船舶操縱運動建模的案例
研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模
本篇作者：盧蘇立
頁面編輯：王國輝、徐誠祺
內容校核：劉佳侖、李詩杰
船舶的操縱運動數學模型可以用于評估船舶的操縱性能，在當今智能船舶技術高速發展的時代發揮著越來越重要的作用。本文基于CFD與經驗方法提出了一種針對雙槳雙舵內河船舶的操縱運動數學模型，通過將模型仿真結果與一艘雙槳雙舵64箱內河集裝箱船船模自由自航模實驗結果的比較，驗證了該模型的有效性。本文采用CFD方法計算了模型船在不同進速系數和舵角下的螺旋槳及舵的水動力系數，并將計算結果回歸從而得到了考慮螺旋槳影響的舵力模型。本文首先驗證了CFD數值方法及舵力模型的可靠性，而后，將舵力模型與經驗公式相結合，實現并驗證了雙槳雙舵內河船舶的操縱運動建模。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.apor.2022.103261
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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.
展開 研究成果介紹-基于CFD與經驗方法的雙槳雙舵內河船舶操縱運動建模
64箱內河集裝箱船船模-15°回轉實驗仿真值與實驗值的比較
64箱內河集裝箱船船模-20°/-20°Z形實驗仿真值與實驗值的比較
04
總結
在未來的研究中，可以進一步完善本文中的操縱運動模型。在當前模型中，船體尾流對螺旋槳的影響簡化為均勻來流的影響，且斜流的影響是通過經驗方法改變有效舵角來計及的。此外，由于螺旋槳側向力可能導致雙槳雙舵船舶左舷和右舷整流效應的不對稱，因此后續研究中還應考慮操縱運動過程中螺旋槳側向力的影響。由于頻繁的轉舵操作會使船后流場復雜化，因此本文的簡化處理對Z形實驗的影響較回轉實驗更大，后續可考慮船-槳-舵耦合的CFD計算以提高建模精度。考慮到內河船舶會收到狹窄航道的影響，可以在未來的研究中評估受限水域對螺旋槳-舵水動力性能的影響。
本文來自：留理科研
展開 論流體力學在船舶操縱中的應用
總結：
在實際操縱中，不一定每次都會出現自己所預判的結果的，因為船的運動還會受到其他多種因素如富裕水深、風向、風速、船速、車速、船舶水下型形、操舵人員的技能、之前的舵令、之前本船的轉頭趨勢等等多種因素影響的，跟船的裝載狀態（滿載或空載，通常空載艏部艏流面積小）也有很大關系；因此，我們應綜合考慮多方面條件（如風、流哪個因數的影響力更大）做出預判，萬一出現了背離，可進一步分析深層次的其他因素。有了對這一基本理論的理解，大家不需要絞盡腦汁去死記硬背什么時候回出現什么現象，只需簡單的綜合分析下，就能想到結果，提前采取相應的預防措施或提前做好相應的應急準備，為我們的航行安全提供更多的保障。
以上是本人近二十年航海經驗的總結，風/流對船體運動的影響是經過很多次驗證的，但狹水道航行的各種情況少有機會實際驗證，實際也就在服務于原中海集運一千箱小船時在廣州伶仃航道碰到過兩/三次。因此，有何不妥之處請指出，有任何不同見解歡迎來電討論。
本文來自：上遠船管第二中心
中遠海運發展股份有限公司船長 俞曉剛
展開 商船三井開始測試AR技術船舶操縱支援系統
AR顯示航海情報on/off對比（白天）
AR顯示航海情報on/off對比（夜間）
10月11日，商船三井宣布，其與古野電氣、商船三井Techno-Trade共同開發的應用AR（增強現實）技術的船舶操縱支援系統將在一艘VLCC上安裝測試。
這艘新建VLCC“SUZUKASAN”號計劃于10月12日完工，將安裝并運營商船三井的新系統，驗證其效果。船舶操縱支援系統以船舶自動識別系統（AIS）的信息為基礎，在船橋前部設置的顯示屏上展示周圍航行的其他船舶和海上浮標等標記物的動態信息，通過AR顯示從船橋上拍攝的圖像，在航行過程中為船員的導航和觀察提供視覺支持。
系統改良前
系統改良后
“BELUGA ACE”號汽車運輸船
今年3月，應用AR技術的船舶操縱支援系統已經安裝在新一代FLEXIE系列汽車運輸船的首制船“BELUGA ACE”號上，而“SUZUKASAN”號上安裝的系統基于“BELUGA ACE”號進行的試驗結果，改良了AR顯示畫面，船長能夠在顯示屏上確認其他船舶的航速、最快接近時間、最接近距離等船舶信息。
未來，商船三井計劃擴大AR技術船舶操縱支援系統的安裝范圍。
展開 
[分析小品]封閉港口內的船舶運動
一艘船位于港口內，四周被堤壩圍攏，港口具有一個塢門，所要計算的內容為：堤壩消波能力、規則波作用下該船的運動情況、堤壩前波浪升高情況。這個問題可以說是我從業以來遇到的最復雜的水動力分析問題，主要難點有：
1）整個分析涉及到淺水條件下四個體的復雜水動力分析，計算結果是否滿足要求不能確定；
2）四個體中有三個體為堤岸，固定不動，一個體為船舶，自由漂浮。分析中對固定體需要考慮繞射作用，忽略輻射波；
3）對于堤岸消波作用需要進行獨立分析。
一、基本數據
船長140m，吃水6.2m，其在港中位置如圖所示。波浪入射角度如圖所示，覆蓋0~180度的范圍。
二、分析方法和流程
分析方法和流程：
1）對堤壩消波能力進行分析，確定合理的堤壩傾斜角度；
2）通過經典ANSYS建立模型，分別轉換為WAMIT模型格式；
3）編制計算文件，對固定體設定不計算輻射勢；
4）調整船的位置，進行水動力計算；
5）使用AQWA軟件進行計算，將二者計算結果與文獻計算結果進行對比。
三、分析結果
計算結果同文獻對比可以發現，WAMIT計算的結果還是比較準的，AQWA計算結果在響應幅值上相差很大，這也符合我對AQWA多體分析能力的預期---在處理復雜水動力問題時，AQWA的計算精度有限。
自由漂浮狀態縱蕩RAO
港內運動縱蕩RAO
參考文獻縱蕩計算結果
AQWA計算結果
題外話
這個分析最終結果與文獻分析結果接近，但具體精度不是很好講。從計算結果來看，入射波指向堤壩時，港內波浪情況非常復雜，船的運動響應并沒有一定的規律性。WAMIT能給出合理的結果是比較出乎我的意料的，從這個角度上來說，WAMIT不愧為水動力計算軟件的NO.1。
展開 【綜述】船舶在波浪上縱向運動與控制研究
Patel [23] 通過流場試驗的測量結果，從物理上分析闡明了船舶 CFD 數值方法應采用何種近似方法，該階段的 CFD 是基于簡化的RANS 方程。
上世紀 90 年代以來，隨著計算機技術的進步，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] 、船舶數值水池、黏性流場中的船舶運動 [25] 、帶附體和螺旋槳船舶附近的流場 [26] 等。Castiglione 等 [27] 完成的數值預報與試驗結果的對比研究表明，非穩態 RANS（Un-steady RANS，URANS）方法可以有效模擬高航速和復雜海況下的多體船運動問題。Deng 等 [28] 、梁洪光 [29] 、邱永吉 [30] 等均采用 CFD 方法計算了被動式 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）的邊緣部分對網格質量要求較高，CFD方法需要大量的計算時間。
Yeung 等 [31] 提出了自由表面隨機渦方法（Free Surface Random Vortex Method, FSRVM），結合船舶 2.5D 理論以及離散渦法，推導出了適用的非線性自由水面邊界條件、瞬時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算公式，建立了可以模擬多體高速船在波浪中多自由度運動響應的數值模型 [32] ，在時域內可預報多體高速船在迎浪或斜浪下的垂蕩和縱搖運動、自由表面興波以及運動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運動控制裝置的子模型，子模型根據多體船狀態計算運動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動方程中。該方法提出的數值模型采用了一種虛擬的擴展速度概念，用來模擬船舶航速對二維平面流體的影響。
展開 【AI+波浪補償】AR模型實時船舶運動預測中的尺度效應
圖1 船舶動力學建模的坐標系統
波浪是用固定在平靜水面上的慣性坐標系來建模的。采用以船舶重心為起點，隨船舶移動的固定坐標系來描述船舶的流體力學。水平坐標系固定在平靜的水面上，它隨船舶向前方向轉化。它用于描述流體力學的邊界值問題。船舶動力學數學模型中的水動力系數可以通過求解邊界值問題來獲得。在這項工作中，采用二維模擬來準確地表示船舶運動，從而能夠準確地計算流體動力。船舶水動力也可以通過其他更高精度的方法進行模擬，如高階邊界元法。
展開 基于S-ALE方法波浪載荷作用下的船舶運動 ￥300
相關動畫：
涉及到如下三個方面的關鍵設置
（1）S-ALE方法對滲漏的控制
（2）采用*INITIAL_HYDROSTATIC_ALE 和*ALE_AMBIENT_HYDROSTATIC 對初始靜壓的控制
（3）無板造波的方法
核心關鍵字
*ALE_STRUCTURED_MESH
$# mshid dpid nbid ebid
1 103 30000 30000
$# cpidx cpidy cpidz nid0 lcsid
10001 10002 10003 0 0
$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$
*ALE_STRUCTURED_MESH_CONTROL_POINTS
$# cpid unused unused sfo unused offo
10001 1.0 0.0
$# n x ratio
1 0.0 0.0
15
展開 【CFD數值模擬算例】船舶運動數值模擬自動化智能化方法
船舶運動數值模擬自動化智能化防范
【計算軟件】OpenFOAM開源平臺
【仿真平臺】自建高性能計算集群
【算例說明】基于OpenFOAM流體力學開源軟件提出了船舶運動值模擬自動化和智能化方法，可使計算流程自動完成；通過逐個分析不同參數的影響，智能化分析多工況數值模擬結果和大數據平臺，可得到優化的計算參數，從而使數值模擬的人工處理部分最大限度地減少，同時計算過程達到最大程度地簡化，數值計算結果可靠，可滿足工程應用的需求。自動化和智能化處理的概念和方法，也可用于其他數值模擬領域。
【工程應用】船舶阻力、螺旋槳敞水、船槳舵自航等
【創新貢獻】自動化計算流程（一鍵計算）+智能化計算參數優化
【算例文件】關注微信公眾號“云數仿真”進行咨詢或聯系jianchen122004@126.com
更多精彩內容請關注微信公眾號“云數仿真”...
展開 【案例分享】南通中遠海運川崎船舶運動軌跡智能分析及預測
數據包含三部分，共14維，包括風速、風向的外界環境信息，包括航行日期、經度、緯度的船舶位置信息，包括航速、航向、艏向角、舵角載況、主機信息等的船舶航行信息。
首先對樣本進行數據預處理，對于載況，船舶裝載時會將吃水計打開，而船舶航行時，船舶的載況基本維持不變，此時吃水計會被關掉，因此會產生大量的空值，因此采用插值的方法進行填補，對于其他個別未采集到的數據則選擇刪除樣本。因為本項目研究的是船舶的運動軌跡，因此對船舶停止時的數據也進行刪除處理。
之后，對數據集進行分析。對于環境信息，風速風向無明顯異常值，對于風速，存在較小部分風速很大的情況，占比約0.5%，此時航速會偏小。對于位置信息，船舶經緯度無明顯異常值，數據分布均勻。對于航行信息，數據無明顯異常值，分布比較均勻，由于船舶靜止數據的存在，航速，主機功率和主機轉速存在兩級分化的值，航向和船艏向角同樣也存在極值分化的情況，這是因為角度范圍為0~360°，較小的角度和較大的角度均位于船艏，只是分布在船艏兩舷，屬于合理情況。
之后對數據集進行相關性分析，根據相關性分析，輸出變量和輸入變量之間的線性相關性較弱，表明輸入輸出變量之間的關系較為復雜；輸入變量內部相關性相對較弱，可以反映出輸入變量內部不存在冗余變量。
3. 建模流程
項目建模流程如圖所示。
4. 建模流程
本項目共采用了4種方法對船舶運動軌跡進行預測。
方法1：
將數據集分為訓練集預測試集，對訓練值進行建模，訓練集用于基于回歸模型的精度對比，測試集用于船舶運動軌跡預測。訓練集的流程及模型對比結果如下圖所示。
展開 基于MSC.ACUMEN和PCL開發船舶快速建模系統
隨著船舶設計建造向大型化和經濟化方面的發展，越來越多的船舶需要進行有限元直接計算。然而，有限元分析計算是一項費時的工作，用通用有限元軟件分析一條船舶需要較長時間。目前的這種建模方式不能滿足現實船舶設計建造的要求和不具備處理突發事件的能力。中國船級社正在開發的“船舶結構安全解決方案”利用MSC公司最新推出的客戶化工具ACUMEN和PCL語言開發船舶快速建模系統，目標就是大大減少船舶建模計算的時間，形成快速建模系統，力求在一個星期完成一條船的計算分析。
下載地址:
http://www.caenet.cn/paper/Paper.aspx?ID=481
展開 
船舶設計軟件學習：Alias Subdivision細分建模實用技巧 & 實例應用詳解
在上周發送的《3D建模技能干貨：Polygon建模原理&萬能建模流程》一文中，Seven以Alias Subdivision細分曲面建模為例，為大家簡單介紹了在Alias中適用于絕大部分數模人員建模思路的“點--線--面”細分曲面建模流程。這篇文章目的重點在于描述思路，所以有些細節并未作詳細說明，鑒于這個原因，文章發送后，在后臺和技術交流群內引發了廣大三維建模愛好者的熱烈討論，其中討論最多的問題主要有以下幾個：
1、如何在兩組曲線之間橋接曲面？
2、除文中所提傳統多邊形建面方法外，Alias Subdivision是否有其它構面方式？
3、Alias Subdivision是否有適合NURBS建模人員的更高效的細分曲面建模方法和修改方法？
以上的這些問題，雖然對于建模“老法師”沒有一點問題，但是對于初學Subdivison細分曲面建模或軟件應用不算特別深的小伙伴來說，可能會成為一種困擾，常常出現在其“嬸嬸”的腦海中~~。為了不讓這些小伙伴為以上問題抓耳撓腮，有效拯救咱們數模人員頭發數量的保有量，所以Seven專門在本期文章中針對以上問題為大家解惑，希望能在為各位答疑的同時，起到拋磚引玉的作用（PS：快拿玉石來砸我呀）~~
那么，在正式回答以上問題之前，先讓我們一起來梳理一下Alias 中原生Subdivision細分曲面建模的相關工具，本人所用Alias版本為Alias 2022.2，各位如果所使用的Alias為其它版本，Subdivison工具或許會有細微差別，請知悉。
在Alias2022.2中，Palette內專用于細分建模相關的工具組總共有兩類，一類為選取工具，被整合在Pick工具箱內，這里不做敘述。
展開 渦旋壓縮機的虛擬建模與運動仿真
摘 要: 為了分析渦旋壓縮機運動機構的動力特性和運動規律，根據渦旋壓縮機的結構和工作原理，采用三維實體建模和虛擬樣機軟件對其運動機構進行了三維實體建模，通過渦旋壓縮機的運動仿真，獲得了準確的運動學參數曲線，保證了渦旋壓縮機設計的正確性和可靠性，提高了整體設計效率和精度。
關鍵詞: 渦旋壓縮機; 虛擬建模; 運動仿真
前言：虛擬樣機( Visual Prototype) 技術是通過計算機等技術手段把產品資料集成到一個可視化環境中，實現產品的仿真分析。使用系統仿真軟件，可以在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，不斷修改設計缺陷及改進系統，直至獲得最優設計方案，最終做出比較理想的物理樣機［1］。
在眾多的商業產品中，美國 MDI 公司的 ADAMS軟件是最具權威性、應用范圍最廣的虛擬樣機仿真軟件。它不但可以方便快捷地對虛擬樣機進行靜力學、運動學和動力學分析，而且其開放的程序結構和接口還使它成為特殊行業用戶進行特殊虛擬樣機分析的二次開發工具［2］。本文采用ADAMS 軟件對高效低噪渦旋壓縮機的運動機構進行仿真研究。
渦旋壓縮機的結構與工作原理渦旋壓縮機主要由動渦旋盤、靜渦旋盤、十字滑環、曲軸和支架體等零件組成
渦旋壓縮機的基本結構2012 年第 40 卷第 1 期 流 體 機 械 17動、靜渦旋盤偏心一定距離相錯某一角度安置在一起。動靜渦旋齒相互嚙合后形成多個封閉容積，動渦旋在曲軸驅動和防自轉機構限制下，實現回轉平動運動。使動、靜渦旋齒相互嚙合形成的月牙形封閉容積發生周期變化，實現氣體的吸入、壓縮和排氣，參見圖 2 所示。
渦旋壓縮機工作原理3 公轉型渦旋壓縮機運動機構圖 3、圖 4 示出渦旋式壓縮機的運動機構模型。
展開 液壓支架三維建模與運動仿真
液壓支架三維建模與運動仿真.doc
SolidWorks建模并渲染一個排球，夏天需要運動一下！
最終結果如下圖所示：
方法：
1.點擊旋轉凸臺/基體，在前視基準面上繪制如下圖所示的草圖。
點擊勾號完成。
2.點擊拉伸切除，在前視基準面上繪制如下圖所示的草圖。
方向1終止條件和方向2終止條件如下圖所示。
3.點擊草圖繪制，在前視基準面上繪制如下圖所示的草圖。
4.點擊“插入”-“特征”-“分割”，選擇上一步創建的草圖作為剪裁工具，對實體進行分割，按照下圖進行設置。
點擊勾號完成。
5.倒圓角。
6.倒圓角。
7.倒圓角。
8.鏡向。
9.點擊“插入”-特征”-“移動/復制”，按照下圖進行設置，勾選“復制”選項，旋轉點選擇原點，將所有實體繞Y軸和Z軸旋轉90度，點擊勾號完成。
10.再次點擊“插入”-特征”-“移動/復制”，按照下圖進行設置，勾選“復制”選項，旋轉點選擇原點，將上一步創建出的實體繞Y軸和Z軸旋轉90度，點擊勾號完成。
11.點擊“插入”-“特征”-“組合”，類型選擇“添加”，選擇下圖的實體進行組合。
點擊勾號完成。
12.渲染完成。
文章來源：機械時代網
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