船用柔性绳索收绞的过程仿真.pdf

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1、第46卷第1期船海工程Vo1．46No．12017年2月SHIP＆0CEANENGINEERINGFeb．2017DOI：10．3963／j．issn．1671_7953．2017．O1．039船用柔性绳索收绞的过程仿真梁民仓，尹勇(大连海事大学航海动态仿真和控制实验室，辽宁大连116026)摘要：针对航海领域相关仿真系统中尚未涉及绞缆机收绞缆绳的模拟过程，以及柔性绳索收绞时的碰撞检测会产生不稳定现象的问题，采用改进的结构一弯曲弹簧模型模拟柔性绳索并进行三维可视化，提出一种改进的圆柱螺旋线算法。通过预先计算出绳索每一个质点在卷筒上的位置坐标，并在收绞时

2、为即将绞上卷简的绳索质点位置赋值，调整质点间的朝向和旋转角度以避免出现不正常扭曲现象。通过使用卷筒收绞缆绳和锚链的仿真实验对算法的可靠性和通用性进行了验证。关键词：柔性绳索；结构一弯曲弹簧模型；三维可视化；圆柱螺旋线；卷绕中图分类号：U675．9文献标志码：A文章编号：1671-7953(2017)01-0157-05柔性绳索的模拟是虚拟现实研究领域的难点拟均是针对船与船、船与岸之间的连接部分，并未之一，其在虚拟吊装系统仿真、拖船拖带作业、船涉及缆绳在绞缆机卷筒上卷绕的过程模拟。深海舶靠离泊、虚拟手术等工程领域应用十分广泛。绞车自动排缆系统的研究并不适

3、用于实际商船船船用缆绳、吊索以及锚链的模拟，本质上属于柔性用绞缆装置l。针对这一问题，本研究采用改进绳索仿真J。随着计算机硬件设备性能的不断的结构．弯曲弹簧模型模拟柔性缆绳并进行三维提升，虚拟现实场景的真实感、实时性等众多需求可视化，提出了缆绳在滚筒上卷绕的算法，并运用的不断提升，柔性绳索仿真要求也越来越高。该算法模拟使用卷筒收绞缆绳及锚链的过程，验目前船用柔性绳索主要是拖船拖带、船舶靠证算法的可靠性及通用性。离泊时使用的缆绳以及锚链。随着航海模拟器的1柔性绳索的模拟及三维可视化出现，众多学者对船用缆绳的模拟进行了大量的研究，其中国内主要有：大连海事大

4、学尹勇基于悬柔性物体建模主要采用质点．弹簧模型、有限链线理论对船上绳索物进行了三维可视化并应用元分析法两种，其中质点一弹簧模型易于理解，算于V．Dragon系列航海模拟器中，该方法只适用于法复杂度低，并且易于实现，因此众多国内外学者缆绳处于悬垂状态下的模拟；大连海事大学任鸿对其进行了深入研究引。质点弹簧模型是将柔翔等人基于质点弹簧模型建立了船用缆绳的模型性绳索离散成一系列等质量的质点，质点之间通并进行仿真，其模型采用传统的质点一弹簧模型，过无质量的弹簧进行连接(见图1)，其中m表示可以模拟任意状态的绳索，但质点处的弯曲未进等质量质点的质量。传统上，利用

5、质点．弹簧模型行限制，不受力时易出现不正常弯曲现象；国外航模拟布料等柔性物体时，采用结构弹簧、弯曲弹海模拟器生产厂商如英国Transas和挪威Kongs．簧，以及剪切弹簧3种弹簧连接构成网格状的质berg，其研制出的模拟器均包含了船用缆绳的模点平面J，根据力学理论并选取合适的数值解算拟并具有较好的效果，但也仅有拖船与被拖船之方法，可以较好地对柔性物体进行仿真。但柔性间的连接效果。综合以上研究，船用缆绳的模绳索模拟是将绳子质点和弹簧进行线性连接，中间连接的弹簧为结构弹簧，由于未能限制质点之收稿日期：2016—06—13间的弯曲度，因此造成模型很容易发散，

6、效果失修回日期：2016—06—21真。基于前人的研究成果，提出了结构坞f【娃l弹簧基金项目：863课题(2015AA016404)，海洋公益性行模型，即在结构弹簧的基础上，外加弯曲弹赞时质业科研专项(201505017-4)，中央高校基本科研业务费专项资金资助(3132016310)点之间的弯曲进行限制(如图1)，并可埔过凋整第一作者：梁民仓(1991一)，男，硕士生弯曲弹簧的弹性系数和阻尼系数模拟同硬度的研究方向：航海动态仿真、交通系统虚拟现实技术绳索，并结合经典力学和胡克定律很好地模拟柔】572第0171期年梁民仓，等：船用柔性绳索收绞的过程仿真

7、船海工程第46卷性绳索的物理特性。大，此处可简化为后者，可在模拟环境中自行结构弹簧结构弹簧设定。鼹质点B暖点c1．2数值解算质点一弹簧模型中质点的运动状态方程在时间域上可表示为rX(t0)=Xo弯曲弹簧{()：Vo(6)图1限制弯曲的质点-弹簧模型I。．．(t0)=F(V，X，t)／m1．1受力分析运用数值积分求解二阶微分方程，常用的方此处质点受力分为内力和外力，内力是质点法有显式Euler法、隐式Euler法、梯形法、四阶之间的相互作用力，主要包括弹簧的弹性形变力Runge-Kutta法以及Verlet法。无论何种方法，都和阻尼力u；外力是外界对质点

8、施加的扰动力，会涉及到计算效率、精度，以及稳定性问题。主要包括重力、摩擦阻力，以及外界施加的力