船舶運(yùn)動(dòng)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-11-12
船舶運(yùn)動(dòng)的視頻教程
STAR-CCM+基于重疊網(wǎng)格的船舶波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)
學(xué)到什么：一整套完整的STAR-CCM+基于重疊網(wǎng)格船舶在波浪中運(yùn)動(dòng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流程，算例各參數(shù)設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)等。
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船舶運(yùn)動(dòng)的實(shí)例教程
在模型測試中，以50赫茲的頻率采樣船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(垂蕩和縱搖)。根據(jù)幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)相似性獲得全尺寸船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并在驗(yàn)證過程中采用三次樣條插值技術(shù)進(jìn)行每秒兩點(diǎn)采樣。
表1 C11集裝箱船的基本尺寸
圖2 5級海況下船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)間序列
4.2用于AR建模的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬
本研究調(diào)查的是S175集裝箱船。表2給出了該船的主要細(xì)節(jié)和船體平面圖。本研究采用二維條帶理論進(jìn)行數(shù)值模擬，得到船舶水動(dòng)力系數(shù)和運(yùn)動(dòng)情況。在本模擬中，假設(shè)海況5級。前進(jìn)速度為20節(jié)。
振幅和周期是衡量船舶運(yùn)動(dòng)特性的基本指標(biāo)。船舶運(yùn)動(dòng)在不規(guī)則波浪下是不規(guī)則的，所以振幅和周期是隨時(shí)間變化的。功率譜密度為不規(guī)則船舶運(yùn)動(dòng)表示提供了直接有效的方法，通常認(rèn)為譜中的峰值周期為特征周期。以頻譜的零階矩所確定的顯著值作為特征振幅。時(shí)間序列數(shù)據(jù)對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證都是必要的。如圖3所示，船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)間序列是利用一組正弦波的線性疊加得到的，其中正弦波是通過功率譜密度的離散產(chǎn)生的。
展開 隨著船舶數(shù)量的增加和船舶大型化發(fā)展，航運(yùn)業(yè)面臨著溫室氣體排放、人力成本增加、航行安全不足等諸多挑戰(zhàn)。近年來，為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，目前航運(yùn)業(yè)正逐步向低碳化、智能化方向發(fā)展。
自主航行是船舶按照預(yù)定目標(biāo)，自主規(guī)劃航速航線，自動(dòng)航行至終點(diǎn)并完成作業(yè)的過程。目前，船舶自動(dòng)化可分為四個(gè)等級，分別是有自動(dòng)化過程和決策支持的船舶、有人遠(yuǎn)程遙控船舶、無人遙控船以及自主航行船舶。此外針對智能船舶的指導(dǎo)性法規(guī)預(yù)計(jì)將于今年年底發(fā)表，并預(yù)計(jì)將于2026年1月發(fā)布強(qiáng)制法規(guī)，2028年1月正式生效。
低碳航行是當(dāng)下研究的一大熱點(diǎn)，船舶自主航行是其中的關(guān)鍵技術(shù)，包括態(tài)勢感知技術(shù)、認(rèn)知計(jì)算技術(shù)、碰撞決策技術(shù)以及航行控制技術(shù)，航行控制技術(shù)主要是對船舶航跡進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)開闊水道自動(dòng)導(dǎo)航、擁擠水道自主避碰以及進(jìn)出港自動(dòng)靠泊，而對船舶的航跡預(yù)測是實(shí)現(xiàn)這些功能的基礎(chǔ)，因此南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎擬針對船舶運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行智能分析及預(yù)測。
一、方案概述
船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測是一個(gè)十分綜合的問題，主機(jī)負(fù)荷影響船舶的航速，風(fēng)浪等外界環(huán)境影響船舶的航向，水流影響舵角以及船艏向，船舶姿態(tài)影響主機(jī)負(fù)荷。傳統(tǒng)方案是通過理論方法簡歷船舶的運(yùn)動(dòng)方程從而對船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算，該方案具有良好的穩(wěn)定性，但難以表征模型與環(huán)境之間的耦合作用，在實(shí)海域場景下計(jì)算復(fù)雜。因此本項(xiàng)目擬用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，從而更好地處理船舶運(yùn)動(dòng)的非線性和不確定性帶來的影響。
二、項(xiàng)目實(shí)施過程
1. 人員分工及項(xiàng)目進(jìn)度
本項(xiàng)目項(xiàng)目進(jìn)度如下圖表所示。
2. 數(shù)據(jù)收集
本研究選擇某船2023年度實(shí)際的一段運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，船舶航行包含直行段和曲線段，共24500條。
展開 Patel [23] 通過流場試驗(yàn)的測量結(jié)果，從物理上分析闡明了船舶 CFD 數(shù)值方法應(yīng)采用何種近似方法，該階段的 CFD 是基于簡化的RANS 方程。
上世紀(jì) 90 年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，大量基于 CFD 的軟件被用于求解船舶耐波性問題，包括船艏破波 [24] 、船舶數(shù)值水池、黏性流場中的船舶運(yùn)動(dòng) [25] 、帶附體和螺旋槳船舶附近的流場 [26] 等。Castiglione 等 [27] 完成的數(shù)值預(yù)報(bào)與試驗(yàn)結(jié)果的對比研究表明，非穩(wěn)態(tài) RANS（Un-steady RANS，URANS）方法可以有效模擬高航速和復(fù)雜海況下的多體船運(yùn)動(dòng)問題。Deng 等 [28] 、梁洪光 [29] 、邱永吉 [30] 等均采用 CFD 方法計(jì)算了被動(dòng)式 T 型翼對三體船阻力和耐波性的影響。但由于船舶附體（如舭龍骨、T 型翼）的邊緣部分對網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，CFD方法需要大量的計(jì)算時(shí)間。
Yeung 等 [31] 提出了自由表面隨機(jī)渦方法（Free Surface Random Vortex Method, FSRVM），結(jié)合船舶 2.5D 理論以及離散渦法，推導(dǎo)出了適用的非線性自由水面邊界條件、瞬時(shí)水下物面上不可穿透和無滑移條件、邊界積分方程和載荷的計(jì)算公式，建立了可以模擬多體高速船在波浪中多自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值模型 [32] ，在時(shí)域內(nèi)可預(yù)報(bào)多體高速船在迎浪或斜浪下的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)、自由表面興波以及運(yùn)動(dòng)控制裝置的減搖減蕩作用。Jiang等 [33] 在整體模型中建立了各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制裝置的子模型，子模型根據(jù)多體船狀態(tài)計(jì)算運(yùn)動(dòng)控制裝置作用于多體船的載荷，并將載荷傳遞到多體船總的運(yùn)動(dòng)方程中。該方法提出的數(shù)值模型采用了一種虛擬的擴(kuò)展速度概念，用來模擬船舶航速對二維平面流體的影響。
展開 船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬自動(dòng)化智能化防范
【計(jì)算軟件】OpenFOAM開源平臺
【仿真平臺】自建高性能計(jì)算集群
【算例說明】基于OpenFOAM流體力學(xué)開源軟件提出了船舶運(yùn)動(dòng)值模擬自動(dòng)化和智能化方法，可使計(jì)算流程自動(dòng)完成；通過逐個(gè)分析不同參數(shù)的影響，智能化分析多工況數(shù)值模擬結(jié)果和大數(shù)據(jù)平臺，可得到優(yōu)化的計(jì)算參數(shù)，從而使數(shù)值模擬的人工處理部分最大限度地減少，同時(shí)計(jì)算過程達(dá)到最大程度地簡化，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠，可滿足工程應(yīng)用的需求。自動(dòng)化和智能化處理的概念和方法，也可用于其他數(shù)值模擬領(lǐng)域。
【工程應(yīng)用】船舶阻力、螺旋槳敞水、船槳舵自航等
【創(chuàng)新貢獻(xiàn)】自動(dòng)化計(jì)算流程（一鍵計(jì)算）+智能化計(jì)算參數(shù)優(yōu)化
【算例文件】關(guān)注微信公眾號“云數(shù)仿真”進(jìn)行咨詢或聯(lián)系jianchen122004@126.com
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展開 本篇作者：盧蘇立
頁面編輯：王國輝、徐誠祺
內(nèi)容校核：劉佳侖、李詩杰
船舶的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型可以用于評估船舶的操縱性能，在當(dāng)今智能船舶技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代發(fā)揮著越來越重要的作用。本文基于CFD與經(jīng)驗(yàn)方法提出了一種針對雙槳雙舵內(nèi)河船舶的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過將模型仿真結(jié)果與一艘雙槳雙舵64箱內(nèi)河集裝箱船船模自由自航模實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了該模型的有效性。本文采用CFD方法計(jì)算了模型船在不同進(jìn)速系數(shù)和舵角下的螺旋槳及舵的水動(dòng)力系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果回歸從而得到了考慮螺旋槳影響的舵力模型。本文首先驗(yàn)證了CFD數(shù)值方法及舵力模型的可靠性，而后，將舵力模型與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了雙槳雙舵內(nèi)河船舶的操縱運(yùn)動(dòng)建模。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.apor.2022.103261
附件下載：
https://pan.baidu.com/s/1Jo3XxRSTurlzZ628UqeOUw?pwd=llky
引用格式：
Lu Suli,Cheng Xide,Liu Jialun,Li Shijie,Yasukawa Hironori. Maneuvering modeling of a twin-propeller twin-rudder inland container vessel based on integrated CFD and empirical methods[J]. Applied Ocean Research,2022,126.
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一、方案概述
船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測是一個(gè)十分綜合的問題，主機(jī)負(fù)荷影響船舶的航速，風(fēng)浪等外界環(huán)境影響船舶的航向，水流影響舵角以及船艏向，船舶姿態(tài)影響主機(jī)負(fù)荷。傳統(tǒng)方案是通過理論方法簡歷船舶的運(yùn)動(dòng)方程從而對船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行計(jì)算，該方案具有良好的穩(wěn)定性，但難以表征模型與環(huán)境之間的耦合作用，在實(shí)海域場景下計(jì)算復(fù)雜。
船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬自動(dòng)化智能化防范
【計(jì)算軟件】OpenFOAM開源平臺
【仿真平臺】自建高性能計(jì)算集群
【算例說明】基于OpenFOAM流體力學(xué)開源軟件提出了船舶運(yùn)動(dòng)值模擬自動(dòng)化和智能化方法，可使計(jì)算流程自動(dòng)完成；通過逐個(gè)分析不同參數(shù)的影響，智能化分析多工況數(shù)值模擬結(jié)果和大數(shù)據(jù)平臺，可得到優(yōu)化的計(jì)算參數(shù)，從而使數(shù)值模擬的人工處理部分最大限度地減少，同時(shí)計(jì)算過程達(dá)到最大程度地簡化
[5] 沈雨生，周益人.不同波浪和裝載條件下系泊船舶橫搖運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2018,33(3):364-369.
[6] 高巍.ANSYS AQWA軟件入門與提高[M].北京：中國水利水電出版社，2017.
文章來源：中國新技術(shù)新產(chǎn)品. 2023(08)
基于改進(jìn)體積力方法的實(shí)尺度船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真 [J]. 中國造船, 2020, 61(增刊2): 52-63.
[5]吳浩, 歐勇鵬, 向國. 體積力法在船舶自由直航數(shù)值計(jì)算中的影響因素研究 [J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2017, 41(2): 273–276.
[6]GOLDSTEIN S.
本文首先驗(yàn)證了CFD數(shù)值方法及舵力模型的可靠性，而后，將舵力模型與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了雙槳雙舵內(nèi)河船舶的操縱運(yùn)動(dòng)建模。
其中, 水動(dòng)力噪聲又稱作流噪聲, 屬于流體動(dòng)力學(xué)噪聲的一種, 是船舶在海面運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的水流內(nèi)部應(yīng)力和船體與水流之間壓力共同作用的結(jié)果, 其中包含由于船體曲面或附體在運(yùn)動(dòng)中激起的下泄氣泡以及渦流帶來的噪聲, 如圖4所示。機(jī)械噪聲由主機(jī)、輔機(jī)等精密船載設(shè)備產(chǎn)生, 主要集中在低頻段, 但由于其成分較為復(fù)雜, 且海洋背景噪聲大多為低頻, 因而實(shí)際提取識別時(shí)較為困難, 針對主機(jī)振動(dòng)噪聲的分析如圖5所示。
而對于船舶系泊動(dòng)力定位控制的研究中，鮮少有研究會考慮過往船只對船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾以及研究系泊船舶與船只之間的避碰問題。
某一預(yù)測模型的可預(yù)測性受到船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)間序列特征的影響。但這些關(guān)系仍不明確。波浪誘導(dǎo)的船舶運(yùn)動(dòng)主要由船舶尺寸、海況和速度決定。本研究對船舶運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)預(yù)測中的船舶尺寸影響進(jìn)行了研究，旨在為評估船舶運(yùn)動(dòng)的可預(yù)測性提供一些初步的見解。
為此，國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合船舶路徑規(guī)劃算法，不依賴準(zhǔn)確的船舶運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)船舶的自動(dòng)靠泊控制系統(tǒng)，例如模型預(yù)測控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制、滑模控制、A*路徑追蹤、自抗擾控制等自適應(yīng)控制算法，這些方法往往依賴算法本身的魯棒性，而忽略了船舶運(yùn)動(dòng)模型的準(zhǔn)確性，缺乏船舶水動(dòng)力機(jī)理支撐。開展基于船舶運(yùn)動(dòng)模型的船舶低速運(yùn)動(dòng)控制研究，是實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)靠離泊的技術(shù)基礎(chǔ)。
MOTIONS模塊是SHIPFLOW軟件自6.0版本添加的船舶運(yùn)動(dòng)分析專用模塊，可用于計(jì)算船舶在規(guī)則波和不規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)和附加阻力，也包括在靜水中的阻力、升沉和縱搖。
