专利名称：：航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型的制作方法
技术领域：
：本发明专利涉及一种航海模拟器用平旋推进器(Voith-SchneiderPropellor，简称VSP)船舶的运动数学模型。
背景技术：
：平旋推进器是Voith公司申请的设计专利，又称为直叶推进器或摆线推进器。它是一种装有垂直机翼的圆盘式推进器，垂直机翼之间是互相平行的，并与圆盘的转动轴平行，桨叶绕自身转轴自转的同时绕圆盘转轴公转，能产生任意方向的推力，因此，平旋推进器兼有舵的作用，节省了空间。同时，因其可以不改变主机的转动方向而产生方向可以改变的推力，目前在港作拖轮和对操纵性能要求特殊的船舶上普遍采用平旋推进器，如扫雷艇(MCMV)、摆渡船等。国内学者通过理论计算方法和试验测试方法等进行了平旋推进器推力系数和扭矩系数的研究。理论计算主要利用机翼理论对平旋推进器的水动力性能进行研究[1]。试验测试主要通过水池对平推桨模型进行推力系数和扭矩系数的测试[2—5]。文献[5]中利用文献[3]实验图谱对配备平旋推进器的拖轮进行了建模。日本学者KanameTaniguchi通过假定VSP桨纵向为均匀来流进行了VSP桨推力的近似数值计算，并给出第一象限图谱[6]。在航海模拟器中人需要通过对硬件设备或模拟软面板的操作，实现人机交互，因此上述学者的研究成果，不适合直接在航海模拟器中应用。先前，适合航海模拟器用平旋推进器(VSP)的数学模型研究已取得初步成果[7—8]，将文献[7—8]取得的成果与航海模拟器中的硬件操作控制相结合是本发明专利的主要技术难点。参考文献[1]朱典明.摆线推进器的理论计算方法[J].哈尔滨船舶工程学院学报，1982，(1):1-27[2]张洪雨邢国英.摆线推进器任意方向角的水动力计算方法研究[J].水动力学研究与进展，2005，A20(4):472-478[3]张洪雨徐玉如黄薇莉等.摆线推进器水动力性能研究[J].海洋工程，1998，16(3):27-35[4]张洪雨朱典明.三元非定常运动机翼流体动力特性的实验研究[J].哈尔滨船舶工程学院学报，1991.[5]高孝日.平旋推进拖船的运动建模与仿真[D].大连大连海事大学.2008.03[6]KanameTaniguchi，ApproximateSolutionofVioth-SchneiderPropeller[J]造船协会会报，第74号.昭和19年4月.[7]Zhangxifueng(本专利申请人)，JinYicheng，YinYong，VoithSchneiderPropellerModelandUsedintheTugMovingSimulation[C]，AsiaSimulationConferenceTheSixthlnternationalConferenceonSystemSimulationandScientificComputing(Beijing)ICSC'05,2005.102/7页[8]ZhangXiufeng(本专禾U申请人)，YINYong，JINYicheng，THEMOVINGMATHEMATICALMODELSOFTUGWITHVOITHSCHNEIDERPROPELi^R[C]，Marineandsimulationtechnology(Marsim2006).2006.06「9ihttp:〃www.voithturbo.com/marine
发明内容为了解决现有技术中没有适合航海模拟器应用的平推桨驱动船舶运动数学模型的问题，本发明依据平旋推进器的性能以及产生的推力与扭矩，结合已公开的理论计算和水池试验结果进行建模，通过操作硬件装置或模拟软面板，实现人机交互，开发出适合航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型，包括平推桨等效螺距比确定、相关图谱的应用等内容。本发明采用与实船控制设备外形、功能一致的操作设备，提供纵向控制变量(X-Pitch)和转向控制变量(Y-Pitch)，确定控制点N的位置和ON的大小，进而确定平旋推进器(VSP)的等效螺距比，求出平旋推进器(VSP)发出的总推力，计算VSP桨产生的总推力在X-Y方向上的分力百分数，利用已公开的图谱，获得平旋推进器的推力系数和扭矩系数，从而获得平旋推进器在纵向和横向上的分力，采用匪G分离建模思想将其叠加在船舶操纵性运动方程的右边，完成建立航海模拟器用VSP桨驱动船舶的运动数学模型。本发明的有益效果为开发了适合航海模拟器应用的平旋推进器数学模型和装备平旋推进器的船舶运动数学模型，使得航海模拟器船舶运动数学模型种类多样化，弥补没有平旋推进器船舶运动数学模型的缺憾，满足航海教学培训和不同目的科研的要求。图l为VSP桨控制点图2为X方向推力百曲线l为X-pitch:曲线2为X-pitch:曲线3为X-pitch:曲线4为X-pitch:曲线5为X-pitch:曲线6为X-pitch:曲线7为X-pitch:曲线8为X-pitch:曲线9为X-pitch:曲线10为X-pitch曲线11为X-pitch曲线12为X-pitch曲线13为X-pitch图3为Y方向推力百曲线1为Y-pitchN的位置图。分数随硬件控制装置Y-Pitch变化曲线族。其中，1.0时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线0.8时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线0.6时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线0.5时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线0.4时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线0.2时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线0.0时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线-0.2时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线；-0.4时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线；=-0.5时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线=-0.6时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线=-0.8时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线=-1.0时，X方向推力百分数随Y-pitch变化的曲线分数随硬件控制装置X-pitch变化曲线族。其中，1.0时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线；4曲线2为Y-pitch=曲线3为Y-pitch=曲线4为Y-pitch=曲线5为Y-pitch=曲线6为Y-pitch=曲线7为Y-pitch=曲线8为Y-pitch=曲线9为Y-pitch=曲线10为Y-pitch=曲线11为Y-pitch=曲线12为Y-pitch=曲线13为Y-pitch=0.8时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线0.6时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线0.5时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线0.4时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线0.2时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线0.0时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线-0.2时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线；-0.4时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线；=-0.5时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线=-0.6时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线=-0.8时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线=-1.0时，Y方向推力百分数随X-pitch变化的曲线具体实施例方式1.平旋推进器等效螺距比的确定所谓的等效螺距比是相对固定螺距螺旋桨而言的。依据固定螺距螺旋桨的螺距定义，在桨叶的冲角为零，即桨叶不产生推力时，桨叶的状态相似于定距桨的零滑脱状态，可得VSP桨旋转一周前进的距离，本发明专利申请人将此认定为VSP桨等效定距桨的螺距P。等效螺距比为等效螺距P与VSP桨直径D之比。平旋推进器又称直叶推进器，又因桨叶的运动呈螺旋线状而称为摆线推进器。定义O点是平旋推进器转动的轴心，N点被称为控制点。平旋推进器的桨叶布置在大圆的圆周，绕O点作圆周运动，但桨叶还绕自身转轴旋转，N点可被认为是桨叶转动的瞬时旋转中心。偏心率ON决定了平旋推进器产生的推力大小，N点在圆内的位置决定了平旋推进器产生的推力方向，每个桨叶产生的合推力的方向垂直于ON。设A=ON，P=ADji，a=^^^，等效螺距比P/D=0N/DX2。从上式分析可知，控制点的位置N，对获得等效螺距比非常关键，其位置在圆内可划分为四象限。本发明专利以一艘尾部配备2个标准VSP平旋推进器的船舶为例，假定A=0Nmax=CR=0.8R，C为最大偏心率。在航海模拟器中，采用与实船控制设备外形、功能一致的操作设备，硬件控制设备提供的X-Pitch(又称SpeedPitch,类似车钟的功能)和Y-Pitch(又称SteeringPitch,类似舵的功能)分别控制平旋推进器产生的前进推力和方向。实时读取操作硬件设备提供的X-Pitch和Y-Pitch，确定N点的位置和ON的大小，可得到VSP等效螺距比。通过硬件或软面板的操作，进行模数转换，得到操作控制信号X-Pitch和Y-Pitch，X-Pitch和Y-Pitch均取-10至10之间的整数，X-Pitch为正时表示X方向螺距向前，反之向后。Y-Pitch为正时表示旋转方向螺距向右舷，反之向左舷。为数据处理方便，这里进行取值范围的归一化，即X-Pitch和Y-Pitch的取值范围在(-l，+l)。依据控制点的位置[9]见图1，由于机构装置的原因，横向方向上，ON受到限制，仅能达到最大偏心率的0.8倍，所以，平旋推进器产生的横向最大推力是最大纵向推力的0.8倍左右。可近似认为，ON在如图1所示的同心圆内变化，ON的取值如下式所示ON在曲线BGC上，ON=1;0N在曲线DHA上，ONON在曲线AEB上，CW=0.82+(0.6ON在曲线CFD上CW=、0.82+(0.61;x陽pitch10)2(x—;"c//e[-10，+10]，_y—//fc/2=l)x-pitch10)2(jc—p/fc/ze[—10，+10]，y-p"c/z=-l)CW=ON在曲线AEBGCFDHA包围图形内，(x-e[-10，+10]，_y—p/fc/ze[_10，+10]),y-pitch、2,x-pitch、^(、)+(~^)1010如果ON>l，则ON被限制为等于1.0。2.平旋推进器产生的总推力在X-Y方向分力的计算通过平旋推进器的简单图谱或定距桨B系列图谱可以获得Y-Pitch为零，X-Pitch为正时的推力。通过确定X-Y方向推力分布的百分数，将之与平旋推进器产生的总推力相乘，可分别得到X，Y方向上的力，然后再求得对称船中纵线布置的两个螺旋桨的推力以及相对船舶中心旋转的艏摇力矩。平旋推进器产生ox和oy方向上的推力见推力百分数表l，2，百分数分布曲线族如图2，图3所示。表IX方向推力百分数Y-PitehX(X-pitch)10.80,60.50,40.2-l0,60.480.360.30.24.0.12-0.80.7370410,5896330.4422250.3685210.2948170.147408-0.60.84卯640.6792510.5094380.4245320.3396260.169813-0.50.894350.715480.536610,4471750,357740.17887-0.40.9319450.7455560.5591670.4659720.3727780.186389-0.20.9828390.7862710,5897030.4914190.3931360.196568010.80.60.50.40.20.20.9828390,7862710.5897030.4914190.3931360.1965680.40.9319450.7455500.5591670.4659720.3727780.1863890.50.894350.715480.536610.4471750.357740.178870.60.8490640.6792510.5094380,4245320.3396260.1698130.80.7370410.5896330.4422250,3685210.2948170.14740810.60.480.3598330.2998610.2398890.119944(续)表ix方向推力百分数6Y-<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>Y-PitchY(X—pitch)0-0.2-0.4-0.5-0.6-0.8-l-1-0,8-0.8-0.8-0.8-0.8-0.8-0.8-0,8-0.64-0.13517-0.27034-0.33792-0.40551-0.54068-0.67585-0.6-0.48-0.10566-0.21132-0,26415-0.31697-0.42263-0.52829-0.5-0.4-0.08947-0.17895-0.22368-0.26842-0.3579-0.44737-0.4-0.32-0,07252-0,14504-0.1813-0.21756-0.29008-0.3626-0.2-0.16-0.03689-0.07379-0.09223-0.11068-0.14757-0.18447000000000.20.160.0368930.0737860.092233O.l薩0.1475730.1844660,40.320.072520.145040.18130.217560.2900810.3626010.50.40.0894740,1789480.2236840.2684210.3578950,4473690.60.480.1056580.2113160.2641450.3169740.4226320.528290.80.640.135170.2703390.3379240.4055090.5406780.67584810.80.80.80.80.80.80.83.平旋推进器推力系数和扭矩系数计算禾U用曰本学者KanameTaniguchi在文章"ApproximateSolutionofVioth-SchneiderPrope11er"提到的第一象限图谱，获得平旋推进器产生的总推力系数KTVSP。文章给出偏心率(或螺距比)由0.10.9，KT、10KQ与进速系数J之间的曲线，同时给出了表3，4，5，将数据图表进行回归处理，以便对不同采样时刻的进速系数J和等效螺距比进行线性插值，得到该等效螺距比时对应进速系数的推力系数和扭矩系数。一般情况下，主机处在全速旋转工作状态中，此时获得最高速度，如果不是全负荷工作，主机的转速会下降，在待速状态时，主机处在空转状态。表3KT随进速系数变化图表了A:CW/R0.10.20.30.40.50.60.70.80.900,1140.3890.7651.2111.7082.2422.8073.44.0320.10.1770.4980.9111.3781.892.4323.0073.6140.20.190.5611.0061.52.0222.5783.1620.30.1710.591.0671.5762.1162.6810.40.1220.5851.0851.6182.1710.50.0580.551.0761.6230,60.4971.040.70.422表4KQ随进速系数变化图表8<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表5螺旋桨效率随进速系数变化图表了义CW/R0.10.20.30.40.50.60.70.80.900000000000.10.2320.290.2710.2420.2180.1950.1720.1340.20.3840.4620.4370.4010.3660.3290.2730.300.4540.5670.5450.5080.4680駕0.40.4440.630.6160.5820.530.50.33.0.6670.6650.630.600.6880.6970.70.692其中《/=，线性插值算法如下假定计算得在区间(Jl，J2)之间的J，该采样时刻的等效螺距Ai，从数据库中可査到KtCL，、)，Kt(J2，入i)，经过线性插值可得KT(J，入》的值。KTCU,)=Kt(Jl，，t(J2，、)(J-J,)+KT(J,入)，同理可得，kq(j，入》和效率n(j，12入i)。当等效螺距Ai变化时，采取对Ai的线性插值，算法同以上对进速系数的插值。依据日本操纵性研究小组匪G的分离建模思想，将VSP桨产生的推力和力矩，分别叠加在船舶操纵性运动方程的右边，然后利用四阶龙格——库塔积分求解出在当前采样时刻所采取的操作控制措施(SpeedPitch又称X-Pitch、SteeringPitch又称Y-Pitch)时船舶的实时运动位置、姿态，速度、加速度等参数，提供给航海模拟系统中的其他模块，如视景系统、驾驶台仪器仪表显示以及雷达显示模块等。此方法所建平旋推进器船舶运动数学模型的精度能够满足工程需要，此数学模型适合在航海模拟器中应用。9权利要求航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型，其特征在于采用与实船控制设备外形、功能一致的操作设备，提供纵向控制变量(X-Pitch)和转向控制变量(Y-Pitch)，确定控制点N的位置和ON的大小，进而确定平旋推进器(VSP)的等效螺距比，求出平旋推进器(VSP)发出的总推力，计算VSP桨产生的总推力在X-Y方向上的分力百分数，利用已公开的图谱，获得平旋推进器的推力系数和扭矩系数，从而获得平旋推进器在纵向和横向上的分力，采用MMG分离建模思想将其叠加在船舶操纵性运动方程的右边，完成建立航海模拟器用VSP桨驱动船舶的运动数学模型。2.如权利要求1所述的航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型，其特征在于与硬件设备结合，依据硬件控制变量作为输入变量，确定偏心率，确定N点的位置，即确定平旋推进器(VSP)的等效螺距比，由纵向控制变量(X-Pitch)和转向控制变量(Y-Pitch)的大小确定控制点N的位置，获得ON的大小以及在控制图中方位，得到平旋推进器的等效螺距比。3.如权利要求1所述的航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型，其特征在于通过硬件设备控制变量的大小来计算平旋推进器(VSP)产生的总推力沿船体纵向和横向的分力，通过硬件纵向控制变量(X-Pitch)和转向控制变量(Y-Pitch)确定总推力沿船体纵向和横向的分力的百分数，并通过插值确定不在曲线上的推力分布。4.如权利要求1所述的航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型，其特征在于利用已公开的图谱表格，利用获得的等效螺矩比，以及VSP桨的进速系数，计算出平旋推进器的总推力系数和扭矩系数，然后进行有因次化，获得平旋推进器的推力和扭矩。5.如权利要求1所述的航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型，其特征在于采用匪G分离建模的思想，将获得的分力(力矩)叠加到船舶操纵性运动方程的右边，采用四阶龙格一库塔数值积分的算法进行微分方程组的求解，得到平旋推进器(VSP)船舶的运动态势。全文摘要一种航海模拟器用平旋推进器驱动船舶的运动数学模型，通过操作硬件设备(X-Pitch和Y-Pitch)获得VSP桨的等效螺距比以及VSP桨产生的总推力在船体纵向、横向分解力的百分数，利用已公开的VSP桨第一象限图谱计算总推力的大小，将分解力的百分数乘以总推力即可得到在纵向、横向、首摇上的分力(矩)。将上述得到的VSP桨推力(矩)作为外力叠加到船舶运动方程中，采用四阶龙格-库塔积分得到VSP船舶运动的态势，提供给航海模拟系统的其他模块。将所建VSP桨船舶运动数学模型应用到航海模拟器中，与硬件设备相结合，实现了人机交互，增加了系统中船模数据库的多样性。文档编号G09B9/06GK101707015SQ200910219960公开日2010年5月12日申请日期2009年11月16日优先权日2009年11月16日发明者任俊生,任鸿翔,刘秀文,孙霄峰,尹勇,张新宇,张显库,张百安,张秀凤,李志华,谷伟,金一丞,马烈申请人:大连海事大学