基于virtools救助船操纵运动建模和仿真

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1、中文摘要摘要本课题是以海上救助船舶模拟器的应用开发为背景，针对其核心技术之一的船舶操纵运动数学模型的建立而展开研究。首先建立了船舶操纵运动的三自由度水平面线性模型，以及规则波中的横摇运动线性模型；其次利用三维交互软件Virtools的编程功能，实现了模型的数值求解及仿真，对仿真结果进行了必要的验证和理论分析；最后在Virtools的可视化虚拟环境中，展示了船舶的3D运动效果。在水平面运动线性模型方面，采用流体动力的整体型建模方法，将船舶所受的流体动力利用泰勒公式展开为一阶线性模型，把船体、螺旋桨和舵的流体动力及

2、其相互干扰力一并考虑在水动力系数中，使复杂的受力关系简单化。在横摇运动线性模型方面，采用了规则波及小角度横摇的假设，对船体进行了受力分析，建立了横摇线性模型。在求取模型中的相关参数时，采用了不规则波的理论，进而将实际中的不规则风浪参数转化为模型所需的规则波参数。利用Virtools的SDK编程，采用四阶龙格．库塔法对上述模型进行了数值求解，实现了运动仿真。针对水平面线性模型的仿真结果，与“育龙”和“育鲲"轮的试验数据做了对比，分析表明：水平面运动线性模型可对船舶的微幅运动进行预报和模拟；针对“南海救III"轮，

3、对影响该船横摇性能的参数做了理论计算与分析，然后利用横摇运动线性模型进行了仿真，结果表明横摇特性的理论分析与仿真结果是趋于一致的。基于对上述两种船舶运动模型的数值求解，在Virtools虚拟环境中，动态模拟了“南海救11l’’轮海上航行时的3D运动效果。关键词：救助船舶模拟器；三自由度线性模型；横摇线性模型；Virtools仿真英文摘要ABSTRACT即1ethesisaimstoconductvesselmaneuveringmotionmodelingandsimulationinthebackground

4、ofsalvagevesselsimulatorapplication．Firstly,itistoestablisha3-DOFlinearmodelinthehorizontalplaneandarollinglinearmodelinregularwaves．Secondly,usingthe3DinteractionsoftwareVirtoolsrealizesthemodelsnumericalcalculationandsimulation，thenthesimulationresultsaret

5、estedandtheoreticallyanalysed．Finally,avessel3DmotionsimulationisperformedintheVircoolsvirtualenvironment．Inthecaseofestablishingthe3-DOFlinearmodel，theintegratedmodelingmethodistakenbyusingTaylorformulaforalinearmodel，whichconsidersthefluidpoweronthevesselh

6、ull，propellerandrudderasawhole．Itissimpletoconsiderthemutualinterferenceeffectinthehydrodynamiccoefficientsbythisway．Inthecaseofestablishingtherollinglinearmodel，thestressanalysisofvesselisfinishedandtherollinglinearmodelisbuiltbasedontheregularwavesandsmall

7、rollinganglehypothesis．Incalculatingtheparametersofthemodel，irregularwavetheoryisusedtohandletheactualwavesinregularmethod．UsingVirtoolsSDKandfour-orderRunge-Kuttamethod，themodelisnumericallysolved，andthemotionsimulationisrealized．Onthe3-DOFlinearmodelverifi

8、cation．theauthorcomparestheresultofthe3-DOFlinearmodelsimulation、析Ⅱ1experimentaldata．Itshowsthattheprecisionof3-DOFlinearmodelisenoughforslightmotionpredictionandsimulation．Arollingmotionanalysi