本發(fā)明涉及仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種船舶仿真方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對于水面航行仿真，需要模擬航行器或船只模型，這些被仿真對象，通常會包括對質(zhì)心平動過程的模擬以及對繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動過程的模擬，質(zhì)心平動過程需要通過三個自由度來模擬，繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動過程需要通過另外三個自由度來模擬，因此需要通過六個自由度來描述被仿真對象的運動過程。

模擬航行中，船舶運動數(shù)學(xué)模型決定船舶運動狀態(tài)，其精度直接影響船舶模擬器仿真的逼真度?，F(xiàn)有技術(shù)的模擬器大多使用的是MMG三自由度模型，對于船舶在大風(fēng)浪中的搖晃，震蕩，擺動等的模擬效果不佳，仿真結(jié)果與實際的實驗數(shù)據(jù)之間仍存在較大的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種船舶仿真方法及系統(tǒng)，旨在解決常規(guī)仿真模擬誤差較大的問題，

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種船舶仿真方法，包括：獲取船舶的初始位置和運動參數(shù)；獲取船舶以實驗得到的實際六自由度參數(shù)；將船舶的初始位置和運動參數(shù)輸入六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型，確定船舶的仿真六自由度參數(shù)；在仿真六自由度參數(shù)與實際六自由度參數(shù)的誤差超過預(yù)設(shè)的閾值范圍時，調(diào)整六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型的模型參數(shù)，重新確定船舶的仿真自由度參數(shù)；輸出誤差在預(yù)設(shè)的閾值范圍內(nèi)的仿真自由度參數(shù)。

進(jìn)一步的，將船舶的初始位置和運動參數(shù)輸入六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型，確定船舶的仿真六自由度參數(shù)的步驟，包括初始化船舶的初始船體位置及其運動的相對位置；初始化船舶的初始船體位置及其運動的相對位置，包括：根據(jù)船舶垂直于海平面的第一狀態(tài)以及船舶搖蕩時的第二狀態(tài)，建立參考坐標(biāo)系及船體坐標(biāo)系；取船舶中心為原點，x軸以船舶運動時船艏為正方向，y軸以船舶運動時右舷為正方向，z軸以船舶運動時向下為正方向，建 立船體坐標(biāo)系；取船舶垂直于海平面狀態(tài)時船舶中心為原點，w軸以船艏為正方向，u軸以船舶靜止時右舷為正方向，v軸以船舶靜止時向下為正方向，建立參考坐標(biāo)系；其中，當(dāng)船舶無六自由度運動且處于平穩(wěn)勻速無搖擺震蕩運動時，船體坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系重合；當(dāng)船舶搖蕩時，參考坐標(biāo)系沿水平方向平移運動。

進(jìn)一步的，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型包括作用在船舶的船體的船體力、作用在螺旋槳的螺旋槳力以及二者之間的相互干涉關(guān)系，其中，作用在船體的船體力表示如下：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk為附加質(zhì)量系數(shù)，其中，j＝1,2,……，6，k＝1,2,……，6，j＝k，p、q、r分別為船體縱向、橫向和垂向的速度，w、u、v分別為繞x、y、z軸的角速度。

進(jìn)一步的，作用在船舶的螺旋槳的螺旋槳力表示如下：

Y_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P為螺旋槳產(chǎn)生的橫向力，N_P為船舶轉(zhuǎn)艏力矩，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D_p為螺旋槳直徑，t_p螺旋槳推力減額系數(shù)，j_p為進(jìn)速系數(shù)，ρ為液體密度，C_p為縱向棱形系數(shù)。

進(jìn)一步的，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型還包括根據(jù)船舶橫搖時作用于船舶的水動力關(guān)系，確定的回歸方程。

進(jìn)一步的，回歸方程包括波浪力函數(shù)和遭遇頻率函數(shù)；其中，波浪力函數(shù)包括輻射力函數(shù)和入射繞射力函數(shù)，輻射力函數(shù)和入射繞射力函數(shù)表示如下：

其中，K_jk為j向輻射力脈沖響應(yīng)函數(shù)，B_jk為阻尼系數(shù)，η(t)為各項運動速度，H_j為j向入射繞射力響應(yīng)函數(shù)，h(τ)為τ時刻船舶瞬時的波高；

遭遇頻率函數(shù)表示如下：

ω_c＝ω₀+k(X₀cosχ+Y₀sinχ)

其中，ω₀為初始頻率，k為波數(shù)，χ為浪向角。X₀，Y₀為初始坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，波浪力為一階波浪力，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型的網(wǎng)格總數(shù)為3876，船舶的航速下頻率w為0.1～12，波浪角為0～315度。

進(jìn)一步的，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型包括六自由度運動力學(xué)方程，六自由度運動力學(xué)方程表示如下：

(m+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y(jié)_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H為裸船體在相應(yīng)的六自由度方向上的力和力矩；下標(biāo)為P、R的變量分別為螺旋槳和舵的力和力矩；下標(biāo)為wind與wave的變量分別為風(fēng)與浪的力與力矩；m為船舶質(zhì)量；m_x、m_y、m_Z分別為縱向、橫向和垂向船舶的附加質(zhì)量；I_xx、I_yy、I_zz分別為繞x,y,z軸的轉(zhuǎn)動慣量；J_xx、J_yy、J_zz分別為繞x,y,z軸的附加轉(zhuǎn)動慣量；a,b,c,p,q,r分別為縱向、橫向和垂向的速度及繞x,y,z軸的角速度。

根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，還提供了一種船舶仿真系統(tǒng)，包括：獲取單元，用于獲取船舶的初始位置和運動參數(shù)，以及船舶以實驗得到的實際六自由度參數(shù)；確定單元，用于將船舶的初始位置和運動參數(shù)輸入六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型，確定船舶的仿真六自由度參數(shù)；以及在仿真六自由度參數(shù)與實際六自由度參數(shù)的誤差超過預(yù)設(shè)的閾值范圍時，調(diào)整六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型的模型參數(shù)，重新確定船舶的仿真自由度參數(shù)；輸出單元，用于輸出 誤差在預(yù)設(shè)的閾值范圍內(nèi)的仿真自由度參數(shù)。

進(jìn)一步的，確定單元還用于初始化船舶的初始船體位置及其運動的相對位置；初始化船舶的初始船體位置及其運動的相對位置，包括：根據(jù)船舶垂直于海平面的第一狀態(tài)以及船舶搖蕩時的第二狀態(tài)，建立參考坐標(biāo)系及船體坐標(biāo)系；取船舶中心為原點，x軸以船舶運動時船艏為正方向，y軸以船舶運動時右舷為正方向，z軸以船舶運動時向下為正方向，建立船體坐標(biāo)系；取船舶垂直于海平面狀態(tài)時船舶中心為原點，x軸以船艏為正方向，y軸以船舶靜止時右舷為正方向，z軸以船舶靜止時向下為正方向，建立參考坐標(biāo)系；其中，當(dāng)船舶無六自由度運動且處于平穩(wěn)勻速無搖擺震蕩運動時，船體坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系重合；當(dāng)船舶搖蕩時，參考坐標(biāo)系沿水平方向平移運動。

進(jìn)一步的，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型包括作用在船舶的船體的船體力、作用在螺旋槳的螺旋槳力以及二者之間的相互干涉關(guān)系，其中，作用在船體的船體力表示如下：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk為附加質(zhì)量系數(shù)，其中，j＝1,2,……，6，k＝1,2,……，6，j＝k，p、q、r分別為船體縱向、橫向和垂向的速度，w、u、v分別為繞x、y、z軸的角速度。

進(jìn)一步的，作用在船舶的螺旋槳的螺旋槳力表示如下：

Y_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P為螺旋槳產(chǎn)生的橫向力，N_P為船舶轉(zhuǎn)艏力矩，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D_p為螺旋槳直徑，t_p螺旋槳推力減額系數(shù)，j_p為進(jìn)速系數(shù)，ρ為液體密度，C_p為縱向棱形系數(shù)。

進(jìn)一步的，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型還包括根據(jù)船舶橫搖時作用于船舶的水動力關(guān)系，確定的回歸方程。

進(jìn)一步的，回歸方程包括波浪力函數(shù)和遭遇頻率函數(shù)；其中，波浪力函數(shù)包括輻射力函數(shù)和入射繞射力函數(shù)，輻射力函數(shù)和入射繞射力函數(shù)表示如下：

其中，K_jk為j向輻射力脈沖響應(yīng)函數(shù)，B_jk為阻尼系數(shù)，η(t)為各項運動速度，H_j為j向入射繞射力響應(yīng)函數(shù)，h(τ)為τ時刻船舶瞬時的波高；

遭遇頻率函數(shù)表示如下：

ω_c＝ω₀+k(X₀cosχ+Y₀sinχ)

其中，ω₀為初始頻率，k為波數(shù)，χ為浪向角。X₀，Y₀為初始坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，波浪力為一階波浪力，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型的網(wǎng)格總數(shù)為3876，船舶的航速下頻率w為0.1～12，波浪角為0～315度。

進(jìn)一步的，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型包括六自由度運動力學(xué)方程，六自由度運動力學(xué)方程表示如下：

(m+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y(jié)_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H為裸船體在相應(yīng)的六自由度方向上的力和力矩；下標(biāo)為P、R的變量分別為螺旋槳和舵的力和力矩；下標(biāo)為wind與wave的變量分別為風(fēng)與浪的力與力矩；m為船舶質(zhì)量；m_x、m_y、m_Z分別為縱向、橫向和垂向船舶的附加質(zhì)量；I_xx、I_yy、I_zz分別為繞x,y,z軸的轉(zhuǎn)動慣量；J_xx、J_yy、J_zz分別為繞x,y,z軸的附加轉(zhuǎn)動慣量；a,b,c,p,q,r分別為縱向、橫向和垂向的速度及繞x,y,z軸的角速度。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案所具有的有益效果是：

本發(fā)明仿真方法所采用的六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型充分考慮了船舶處于非靜止?fàn)顟B(tài)時進(jìn)行垂蕩運動和縱搖運動耦合影響，不同于常規(guī)船舶仿真只依托MMG模型的三自由度計算垂蕩運動和縱搖運動的模擬方式，本發(fā)明的仿真方法結(jié)合水動力影響印度，通過與實際仿真實驗結(jié)果匹配，能夠得出最優(yōu)六自由度參數(shù)，從而提高了船舶仿真的計算精度，降低了實驗誤差。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對本發(fā)明實施例的描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據(jù)一實施例示出的本發(fā)明仿真方法的流程圖一；

圖2是根據(jù)一實施例示出的本發(fā)明仿真方法的坐標(biāo)系示意圖；

圖3是根據(jù)一實施例示出的本發(fā)明船舶仿真的模型結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種船舶仿真方法，包括：

S101、獲取船舶的初始位置和運動參數(shù)；

S102、獲取船舶以實驗得到的實際六自由度參數(shù)；

S103、將船舶的初始位置和運動參數(shù)輸入六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型，確定船舶的仿真六自由度參數(shù)；

S104、在仿真六自由度參數(shù)與實際六自由度參數(shù)的誤差超過預(yù)設(shè)的閾值范圍時，調(diào)整六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型的模型參數(shù)，重新確定船舶的仿真自由度參數(shù)；

預(yù)設(shè)的閾值根據(jù)船舶類型以及相關(guān)六自由度參數(shù)等數(shù)據(jù)計算，從而使計 算得到的仿真六自由度參數(shù)能夠在合理誤差范圍內(nèi)，相比于MMG模型的三自由度仿真方法，本發(fā)明所采用的六自由度仿真方法能夠極大地提高船舶的仿真計算精度；

S105、輸出誤差在預(yù)設(shè)的閾值范圍內(nèi)的仿真自由度參數(shù)。

本發(fā)明仿真方法的原理在于：假設(shè)船體為剛體，依照分離建模的思想，將船、舵、螺旋槳等部件單獨對船舶模型的作用相區(qū)分，并對三者的交互作用進(jìn)行模擬組合，設(shè)置了搖、蕩、擺等六自由度參數(shù)的不同組合；同時，取風(fēng)向流向為同一方向或者相逆方向，從而減少六自由度運動分析的難度，建立了適宜的六自由度船舶仿真數(shù)學(xué)模型；另外，該仿真方法所建立的六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型還考慮到了水動力影響，利用水動力方程，分析船舶橫搖影響，通過回歸分析得到最后回歸公式，以在此數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上編程實現(xiàn)對六自由度參數(shù)的實時測量并傳輸顯示。

例如，預(yù)先定義船舶在六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型的一個虛擬的初始位置，然后輸入一系列只包含船舶進(jìn)退、橫搖等運動的實測參數(shù)，仿真模型中的船就開始做橫搖運動而且逐漸向前前進(jìn)，而前進(jìn)的位移也會被記錄下來，直到仿真停止，船只會在初始位置的基礎(chǔ)上移動到新的位置，并將新的位置更新為下次仿真模擬的初始位置；在仿真過程中，數(shù)學(xué)模型就會計算船只在每個時刻的狀態(tài)的參數(shù)，比如對波浪力的響應(yīng)，計算回轉(zhuǎn)運動的數(shù)值等等，隨后將這些參數(shù)輸出，通過動力學(xué)方程求得仿真六自由度參數(shù)，與原先的實際六自由度參數(shù)進(jìn)行對比，在兩者誤差較大時，通過調(diào)整模型參數(shù)重復(fù)進(jìn)行仿真實驗，直至仿真實驗獲得的仿真六自由度在合理誤差范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對仿真六自由度參數(shù)的校正。

在本發(fā)明的一個實施例中，將船舶的初始位置和運動參數(shù)輸入六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型，確定船舶的仿真六自由度參數(shù)的步驟中，在將船舶的初始位置和運動參數(shù)輸入六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型后，要對船舶的初始船體位置及其運動的相對位置進(jìn)行初始化處理，具體過程包括：

根據(jù)船舶垂直于海平面的第一狀態(tài)以及船舶搖蕩時的第二狀態(tài)，建立參考坐標(biāo)系及船體坐標(biāo)系；

取船舶中心為原點，x軸以船舶運動時船艏為正方向，y軸以船舶運動時右舷為正方向，z軸以船舶運動時向下為正方向，建立船體坐標(biāo)系，如圖2中B所示的坐標(biāo)系；

取船舶垂直于海平面狀態(tài)時船舶中心為原點，w軸以船艏為正方向，u軸以船舶靜止時右舷為正方向，v軸以船舶靜止時向下為正方向，建立參考坐標(biāo)系，如圖2中A所示的坐標(biāo)系；

其中，當(dāng)船舶無六自由度運動且處于平穩(wěn)勻速無搖擺震蕩運動時，船體坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系重合；當(dāng)船舶搖蕩時，參考坐標(biāo)系沿水平方向平移運動。

上述初始化處理的步驟所建立的參考坐標(biāo)系可以指明船舶運動是，其相對于參考坐標(biāo)系的基準(zhǔn)所產(chǎn)生的位搖和擺蕩的位移，并可用于標(biāo)示船體本身的各類參數(shù)，從而簡化了六自由度參數(shù)及相對位置的計算。

六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型包括作用在船舶的船體的船體力、作用在螺旋槳的螺旋槳力以及二者之間的相互干涉關(guān)系，其中，作用在船體的船體力表示如下：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk為附加質(zhì)量系數(shù)，其中，j＝1,2,……，6，k＝1,2,……，6，j＝k，p、q、r分別為船體縱向、橫向和垂向的速度，w、u、v分別為繞x、y、z軸的角速度。

在實施例中，作用在船舶的螺旋槳的螺旋槳力表示如下：

Y_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P為螺旋槳產(chǎn)生的橫向力，N_P為船舶轉(zhuǎn)艏力矩，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D_p為螺旋槳直徑，t_p螺旋槳推力減額系數(shù)，j_p為進(jìn)速系數(shù)， ρ為液體密度，C_p為縱向棱形系數(shù)。

在本發(fā)明另一實施例中，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型還包括根據(jù)船舶橫搖時作用于船舶的水動力關(guān)系，確定的回歸方程。

具體的，回歸方程包括波浪力函數(shù)和遭遇頻率函數(shù)；其中，波浪力函數(shù)包括輻射力函數(shù)和入射繞射力函數(shù)，輻射力函數(shù)和入射繞射力函數(shù)表示如下：

其中，K_jk為j向輻射力脈沖響應(yīng)函數(shù)，B_jk為阻尼系數(shù)，η(t)為各項運動速度，H_j為j向入射繞射力響應(yīng)函數(shù)，h(τ)為τ時刻船舶瞬時的波高；

遭遇頻率函數(shù)表示如下：

ω_c＝ω₀+k(X₀cosχ+Y₀sinχ)

其中，ω₀為初始頻率，k為波數(shù)，χ為浪向角。X₀，Y₀為初始坐標(biāo)。

實施例中，波浪力為一階波浪力，如圖3所示，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型的網(wǎng)格總數(shù)為3876，船舶的航速下頻率w為0.1～12，波浪角為0～315度。

為了提高計算精度，本發(fā)明的仿真方法采用三維面元法計算頻域一階和二階波浪力，并考慮波浪力的時間記憶效應(yīng)，利用卡明斯脈沖響應(yīng)函數(shù)法將頻域一階波浪力、阻尼系數(shù)轉(zhuǎn)化到時域上的繞射和輻射波力，并通過與安川試驗結(jié)果的對比可驗證其準(zhǔn)確性；另外，該仿真方法還采用單自由度橫搖運動模型計算驗證了橫搖運動阻尼系數(shù)、GM及波浪力的準(zhǔn)確性；以及采用三自由度MMG模型計算驗證該模型對回轉(zhuǎn)運動和Z形運動的精度。

回歸方程包含了船體在規(guī)則波以及非規(guī)則波時水流對船體的作用力，其中非規(guī)則波可分解為振幅相位不同的規(guī)則波相互疊加所形成；同時也涵蓋了風(fēng)力、海水密度等環(huán)境干擾因素的影響，從而可以減少干擾因素所造成的誤差影響。

在實施例中，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型包括六自由度運動力學(xué)方程，六自由度運動力學(xué)方程表示如下：

(m+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y(jié)_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H為裸船體在相應(yīng)的六自由度方向上的力和力矩；下標(biāo)為P、R的變量分別為螺旋槳和舵的力和力矩；下標(biāo)為wind與wave的變量分別為風(fēng)與浪的力與力矩；m為船舶質(zhì)量；m_x、m_y、m_Z分別為縱向、橫向和垂向船舶的附加質(zhì)量；I_xx、I_yy、I_zz分別為繞x,y,z軸的轉(zhuǎn)動慣量；J_xx、J_yy、J_zz分別為繞x,y,z軸的附加轉(zhuǎn)動慣量；a,b,c,p,q,r分別為縱向、橫向和垂向的速度及繞x,y,z軸的角速度。

本發(fā)明還提供了一種船舶仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)采用上述實施例中所公開的仿真方法對船舶進(jìn)行仿真模擬，從而得到精度較高的六自由度參數(shù)信息，該仿真系統(tǒng)包括：

獲取單元，用于獲取船舶的初始位置和運動參數(shù)，以及船舶以實驗得到的實際六自由度參數(shù)；

確定單元，用于將船舶的初始位置和運動參數(shù)輸入六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型，確定船舶的仿真六自由度參數(shù)；以及

在仿真六自由度參數(shù)與實際六自由度參數(shù)的誤差超過預(yù)設(shè)的閾值范圍時，調(diào)整六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型的模型參數(shù)，重新確定船舶的仿真自由度參數(shù)；

輸出單元，用于輸出誤差在預(yù)設(shè)的閾值范圍內(nèi)的仿真自由度參數(shù)。

實施例中，確定單元還用于初始化船舶的初始船體位置及其運動的相對位置；初始化船舶的初始船體位置及其運動的相對位置的過程包括：根據(jù)船舶垂直于海平面的第一狀態(tài)以及船舶搖蕩時的第二狀態(tài)，建立參考坐標(biāo)系及船體坐標(biāo)系；取船舶中心為原點，x軸以船舶運動時船艏為正方向，y軸以船舶運動時右舷為正方向，z軸以船舶運動時向下為正方向，建立船體坐標(biāo)系；取船舶垂直于海平面狀態(tài)時船舶中心為原點，x軸以船艏為正方向，y 軸以船舶靜止時右舷為正方向，z軸以船舶靜止時向下為正方向，建立參考坐標(biāo)系；其中，當(dāng)船舶無六自由度運動且處于平穩(wěn)勻速無搖擺震蕩運動時，船體坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系重合；當(dāng)船舶搖蕩時，參考坐標(biāo)系沿水平方向平移運動。

實施例中，該仿真系統(tǒng)所構(gòu)建的六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型包括作用在船舶的船體的船體力、作用在螺旋槳的螺旋槳力以及二者之間的相互干涉關(guān)系，其中，作用在船體的船體力表示如下：

-X_HI＝A₁₁u-A₂₂vr+A₃₃wq

-Y_HI＝A₂₂v-A₁₁ur+A₃₃pw

-Z_HI＝A₃₃w-A₁₁uq+A₂₂vp

-K_HI＝A₄₄p+(A₆₆-A₅₅)qr+(A₃₃-A₂₂)vp

-M_HI＝A₅₅p+(A₄₄-A₆₆)pr+(A₁₁-A₃₃)uw

-N_HI＝A₆₆p+(A₅₅-A₄₄)qp+(A₂₂-A₁₁)uv

其中，A_jk為附加質(zhì)量系數(shù)，其中，j＝1,2,……，6，k＝1,2,……，6，j＝k，p、q、r分別為船體縱向、橫向和垂向的速度，w、u、v分別為繞x、y、z軸的角速度。

實施例中，作用在船舶的螺旋槳的螺旋槳力表示如下：

Y_P＝0

N_P＝0

其中，t_P＝0.5C_P-0.12，Y_P為螺旋槳產(chǎn)生的橫向力，N_P為船舶轉(zhuǎn)艏力矩，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D_p為螺旋槳直徑，t_p螺旋槳推力減額系數(shù)，j_p為進(jìn)速系數(shù)，ρ為液體密度，C_p為縱向棱形系數(shù)。

實施例中，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型還包括根據(jù)船舶橫搖時作用于船舶的水動力關(guān)系，確定的回歸方程；回歸方程包括波浪力函數(shù)和遭遇頻率函數(shù)；其中，波浪力函數(shù)包括輻射力函數(shù)和入射繞射力函數(shù)，輻射力函數(shù)和入射繞射力函數(shù)表示如下：

其中，K_jk為j向輻射力脈沖響應(yīng)函數(shù)，B_jk為阻尼系數(shù)，η(t)為各項運動速度，H_j為j向入射繞射力響應(yīng)函數(shù)，h(τ)為τ時刻船舶瞬時的波高；

遭遇頻率函數(shù)表示如下：

ω_c＝ω₀+k(X₀cosχ+Y₀sinχ)

其中，ω₀為初始頻率，k為波數(shù)，χ為浪向角。X₀，Y₀為初始坐標(biāo)。

波浪力為一階波浪力，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型的網(wǎng)格總數(shù)為3876，船舶的航速下頻率w為0.1～12，波浪角為0～315度。

在實施例中，六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型包括六自由度運動力學(xué)方程，六自由度運動力學(xué)方程表示如下：

(m+m_x)(a+qc-br)＝X_H+X_P+X_R+X_wind+W_wave

(m+m_y)(b+ar-pc)＝Y(jié)_H+Y_P+Y_R+Y_wind+Y_wave

(m+m_Z)(c+pb-qa)＝Z_H+Z_P+Z_R+Z_wind+Z_wave

(I_xx+J_xx)p+(I_zz-I_yy)qr＝K_H+K_P+K_R+K_wind+K_wave

(I_yy+J_yy)p+(I_xx-I_zz)pr＝M_H+M_P+M_R+M_wind+M_wave

(I_zz+J_zz)r+(I_yy-I_xx)qr＝N_H+N_P+N_R+N_wind+N_wave，

其中，X_H，Y_H，Z_H，K_H，N_H為裸船體在相應(yīng)的六自由度方向上的力和力矩；下標(biāo)為P、R的變量分別為螺旋槳和舵的力和力矩；下標(biāo)為wind與wave的變量分別為風(fēng)與浪的力與力矩；m為船舶質(zhì)量；m_x、m_y、m_Z分別為縱向、橫向和垂向船舶的附加質(zhì)量；I_xx、I_yy、I_zz分別為繞x,y,z軸的轉(zhuǎn)動慣量；J_xx、J_yy、J_zz分別為繞x,y,z軸的附加轉(zhuǎn)動慣量；a,b,c,p,q,r分別為縱向、橫向和垂向的速度及繞x,y,z軸的角速度。

本發(fā)明的仿真系統(tǒng)根據(jù)MMG分離模型水動力經(jīng)驗公式和整合波浪力的勢流理論方法，并使用三維法確定船舶側(cè)部、底部的受力面面積，從而計算計算波浪力對六自由度的影響；同時仿真系統(tǒng)模擬頻域波浪力，繪制船舶數(shù)學(xué)模型的面網(wǎng)格，設(shè)定相關(guān)船型參數(shù)，以計算不同波頻、不同浪向角下的附加質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)、一階波浪力及二階波浪漂移力，并將計算結(jié)果封裝成數(shù)據(jù)庫文件，將計算得到的波浪力數(shù)據(jù)與以前學(xué)者的計算和試驗結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證數(shù)據(jù)庫文件的可信度。

另外，仿真系統(tǒng)還包括驗證單元，驗證單元用于將數(shù)據(jù)庫文件的附加質(zhì) 量系數(shù)、阻尼系數(shù)和一階波浪力，通過脈沖響應(yīng)轉(zhuǎn)化到時域上，采用拉格朗日插值法得到實時二階波浪漂移力數(shù)據(jù)，并構(gòu)建單自由度的橫搖運動模型和三自由度的搖蕩運動模型，將計算結(jié)果與相應(yīng)試驗結(jié)果對比來驗證時域波浪力和脈沖響應(yīng)函數(shù)計算的準(zhǔn)確性。

基于以上計算方法和結(jié)果，可以構(gòu)建六自由度船舶運動數(shù)學(xué)模型所需的全耦合運動程序，并利用龍格庫塔法逐步計算出相關(guān)的運動參數(shù)。

本說明書中的各個實施例均采用遞進(jìn)的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

盡管已描述了本發(fā)明實施例的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實施例做出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實施例以及落入本發(fā)明實施例范圍的所有變更和修改。

最后，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者終端設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者終端設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括要素的過程、方法、物品或者終端設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。