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作者：张秀凤金一丞尹勇张显库刘秀文任俊生孙霄峰任鸿翔张百安张新宇谷伟马烈李志华 116026 辽宁省大连市凌海街1号大连海事大学航海学院航海动态仿真与控制室

一种航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型，通过操作硬件设备(X-Pitch和Y-Pitch)获得VSP桨的等效螺距比以及VSP桨产生的总推力在船体纵向、横向分解力的百分数，利用已公开的VSP桨第一象限图谱计算总推力的大小，将分解力的... 详细信息

标准号: CN101707015A

一种航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型，通过操作硬件设备(X-Pitch和Y-Pitch)获得VSP桨的等效螺距比以及VSP桨产生的总推力在船体纵向、横向分解力的百分数，利用已公开的VSP桨第一象限图谱计算总推力的大小，将分解力的百分数乘以总推力即可得到在纵向、横向、首摇上的分力(矩)。将上述得到的VSP桨推力(矩)作为外力叠加到船舶运动方程中，采用四阶龙格-库塔积分得到VSP船舶运动的态势，提供给航海模拟系统的其他模块。将所建VSP桨船舶运动数学模型应用到航海模拟器中，与硬件设备相结合，实现了人机交互，增加了系统中船模数据库的多样性。

关键词：船舶运动航海模拟硬件设备分解力数学模型应用运动数学模型航海模拟器平旋推进器船体纵向驱动船舶人机交互螺距比相结合分力船模象限叠加图谱数据库多样性态势

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航海模拟器用船舶六自由度运动数学模型的建立方法

航海模拟器用船舶六自由度运动数学模型的建立方法

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作者：张秀凤金一丞尹勇任鸿翔张显库刘秀文任俊生孙霄峰谷伟张新宇李志华张百安马烈 116026 辽宁省大连市凌海街1号大连海事大学航海学院航海动态仿真与控制室

一种航海模拟器用船舶六自由度运动数学模型的建立方法，本发明采用日本操纵性数学模型小组MMG提出的“分离型”数学模型，即模型的建立以船体、螺旋桨、舵各自独立的水动力为基础，加上船-桨-舵相互之间的流体动力干扰，以及环境干扰... 详细信息

标准号: CN101707016A

一种航海模拟器用船舶六自由度运动数学模型的建立方法，本发明采用日本操纵性数学模型小组MMG提出的“分离型”数学模型，即模型的建立以船体、螺旋桨、舵各自独立的水动力为基础，加上船-桨-舵相互之间的流体动力干扰，以及环境干扰等。通过操作与实船控制设备外形、功能一致的硬件操作设备(车钟、舵、拖轮、缆绳等)和设置环境信息(风、浪、流)，将其产生的信号传输给船舶运动数学模型，并对微分方程进行求解，实时获得船舶六自由度运动的响应，实现航海模拟器中人在回路中的交互。之前航海模拟器中使用的船舶运动模型是基于MMG思想的三自由度模型，不能完整地描述船舶六自由度运动的态势。本发明的成功开发填补了该领域的空白，可更好的为航海教学和培训、港航工程论证等科学研究服务。

关键词：六自由度数学模型航海模拟器船舶运动船舶运动数学模型模型的建立成功开发航海教学航海模拟环境干扰环境信息控制设备流体动力三自由度微分方程信号传输硬件操作缆绳操纵性分离型螺旋桨拖轮车钟实船船体科学研究填补响应干扰态势培训小组

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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

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

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作者：尹勇李笑晨孙霄峰张秀凤神和龙任俊生刘秀文刘春雷朱忠显钱小斌 116026辽宁省大连市高新园区凌海路1号

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... 详细信息

标准号: CN110457827A

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。

关键词：游艇模拟器阻力计算几何模型运动数学模型滑行建模读取工程应用实时计算数学表达通用计算运动状态复杂度棱柱形线数据求解分段减小算法排水应用

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基于改进超螺旋滑模控制的USV自适应操纵控制算法

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造船技术 2025年第1期53卷 72-77页

作者：骆庆焕祝贵兵广东内伶仃福田国家级自然保护区管理局广东深圳518040 浙江海洋大学船舶与海运学院浙江舟山316022

针对无人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV)的自适应操纵控制问题,提出一种基于改进超螺旋滑模控制的USV自适应操纵控制算法。建立USV的运动数学模型。考虑USV的欠驱动特性,建立基于输出重定义的误差动态系统。为增强控制器的稳健性... 详细信息

针对无人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV)的自适应操纵控制问题,提出一种基于改进超螺旋滑模控制的USV自适应操纵控制算法。建立USV的运动数学模型。考虑USV的欠驱动特性,建立基于输出重定义的误差动态系统。为增强控制器的稳健性并削弱滑模控制导致的抖振影响,设计改进超螺旋滑模控制器,提高操纵控制系统的瞬态性能和稳态性能。针对复合扰动导数上界未知的情况,利用参数自适应技术对控制器参数进行估计。利用李雅普诺夫函数证明闭环系统的稳定性,采用数值仿真进行操纵控制性能验证。仿真结果表明,所提出的操纵控制算法具有良好的操纵控制性能,并可减轻抖振现象。

关键词：无人水面艇自适应操纵控制改进超螺旋滑模控制改进超螺旋滑模控制器运动数学模型输出重定义抖振李雅普诺夫函数

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游艇模拟器中游艇静水“海豚运动”仿真研究

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华中科技大学学报（自然科学版） 2020年第12期48卷 89-95页

作者：李笑晨尹勇大连海事大学航海动态仿真和控制交通部重点实验室辽宁大连116026

针对现有游艇模拟器中无法模拟游艇静水"海豚运动"的问题,基于游艇高速航行受力本质进行分析,结合平板滑行理论和Savitsky关于棱柱形滑行艇的相关研究,对游艇几何模型进行合理简化,求解游艇静水中滑行运动姿态.基于高频自由... 详细信息

针对现有游艇模拟器中无法模拟游艇静水"海豚运动"的问题,基于游艇高速航行受力本质进行分析,结合平板滑行理论和Savitsky关于棱柱形滑行艇的相关研究,对游艇几何模型进行合理简化,求解游艇静水中滑行运动姿态.基于高频自由面假设和切片理论计算游艇垂荡、纵摇水动力系数,采用Routh-Hurwitz线性稳定性判据寻找游艇发生"海豚运动"阈值.提出引入人工干预的方法激励处于不稳定运动状态的游艇,使其发生"海豚运动"并进行数值仿真试验.试验结果表明当且仅当游艇处于不稳定运动状态时人工干预可以诱导游艇进行"海豚运动",数值仿真结果与模型试验结果符合良好.将算法与游艇模拟器相结合进行工程应用试验,游艇模拟器运行稳定、效果良好,实现了游艇模拟器中游艇"海豚运动"的仿真.

关键词：游艇模拟器运动数学模型海豚运动稳定性分析人工干预

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拖曳系统计算中拖缆与拖体的耦合计算

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海洋工程 2002年第4期20卷 37-42页

作者：李英辉李喜斌戴杰庞永杰徐玉如哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对带有水下设备舱的拖曳系统,提出了一种有效的算法,来获得拖曳系统的运行状态。将拖曳系统分成拖缆和水下拖体两个部分,分别建立运动数学模型。拖缆部分的模型以Ablow和Schechter的运动数学模型为基础;拖体部分的模型采用类似潜器的... 详细信息

针对带有水下设备舱的拖曳系统,提出了一种有效的算法,来获得拖曳系统的运行状态。将拖曳系统分成拖缆和水下拖体两个部分,分别建立运动数学模型。拖缆部分的模型以Ablow和Schechter的运动数学模型为基础;拖体部分的模型采用类似潜器的水下六自由度运动方程。将这两部分方程联立,统一求解,解决两个模型之间的耦合问题。经过数值仿真的检验证明算法具有可行性。

关键词：拖曳系统拖体数值仿真拖缆运动数学模型海洋探测仪器

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水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制方法

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舰船科学技术 2021年第14期43卷 79-81页

作者：毕思凯张宁吕文喜交通运输部北海航海保障中心天津海事测绘中心

针对当前水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制方法,未考虑水面无人艇在运行过程中受到的干扰,导致控制精度低和控制时间长的问题,提出水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制方法。构建水面无人艇的干扰模型,分析水面无人艇在运行过程中受... 详细信息

针对当前水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制方法,未考虑水面无人艇在运行过程中受到的干扰,导致控制精度低和控制时间长的问题,提出水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制方法。构建水面无人艇的干扰模型,分析水面无人艇在运行过程中受到的海风干扰、海流干扰和海浪干扰,建立水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制模型,完成航线偏航路径的跟踪控制。实验结果表明,所提方法的水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制精度较高,能够有效缩短控制时间。

关键词：水面无人艇自主航向运动数学模型干扰模型路径跟踪控制

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大型远洋风帆助航船舶航向控制系统设计及仿真研究

大型远洋风帆助航船舶航向控制系统设计及仿真研究

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作者：王国刚武汉理工大学

学位级别：硕士

当前,人类对能源的利用依然以化石原料为主,然而化石燃料带来的副作用早已暴露无遗,温室效应、大气污染等已是久治无效、刻不容缓的问题,而且随着地球资源的日渐枯竭,能源问题势必将影响到未来各行各业的发展,在这种特殊的环境下,就航... 详细信息

当前,人类对能源的利用依然以化石原料为主,然而化石燃料带来的副作用早已暴露无遗,温室效应、大气污染等已是久治无效、刻不容缓的问题,而且随着地球资源的日渐枯竭,能源问题势必将影响到未来各行各业的发展,在这种特殊的环境下,就航运业而言,开展可再生能源在船舶上的应用研究具有很大的实用价值和现实意义。本文主要研究风能在大型远洋船舶上的应用,以风帆助航船舶为研究对象,建立了风帆助航船舶的运动数学模型,设计了风帆助航船舶的航向控制系统,并对其进行仿真研究。文中主要对风帆助航船舶的选型及受力分析、三自由度运动数学模型的建立、航向控制系统的设计及仿真等几个方面展开了详细的研究。首先,通过对比不同风帆的性能选择适合目标船的帆型,研究所选帆型的空气动力性能,对加装风帆后的目标船进行受力分析,得到目标船在不同绝对风向角下对应的最佳帆向角,使目标船在不同风况下均能获得最大推力,并计算在海风的影响下,风帆在最佳帆向角时对目标船的作用力和力矩。接着,利用MMG模型的建模方法,在附体坐标系中建立了风帆助航船舶的分离型水平面三自由度运动数学模型,并分别分析和计算了作用于裸船上的流体动力、螺旋桨推力、舵力、风干扰力,以及相应的力矩。然后,对已建立的风帆助航船舶的三自由度运动数学模型进行整理和改写,得到以船舶纵向速度u、横向速度v、转首角速度r、航向角φ、东向航行距离X、北向航行距离Y为输出的仿真模型。选择四阶龙格库塔法为仿真算法,matlab/simulink为仿真工具,对风帆助航船舶进行直航性能、回转性能仿真试验。最后,根据航向控制原理,设计风帆助航船舶的航向控制系统,选定PID控制器为航向控制系统的控制器,整定PID参数,对不同航向偏差下,风帆助航船舶的航向角、舵角、航向偏差、航迹进行仿真,验证航向控制系统的正确性,并对不同风况下风帆助航船舶的保向性进行仿真模拟,对仿真结果进行研究。通过分析仿真结果得出：在正常海洋环境下,利用所设计的航向控制系统,风帆助航船舶能在获得可靠的风帆推力同时,保证船舶航行过程的航向稳定性。

关键词：风帆助航船舶运动数学模型航向控制系统 PID控制

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250吨门式飞剪机机构优化和力能参数的研究

250吨门式飞剪机机构优化和力能参数的研究

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作者：郭云飞燕山大学

学位级别：硕士

飞剪机是连续轧制棒材生产线的关键设备。在生产过程中,门式飞剪机存在剪刃磨损较严重的现象,原因在于剪切过程中剪刃速度与轧件运行速度不匹配产生拉钢与堆钢现象以及剪刃倾角过大造成剪刃倾斜的切入轧件。同时由于剪刃结构不佳,剪切... 详细信息

飞剪机是连续轧制棒材生产线的关键设备。在生产过程中,门式飞剪机存在剪刃磨损较严重的现象,原因在于剪切过程中剪刃速度与轧件运行速度不匹配产生拉钢与堆钢现象以及剪刃倾角过大造成剪刃倾斜的切入轧件。同时由于剪刃结构不佳,剪切轧件所需的最大剪切力较大。为改善飞剪机剪切性能,需要对飞剪机剪切机构与剪刃结构进行优化。通过分析250吨门式飞剪机的剪切机构与工作原理,基于封闭矢量法建立了剪切机构的运动数学模型,计算得出剪刃处的各项运动学参数。在Adams中建立剪切机构模型并进行运动学分析,其结果与数学模型计算一致,表明所建立数学模型可以准确计算门式飞剪机的运动参数。为优化门式飞剪机剪切过程中剪刃水平速度均匀性差以及剪刃倾角过大的问题,建立剪切机构的优化数学模型,使用Global Search函数调用Fmincon函数进行求解。对比优化前的运动参数可知,优化后剪刃水平速度均匀性提高了25.1%;剪刃倾角变化的均匀性提高了80.15%。设计关于剪刃结构参数的均匀试验,并对比剪切机构优化前后的剪切力能变化,基于有限元法对门式飞剪机剪切轧件过程进行仿真。由各均匀试验组仿真结果可知,相同条件下优化后的剪切机构降低了最大剪切力;由各试验组最大剪切力值可知,不同的剪刃结构对最大剪切力影响较大。为降低最大剪切力,建立各试验组最大剪切力与剪刃结构参数之间的拟合函数,通过求解拟合函数得出一组优化后的剪刃结构参数。经仿真分析,优化后剪刃结构减小了剪切轧件的最大剪切力。仿真分析剪切40Cr和70钢轧件的过程,结果表明采用优化后的剪刃结构同样降低了最大剪切力。

关键词：门式飞剪机运动数学模型机构优化有限元分析最大剪切力

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极地运输船浮碎冰区操纵性能数值仿真

极地运输船浮碎冰区操纵性能数值仿真

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作者：张清源大连海事大学

学位级别：硕士

由于全球气候逐渐变暖的作用,北极的冰雪正在逐步融化,这使得北极的航线能够顺利通航。北极航道不仅缩短了通航时间,节约运输成本,且丰富的自然资源及战略意义更是各国家互相竞争的对象。然而北极地区恶劣的航行环境,浮碎冰的存在严重... 详细信息

由于全球气候逐渐变暖的作用,北极的冰雪正在逐步融化,这使得北极的航线能够顺利通航。北极航道不仅缩短了通航时间,节约运输成本,且丰富的自然资源及战略意义更是各国家互相竞争的对象。然而北极地区恶劣的航行环境,浮碎冰的存在严重影响了船舶的操纵性,甚至导致船舶被困在冰中无法航行的情况时有发生。鉴于我国在极地船舶冰区航行操纵性方面的研究起步相对较晚,并且相关的基础研究理论还不够完善,因此,针对极地船舶冰区航行操纵性以确保其航行安全的研究变得尤为紧迫。一直以来对于极地船舶的研究重点是船体的结构强度,而良好的操纵性也是极地船舶运输安全的重要保障。为预报极地运输船在敞水水域和碎冰水域的操纵性,本文采用基于CFD的标准操纵试验直接数值模拟方法和MMG数学模型进行研究。本文首先采用CFD数值计算方法,以6万吨级极地运输船为研究对象进行了敞水水域下船舶六自由度回转运动的操纵性预报。获得了敞水回转轨迹的特征参数及各自由度的时历曲线。在敞水回转计算模型的基础之上,基于离散元思想和FinnishSwedish冰级规范,构建碎冰数值水池。计算考虑了船与冰、冰与水和船与水的相互作用,模拟了6万吨级极地运输船舶在60%密集度碎冰水域的六自由度的回转运动。在保障离散元碎冰厚度和碎冰密集度一定的情况下,分别对矩形碎冰和圆形碎冰展开模拟,研究碎冰形状对操纵性的影响。在保证碎冰形状和密集度一定的情况下,分别对厚度为0.034m、0.027m和0.02m的圆形碎冰进行模拟,研究冰厚对操纵性的影响。计算结果分析表明碎冰对船舶操纵性的影响不能忽视,船舶在矩形碎冰水域的战术直径比在敞水的战术直径增大了14.8%。由于接触方式的不同,圆形碎冰对船舶操纵性的影响略小于矩形碎冰对船舶操纵性的影响。碎冰厚度越薄影响越小,对应上述厚度顺序战术直径相较于敞水依次增大了3%,0.6%和0.3%。最后,本文基于MMG建模思想,应用经验公式对船舶敞水六自由度运动建立运动数学模型,模拟6万吨级极地运输船的回转运动和Z形运动。并将CFD计算中碎冰阻力与冰阻力经验公式进行对比,根据CFD计算的冰阻力在敞水运动模型的基础上建立三自由度的碎冰水域运动模型,模拟了6万吨级的极地运输船回转运动和Z形运动。将MMG模拟的回转运动轨迹与CFD计算的回转运动轨迹进行对比,对比结果在误差10%之内,验证了本文建立的数学模型具有良好的可靠性,预报结果的可信性。

关键词：极地运输船舶操纵性预报 DEM 冰水耦合运动数学模型

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