基于三维模型的纵倾时无通海阀压载水舱压力进水量的计算方法与流程

本发明涉及水下航行器性能计算
技术领域：
，具体涉及一种利用三维模型计算水下航行器在不同吃水和纵倾条件下无通海阀压载水舱压力进水量的方法。
背景技术：
水下航行器如大型uuv等是通过压载水舱注水来实现上浮下潜。压载水舱分为有通海阀和无通海阀两种。其中无通海阀压载水舱底部是格子板，与海水相通。当水下航行器在水面航行的时候，仅靠液舱内空气压力顶住海水来保证液舱内不进水。当水下航行器发生纵倾时，由于倾斜一方吃水加大，水压变高，由此造成压载水舱内被压入更多的水量，这个水量被称为压力进水量。各个压载水舱压力进水量的累积量很大，会显著加重水下航行器的倾覆风险。在计算纵倾条件下水下航行器浮性、稳性时必须对这些进水量进行扣除，否则预报的浮性和稳性指标偏于危险。过去依据图纸进行计算时，提取图纸信息的工作量比较大，而且由于无法准确获得计算所需的任意倾斜水线下的液舱净容积和容积形心位置，只能近似估算。因此过去计算压力进水量既不准确又耗时费力。技术实现要素：本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供基于三维模型的纵倾时无通海阀压载水舱压力进水量的计算方法，它能够提高纵倾条件下无通海阀压载水舱压力进水量计算精度和效率，用于水下航行器纵倾条件下的浮性和稳性修正计算。本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：一种基于三维模型的纵倾时无通海阀压载水舱压力进水量的计算方法，包括以下步骤：s1、通过三维建模软件建立某无通海阀压载水舱净容积模型；s2、建立参考平面，包括平均吃水高度平面，倾斜水线面，以及平行于所述倾斜水线面的进水量自由液面平面、自由液面最高平面和自由液面最低平面；s3、建立与几何要素相关联的控制参数，控制参数包括输入常量、输入变量和输出量；s4、建立进水量模型，通过进水量自由液面切割液舱净容积模型获得；s5、通过合适的数学方法求解以下关于h的方程的解：f(h)＝p1(h)×(v0-vp(h))-p0×v0＝0(7)式中：h为进水量自由液面与倾斜水面距离，为输入变量，vp为压力进水量，输入h后可直接通过三维模型提取对应的vp值，v0为液舱净容积，p0为正浮状态液舱气压，为输入常量，p1为进水后剩余液舱气压，p1(h)＝pa+ρgh，pa为外界大气压，然后将求得的方程解h输入三维模型中，从而输出对应的压力进水量几何参数，包括进水量体积vp及形心位置坐标。上述方案中，步骤s3中，输入常量包括平均吃水深度t、纵倾角度θ、密度ρ、重力加速度g、压力进水量最高位置与倾斜水线面距离hmin、压力进水量最低位置与倾斜水线面距离hmax、正浮吃水t0、初始液舱气压p0、液舱净容积v0；输入变量是自由液面与倾斜水面距离h；输出量为压力进水量体积vp及形心位置。上述方案中，步骤s5中，已知自由液面最高平面距离倾斜水线面的距离为hmin、自由液面最低平面距离倾斜水线面的距离为hmax，如果f(hmax)<0，则意味着倾斜后有气泡鼓出，无压力进水量；如果f(hmax)>0，f(hmin)<0，说明有压力进水量，利用二分法求解f(h)＝0，二分法的求解流程如下：约定abc_(i)为变量abc在第i次的迭代值，迭代求解流程如下：step1：h_(i)＝(hmin_(i)+hmax_(i))/2；step2：当f_(i)＝p1(h_(i))×(v0-vp(h_(i)))-p0×v0>0时，hmax_(i+1)＝(hmin_(i)+hmax_(i))/2，否则，hmin_(i+1)＝(hmax_(i)+hmin_(i))/2；step3：重复step1、step2，直到f_(i)<error即可，这里的error为误差允许量。上述方案中，步骤s5中，已知自由液面最高平面距离倾斜水线面的距离为hmin、自由液面最低平面距离倾斜水线面的距离为hmax，如果f(hmax)<0，则意味着倾斜后有气泡鼓出，无压力进水量；如果f(hmax)>0，f(hmin)<0，说明有压力进水量，取值一系列的h，通过三维模型提取对应的一系列vp，分别带入f(h)＝p1(h)×(v0-vp(h))-p0×v0中得到一系列f(h)，绘制h与f(h)的曲线，曲线与x轴的交点即为f(h)＝0的解。上述方案中，重复步骤s3-s5，可以获得任意平均吃水深度t和任意纵倾角度θ下的压力进水量vp及形心位置。本发明的有益效果在于：本发明首先运用波义耳定律和静力平衡假设提出了压力进水量的数学计算表达式，明确了压力进水量求解中的边界条件、设计输入和设计输出，为准确求解压力进水量奠定了理论基础。然后提出了用三维模型来精确表征压力进水量并通过合适的数学方法来快速、精确求解压力进水量方程的办法，实现了求解精度从传统方法的约0.5％提升到约0.08％，求解周期减少约90％，大大提高了纵倾角条件下无通海阀压载水舱压力进水量计算精度和效率。满足各设计阶段对无通海阀压载水舱压力进水量的计算要求，为后续优化调整提供快速响应的能力。附图说明下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1是水下航行器正浮状态示意图；图2是图1所示水下航行器纵倾状态示意图；图3是本发明实施例建立的液舱净容积模型；图4是本发明实施例t＝5000mm，angle＝-20deg时的压力进水量模型。具体实施方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，水下航行器处于正浮状态，正浮吃水深度为t0，液舱净容积为v0，液舱内空气体积与其净容积相等，液舱内空气压力为p0。依据等压面可得到如下关系：p0＝pa+ρgt0(1)式中，pa为外界空气压力，ρ为液体密度，g为重力加速度。如图2所示，水下航行器处于纵倾状态，平均吃水为t，倾斜角度为θ，同时假定此时压力进水量为vp，剩余液舱体积为v1，剩余液舱内气压为p1，并考虑到进水量自由液面与倾斜水线面平行，假定其平行距离为h。根据等压面可得到如下关系：p1＝pa+ρgh(2)式中，pa为外界空气压力，ρ为液体密度，g为重力加速度。根据波义耳定律，在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比，有如下关系：p0×v0＝p1×v1(3)由体积关系又可得如下关系：v0＝v1+vp(4)上述公式(1)-(4)中，t0、v0为给定初始量，即p0×v0是常量。平均吃水t、倾斜角度θ为设计的边界条件，为输入量。h、p1、vp为变量。通过分析可知，在给定h的时候，vp被确定，因此有如下关系：vp＝vp(h)(5)考虑到式(2)可知p1＝p1(h)，结合式(3)、(4)，压力进水量可表达为如下方程：p1(h)×(v0-vp(h))＝p0×v0＝常量(6)在给定平均吃水t、倾斜角度θ时，液舱自由液面的最高位置和最低位置是已知的(如图2所示)，即h的最小值和最大值是已知的。为求解公式(6)中的vp(h)，本发明通过在模型中直接提取对应h值时的压力进水量为vp，然后带入方程：f(h)＝p1(h)×(v0-vp(h))-p0×v0＝0(7)结合适当的数学计算方法，可求出方程(7)的解，即获得平衡时自由液面距离倾斜水线面的高度h，进而获得vp(h)及其形心位置。具体地，本发明提出的基于模型的纵倾时无通海阀压载水舱压力进水量的计算方法，包括以下步骤：s1、通过三维建模软件建立某无通海阀压载水舱净容积模型，如图3所示。s2、建立参考平面，包括平均吃水高度平面，倾斜水线面，以及平行于所述倾斜水线面的自由液面平面、自由液面最高平面和自由液面最低平面。其中，自由液面平面的位置由后续方程(7)的解确定。s3、建立与几何要素相关联的控制参数，控制参数包括输入常量、输入变量和输出量，其中：输入常量包括平均吃水深度t、纵倾角度θ、密度ρ、重力加速度g、压力进水量最高位置与倾斜水线面距离hmin、压力进水量最低位置与倾斜水线面距离hmax、正浮吃水t0、初始液舱气压p0、液舱净容积v0；输入变量是自由液面与倾斜水面距离h；输出量为压力进水量体积vp及形心位置。s4、建立进水量模型，通过进水量自由液面切割液舱净容积模型获得；如图4所示。s5、通过合适的数学方法求解以下关于h的方程的解：f(h)＝p1(h)×(v0-vp(h))-p0×v0＝0(7)式中：h为自由液面与倾斜水面距离，为输入变量，vp为压力进水量，输入h后可直接通过三维模型提取对应的vp值，v0为液舱净容积，p0为正浮状态液舱气压，p1为进水后剩余液舱气压，p1(h)＝pa+ρgh，pa为外界大气压，然后将求得的方程解h输入三维模型中，从而输出对应的压力进水量几何参数，包括进水量体积vp及形心位置坐标。本实施例中，已知h的定义域为[hmin，hmax]，如果f(hmax)<0，则意味着倾斜后有气泡鼓出，无压力进水量。如果f(hmax)>0，f(hmin)<0，说明有压力进水量，可以利用二分法求解f(h)＝0，二分法的求解流程如下：约定abc_(i)为变量abc在第i次的迭代值，迭代求解流程如下：step1：h_(i)＝(hmin_(i)+hmax_(i))/2；step2：当f_(i)＝p1(h_(i))×(v0-vp(h_(i)))-p0×v0>0时，hmax_(i+1)＝(hmin_(i)+hmax_(i))/2，否则，hmin_(i+1)＝(hmax_(i)+hmin_(i))/2；step3：重复step1、step2，直到f_(i)<error即可，这里的error为误差允许量。以t＝5000mm，angle＝-20deg为例，迭代结果如下表1：表1hf(h)6681.39128.51529070.9266-1.63907876.15893.48988473.54270.97838772.2346-0.3094方程的近似解为h＝8772.2346，然后通过三维模型输出对应的压力进水量几何参数：进水量体积vp＝9.7049，形心位置坐标(18378.9321，1870.2064，1063.2211)。在其他实施例中，还可以选择其他数学方法来求解方程(7)的解，例如：已知h的定义域为[hmin，hmax]，如果f(hmax)<0，则意味着倾斜后有气泡鼓出，无压力进水量。如果f(hmax)>0，f(hmin)<0，说明有压力进水量，取值一系列的h，通过三维模型提取对应的一系列vp，分别带入f(h)＝p1(h)×(v0-vp(h))-p0×v0中得到一系列f(h)，绘制h与f(h)的曲线，曲线与x轴的交点即为f(h)＝0的解。进一步地，重复步骤s3-s5，可以获得任意平均吃水深度t和任意纵倾角度θ下的压力进水量vp及形心位置。本实施例中，选择二分法为步骤s5的求解方法，重复步骤s3-s5，获得5000mm和纵倾角度-20度到20度，每5度一种工况的压力进水量vp及形心位置，如表2所示。本实施例的f(h)的收敛条件绝对值<0.5。表2tanglehvpxbybzbf(h)mmdegmmm3mmmmmmm35000-208772.23469.704918378.93211870.20641063.2211-0.30945000-157640.96918.751618368.98531718.3275938.19400.38755000-106702.66986.887118369.75671405.8018728.55180.05935000-55657.20444.776118373.25431050.2376535.9344-0.1259500004504.37502.010718300.0000757.6995296.3619-0.4505500050.00000.00000.00000.00000.00000.00005000100.00000.00000.00000.00000.00000.00005000150.00000.00000.00000.00000.00000.00005000200.00000.00000.00000.00000.00000.0000针对表2，需要说明的是，表中后四排都为0是因为初始f(hmax)<0。该情况表示此种工况(如t＝5000mm，angle＝20deg)倾斜后有气泡鼓出，无压力进水量。本发明首先运用波义耳定律和静力平衡假设提出了压力进水量的数学计算表达式，明确了压力进水量求解中的边界条件、设计输入和设计输出，为准确求解压力进水量奠定了理论基础。然后提出了用三维模型来精确表征压力进水量并通过合适的数学方法来快速、精确求解压力进水量方程的办法，实现了求解精度从传统方法的约0.5％提升到约0.08％，求解周期减少约90％。满足各设计阶段对无通海阀压载水舱压力进水量的计算要求，为后续优化调整提供快速响应的能力。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。当前第1页12