[发明专利]一种船舶进水角直接计算方法

权利要求书

1.一种船舶进水角直接计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、建立坐标系

采用左手坐标系，建立船体坐标系oxyz，原点选在船舶基平面、中横剖面和中纵剖面的交点上；规定x轴指向船艏为正，y轴指向右舷为正，z轴向上为正；

B、读取船舶总排水量、重心及进水点坐标

设船舶总排水量为Δ、重心横纵向坐标为x_G、重心横向坐标为y_G、重心垂向坐标为z_G、进水点P的纵向坐标为x_F、进水点P的横向坐标为y_F及进水点P的垂向坐标为z_F；

设定船舶计算横倾角为左倾-70到右倾70°，以固定间隔存储到横倾角数组heel[]中；

C、令i＝0，设定计算横倾角angle为heel[0]，即-70°；

D、计算横倾角为angle时的倾斜水线面方程，具体步骤如下：

D1、用牛顿迭代法求解船舶平衡方程组

船舶横倾后的稳定状态需要满足2个条件，即：重力和浮力相等、重心和浮心在一条直线上，具体公式如下：

式中，ρ为海水密度，V为船舶排水体积，x_B、y_B、z_B分别为船舶浮心纵向、横向及垂向坐标，x_G、y_G、z_G分别为船舶重心纵向、横向及垂向坐标，θ为船舶横倾角，为船舶纵倾角；

对于平衡方程组：

引入向量表示如下：

式中，T为船中吃水；

使用牛顿迭代法将上述方程转换为二元一次方程组：

求解上式二元一次化方程组，得到船中吃水T及纵倾角

D2、计算当前横倾角下的倾斜水线面方程

根据船舶静力学原理，船舶倾斜水线面的单位法向量如下式所示：

经过船中吃水的点P_M坐标为(0,0,T)，则倾斜水线面的点法式方程为：

将水线面方程单位法向量存储到水线面方程数组WaterLine[]中；

D3、令i＝i+1，angle＝heel[i]转步骤D1计算横倾角数组heel[]中剩余横倾角的水线面方程，直到heel[]中所有角度遍历计算完成，保存水线面方程计算结果WaterLine[]；

E、计算各个横倾角下进水点P到水线面的有向距离

点到平面有向距离S计算公式如下：

即：

当进水点P在平面法向所指的一面，有向距离S为正值，标记为外；反之为负值；

计算各个横倾角下进水点到倾斜水线面的有向距离，将结果存储到距离数组dis[]中；

F、计算船舶进水角

根据各横倾角及各有向距离计算最终船舶进水角；横倾角数组heel[]与有向距离数组dis[]中的元素一一对应，且个数一样，个数用n表示；船舶进水角计算原理如下：以横倾角为横坐标，有向距离为纵坐标绘制折线段图，折线与x坐标轴的交点，即有向距离为0时所对应的横倾角坐标就是船舶进水角；n个元素组成n-1条线段，令1≤j≤n-1，则第j条线段的两个点坐标P_j1(θ_j1,S_j1)和P_j2(θ_j2,S_j2)计算如下：

式中，θ_j1、S_j1分别为点P_j1的横坐标和纵坐标，θ_j2、S_j2分别为点P_j2的横坐标和纵坐标；

具体计算步骤如下：

F1：初始化j，令j＝1

F2：判断j≤n-1

如果成立，程序循环结束，输出结果；

如果不成立，判断第j条线段是否与横坐标轴相交

如果y_j1y_j2＜0，则相交，计算船舶进水角，即交点的横坐标x_交，输出以下公式的计算结果：

否则，不相交，j＝j+1，转步骤F2。