[發明專利]一種游艇模擬器中游艇海豚運動實時仿真方法

在審

• 申請號: 202010183724.X
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111210692A
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發明（設計）人: 尹勇;李笑晨;孫霄峰;張秀鳳;神和龍;任俊生;劉秀文;劉春雷;朱忠顯;錢小斌
• 申請（專利權）人: 大連海事大學;大連海大智龍科技有限公司
• 主分類號: G09B9/06
• 分類號: G09B9/06
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

1.一種游艇模擬器中游艇海豚運動實時仿真方法，其特征在于：包括以下步驟：

A、讀取游艇設計參數

從游艇模型數據庫中讀取游艇設計參數，將游艇設計參數傳入游艇運動數學模型計算程序；

B、計算游艇靜水中定常運動狀態

基于平板滑行理論和Savitsky關于棱柱形滑行艇的相關研究，游艇定常縱傾角由公式(1)-(4)計算；根據游艇重量和寬度，由公式(1)計算出游艇的動升力系數，再由式(2)對動升力系數進行斜升角修正，根據游艇的重心縱向位置、游艇寬度和速度計算出游艇運動的游艇寬度傅汝德數，由式(3)計算游艇運動的實時浸濕表面長寬比，將游艇修正后的動升力系數、游艇實時浸濕表面長寬比和游艇寬度傅汝德數代入式(4)計算出游艇定常縱傾角；

其中，F_Lβ為游艇所受動升力，Δ為游艇排水量，ρ為海水密度，V為游艇航行速度，B為游艇寬度，τ為游艇航行定常縱傾角、以角度為單位，β為游艇的斜升角，C_L0為斜升角為0時的動升力系數，λ_W為浸濕表面長寬比，Fn_B為游艇寬度傅汝德數，C_Lβ為斜升角為β時的動升力系數，lcg為游艇重心距船艉縱向位置；

C、計算游艇垂蕩和縱搖兩個自由度運動的水動力系數

游艇垂蕩和縱搖運動的耦合方程如下式所示：

其中，M為游艇重量，η₃為游艇垂蕩運動位移，η₅為游艇縱搖運動角度，t為時間，A_jk為附加質量，B_jk為阻尼系數，C_jk為回復系數；下標j取值為3或5，下標k取值為3或5，3表示垂蕩運動，5表示縱搖運動；I₅₅是縱搖轉動慣量；游艇垂蕩和縱搖運動的水動力系數計算采用高頻自由液面假設，游艇附加質量和阻尼系數假設與頻率無關，阻尼由游艇升力效應引起；

C1、計算游艇垂蕩和縱搖附加質量

附加質量的計算考慮游艇高速運動時船艏抬升現象，此時部分船體會抬出水面，在船體上出現水流分離點，船艏至折角邊浸水起始處的船體和折角邊浸水起始處至船艉的船體，并簡稱為第一部分船體和第二部分船體；附加質量計算按兩部分船體分別計算；

第一部分船體對垂蕩附加質量的貢獻為：

第一部分船體對垂蕩和縱搖的耦合附加質量為：

第一部分船體的縱搖附加質量為：

第二部分船體對垂蕩附加質量的貢獻為：

第二部分船體對垂蕩和縱搖的耦合附加質量為：

第二部分船體的縱搖附加質量為：

其中，K為垂蕩附加質量求解的過程變量，z_max為最大壓力處垂向坐標，上標1表示第一部分船體，上標2表示第二部分船體，L_C為折角線的浸濕長度，x_G為游艇重心縱向坐標，L_K為龍骨線浸濕長度，x_s為游艇水流分離點縱向坐標；

游艇附加質量如以下公式所示：

C2、計算游艇垂蕩和縱搖阻尼系數

采用準定常方法分析游艇運動狀態，即垂蕩速度引起的定常縱傾角和定常升力的變化；

游艇的垂蕩和縱搖運動將引起垂向力：

將公式(1)-(4)代入公式(13)化簡計算游艇垂蕩阻尼系數，得：

游艇的垂蕩速度產生相對于重心的縱搖力矩為：

F₅＝F₃(0.75λ_WB-lcg) (15)

將公式(1)-(4)代入公式(15)化簡計算游艇垂蕩和縱搖耦合阻尼系數，得：

B₅₃＝B₃₃(0.75λ_WB-lcg) (16)

游艇縱搖阻尼系數與垂蕩和縱搖耦合阻尼為：

其中，x_T為船艉縱向坐標，a₃₃(x_T)為x_T處附加質量；

C3、計算游艇垂蕩和縱搖回復系數

將船舶的縱搖角度分為船舶常速航行所產生的定常縱傾角與垂蕩和縱搖兩種運動耦合產生的縱搖角兩部分進行分析；

根據垂蕩和縱搖回復系數的定義：

其中，下標0表示平衡位置，即定常運動狀態，通過解析方法得到游艇垂蕩回復系數與垂蕩和縱搖耦合回復系數的公式如下：

游艇繞重心的縱傾力矩也表示為：

其中，l_p為壓力重心縱向位置；將公式(1)-(4)代入公式(20)化簡計算游艇縱搖回復系數與垂蕩和縱搖耦合回復系數，推導得：

D、基于Routh-Hurwitz線性穩定性判據判斷游艇海豚運動發生的邊界條件公式(5)所示的耦合方程為線性系統；利用Routh-Hurwitz線性穩定性判據判斷游艇發生海豚運動的邊界條件，即求解公式(5)的非平凡解，表示為：

η_j＝η_jαe^st,j＝3,5 (22)

其中，η_j是一個復值函數，s＝α+iw，代入公式(5)得：

要使η_j有非零解，則上式組成的系數行列式必須為零，即：

根據Routh-Hurwitz線性穩定性判據，線性系統穩定的要求是：

E、采用人工干預法激勵游艇海豚運動的發生

當游艇進入定常運動狀態后，由Routh-Hurwitz線性穩定性判據對當前運動狀態進行判斷，若游艇當前運動狀態并未到達海豚運動發生的閾值，則游艇在靜水中進行定常抬艏運動；若游艇當前運動狀態達到海豚運動發生的閾值，則由游艇模擬器系統對游艇運動進行人工干預，實施激勵，游艇則在此激勵后在自身所所受水動力作用下進行海豚運動。