CN116029416A - 浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法,采用准静态方法，按照一定时间步长开展各时刻几何建模分析，结合浮体浮态的静水力积分求解理论，构建以各浮体纵倾角和跳板角度为未知数的方程组，通过迭代方法求解方程组，得到每个时刻浮体相关姿态、载荷的值，进而可进行车辆换乘安全性评判，支撑保障方案设计和作业能力边界确定，较好的准确性和便捷性；通过构建各浮体纵倾角和跳板角度与各浮体浮力和浮心坐标的代理模型，可在保证计算精度前提下有效缩短计算时间，减少对计算能力的需求。用于滚装船、滚装小艇装卸换乘车辆作业。

Description

浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法

技术领域

本发明涉及一种海事作业技术，特别涉及一种浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法。

背景技术

在海上，海况良好时，滚装船、滚装小艇等浮体之间通过跳板搭接建立车辆通道进行车辆转驳是一种高效的车辆换乘方式，避免了对滚装码头的依赖，提高了车辆滚装运输的灵活性。随着车辆移动，各浮体浮态、跳板角度、相关部件载荷发生变化，可能出现碰撞、超载、车辆无法通行等危险状态，因此需要提前对车辆换乘过程中浮体运动及所受载荷情况进行预报。目前仅凭浮体的每厘米纵倾力矩等固有参数进行估算，缺少准确预报方法，难以支撑保障方案设计和作业能力边界确定。

发明内容

针对海上海况良好时滚装船、滚装小艇等浮体之间通过跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报问题，提出了一种浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法，能够较为准确地预报车辆在浮体间转驳过程中各浮体浮态、跳板角度、相关部件载荷的变化情况，进而指导作业安全性和可行性分析，具备较好的准确性和便捷性。

本发明的技术方案为：一种浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法，具体包括如下步骤：

1)建立多浮体通过跳板搭接的几何物理模型，根据几何物理模型，结合浮体浮态的静水力积分求解理论，构建以各浮体纵倾角和跳板坡度为未知数来确定各个浮体浮力、浮心与姿态的方程组；

2)获取车辆换乘初始时刻t₀，输入车辆重量、所处位置，根据几何关系，结合浮体浮力、浮心与姿态的方程组，根据力与力矩平衡方程，求解此时各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值；

3)取时间步长△t，车辆换乘下一时刻初始时刻t₀+△t，根据车辆行驶速度，确定车辆所处位置，结合浮体浮力、浮心与姿态的方程组，根据力与力矩平衡方程，求解此时各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值；

4)依次计算各时刻t₀+n△t各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值，得到关注的各浮体浮态、跳板角度、相关部件载荷的时历值；

5)对步骤2)至4)获得的数据，通过现有适应的算法构建各浮体纵倾角和跳板坡度与各个浮体浮力、浮心位置坐标的代理模型，用于预算在各个车辆行驶状态下的各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值，作为作业安全性和可行性分析的基础。

进一步，所述步骤1)几何物理模型建立：建立载荷和运动均在各浮体纵剖面内的二维模型，在模型上设定各个节点，节点包括各个浮体重心、浮体浮心、跳板重心、车辆重心、缆绳两端点、跳板两连接点，对模型中节点建立约束。

进一步，所述步骤1)方程组构建：几何物理模型建立后，按照准静态方法，对几何物理模型中搭接系统进行受力分析，建立力的几何关系，依据几何关系，若已知任一组各浮体纵倾角和跳板坡度，得到各浮体重心所处肋位的吃水，通过计算各浮体表面各位置的静压再积分的方式，计算出各浮体所受浮力大小以及浮心位置坐标，获得各个浮体浮力、浮心位置坐标联立方程组。

进一步，所述步骤5)代理模型构建步骤为：

A：步骤2)至4)获得的数据为浮体姿态值离散点，在此基础上，采用抽样设计方法，设计足够数量的浮体姿态值离散点；

B：对步骤A抽样设计的各离散点，通过静水压力积分计算得到对应的各浮体浮力和浮心坐标值，计算结果为预报值；

C：利用步骤B获得的离散点及计算获得的预报值，完成多维空间内的插值，建立代理模型。

进一步，所述抽样设计方法选拉丁超立方设计方法、Sobol设计方法、正交试验设计方法中一种。

进一步，所述代理模型采用Kriging模型典型单一代理模型，或将不同代理模型进行组合形成组合代理模型。

一种浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法的应用，用于滚装船、滚装小艇装卸换乘车辆作业。

所述浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法的应用，包括滚装船、滚装小艇装卸换乘车辆作业中车辆换乘安全性评判、支撑保障方案设计和作业能力边界确定。

本发明的有益效果在于：本发明浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法,采用准静态方法，按照一定时间步长开展各时刻几何建模分析，结合浮体浮态的静水力积分求解理论，构建以各浮体纵倾角和跳板角度为未知数的方程组，通过迭代方法求解方程组，得到每个时刻浮体相关姿态、载荷的值，进而可进行车辆换乘安全性评判，支撑保障方案设计和作业能力边界确定，较好的准确性和便捷性；通过构建各浮体纵倾角和跳板角度与各浮体浮力和浮心坐标的代理模型，可在保证计算精度前提下有效缩短计算时间，减少对计算能力的需求。

附图说明

图1为本发明大型船与小艇通过平台艏艉搭接的初始时刻的侧视图；

图2为本发明大型船与小艇通过平台艏艉搭接换乘车辆的某一典型时刻的侧视图；

图3为本发明图2典型时刻小艇的受力分析图；

图4为本发明图2典型时刻大型船艉跳板的受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法，为了能较准确地预报车辆在浮体间转驳过程中的变化数据，本发明采取的技术方案为：

第一步：建立多浮体通过跳板搭接的几何物理模型，根据几何物理模型，结合浮体浮态的静水力积分求解理论，构建以各浮体纵倾角和跳板坡度为未知数来确定各个浮体浮力、浮心与姿态的方程组；

第二步：获取车辆换乘初始时刻t₀，输入车辆重量、所处位置，根据几何关系，结合浮体浮力、浮心与姿态的方程组，根据力与力矩平衡方程，求解此时各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值；

第三步：取时间步长△t，车辆换乘下一时刻初始时刻t₀+△t，根据车辆行驶速度，确定车辆所处位置，结合浮体浮力、浮心与姿态的方程组，根据力与力矩平衡方程，求解此时各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值；

第四步：依次计算各时刻t₀+n△t各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值，得到关注的各浮体浮态、跳板角度、相关部件载荷的时历值；

第五步：对步骤二至四获得的数据，通过现有适应的算法构建各浮体纵倾角和跳板坡度与各个浮体浮力、浮心位置坐标的代理模型，用于预算在各个车辆行驶状态下的各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值，作为作业安全性和可行性分析的基础。

整个计算过程可通过建立程序自动进行，可靠、便捷。

预报过程中，为确定浮体浮力、浮心与姿态的关系，考虑到对浮体表面进行静水压力积分计算的方法工作量较大，为保证工程精度条件下减小计算量，提高程序计算效率，可构建能够代表浮体浮力、浮心与姿态关系的代理模型，具体步骤为：

(1)采用合适的抽样设计方法，设计足够数量的浮体姿态值离散点，抽样设计方法可采用拉丁超立方设计方法、Sobol设计方法、正交试验设计方法等；

(2)针对抽样设计后获得的各离散点，通过静水压力积分计算得到对应的各浮体浮力和浮心坐标值，计算结果为预报值；

(3)利用步骤(2)获得的离散点及预报值，完成多维空间内的插值，建立代理模型，当需要离散点之外的空间点所对应的预报值时，只需将新的输入条件代入已有的代理模型，便可以得到对应的输出(预报值)，代理模型可采用Kriging模型等典型单一代理模型，也可以将不同代理模型进行组合形成组合代理模型。

图1至图4是本发明具体实施例的计算几何模型，为大型滚装船(以下简称：大型船)与小艇通过浮式过渡平台(以下简称：平台)艏艉搭接换乘车辆工况为例的典型案例。

如图1所示大型船与小艇通过平台艏艉搭接的初始时刻的侧视图，此时平台、小艇上均未搭载车辆，平台20放置在大型船10尾部水面上；大型船艉跳板11搭接在平台20上，处于自由浮动状态；小艇艏跳板31搭接在平台20上，处于自由浮动状态；同时小艇30通过缆绳40与平台20相连，防止小艇30相对平台20后退。车辆51和车辆52依次缓慢从大型船10车辆舱经大型船艉跳板11进入平台20，随后经小艇艏跳板31行驶至小艇30，或反之，如图2所示此时一辆车已行驶至小艇30上，另一辆车行驶至浮式过渡平台20上。在车辆移动的整个过程中，小艇30、平台20和大型船10的浮态、小艇艏跳板31和大型船艉跳板11与平台20甲板面的夹角、小艇30与平台连接缆绳40的拉力、小艇艏跳板31末端和大型船艉跳板11末端支承力等关键载荷和运动参数持续发生变化，需要进行求解，支撑车辆换乘安全性评判。

A、首先，提出基本假设对计算模型进行适当简化，基本假设包括：

1)在任意时刻，小艇30自身不发出前进或后退动力，车辆行驶速度缓慢，整个系统满足静力平衡；

2)在任意时刻，大型船10保持固定不动；

3)在任意时刻，大型船10、平台20、小艇30无横倾。

4)小艇艏跳板31末端在平台20上的约束可视为铰接；

5)大型船艉跳板11末端在平台20上的约束可视为铰接；

6)小艇30与平台20连接缆绳40可作为弹簧处理，即缆绳40张紧时服从胡克定律；

7)小艇30与平台20完成搭接后的初始时刻(即图1时刻)，缆绳40为原长，即无拉力。

B、其次，对计算几何模型进行坐标系定义和参数定义：

由于在任意时刻，载荷和运动均在大型船10、平台20、小艇30中纵剖面内，因此将模型简化为二维模型，按照图1和图2所示的计算模型，坐标系原点定义为I点(大型船艉跳板11与大型船10舰体连接铰点)，x方向为水平、向左为正，z方向为垂直、向上为正。

图1至图4中，各节点说明如下：

A点——小艇艏跳板31搭接平台20的点；

B点——小艇艏跳板31与小艇30艇体连接铰点；

D点——小艇30上的缆绳40出绳点；

E点——缆绳40连接平台20的点；

H点——大型船艉跳板11搭接平台20的点；

I点——大型船艉跳板11与大型船10舰体连接铰点；

J点——大型船艉跳板11重心；

M点——小艇艏跳板31重心；

N点——第一辆车51的重心；

V点——第一辆车52的重心；

Q点——小艇30艇体(不含艏跳板31)的重心；

R点——平台20的重心；

P点——小艇30的浮心；

S点——平台20的浮心。

主要参数定义见表1。

表1模型主要参数定义

C、接着，按照准静态方法，对图2时刻搭接系统进行受力分析：

对小艇30艇体(不含艏跳板31)，满足x方向合力为0，可得

F_bx＝F_t·cosb                                        (1)

如图3所示，对小艇艏跳板31，满足对A点的合力矩为0，且x方向、z方向合力均为0，可得

F_ax＝F_t·cosb                                (3)

对小艇30艇体(不含艏跳板31)，满足z方向合力为0，且对B点的合力矩为0，可得

F_p＝G_q+G_n+F_bz+F_t·sinb                           (5)

对平台20，满足x方向合力为0，可得

F_hx＝F_t·cosb₁                                (7)

如图4所示，对大型船艉跳板11，满足对I点的合力矩为0，可得

对平台20，满足z方向合力为0，且对A点的合力矩为0，可得

F_s＝G_r+G_v+F_az+F_hz-F_t·sinb₁                         (9)

D、随后，建立方程组：

根据式(1)至(10)，并依据几何关系可推导得

F_p＝G_q+G_n+F_bz+F_t sinb₁                           (11)

F_s＝G_r+G_v+F_az+F_hz-F_t·sinb₁                        (13)

依据几何关系，若已知任一组(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)的值，大型船艉跳板11、平台20、小艇30的姿态即完全确定，可得到小艇30和平台20的纵倾角及重心所处肋位的吃水，通过计算两者表面各位置的静压再积分的方式，可计算出两者所受浮力大小以及浮心位置坐标，也即作出了两者的费尔索夫图谱，所以

F_p＝f₃(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)                           (15)

x_BP＝f₄(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)                           (16)

F_s＝f₅(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)                           (17)

x_AS＝f₆(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)                           (18)

将式(15)至(18)代入式(11)至(14)，联立方程组，方程数量为4个，未知数为φ₁、φ₂、φ₃、φ₄、F_t共5个。

对于图1所示的初始时刻可视为图2时刻模型的特例，上述4个方程仍然适用，且有F_t＝0、G_n＝0、G_v＝0，故对于初始时刻方程组闭合，理论上可求解出此时φ₁、φ₂、φ₃、φ₄的值，进而得到缆绳40初始长度。在图2时刻，根据几何关系，缆绳40的长度是以φ₁、φ₂、φ₃、φ₄为变量的函数，则F_t也可表示为

F_t＝f₇(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)                           (19)

故图2时刻方程组均可闭合，理论上可求解出此时φ₁、φ₂、φ₃、φ₄的值。

E、最后，进行方程组求解：

由于方程组参数耦合程度大，难以给出解析表达式。为求解上述方程组，可采用迭代方法，即在(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)的取值边界范围内遍历，检验是否满足方程组，直到找出满足方程组的一组(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)，进而可计算得到各浮体姿态、载荷的值。

考虑到对浮体表面进行静水压力积分计算工作量较大，若在每个时刻采用枚举思想遍历(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)进行积分计算，对计算能力需要较大。优选地，可采用代理模型技术建立(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)与F_p、x_BP、F_s、x_AS的对应关系，具体步骤为：

(1)采用合适的抽样设计方法，设计足够数量的离散点(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)；

(2)针对各离散点，通过静水压力积分计算得到对应的F_p、x_BP、F_s、x_AS；

(3)利用这些离散点及预报值，完成多维空间内的插值，建立(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)与F_p、x_BP、F_s、x_AS对应关系的代理模型；

(4)在之后的遍历(φ₁,φ₂,φ₃,φ₄)时，仅调用代理模型来对F_p、x_BP、F_s、x_AS进行预报计算，可大大缩短计算时间，且能保证足够的计算精度。

本发明技术方案应用于滚装船、滚装小艇装卸换乘车辆作业。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)建立多浮体通过跳板搭接的几何物理模型，根据几何物理模型，结合浮体浮态的静水力积分求解理论，构建以各浮体纵倾角和跳板坡度为未知数来确定各个浮体浮力、浮心与姿态的方程组；

2)获取车辆换乘初始时刻t₀，输入车辆重量、所处位置，根据几何关系，结合浮体浮力、浮心与姿态的方程组，根据力与力矩平衡方程，求解此时各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值；

3)取时间步长△t，车辆换乘下一时刻初始时刻t₀+△t，根据车辆行驶速度，确定车辆所处位置，结合浮体浮力、浮心与姿态的方程组，根据力与力矩平衡方程，求解此时各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值；

4)依次计算各时刻t₀+n△t各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值，得到关注的各浮体浮态、跳板角度、相关部件载荷的时历值；

5)对步骤2)至4)获得的数据，通过现有适应的算法构建各浮体纵倾角和跳板坡度与各个浮体浮力、浮心位置坐标的代理模型，用于预算在各个车辆行驶状态下的各浮体的相关姿态、坐标、载荷的值，作为作业安全性和可行性分析的基础。

2.根据权利要求1所述浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法，其特征在于，所述步骤1)几何物理模型建立：建立载荷和运动均在各浮体纵剖面内的二维模型，在模型上设定各个节点，节点包括各个浮体重心、浮体浮心、跳板重心、车辆重心、缆绳两端点、跳板两连接点，对模型中节点建立约束。

3.根据权利要求2所述浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法，其特征在于，所述步骤1)方程组构建：几何物理模型建立后，按照准静态方法，对几何物理模型中搭接系统进行受力分析，建立力的几何关系，依据几何关系，若已知任一组各浮体纵倾角和跳板坡度，得到各浮体重心所处肋位的吃水，通过计算各浮体表面各位置的静压再积分的方式，计算出各浮体所受浮力大小以及浮心位置坐标，获得各个浮体浮力、浮心位置坐标联立方程组。

4.根据权利要求3所述浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法，其特征在于，所述步骤5)代理模型构建步骤为：

A：步骤2)至4)获得的数据为浮体姿态值离散点，在此基础上，采用抽样设计方法，设计足够数量的浮体姿态值离散点；

B：对步骤A抽样设计的各离散点，通过静水压力积分计算得到对应的各浮体浮力和浮心坐标值，计算结果为预报值；

C：利用步骤B获得的离散点及计算获得的预报值，完成多维空间内的插值，建立代理模型。

5.根据权利要求4所述浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法，其特征在于，所述抽样设计方法选拉丁超立方设计方法、Sobol设计方法、正交试验设计方法中一种。

6.根据权利要求4所述浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法，其特征在于，所述代理模型采用Kriging模型典型单一代理模型，或将不同代理模型进行组合形成组合代理模型。

7.一种浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法的应用，其特征在于，用于滚装船、滚装小艇装卸换乘车辆作业。

8.根据权利要求7所述浮体间跳板搭接换乘车辆的载荷和运动预报方法的应用，其特征在于，包括滚装船、滚装小艇装卸换乘车辆作业中车辆换乘安全性评判、支撑保障方案设计和作业能力边界确定。

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