大型舰船运动视景仿真研究

论文摘要

船舶航行时,具有很强的复杂性,其运动关系到船舶的海上作业能力,对船舶的运动控制、操纵驾驶具有很重要的研究价值。研究船舶的运动若采用传统的试验方法会是一个耗时耗力的过程,而以计算机技术为平台,对船舶运动进行仿真模拟,则可以对船舶运动做更多更深入的探索性研究,这使得船舶运动仿真逐渐成为此领域的研究热点。船舶运动的虚拟仿真是船舶运动仿真的重要方面,它基于虚拟现实技术,以虚拟的视景将船舶运动状态表达出来,可以使人对抽象的仿真结果建立最直观具体的认识,便于人们认识问题发现规律。这种虚拟仿真应用视景仿真技术研究船舶运动有利于缩短周期,节约经费,可作为替代试验或是验证试验可行性的有效研究手段。本文所做的舰船运动仿真基于视景仿真技术,从舰船的操纵性和快速性两个方面对大型舰船的运动进行研究。通过编程和软件计算得到舰船的操纵性和快速性仿真结果,而后运用视景仿真结合MFC类库开发仿真系统,对仿真结果进行可视化展示,再现舰船在海上航行时的运动状态。为进一步开发舰船运动模拟器奠定了基础,同时对舰船性能的预研与评估也具有积极作用。具体来讲本文包括以下内容：首先,本文对研究对象进行合理假设,根据MMG方程,建立了舰船运动的四自由度数学模型,以此作为操纵性仿真计算的理论基础,为后期舰船运动实时位姿的获得提供依据。在此过程中运用分离的思想对船体运动时所受的力进行分解,并针对各力的求解进行细致讨论,而后结合四自由度运动方程分析了操纵性理论计算的过程。其次根据计算流体力学的相关理论,运用FLUENT软件对研究对象进行了快速性的计算。主要从阻力和推进效率两个方面考察舰船快速性,对主船体静水阻力和螺旋桨的敞水性能的计算作了详细介绍,同时对计算结果作了必要的分析。而后本文借助Creator和Vega完成了仿真模型和虚拟场景搭建的工作。对仿真模型的建立过程和建模所用的关键技术作了详细介绍。通过配置ADF文件介绍了虚拟场景的构建过程,重点阐述了模型载入、场景元素初始化、海洋环境的实现等问题。最后,结合MFC类库完成仿真界面的开发。在简单介绍了一般Vega应用程序的框架后着重分析了MFC下Vega仿真程序的执行机理,并以此为基础说明了本文仿真系统的开发过程。对仿真界面的设计和功能设置做了介绍,同时通过对仿真结果的可视化展示,验证了仿真的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 舰船虚拟仿真发展状况
• 1.2.1 虚拟现实与视景仿真
• 1.2.2 舰船虚拟仿真发展概况
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 船舶运动数学建模
• 2.1 基本假设和坐标系
• 2.1.1 基本假设
• 2.1.2 描述船舶运动的坐标系
• 2.2 四自由度的运动方程的建立
• 2.3 作用于船体上的流体动力和力矩
• 2.3.1 惯性类水动力分析
• 2.3.2 粘性类水动力和力矩的近似估算
• 2.4 螺旋桨上的推力和转矩
• 2.5 舵上流体动力和力矩
• 2.5.1 舵的正压力
• 2.5.2 其他舵系数的确定
• 2.6 横摇自由度内的运动模型
• 2.7 操纵性的理论计算
• 2.8 本章小结
• 第3章 基于CFD船体快速性能计算
• 3.1 CFD基本理论
• 3.1.1 连续性方程
• 3.1.2 动量守恒方程
• 3.2 基于CFD静水中船体阻力计算
• 3.2.1 船体建模
• 3.2.2 计算域的创建
• 3.2.3 边界条件和数值计算方法
• 3.2.4 计算结果分析
• 3.3 基于CFD的敞水螺旋桨水动力性能计算
• 3.3.1 敞水螺旋桨建模
• 3.3.2 建立计算域
• 3.3.3 边界条件的设定
• 3.3.4 计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 仿真模型和虚拟场景的构建
• 4.1 视景开发工具简介
• 4.1.1 仿真建模软件Creator介绍
• 4.1.2 视景开发软件Vega介绍
• 4.2 仿真模型的建立
• 4.2.1 船体建模
• 4.2.2 纹理贴图的处理
• 4.2.3 模型的优化
• 4.3 建模所使用的关键技术
• 4.3.1 DOF技术
• 4.3.2 实例化技术
• 4.3.3 外部引用模型
• 4.4 虚拟环境的构建
• 4.4.1 仿真元素的初始化
• 4.4.2 海洋环境的实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 仿真系统的开发与实现
• 5.1 基于MFC的Vega应用程序
• 5.1.1 MFC简介
• 5.1.2 Vega应用程序
• 5.1.3 MFC下开发Vega程序
• 5.1.4 MFC下Vega程序的执行机理
• 5.2 仿真界面设计和功能设置
• 5.2.1 仿真界面总体规划
• 5.2.2 功能设置
• 5.3 操纵性仿真
• 5.3.1 舰船运动实时位姿的获得
• 5.3.2 仿真效果展示
• 5.4 快速性仿真
• 5.4.1 螺旋桨转动的实现
• 5.4.2 螺旋桨水动力性能展示
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢