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海洋工程船舶综合推进系统建模与仿真

唐元元  
【摘要】:为了对海洋工程船舶的综合推进系统进行分析与研究,以“海洋石油681”船舶作为研究对象,进行了推进系统的建模与仿真。推进系统数学模型包括柴油机机理数学模型、柴油机控制逻辑模型、船舶操纵运动数学模型、推进器数学模型以及三维虚拟场景、推进系统的三维模型和仿真可视化的二维展示等。数学模型均在Matlab仿真平台中进行过验证后再进行编程实现。柴油机模型的原型是Wartsila 16V32型先进涡轮增压四冲程V型柴油机。本课题的柴油机模型结合了热力学原理和柴油机建模方面比较流行的容积法原理创建,进行了柴油机缸内热力过程、进排气系统、涡轮增压系统、活塞连杆机构的建模。控制逻辑与实船控制逻辑一致。推进器数学模型采用荷兰B4-55型螺旋桨图谱以及经验公式创建。船舶运动模型及船桨干涉模型采用的是日本拖拽水池委员会(JTTC) MMG小组提出的分离结构模型(MMG模型)。为了突出重点、优化仿真结构、简化运算,模型仅涉及船舶前进、横移、转首三个自由度。水动力导数采用的是周昭明对井上图谱进行回归分析提出的回归公式。仿真平台按照模型、数据、显示界面、模型管理器的结构进行设计,以实现分层管理和模块化,方便对仿真程序的维护。架构采用的是微软WPF (Windows Presentation Foundation)桌面应用程序架构,以实现仿真程序丰富的表现能力。仿真平台中的三维模型首先是采用Autodesk公司的3ds Max软件进行前期制作,然后将得出的三维模型再通过Electric Rain ZAM 3D进行坐标、材质、动画等调整,最后转换为WPF支持的XAML (eXtensible Application Markup Language)格式,三维模型交予应用程序进行控制。通过创建较为精细的推进系统模型,本课题研究的仿真平台可以进行船舶综合推进系统的性能分析,综合推进系统的操纵培训,也可以进行基于综合推进系统模型的控制系统研究。


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