[发明专利]一种游艇模拟器中游艇运动数学模型的阻力通用计算方法

摘要

本发明公开了一种游艇模拟器中游艇运动数学模型的阻力通用计算方法，包括以下步骤：读取游艇型线数据并简化游艇几何模型；划分游艇运动体积傅汝德数区间；游艇阻力计算；阻力计算与游艇模拟器结合。本发明将游艇几何模型做棱柱形艇型简化，降低了游艇几何模型的数学表达难度，从而减小了游艇阻力建模的难度和计算的复杂度，为游艇阻力的建模和实时计算提供了方便。本发明通过划分游艇运动状态的方法分段求解游艇阻力，解决了模拟器中现有阻力算法对游艇滑行航行阶段阻力计算不准确的问题和平板滑行理论在游艇排水航行阶段不适用的问题，能够较好应用于工程应用，且满足现阶段游艇模拟器实对游艇运动数学模型阻力计算精度的要求。

主权项

1.一种游艇模拟器中游艇运动数学模型的阻力通用计算方法，其特征在于：包括以下步骤：/nA、读取游艇型线数据并简化游艇几何模型/n由游艇设计数据获取游艇型线图，将型线图数字化并读入到游艇运动数学模型解算程序中；从型线图中获得游艇几何模型参数，所述的游艇几何模型参数包括游艇总长度、游艇水线面长度、游艇折角线长度、游艇龙骨长度、游艇最大宽度、游艇折角线宽度、游艇水线宽度、游艇船舯宽度、游艇平均宽度、游艇船艏斜升角、游艇船舯斜升角、游艇船艉斜升角、游艇平均斜升角和游艇折角线斜升角；在进行游艇几何模型简化时，选择游艇总长度、游艇折角线宽度和游艇船舯斜升角三个参数作为基准进行简化，将光滑、翘曲的游艇几何模型简化成棱柱形艇型；/nB、划分游艇运动体积傅汝德数区间/n游艇根据其运动特性划分为三个运动阶段：排水航行阶段、过渡航行阶段和滑行航行阶段；假设游艇不同运动状态之间存在明确界限，即将游艇体积傅汝德数小于1时划分为排水航行状态，体积傅汝德数介于1至3之间时划分为过渡航行状态，体积傅汝德数大于3时划分为滑行航行状态；/nC、游艇阻力计算/n建立游艇运动局部坐标系O-XYZ：坐标原点O为游艇简化模型重心，X轴指向船艉，Y轴指向右舷，Z轴垂直XY平面指向上方；/nC1、排水航行阶段游艇阻力计算/n游艇排水航行时，阻力比普通排水型船舶稍高，二者阻力的形成因素相同，阻力变化趋势相似，随船速的增加而增大；游艇排水航行阶段阻力计算公式下：/n /n其中，ρ为海水密度，C_t为摩擦系数，u为游艇纵向速度，S为游艇浸湿表面积；/nC2、过渡航行阶段游艇阻力计算/n游艇在过渡航行阶段时逐渐进入抬艏状态，此时游艇阻力的构成并没有完全发生变化，而由于出现纵倾角，游艇的浸湿表面积在时刻发生变化；此时，应用平板滑行理论对游艇的纵倾角进行求解，由于前期已将游艇的几何形状做棱柱形艇型简化，此时游艇的浸湿表面根据游艇和静水面的几何关系进行求解；游艇过渡航行阶段阻力仍用公式(1)进行计算，但按下式计算游艇浸湿表面积：/n /n其中，B为简化后的游艇宽度，L_C为游艇折角线浸湿长度，τ为船舶纵倾角，Z_max为游艇Z轴最大压力处的垂向坐标，V为游艇速度，β为游艇斜升角；/nC3、滑行航行阶段游艇阻力计算/n游艇在高速时进入滑行航行状态，阻力的构成部分发生变化，游艇浮力忽略不计，重力由水动升力提供，游艇阻力趋于稳定，随航速增加几乎不发生变化；游艇滑行航行阶段所受阻力计算如下：/nResistance_planing＝Δtanτ+R_f/cosτ (3)/n其中，Δ为游艇总重，R_f为摩擦阻力；游艇总重由游艇设计资料获得，游艇摩擦阻力与排水阶段摩擦阻力计算方法一致，计算游艇滑行航行阶段阻力的关键在于计算游艇稳定航行后的定常纵倾角τ；基于平板滑行理论和Savitsky关于棱柱形滑行艇的相关研究，游艇定常纵倾角由公式(4)-(7)计算；根据游艇重量和宽度，由公式(4)计算出游艇的动升力系数，再由式(5)对升力系数进行斜升角修正，根据游艇的重心纵向位置、宽度和速度计算出游艇实时运动的游艇宽度傅汝德数，结合Savitsky的相关研究由式(6)计算游艇实时运动的浸湿表面长宽比，将修正后的升力系数、船舶实时浸湿表面长宽比和游艇宽度傅汝德数代入式(7)计算出游艇实时纵倾角τ，进而由式(3)计算出游艇阻力；/n /n /n /n /n其中，C_L0为斜升角为0时的升力系数，λ_W为浸湿表面长宽比，Fn_B为游艇宽度傅汝德数，C_Lβ为斜升角为β时的升力系数，LCG为游艇重心距船艉纵向位置；/nD、阻力计算与游艇模拟器结合/n通过步骤C计算游艇阻力，将阻力值传入游艇运动数学模型实时解算，同时配合游艇模拟器视景程序，最终驱动游艇模拟器运行。/n