一种极地船舶航行仿真系统及建模方法

本发明属于船舶与海洋工程，具体涉及一种极地船舶航行仿真系统及建模方法。

背景技术：

1、随着北极航道的开通，船舶极地航行的安全问题日益严峻。极地危险环境、航行特点、冰载荷等方面与极地船舶航行安全性与高效性息息相关。极地船舶航行仿真系统可以用于为冰区航行的船员提供特定的模拟航行培训，为进入极地航行储备好驾驶理论基础和实操技能，进一步的了解极地海域的特殊环境，最大限度地降低航行风险。极地船舶航行仿真系统的物理真实感、行为真实感和环境真实感是影响训练效果的重要因素。

2、专利文献cn116011294a公开了一种六自由度rov作业仿真平台的搭建方法，提出母船的六自由度动力学模型搭建方法无法考虑极地环境船舶航行影响因素，不适用于船舶极地航行运动计算。基于现有技术中存在的问题，建立极地船舶六自由度运动仿真模型和船-平整冰/碎冰碰撞仿真模型建立仿真系统，保证船、冰、海洋环境的物理真实感、行为真实感和环境真实感，对提高仿真系统性能和训练功能性具有重要意义。

3、现有极地船舶航行模拟系统存在以下不足：

4、1.冰对水动力影响不足：极地船舶航行主要考虑冰对船体运动性能的影响，缺乏碎冰对螺旋桨推力影响的考虑。

5、2.冰载荷计算实时性和准确性矛盾：采用离散元或有限元方法计算冰载荷难以保证实时性要求，经验公式方法计算速度快但无法产生符合实际的碎冰。

6、3.冰材料参数单一：极地冰材料特性在海域内并不单一，因而冰厚、密度、强度等数据需要实时变更。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在以下技术问题，首先、存在冰对水动力影响不足：极地船舶航行主要考虑冰对船体运动性能的影响，缺乏碎冰对螺旋桨推力影响的考虑。其次、冰载荷计算实时性和准确性矛盾：采用离散元或有限元方法计算冰载荷难以保证实时性要求，经验公式方法计算速度快但无法产生符合实际的碎冰。最后、冰材料参数单一：极地冰材料特性在海域内并不单一，因而冰厚、密度、强度等数据需要实时变更。

2、为了克服现有技术中存在的所有不足，本发明提出以下技术方案，

3、方案一、一种极地船舶航行仿真系统，所述极地船舶航行仿真系统包括综合管理与评估子系统、船船驾驶控制仿真子系统、极地环境仿真子系统、极地船舶实时运动仿真子系统和极地船舶航行视景仿真子系统；

4、所述综合管理与评估子系统，包括教练员软件及电子海图软件，所述教练员软件用于为极地环境仿真子系统提供极地环境及冰层分布输入条件；所述电子海图软件用于为极地船舶运动仿真子系统实时提供船舶初始位置及航线规划，同时控制仿真系统的仿真进程；

5、所述船舶实时运动仿真子系统，包括推进器操作模块、舵机操作模块、驾驶及航行操控模块；用于为极地船舶实时运动仿真子系统提供螺旋桨转速、舵角及推进器故障控制指令，用于模拟船舶航行控制；

6、所述极地环境仿真子系统包括风速模块、波浪场模块、流速模块、冰场模块；并建立船-平整冰碰撞模型和船-碎冰碰撞模型，计算极地环境载荷、冰载荷、冰破碎和运动数据；

7、所述极地船舶实时运动仿真子系统包括螺旋桨模块、舵模块、船体模块，通过建立船舶六自由度运动仿真模型，计算考虑风、浪、流、冰载荷影响的船舶运动；

8、所述极地船舶航行视景仿真子系统接收极地环境仿真子系统计算得到的冰破碎和运动数据，及极地船舶实时运动仿真子系统计算得到的船舶运动数据，用于实时显示更新极地航行、大气、海洋、冰场场景。

9、进一步的，提供一种优选实施方式，所述极地船舶航行视景仿真子系统包括极地船舶运动仿真驱动模块、海冰运动仿真驱动模块、极地环境仿真模块和极地航行辅助信息显示模块；

10、所述极地船舶运动仿真驱动模块，用于实时接收并更新极地船舶航行时运动位姿；

11、所述海冰运动仿真驱动模块，用于实时接收并更新船舶航行区域的浮冰分布；

12、所述极地环境仿真模块，用于按照教练员指令同步更新极地环境；

13、所述极地航行辅助信息显示模块，用于动态显示视景中冰层厚度和干涉距离。

14、方案二、一种极地船舶航行仿真建模方法，所述极地船舶航行仿真建模方法采用方案一中任意一项所述的系统实现，所述极地船舶航行仿真建模方法包括以下步骤：

15、步骤一、通过综合管理与评估子系统的教练员软件及电子海图软件设定环境条件、海冰条件、船舶初始位置及预期航行轨迹，发布仿真任务；

16、步骤二、根据步骤一所发布的仿真任务极地环境仿真子系统按照设定环境条件，通过风速模块、波浪场模块、流速模块，计算风、浪、流载荷，采用多线程并行编程方法遍历船水线面边界点与附近平整冰及碎冰边界点，检测船冰接触情况；

17、步骤三、基于步骤二所述的检测船冰接触情况，其中当检测到船冰存在接触时，冰场模块根据海冰分布、冰层厚度、材料属性按照船-平整冰碰撞模型与船-碎冰碰撞模型两种情况，计算平整冰破碎、碎冰运动、及平整冰与碎冰总载荷；

18、步骤四、极地船舶实时运动仿真子系统将极地环境仿真子系统计算得到的风载荷、波浪载荷、船与海流的相对速度、平整冰总载荷、碎冰总载荷作为环境载荷输入，将极地船舶驾驶控制仿真子系统提供的转速及舵角作为控制指令输入，分别建立螺旋桨模型、舵模型及极地船舶六自由度运动仿真模型；

19、步骤五、极地船舶航行视景仿真子系统根据教练员软件发布的航行海域和风浪流环境条件生成三维场景，按照极地环境仿真子系统计算得到的平整冰破碎特征数据、碎冰运动数据更新平整冰及碎冰分布，按照极地船舶实时运动仿真子系统计算得到的船舶航行运动数据更新极地船舶航行仿真三维场景。

20、进一步的，提供一种优选实施方式，步骤三中还包括分别计算船冰接触面积、船冰之间的挤压力和摩擦力及平整冰弯曲破坏载荷，判断平整冰破碎情况，并通过脱落碎冰半径及冰楔的开角表示平整冰破裂后脱落碎冰的形状特征的步骤。

21、进一步的，提供一种优选实施方式，步骤三中计算船冰接触面积、船冰之间的挤压力和摩擦力及平整冰弯曲破坏载荷，判断平整冰破碎情况，并通过脱落碎冰半径及冰楔的开角表示平整冰破裂后脱落碎冰的形状特征具体包括以下步骤：

22、s31、首先通过冰层厚度hi、船冰接触处船体外法向与向下垂直轴的夹角及挤压深度ld，判断船冰接触处形状，计算船与平整冰的接触面积ac，计算船-平整冰碰撞模型为：

23、

24、其中，lh为水平冰面上与冰边界接触的船边界的长度；ld为水平冰面上船挤压入冰边界的深度；为船冰接触处船体外法向与向下垂直轴的夹角；hi为冰层厚度；

25、s32、其次通过船与平整冰的接触面积ac分别计算船冰之间的挤压力fc和摩擦力ff，计算船-平整冰碰撞模型为：

26、fc＝nc·σcac

27、ffz＝-τc·μffcvz/v

28、ffl＝-τc·μffcvl/v

29、其中，nc为船冰接触面单位法向；σc为冰的挤压强度；τc为船冰接触面单位切向；μf为船冰摩擦系数；ffz为沿船冰接触面向上的摩擦力；vz为沿船冰接触面向上的船冰相对速度；ffl为沿船冰接触面水平方向的摩擦力；vl为沿船冰接触面水平方向的船冰相对速度；v为船相对于冰滑移的总速度；

30、s33、最终得到母船随体坐标系下船受到平整冰的总载荷为τpice：

31、

32、其中，为船冰接触面局部坐标和船体坐标间的变换矩阵；

33、s34、为了判断与船体发生碰撞接触的平整冰断裂情况，及形状特征，计算平整冰弯曲破坏载荷pf，计算船-碎冰碰撞模型模型为：

34、

35、其中，cf为经验参数；σf为冰弯曲强度；θ为船冰接触处冰楔的开角，hi为冰层厚度；

36、当船冰挤压力与摩擦力在垂直方向上的合力大于弯曲破坏极限载荷pf时，平整冰发生破碎，脱落碎冰；

37、s35、脱落碎冰形状为扇形，采用环形裂纹方法，利用破碎半径及船冰接触处冰楔的开角表示脱落碎冰形状特征，破碎半径r计算模型为：

38、

39、其中，cl、cv为经验系数，ν为泊松比，e为冰弹性模量；ρw为海水密度；vn为水线离散点与平整冰边界离散点之间的相对法向速度；

40、s36、确定脱落碎冰形状特征破碎半径及船冰接触处冰楔的开角后，按照教练员软件发布的海冰分布，断裂脱落碎冰，更新平整冰边界，表示平整分布情况，并为从平整冰上脱落的碎冰生成边界。

41、进一步的，提供一种优选实施方式，步骤三中当检测到船冰存在接触时，冰场模块根据海冰分布、冰层厚度、材料属性按照船-平整冰碰撞模型与船-碎冰碰撞模型两种情况，计算平整冰破碎、碎冰运动、及平整冰与碎冰总载荷的方法为：

42、s311、首先，建立船舶航行区域每块碎冰的动力学模型：

43、

44、其中，fs为碎冰所受风浪流力以及与平整冰、碎冰、船体接触力产生的合外力，ts为合外力矩；ms为当前计算碎冰总质量；js为总惯性张量；

45、输入fs、ts、ms和js的值，得到碎冰运动速度矢量vs；角速度矢量ωs，积分得到每块碎冰位移及旋转运动数据，表示碎冰分布情况；

46、s322、碎冰固体面之间的接触采用线性弹簧阻尼系统计算，船体附近的船-碎冰、碎冰-碎冰、碎冰-平整冰的接触力计算模型为：

47、fn＝-kdn-ηvn

48、

49、其中，k为冰的材料弹性系数；η为冰的材料阻尼系数；dn为冰与其他物体间的法向重叠距离，vn为法向重叠速度，dt为切向重叠距离，vt为切向重叠速度，μ为摩擦系数；nt为碎冰边界切向单位方向；fn为冰边界向内的法向接触力和ft为沿冰边界向切向接触力；

50、s333、最终得到母船随体坐标系下船受到碎冰的总载荷为τsice：

51、

52、为船冰接触面局部坐标和船体坐标间的变换矩阵。

53、进一步的，提供一种优选实施方式，步骤四中通过将极地船舶驾驶控制仿真子系统提供的转速及舵角作为控制指令计算冰影响的螺旋桨推力的步骤；即，受碎冰影响的螺旋桨推力tp计算方法为：

54、

55、其中：tp为螺旋桨的推力减额；ρw为海水密度；np为螺旋桨转速；dp为螺旋桨直径；kt为推力系数；wp为伴流速度；u为船舶与碎冰的相对速度；tp为螺旋桨推力。

56、进一步的，提供一种优选实施方式，步骤四中建立船舶六自由度运动仿真模型的方法为：

57、

58、其中：m0为母船质量和附加质量的和；crb0为刚体和流体的向心力，ca0为科里奥利力矩阵；vr0为母船在随体坐标系中与海流的相对速度；d0为阻尼矩阵；k0(t-γ)为时延函数，其中，t为仿真时间，γ为积分变量；u为母船的纵向航速；e1为纵向单位向量；g0为母船的刚度矩阵；τwind0为风载荷；τwave0为波浪载荷；τp为螺旋桨推力；τr为船舶舵力；τice为总冰载荷，包括平整冰载荷τpice与碎冰载荷τsice；

59、求解得到极地船舶航行加速度和速度v0，通过四阶龙格库塔积分得到船舶运动位姿。

60、进一步的，提供一种优选实施方式，步骤五中极地船舶航行视景仿真子系统根据教练员软件发布的航行海域和风浪流环境条件生成三维场景的方法为：极地船舶航行视景仿真子系统基于三维引擎进行三维场景模拟，仿真过程通过教练员软件发布的航行海域和风浪流环境条件，加载船舶初始位置、平整冰与碎冰初始分布情况，驱动三维引擎进行海洋环境、大气环境、冰区及船舶三维模型渲染，生成三维场景。

61、本发明的有益之处在于：

62、本发明针对船舶冰区航行中的冰载荷问题构建船舶六自由度运动模型，其中本发明与现有技术相比，本发明所构建的船舶六自由度运动模型适用于极地环境中。

63、本发明针对螺旋桨推进过程中受碎冰影响问题构建推力计算模型，通过将碎冰作为独立运动物体求解碎冰运动并得到船舶与碎冰的相对运动速度，在螺旋桨建模过程通过计入船舶与碎冰相对速度考虑碎冰对螺旋桨性能的影响，并作用于船舶六自由度运动响应模型。

64、本发明的冰载荷计算包括平整冰与碎冰的载荷，采用环形裂纹方法确定平整冰破碎形状，计算速度快的同时仿真结果较为准确，生成的碎冰贴近真实情况。

65、本发明的船-平整冰接触点检测部分，采用多进程并行方法遍历船水线边界点线段与平整冰边界点线段的相交检验，提高仿真系统计算效率。

66、本发明实时显示和更新破冰船作用冰层后的冰裂纹和碎冰，裂纹形状、尺寸、碎冰形状、运动、分布均通过船-平整/碎冰碰撞仿真模型计算获得，符合船冰作用后的冰动力规律，具有较高行为和环境真实感。

67、即，本发明还适用于为极地航行的船员提供特定的模拟航行培训领域中。

技术特征：

1.一种极地船舶航行仿真系统，其特征在于，所述极地船舶航行仿真系统包括综合管理与评估子系统、船船驾驶控制仿真子系统、极地环境仿真子系统、极地船舶实时运动仿真子系统和极地船舶航行视景仿真子系统；

2.根据权利要求1所述的极地船舶航行仿真系统，其特征在于，所述极地船舶航行视景仿真子系统包括极地船舶运动仿真驱动模块、海冰运动仿真驱动模块、极地环境仿真模块和极地航行辅助信息显示模块；

3.一种极地船舶航行仿真建模方法，其特征在于，所述极地船舶航行仿真建模方法采用权利要求1至2中任意一项所述的系统实现，所述极地船舶航行仿真建模方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的极地船舶航行仿真建模方法，其特征在于，步骤三中还包括分别计算船冰接触面积、船冰之间的挤压力和摩擦力及平整冰弯曲破坏载荷，判断平整冰破碎情况，并通过脱落碎冰半径及冰楔的开角表示平整冰破裂后脱落碎冰的形状特征的步骤。

5.根据权利要求4所述的极地船舶航行仿真建模方法，其特征在于，步骤三中计算船冰接触面积、船冰之间的挤压力和摩擦力及平整冰弯曲破坏载荷，判断平整冰破碎情况，并通过脱落碎冰半径及冰楔的开角表示平整冰破裂后脱落碎冰的形状特征具体包括以下步骤：

6.根据权利要求3所述的极地船舶航行仿真建模方法，其特征在于，步骤三中当检测到船冰存在接触时，冰场模块根据海冰分布、冰层厚度、材料属性按照船-平整冰碰撞模型与船-碎冰碰撞模型两种情况，计算平整冰破碎、碎冰运动、及平整冰与碎冰总载荷的方法为：

7.根据权利要求3所述的极地船舶航行仿真建模方法，其特征在于，步骤四中通过将极地船舶驾驶控制仿真子系统提供的转速及舵角作为控制指令计算冰影响的螺旋桨推力的步骤；即，受碎冰影响的螺旋桨推力tp计算方法为：

8.根据权利要求3所述的极地船舶航行仿真建模方法，其特征在于，步骤四中建立船舶六自由度运动仿真模型的方法为：

9.根据权利要求3所述的极地船舶航行仿真建模方法，其特征在于，步骤五中极地船舶航行视景仿真子系统根据教练员软件发布的航行海域和风浪流环境条件生成三维场景的方法为：极地船舶航行视景仿真子系统基于三维引擎进行三维场景模拟，仿真过程通过教练员软件发布的航行海域和风浪流环境条件，加载船舶初始位置、平整冰与碎冰初始分布情况，驱动三维引擎进行海洋环境、大气环境、冰区及船舶三维模型渲染，生成三维场景。

技术总结
本发明公开了一种极地船舶航行仿真系统及建模方法，涉及船舶与海洋工程领域。解决了现有的极地船舶航行主要考虑冰对船体运动性能的影响，缺乏碎冰对螺旋桨推力影响的考虑等问题。本发明提供以下方案，所述系统包括综合管理与评估子系统等子系统，并构建船舶六自由度运动模型；针对螺旋桨推进过程中受碎冰影响问题构建推力计算模型，通过将碎冰作为独立运动物体求解碎冰运动并得到船舶与碎冰的相对运动速度，在螺旋桨建模过程通过计入船舶与碎冰相对速度考虑碎冰对螺旋桨性能的影响，并作用于所述模型上；采用环形裂纹方法确定平整冰破碎形状，生成的碎冰贴近真实情况。还适用于为极地航行的船员提供特定的模拟航行培训领域中。

技术研发人员：薛彦卓,昝英飞,许传悦,张宜程,郭睿男,杨桐奇,李忠明,韩端锋
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23