λWB-lcg) (15)
将公式(1)-(4)代入公式(15)化简计算游艇垂荡和纵摇耦合阻尼系数，得：
B53＝B33(0.75λWB-lcg) (16)
游艇纵摇阻尼系数与垂荡和纵摇耦合阻尼为：
Figure FDA0002413438810000035
其中，xT为船艉纵向坐标，a33(xT)为xT处附加质量；
C3、计算游艇垂荡和纵摇回复系数
将船舶的纵摇角度分为船舶常速航行所产生的定常纵倾角与垂荡和纵摇两种运动耦合产生的纵摇角两部分进行分析；
根据垂荡和纵摇回复系数的定义：
Figure FDA0002413438810000041
其中，下标0表示平衡位置，即定常运动状态，通过解析方法得到游艇垂荡回复系数与垂荡和纵摇耦合回复系数的公式如下：
Figure FDA0002413438810000042
游艇绕重心的纵倾力矩也表示为：
Figure FDA0002413438810000043
其中，lp为压力重心纵向位置；将公式(1)-(4)代入公式(20)化简计算游艇纵摇回复系数与垂荡和纵摇耦合回复系数，推导得：
Figure FDA0002413438810000044
D、基于Routh-Hurwitz线性稳定性判据判断游艇海豚运动发生的边界条件公式(5)所示的耦合方程为线性系统；利用Routh-Hurwitz线性稳定性判据判断游艇发生海豚运动的边界条件，即求解公式(5)的非平凡解，表示为：
ηj＝ηjαest,j＝3,5 (22)
其中，ηj是一个复值函数，s＝α+iw，代入公式(5)得：
Figure FDA0002413438810000045
要使ηj有非零解，则上式组成的系数行列式必须为零，即：
Figure FDA0002413438810000051
根据Routh-Hurwitz线性稳定性判据，线性系统稳定的要求是：
Figure FDA0002413438810000052
E、采用人工干预法激励游艇海豚运动的发生
当游艇进入定常运动状态后，由Routh-Hurwitz线性稳定性判据对当前运动状态进行判断，若游艇当前运动状态并未到达海豚运动发生的阈值，则游艇在静水中进行定常抬艏运动；若游艇当前运动状态达到海豚运动发生的阈值，则由游艇模拟器系统对游艇运动进行人工干预，实施激励，游艇则在此激励后在自身所所受水动力作用下进行海豚运动。
CN202010183724.XA 2020-03-16 2020-03-16 一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法 Pending CN111210692A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010183724.XA CN111210692A (zh) 2020-03-16 2020-03-16 一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010183724.XA CN111210692A (zh) 2020-03-16 2020-03-16 一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111210692A true CN111210692A (zh) 2020-05-29

Family

ID=70789974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010183724.XA Pending CN111210692A (zh) 2020-03-16 2020-03-16 一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111210692A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112307419A (zh) * 2020-10-19 2021-02-02 华南理工大学 一种船舶垂向运动响应的快速预报方法
CN112926276A (zh) * 2021-01-27 2021-06-08 天津大学 一种高速两栖车海豚运动稳定性智能控制方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110040230A (zh) * 2019-04-26 2019-07-23 哈尔滨工程大学 一种将波浪能转换成低频纵摇运动实现推进的海洋运载器

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110040230A (zh) * 2019-04-26 2019-07-23 哈尔滨工程大学 一种将波浪能转换成低频纵摇运动实现推进的海洋运载器

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SUN,HUI: ""Predictions of porposing inception for planing vessels"", 《JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *
姜正桥: ""滑行艇海豚运动稳定性分析的仿真验证"", 《船舶工程》 *
崔维成: "《海上高速船水动力学》", 30 September 2007, 国防工业出版社 *
朱鑫: ""基于二维砰击模型的滑行艇水动力求解及应用"", 《华中科技大学学报（自然科学板）》 *
朱鑫: ""棱柱型滑行艇在规则波中迎浪运动响应的频域解"", 《哈尔滨工程大学学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112307419A (zh) * 2020-10-19 2021-02-02 华南理工大学 一种船舶垂向运动响应的快速预报方法
CN112926276A (zh) * 2021-01-27 2021-06-08 天津大学 一种高速两栖车海豚运动稳定性智能控制方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Avci et al. An experimental investigation of interceptors for a high speed hull
Karimi et al. An experimental study of interceptor’s effectiveness on hydrodynamic performance of high-speed planing crafts
Park et al. An experimental study on vertical motion control of a high-speed planing vessel using a controllable interceptor in waves
CN111210692A (zh) 一种游艇模拟器中游艇海豚运动实时仿真方法
Kim et al. Turning characteristics of waterjet propelled planing boat at semi-planing speeds
Asmara et al. Seakeeping and resistance analysis of 1200 GT passenger ship fitted with NACA 4412 stern foil using CFD method
CN110457827B (zh) 一种游艇模拟器中游艇运动数学模型的阻力通用计算方法
Brizzolara et al. Design of an Unconventional ASV for Underwater Vehicles Recovery: Simulation of the motions for operations in rough seas
Tavakoli et al. A theoretical method to explore influence of free roll motion on behavior of a high speed planing vessel through steady yawed motion
Davis et al. Motion and passenger discomfort on high speed catamarans in oblique seas
CN110450929A (zh) 一种使用自带水平舵减小auv横摇和纵摇的方法
Suastika et al. Seakeeping analysis of a hydrofoil supported watercraft (hysuwac): A Case Study
Umeda et al. Broaching prediction in the light of an enhanced mathematical model, with higher-order terms taken into account
CN112307419B (zh) 一种船舶垂向运动响应的快速预报方法
Brizzolara et al. The second generation of unmanned surface vehicles: design features and performance predictions by numerical simulations
Kazerooni et al. Experimental evaluation of forward speed effect on maneuvering hydrodynamic derivatives of a planing hull
Sato et al. Practical application of two CFD codes for ship motions in arbitrary waves
Katayama Experimental techniques to assess dynamic instability of high-speed planing craft-Non-zero heel, bow-diving, porpoising and transverse porpoising
Weidle et al. Trimaran Design and Performance
You et al. Study on the MMG three-degree-of-freedom motion model of a sailing vessel
Emami et al. Introducing a simple and reliable multi-objective optimization method to estimate hull dimensions of a semi-submersible rig
Yoshida et al. The effect of controlling fins on the motion of resonance-free SWATH (RFS) platform
Begovic The Roll Damping of High-Speed Craft in Waves
Zikry Seakeeping performance of a hydrofoil in waves using cfd approach
Kusnadi et al. ANALYSIS OF THE EFFECT OF BILGE KEEL ON THE ROLLING MOTION OF RO-RO FERRY SHIP USING THE STRIP-THEORY METHOD

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200529

RJ01 Rejection of invention patent application after publication