CN111753370A - 一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法 - Google Patents

一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法，方法包括：S1、基于虚拟仿真平台，选择与待分析实船匹配的船舶模型；S2、设置所述船舶模型的静水力性能参数、运动状态参数、海洋环境参数，使所述船舶模型的静水力性能参数、运动状态参数、海洋环境参数与待分析实船的各种参数匹配；S3、对所述船舶模型及流域进行网格划分；S4、设置所述船舶模型进行摇荡试验的控制参数；S5、运动所述船舶模型的求解器，生成试验结果。上述方法适用于船舶摇荡性能的虚拟分析，与物理水池相比，节约了成本，缩短了试验周期。

Description

一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法
技术领域
本发明涉及船舶仿真技术，尤其涉及一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法。
背景技术
海洋环境会对船舶的横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇六个自由度的运动产生干扰，对船舶的正常作业造成影响，严重时甚至会导致船舶倾覆。因此对于船舶在风浪海况下摇荡运动响应的预报是船舶耐波性的一个重要课题。传统的研究方法主要是物理水池模型试验，因其成本高、周期长等缺陷，制约了船舶摇荡运动性能的研究。
如何实现虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法成为当前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法，该方法节省了物理水池及试验模型的建造成本，缩短了试验周期。
为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法，包括：
S1、基于虚拟仿真平台，选择与待分析实船匹配的船舶模型；
S2、设置所述船舶模型的静水力性能参数、运动状态参数、海洋环境参数，使所述船舶模型的静水力性能参数、运动状态参数、海洋环境参数与待分析实船的各种参数匹配；
S3、对所述船舶模型及流域进行网格划分；
S4、在网格划分之后，设置所述船舶模型进行摇荡试验的控制参数；
S5、基于划分后的网格和设置的控制参数，运行所述船舶模型的求解器，生成试验结果。
可选地，所述步骤S3包括：
对所述船舶模型及流域进行网格划分；
判断划分的网格是否符合预设质量；
若符合，执行步骤S4，否则重复对所述船舶模型及流域进行网格划分的步骤；
若不符合，则重新进行网格划分。
可选地，所述步骤S1包括：
查看虚拟仿真平台中是否有与待分析实船匹配的船舶模型；
若有，则选择与待分析实船匹配的船舶模型；
否则，在虚拟仿真平台的三维建模界面，建立/导入与待分析实船匹配的船舶模型。
可选地，静水力性能参数包括：主尺度系数、船舶水动力系数；
运动状态参数包括：起始速度、起始位置、起始位姿角；
海洋环境参数包括：风载荷参数、波浪载荷参数和海流载荷参数。
可选地，主尺度系数包括：船长、型宽、型深、吃水、艏吃水、艉吃水、船舶排水量、重心坐标；
船舶水动力系数包括：回转半径、转动惯量、风力系数、海流系数、粘性阻尼；
风载荷参数包括：风谱类型，风速，风向，风速参考高度；
波浪载荷参数包括：波浪方向、波浪种子数、起始频率、截至频率、有义波高、跨零周期；
海流载荷参数包括：流速，流向，流速参考深度。
可选地，根据如下公式计算回转半径：
Kxx＝0.34×B；
Kyy＝0.25×Lpp；
Kzz＝0.26×Lpp；
其中，Kxx为船体对X轴的回转半径；
Kyy为船体对Y轴的回转半径；
Kzz为船体对Z轴的回转半径；
B为船宽；
Lpp为船舶垂线间长。
可选地，网格质量的判断标准：
网格单元偏斜率小于0.95；
网格尺寸成长率小于等于1.20；
网格纵横比为在5：1；
液面上下网格尺寸比大于等于0.2小于等于1。
可选地，所述流域的边界条件包括：流域的长度为船舶模型长度的六倍，流域的宽度为船舶模型宽度的四倍，流域的深度为船舶模型吃水深度的五倍。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验装置，该装置包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上第一方面任一项所述的基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法。
本发明的有益效果是：
本发明的方法。通过搭载好的船舶摇荡运动虚拟仿真平台，选择与实船相似的三维模型，设置船型系数、海洋环境参数等一系列相关参数，并对模型及流域进行网格划分后计算求解当前海况下船舶六自由度运动数据，节省了物理水池及试验模型的建造成本，缩短了试验周期。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法的流程示意图；
图2为本发明另一实施例提供的基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例一
如图1所示，图1示出了本发明一实施例提供的基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法的流程示意图，本实施例的方法包括下述步骤：
S1、基于虚拟仿真平台，选择与待分析实船匹配的船舶模型。
举例来说，可查看虚拟仿真平台中是否有与待分析实船匹配的船舶模型；若有，则选择与待分析实船匹配的船舶模型；否则，在虚拟仿真平台的三维建模界面，建立/导入与待分析实船匹配的船舶模型。
特别说明的是，由于虚拟仿真平台中测试的船舶较多，在使用过程中将建立/导入的船舶模型都可以保存，为此，在后续使用中，可以直接选择与待分析实船匹配的船舶模型。
S2、设置所述船舶模型的静水力性能参数、运动状态参数、海洋环境参数，使所述船舶模型的静水力性能参数、运动状态参数、海洋环境参数与待分析实船的各种参数匹配。
举例来说，静水力性能参数可包括：主尺度系数(如船长、型宽、型深、吃水、艏吃水、艉吃水、船舶排水量、重心坐标等)、船舶水动力系数(例如回转半径、转动惯量、风力系数、海流系数、粘性阻尼等)；
运动状态参数可包括：起始速度、起始位置、起始位姿角；
海洋环境参数可包括：风载荷参数(例如风谱类型，风速，风向，风速参考高度等)、波浪载荷参数(波浪方向、波浪种子数、起始频率、截至频率、有义波高、跨零周期等)和海流载荷参数(例如风谱类型，风速，风向，风速参考高度等)。
需要说明的是，在该步骤中设置的参数，为测试船舶摇荡所需要的参数，在实际应用中的参数还可能多余目前举例说明的各类参数，也可能少于目前举例说明的各类参数，本实施例不对其限定，根据实际需要设置。
本实施例中涉及船舶的均是仿真使用的船舶模型的船舶的信息。
S3、对所述船舶模型及流域进行网格划分。
可理解的是，对船舶模型进行网格划分时，须对船舶模型进行水线面处分割，将模型划分为水线面以上模型(up vessel)及水线面以下模型(down vessel)；对水线面以下模型进行局部网格加密处理。
通常的流域是一片有边界的水域。本实施例中CFD仿真分析范畴内的流域可理解为通过计算机的高速运算能力，模拟船舶在真实海洋环境中的运动的水域。由于船舶与海洋之间存在耦合，要想对船舶和海洋进行运动学分析和受力分析，首先要对分析对象(船舶和海洋)进行网格划分。船舶模型尺寸有限，海洋环境却可以无限延伸，网格却不能无限划分下去，因此需要用户给定一个海洋环境的边界(如长宽深)，边界条件是取边界处的流体不对船舶产生影响的最小距离。
本实施例中的流域为仿真实验中的流域，该流域的边界条件可包括：
长＝6倍船长；宽＝4倍船宽；深＝5倍吃水；密度＝1.025千克/米3；
重力加速度＝9.80665kg/N。
在本实施例中，可预先对船舶模型及流域进行网格划分，并判断划分的网格是否符合预设质量，在符合预设质量时，执行下一步骤，否则，重复对所述船舶模型及流域进行网格划分的步骤。
S4、在网格划分完成后，设置所述船舶模型进行摇荡试验的控制参数。
S5、基于划分后的网格和设置的控制参数，运行所述船舶模型的求解器，生成试验结果。
本实施例的方法适用于船舶摇荡性能的虚拟分析，与物理水池相比，节约了成本，缩短了试验周期。
此外，随使用时间增长，模型库储量将有效提升，进而大幅度减少建模周期。
实施例二
如图2所示，本发明实施例提供一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法，该方法包括如下的步骤：
1)登录摇荡运动试验系统；
2)访问模型库，浏览已保存模型，点击模型可查看当前模型主尺度系数；
3)判断模型库中是否有模型符合试验需求：如果模型库中的模型与预分析船舶相似，符合试验需求，执行步骤4)，否则执行步骤A；
A、进入三维建模界面，建立/导入符合实验需求的船舶三维模型；
B、将模型导入模型库后，退出建模界面，访问模型库。
可理解的是，模型库中包含大量母型船三维模型及相关参数，在试验之初如对实验对象有明确要求者，可对比二者模型、名称或参数，判断是否为相似船模，如果有相似模型，可在选择后通过第四步修改船型系数得到分析模型；如果模型库中不包含目标船模，则执行步骤A，通过系统自带三维建模软件建立试验模型或导入已建成模型，随后将模型保存至模型库，退回模型库界面，读取该模型。
4)设置船型系数，包括主尺度系数(船长、型宽、型深、吃水、艏吃水、艉吃水、船舶排水量、重心坐标)；船舶水动力系数(回转半径或转动惯量、风力系数、海流系数、粘性阻尼)，目的是使模型与预分析船舶静水力性能关联。
本实施例中提供一种偏经验的理论快速计算方法计算回转半径，如下公式：
Kxx＝0.34×B；
Kyy＝0.25×Lpp；
Kzz＝0.26×Lpp。
其中，Kxx为船体对X轴的回转半径；
Kyy为船体对Y轴的回转半径；
Kzz为船体对Z轴的回转半径；
B为船宽；
Lpp为船舶垂线间长；
5)设置船舶运动状态参数，包括起始速度、起始位置、起始位姿角；
6)设置海洋环境参数，包括：风载荷参数(风谱类型，风速，风向，风速参考高度)、波浪载荷参数(波浪方向、波浪种子数、起始频率、截至频率、有义波高、跨零周期)、海流载荷参数(流速，流向，流速参考深度)；
7)对船舶及流域进行网格划分，设置的参数有：最大单元尺寸，缺陷容差。当试验问题考虑流固耦合现象时，还需对流固交界部分进行网格加密处理；
8)检查网格划分质量是否达标：当网格质量符合要求后，执行步骤9)，否则转至步骤7)；
在本实施例中，网格质量的判断标准可包括：
Skewness(网格单元偏斜率)不能高于0.95，最好在0.90以下且越小越好；该网格单元偏斜率为网格单元与具有等同体积的等边单元外形之间的差别。可理解的是，网格单元偏斜率是网格内最大对角线与最小对角线比率的倒数，属于0和1之间的数值，1表示最坏。
Change in Cell-Size(网格尺寸成长率，即相邻网格大小尺寸的比值)也是Growth Rate，最好在1.20以内，最高不能超过1.40；也就是说，网格从中心向四周生长，新增网格尺寸比原有网格尺寸的比值就是成长率。具体来说，网格尺寸成长率可为后一代网格与前一代网格尺寸之比，其值越大表示下一代网格尺寸较上一代网格尺寸变化越快。
Aspect Ratio(网格纵横比)一般控制在5：1以内，以控制减小细长网格的产生，边界层网格可以适当放宽。也就是说，网格的长边与短边之比。通常来说越细长的网格，计算误差越大。
此外，液面上下网格尺寸比大于等于0.2小于等于1。可理解的是，流域上方模型网格与流域中模型网格尺寸之比，该值表示液面下方网格加密程度，该值越小，加密程度越重，仅当网格最大尺寸确定时，网格数量越多，计算精度越高；所述的液面上下网格尺寸比等于1时，表示对液面下网格不进行加密处理。
9)摇荡试验系统控制参数设置(包括计算步数、时间步长、开始进行计算的时间)；
10)通过用户设定的参数，判断系统是否能够工作：如果是，执行步骤11)，否则转至步骤4)；
11)运行求解器，计算并生成试验结果；
12)判断试验结果是否合理：如果是，试验结束，否则转至步骤4)；
本实施例中，适用于船舶摇荡性能的虚拟分析，与物理水池相比，节约了成本，缩短了试验周期。
在本实施例中，随使用时间增长，模型库储量将有效提升，进而大幅度减少建模周期。
此外，通过对试验结果和过程的不断自我判断，能有效剔除不良数据，提升了试验结果的质量及可靠性，同时也节约了数据存储空间。
在摇荡性能初步试验中，既保证数据具有一定的精度，同时又大幅度提高了分析效率。
另外，本发明实施例还提供一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验装置，该装置可包括：包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上第一方面任一项所述的基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法。
本实施例上述的方法属于运行在虚拟仿真平台的计算机程序，可通过计算机设备来实现，通常的计算机设备可包括：至少一个处理器、至少一个存储器、至少一个网络接口和其他的用户结构，这些组件通过总线系统耦合在一起，实现这些组件之间的连接通信。总线系统包括数据总线、电源总线、控制总线和状态信号总线。
用户接口可以包括显示器、键盘或触控板等。存储器可以是易失性存储器、非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。
在本实施例中，处理器调用存储器中存储的程序或指令，例如，可以是应用程序中存储的程序或指令，进而实现执行上述实施例一或实施例二的方法步骤。
另外，本发明实施例可提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上方法实施例中的任意一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法。
可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPDevice，DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。
对于软件实现，可通过执行本文所述功能的单元来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，方法实施例的步骤之间除非存在明确的先后顺序，否则执行顺序可任意调整。所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。
以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法，其特征在于，包括：
S1、基于虚拟仿真平台，选择与待分析实船匹配的船舶模型；
S2、设置所述船舶模型的静水力性能参数、运动状态参数、海洋环境参数，使所述船舶模型的静水力性能参数、运动状态参数、海洋环境参数与待分析实船的各种参数匹配；
S3、对所述船舶模型及流域进行网格划分；
S4、在网格划分之后，设置所述船舶模型进行摇荡试验的控制参数；
S5、基于划分后的网格和设置的控制参数，运行所述船舶模型的求解器，生成试验结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
对所述船舶模型及流域进行网格划分；
判断划分的网格是否符合预设质量；
若符合，执行步骤S4，否则重复对所述船舶模型及流域进行网格划分的步骤，
若不符合，则重新进行网格划分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
查看虚拟仿真平台中是否有与待分析实船匹配的船舶模型；
若有，则选择与待分析实船匹配的船舶模型；
否则，在虚拟仿真平台的三维建模界面，建立/导入与待分析实船匹配的船舶模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
静水力性能参数包括：主尺度系数、船舶水动力系数；
运动状态参数包括：起始速度、起始位置、起始位姿角；
海洋环境参数包括：风载荷参数、波浪载荷参数和海流载荷参数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
主尺度系数包括：船长、型宽、型深、吃水、艏吃水、艉吃水、船舶排水量、重心坐标；
船舶水动力系数包括：回转半径、转动惯量、风力系数、海流系数、粘性阻尼；
风载荷参数包括：风谱类型，风速，风向，风速参考高度；
波浪载荷参数包括：波浪方向、波浪种子数、起始频率、截至频率、有义波高、跨零周期；
海流载荷参数包括：流速，流向，流速参考深度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
根据如下公式计算回转半径：
Kxx＝0.34×B；
Kyy＝0.25×Lpp；
Kzz＝0.26×Lpp；
其中，Kxx为船体对X轴的回转半径；
Kyy为船体对Y轴的回转半径；
Kzz为船体对Z轴的回转半径；
B为船宽；
Lpp为船舶垂线间长。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
网格质量的判断标准：
网格单元偏斜率小于0.95；
网格尺寸成长率小于等于1.20；
网格纵横比小于等于5：1；
液面上下网格尺寸比大于等于0.2小于等于1。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述流域的边界条件包括：流域的长度为船舶模型长度的六倍，流域的宽度为船舶模型宽度的四倍，流域的深度为船舶模型吃水深度的五倍。
9.一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验装置，其特征在于，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上权利要求1至8任一项所述的基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法。
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