·220·价值工程基于多输入海况条件下的船舶运动模型分析AnalysisofShipMotionModelBasedonMultipleInputSeaConditions孙为康SUNWei-kang曰史军SHIJun曰邵文熙SHAOWen-xi曰杨树仁YANGShu-ren（中船航海科技有限责任公司，北京100070）（CSSCMarineTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100070，China）摘要院建立静水船舶操纵运动方程，加入风浪流的干扰和作用力，建立风浪流作用下的船舶操纵性运动方程。通过对船舶不同舵角下的旋回运动进行仿真试验，得出其的回转操纵性能与舵角的关系曲线。通过数据分析表明：随着回转操纵舵角的增大，该船舶旋回运动轨迹的漂移距离将减小，但减幅逐渐减小。通过研究船舶在风浪流干扰下的仿真运动，可以充分发挥出其操纵性能，进而提高大洋航行和港口靠泊的效率与安全性。Abstract:Themaneuveringmotionequationofashipinstillwaterisestablished,andtheinterferenceandforceofwindwavecurrentareaddedtoit.Throughthesimulationtestoftheship'scyclicmotionunderdifferentrudderangles,thecurveoftherelationshipbetweenthesteeringperformanceandtherudderangleisobtained.Thedataanalysisshowsthatwiththeincreaseoftherudderangle,thedriftdistanceoftheship'scyclicmotiontrackwilldecrease,butthedecreasewillgraduallydecrease.Bystudyingtheship'ssimulationmotionundertheinterferenceofwind,waveandcurrent,wecangivefullplaytoitsmaneuverabilityandimprovetheefficiencyandsafetyofoceannavigationandportberthing.关键词院船舶运动模型；船舶操纵性；海况；风浪流干扰Keywords:shipmotionmodel；shipmaneuverability；seastate；disturbanceofwind，waveandcurrent中图分类号院U661.32文献标识码院A文章编号院1006-4311（2019）36-0220-040引言近年来，随着我国民经济的高速发展以及十九大报告中建设海洋强国战略的提出，作为维护海洋权益及监测海洋环境动态的重要工具，水面船舶技术得到了空前的发展[1]。由于海洋环境的复杂多变，这对其操纵性和稳定性提出了很高的要求。船舶在初始设计阶段的操纵性能通常是在静水条件下预测的。然而，船舶通常在海洋环境外力（如风、浪、流）的作用下航行。因此，了解船舶在多种海洋环境力联合作用下的操纵运动具有重要意义。肖仲明研究了风干扰力和波浪干扰力的模型，将船舶在风浪中的操纵运动与摇荡运动结合起来。Jae-HoonLee[2]等把耐波性和操纵性耦合在一起，并预测了船舶在波浪中的航行性能。陈俊锋等采用舰船波浪中操纵性基本方法建立操纵与摇荡耦合动力学方程，再简化后得到摇荡耦合动力学方程。DaengParoka等利用MMG数学模型讨论了印度尼西亚滚装轮渡在恒定风和规则波共同作用下的回转操纵性。而本文将以水面船舶为研究对象，考虑在多输入海洋环境因素（包括风、浪、流）影响下探讨船舶舵角不同时的操纵性能，并分析其运动特性。1建立船舶的操纵运动模型本文假定船体与桨舵等附体之间无相互水动力干扰，分别考虑了船、舵、桨上的水动力，系统地研究了船体、螺旋桨与舵的流体动力，并忽略了航行过程中的升沉、纵倾以及横倾运动。在MMG分离式数学模型思想的基础上，考虑环境因素（风、浪、流）的影响，建立三自由度船舶操纵性运动模型，如式（1）：要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要（1）作用在船体上的外力与外力矩可写成：（2）在式（2）中，下标为H、P、R、W、F、C分别表示静止海洋流体、螺旋桨、舵、风、浪、流作用在船体上的力和力矩。因此，要想进行操纵性运动仿真研究，关键在于对式（2）中的各项力（矩）进行求解。因篇幅有限，且不与现有文献重复，船体所受的流体力、螺旋桨推力、舵力，及其力矩不再[3]列写具体公式，可以参考文献。对于风、浪、流作用在船体上的力和力矩本文将详细列写。2风干扰力计算船舶在海面航行时，其水线以上部分的面积（简称受风面积）会受到的风压力和力矩。严格来讲，实际情况下的风都是非定常风，但为了方便研究，可以假设所遭遇的风为定常风，这样就可将问题大大简化。要研究船舶在风力干扰下的操纵性，首先需要建立在风力干扰下的操纵性数学模型。作用在船体上的风压力与力矩可通过下式表示：作者简介院孙为康（1987-），男，河北唐山人，硕士研究生，工程师，从事船舶导航系统设计、智能航行功能研究。（3）ValueEngineering其中，籽a为空气密度；琢R表示风舷角度；UR为相对风速；Af表示船体水线面以上部分的正投影面积；As表示船体水线面以上部分的侧投影面积；Cwx（琢R）、Cwy（琢R）、Cwn（琢R）分别表示在x轴、y轴方向上的风压力系数与绕z轴的风压力力矩系数。一般情况下Cwx（琢R），Cwy（琢R）和Cwn（琢R）为风压力的合力系数，有如下关系：·221·的种类有很多，包括漂流、潮流、裂流、顺岸流、地转流、补偿流等。随着海水深度的不同海流的流速也会有变化，其变化一般是呈抛物线函数。船舶在海面上航行时，船身和周围的水产生相对运动，这种相对运动可能是由外力所引起的，也可能是由船舶本身的作用引起。海流力是水流对船体产生的作用力。本文在在计算海流力时，假设海流为均匀定常的。计算方法如下：（4）（7）通常来说，对所有在设计中的船舶进行风洞模拟实验，从条件上来说是不切实际的。就目前而言，人们在大量试验的基础上，总结了一些近似的估算方法。这些方法让我们在允许的误差内通过理论计算获得关于风压力和风压力力矩系数的近似值。3波浪干扰力计算计算波浪干扰力和力矩是一项极其复杂的过程，这是由波浪本身的特性所决定的。本文考虑的是规则波的影响，假设船舶的运动不影响其所受波浪力和力矩，结合分离模型思想，将在规则波中的船舶船体所受的波浪力大小加在方程的右边，即可得出在波浪力作用下船舶操纵运动性能。在理想流体中船舶所受的动压力和力矩可用下式表示：（5）其中，S（t）表示t时刻船体的浸水表面积；n为船体表面微元的单位法线向量；r为位置向量（从取矩参考点出发）；驻p为动压力，可由伯努利方程求解。由于船体自身的形状很复杂，为了方便计算，可将其形状简化为箱型，即等效简化为长度B过积分运算可推导出在规则波作用下船舶所受波浪干扰，高度为d。基于傅汝德-克雷诺夫假设和高斯定理，L1=姨CbL，宽度为并通力以及力矩的计算公式：（6）其中，姿为波长；a为波幅；字为遭遇浪向，且规定右舷来浪时为正，；k为波浪圆周率k=棕2；棕e为波浪遭遇频率，g4海流干扰力计算海流指的是在大范围以内海水的相对稳定流动。海流其中，VC为流速；Afw、Asw分别为船体水下正投影面积以及侧投影面积；茁为入射角；为试验系数，分别表示x轴、y轴方向上流的作用力系数以及绕z轴方向流的作用力矩系数。5船舶在多输入海况下的操纵运动仿真本文是以某船舶作为研究对象，其在航行时可通过调节舵角来实现转向操纵，从而控制其航向。其仿真中用到的船舶的主要参数如表1所示。表1船舶的主要参数主要参数数值单位船长船宽180.9m吃水深度20.22m设计水线长度方形系数171.53.28mm横向受风面积纵向受风面积650.4320.m1排水量1530.10280.8m2t2本文以某港口为例，查阅了其某时刻下的海洋环境信息相关资料，海洋环境具体参数如表2所示。表2海洋环境参数风参数风速（m/s）风向（度）630浪参数波高（m）浪向（度）0.4120流参数流速（m/s）流向（度）0.245旋回运动仿真是研究船舶机动性最常用的仿真试验，通过旋回仿真试验可以对旋回运动所需的水域范围以及迅速程度做出评估。旋回试验可按以下程序进行：定初始舵角，淤将表1保持船舶的直航与稳定航速。中的主要参数输入到船舶参数界面下，并设航程范围内，于在开始调节舵角进行回转试验前的约一个船长的记录其初始参数，比如航速、航向、螺旋桨的转速等。盂调节舵角产生转向力矩，使其做回转运动，并将仿·222·价值工数据保存处理。本文以大连港港口某时刻下的海洋环境信息为背景，具体风浪流参数见表2，对船舶在风浪流作用下不同舵角（从5度到35度的舵角）的回转运动仿真试验。给定初始纵向速度为18节，舵角为5度的风浪流作用下的回转运动轨迹仿真如图1所示。图1风浪流中回转运动轨迹渊舵角=5度冤如图1所示，当舵角为5度时，在风浪流共同作用下，船舶的非漂移方向的回转直径为2422米左右，而船舶回转轨迹的漂移距离为1123米。图2风浪流中回转运动轨迹渊舵角=35度冤如图2所示，当舵角为35度时，在风浪流共同作用下，船舶的非漂移方向的回转直径为1150米左右，而船舶回转轨迹的漂移距离为168米。图3风浪流中回转角速度变化图4风浪流中航速变化如图3，图4所示，在风浪流共同作用下，船舶执行不同舵角（从5度到35度的舵角）的回转运动仿真试验，其回转角速度和航速随着时间的变化，因为船舶在回转中呈现周期变化，风浪流对船舶回转角速度和航速的影响也呈现周期变化。通过七次在同一风浪流影响下的不同舵角下的回转仿真试验，回转舵角与运动轨迹的漂移距离有如图5关系。图5回转舵角与漂移距离关系根据上述运动轨迹仿真图及数据可得出，随着舵角的不断减小，该船舶旋回运动轨迹的漂移距离将增大，且增幅不断加大，所受的风浪流作用十分显著。当舵角过小时，在此风浪流作用下船舶将难以进行转向操纵。因此，在实际海洋环境下操纵船舶时因及时对舵角进行调整以保证其正常的转向操纵。6结论本文首先对船舶在风浪流中的操纵运动进行了假设简化，基于分离模型建立了船舶操纵运动的数学模型；之后详细介绍了操纵运动方程中船舶所受到的各种作用力波浪力、海流力）的计算方式；然后，开发了船舶在多输入海况下的操纵运动仿真程序；并在该软件上，对船舶在风浪流作用下不同舵角（从5度到35度的舵角）的回转运动仿真试验；最后，通过实验数据分析，得出：随着回转操纵舵角的增大，该船舶旋回运动轨迹的漂移距离将减小，但减幅逐渐减小，有趋于漂移距离为168米的收敛。通过对船舶在风浪流作用下仿真实验与方向，可为船舶在复杂海洋环境航行和靠泊操纵提供理论基础。参考文献1-8.[1]贾宇.关于海洋强国战略的思考院[J].太平洋学报，2018（1）：（风力、ValueEngineering·223·ResearchontheApplicationofThreeDimensionMeasurementTechnologyBasedontheRFIDSmartSensing基于RFID智能传感的三维检测技术应用研究夏清洁淤XIAQing-jie曰孔维荣淤KONGWei-rong曰郑丹淤ZHENGDan曰马力于MALi（淤中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛266111；于华中科技大学无锡研究院，无锡214174）（淤CRRCQingdaoSifangCo.，Ltd.，Qingdao266111，China；于HUSTWuxiResearchInstitute，Wuxi214174，China）摘要院数字化、智能化技术近年来不断取得发展，并广泛应用于制造行业，解决了原本靠人工进行的识别、分类、测量及计算等过程，大大提高了生产制造过程的精确度和效率。本文以某种玻璃安装为例，提出了基于RFID智能传感的三维检测及分析的数据采集处理技术的应用，通过对数据的分析与处理可虚拟验证和指导实际施工，提高制造的效率，保证制造质量。Abstract:Inrecentyears,thedigitalandintelligenttechnologyhavemadecontinuousdevelopment,andarewidelyusedinmanufacturingindustry.Theysolvedtheidentification,classification,measurementandcalculationprocessesthatoriginallyrelyonhuman,greatlyimprovedtheaccuracyandefficiencyoftheproductionandmanufacturingprocess.Takingaglassinstallationasanexample,thispaperputsforwardtheapplicationofdataacquisitionandprocessingtechnologybasedonRFIDintelligentsensingforthree-dimensionaldetectionandanalysis.Throughtheanalysisandprocessingofdata,itcanvirtualverifyandguidetheactualconstruction,improvethemanufacturingefficiencyandensurethemanufacturingquality.关键词院RFID；三维检测；数据采集；数据处理Keywords:RFID；threedimensionmeasurement；dataacquisition；dataprocessing中图分类号院TP391.44文献标识码院A文章编号院1006-4311（2019）36-0223-020引言现代工业产品的设计及制造出现越来越多的复杂曲面结构，这些复杂结构不但生产工艺复杂，而且质量要求也极高，传统的检测手段无法满足质量检测的要求，而且当出现多个产品选配时，情况变的更加困难，传统的人工验证型方式已难以满足快速精确制造的要求。与此同时，在生产制造过程中工件的加工和装配由于采用焊接和螺钉等连接方式产生应力对零件精度造成影响，影响部件及整个系统的精度[1]，需采用先进技术控制制造过程。射频识别（RFID）技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频无线信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作不需要人工干预[2]。通常由电子标签、读写器和计算机服务器构成[3]。RFID以电子标签来标识物体，电子标签通过无线电波与读写器进行数据交换，读写器可将主机的读写命令传送到电子标签，再把电子标签返回的数据传送到主机。本次应用RFID用于确定车辆信息及自动获取待装配产品数据。三维扫描系统是集光、机、电、计算机技术为一体的新型扫描系统，它主要用于空间物体外形、结构及色彩的扫要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要课题项目院《高速动车组关键零部件智能制造新模式应用》项目。作者简介院夏清洁（1970-），男，山东青岛人，学士，高工，主要从事产品研发平台规划和实施、三维设计应用和软件开发等方面工作。[2]肖仲明.风浪中船舶操纵运动建模与仿真[D].大连海事大学，2007.[3]Jae-HoonLee,YonghwanKim.PredictionofShipOperationPerformanceinWavesbySeakeepingManeuveringCoupledAnalysis[C].//The33rdInternationalWorkshoponWaterWavesandFloatingBodies,France,4-7April,2018.[4]陈俊锋，朱军，黄昆仑.规则波浪中舰船不规则摇荡运动计描，将物体立体信息变换为可以利用计算机直接进行处理的信号，获取物体空间表面坐标，实现物体的三维扫描[4]。随着三维检测技术的发展，目前已可采用三维激光扫描[5]实现精细测量，获取被检测零部件的三维点云数据，然而三维扫描获取的点云数据具有高冗余、误差分布非线性、不完整、海量等特点[6]，不能直接应用于后续的现场生产制造，需经过复杂的数据分析和处理过程，且针对多个零部件装配时无法直观的给出配合关系，指导生产。为了实现三维检测数据获取后快速高效的分析处理及现场应用，本文提出了一种针对装配产品的数据快速采集处理与装配关系分析方法，实现快速模拟产品装配关系，实现预装配[7]，生成装配参数，可视化指导快速装配，同时探讨了对装配数据进行信息化系统管理。1数据采集淤在车体生产时每辆车体绑定一个RFID标签，初始标签包含车辆基本编号信息，通过对标签的识别可从系统读取更加详细的车体参数描述及车体三维数模结构。同时每块玻璃也绑定一个RFID标签，携带基本信息。于完成车体生产后，采用三维扫描设备，本应用采用NDI三维扫描系统，通过扫描系统获取车体窗框实际的扫描点云数据保存于系统与车体绑定的RFID标签关联；当每块玻璃出厂时或入库时进行三维扫描，记录点云数据，更新RFID标签。该三维扫描系统数据支持STL/IGS格式。另外系统通算分析[J].舰船科学技术，2011（01）.[5]DaengParoka,AndiHarisMuhammad,SyamsulAsri.PredictionofShipTurningManeuversinConstantWindandRegularWaves[J].InternationalJournalofTechnology(2017)3:387-397.[6]兰鹏.大型双桨双舵船舶建模和仿真研究[D].大连海事大学，2015.
