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原文传递游艇海豚运动建模及仿真研究

论文题名：	游艇海豚运动建模及仿真研究
关键词：	游艇;海豚运动;模拟器;系统集成
摘要：	游艇模拟器与传统航海模拟器之间存在较大差别，其差异主要体现船舶运动数学模型方面，传统航海模拟器仿真对象以商船为主，船舶均为排水型船舶，而游艇大多属于高速滑行艇，二者在运动姿态以及流体水动力方面差异很大，传统航海模拟器中船舶运动数学模型建立方法不适用于游艇。为提高游艇模拟器中船舶运动仿真精度，提升游艇模拟器品质，亟需提出一种能够体现游艇运动特点的建模方法。本文以游艇航行中独具特色海豚运动为研究方向，以单体高速游艇为研究对象，针对游艇运动展开研究，主要工作如下：　　海豚运动是游艇在静水高速运动状态下发生的一种现象，因此本文首先针对游艇的静水高速运动状态展开研究。在游艇由静止向高速运动的过程中，其航行姿态和受力会发生较大变化，现有模拟器中尚未实现上述两种变化的建模及仿真，为解决该问题，本文以Savitsky理论为基础，对游艇运动进行建模。为减小模型解算的运算量，提升算法的普适性，对游艇模型进行棱柱体假设。传统Savitsky理论中完全忽略船舶浮力的影响，导致该方法存在船舶低速域内直航阻力和纵倾角仿真精度较差的问题，本文以二分法思想为指导，提出分段建模的方法解决该问题。该方法具有仿真精度好，计算效率高，易于工程应用的优点。　　海豚运动是游艇高速运动时，自由液面出现微小扰动导致船舶所受流体水动力发生变化而产生的动不稳定现象。自由液面急剧变化的仿真需要大量计算工作，而模拟器中无法提供充足的计算资源和时间，因此本文基于高频自由面假设和切片理论，采用解析方法计算游艇垂荡、纵摇水动力系数，采用Routh-Hurwitz线性稳定性寻找游艇发生海豚运动边界条件，对船舶的垂荡和纵摇运动引入外界微小的扰动项，人为激励处于不稳定运动状态的游艇，促使海豚运动的产生。对本文方法进行验证，结果表明当且仅当游艇处于不稳定运动状态时，外界扰动项才会促使海豚运动的发生，扰动项并不影响游艇稳定状态下的运动，该模型计算精度良好，能够应用于模拟器中。　　为进一步提升游艇运动数学模型研究的理论深度、提高仿真精度，本文基于砰击理论对游艇高速航行的升力展开研究。基于势流理论研究框架，在船舶中横剖面上采用扩展MLM方法计算剖面二维入水砰击力，基于2D+T理论在船长方向对船舶受力进行求和，计算船舶垂直平面内的力和力矩。游艇的6自由度运动中，垂荡、纵摇运动和纵荡运动之间存在着较强的相互关联，本文以游艇的直航阻力为结合点，将船舶3自由度操纵性方程和2自由度耐波性方程进行耦合，横摇运动独立建模，构建5+1结构的游艇6自由度运动数学模型，分别进行了静水中的操纵性试验和规则波中的试验，仿真效果良好。将本文模型与游艇模拟器进行系统集成，初步实现了游艇静水与规则波中的运动仿真。　　综上所述，本文基于改进Savitsky方法、人工扰动、扩展MLM等研究方法开展了游艇高速航行时的姿态、受力和稳定性等研究，建立了适用于模拟器的游艇6自由度运动数学模型，在此基础上与游艇模拟器进行系统集成，初步实现了游艇静水和规则波中的运动仿真和模拟器应用。该研究对提高模拟器品质、丰富测试场景和降低开发成本具有重要的现实意义和广泛的应用价值。
作者：	李笑晨
专业：	航海科学与技术
导师：	尹勇
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021