專利名稱：：漁船操作模擬器中單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及漁船操作模擬器中單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法。
背景技術(shù)：
：利用漁船操作模擬器進(jìn)行漁船船員的培訓(xùn)，可以在各種復(fù)雜海況下對船員進(jìn)行不同的漁具漁法的訓(xùn)練，不僅可以縮短培訓(xùn)時(shí)間，并且不存在任何風(fēng)險(xiǎn)。要對漁船船員進(jìn)行單船中層單囊拖網(wǎng)漁法的培訓(xùn)，則必須要建立單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。為在不同作業(yè)工況下都能充分利用主機(jī)功率，大部分拖網(wǎng)漁船采用調(diào)距槳(CPP)作為其推進(jìn)方式。目前，國內(nèi)外學(xué)者6]大都利用系列螺旋槳的敞水試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算調(diào)距槳推力和扭矩，并根據(jù)船舶操縱性分離建模理論建立調(diào)距槳船舶的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[1-4]基于荷蘭船模試驗(yàn)水池B系列螺旋槳的敞水試驗(yàn)結(jié)果,將調(diào)距槳的推力和扭矩表示為槳葉數(shù)、盤面比、螺距比以及水動(dòng)力螺距角的函數(shù),采用插值或擬合的方法求得不同類型調(diào)距槳在不同螺距比下的四象限推力和扭矩,并根據(jù)MMG模型建立調(diào)距槳船舶的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[5]利用MAU槳水動(dòng)力性能圖譜得到調(diào)距槳四象限的推力系數(shù)，并對一配備單舵、單調(diào)距槳船舶在風(fēng)中的停車性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]利用JDC三葉調(diào)距槳水動(dòng)力性能圖譜，將第一象限調(diào)距槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)擬合為進(jìn)速系數(shù)的函數(shù)，建立了調(diào)距槳的數(shù)學(xué)模型。漁具系統(tǒng)主要由漁網(wǎng)、綱索、屬具(包括網(wǎng)板、沉子和浮子等)組成，是單船中層拖網(wǎng)的重要組成部分。目前,大多數(shù)學(xué)者采用集中質(zhì)量法[711]進(jìn)行水下柔性網(wǎng)的動(dòng)態(tài)仿真。文獻(xiàn)[7]假設(shè)漁網(wǎng)由大量剛性桿組成；剛性桿的質(zhì)量及其受力均集中在目腳兩端的質(zhì)量點(diǎn)；質(zhì)量點(diǎn)并不向剛性桿傳遞力矩；將網(wǎng)板、沉子、浮子等也看成質(zhì)量點(diǎn)；考慮拖網(wǎng)漁船對網(wǎng)具系統(tǒng)的作用；不考慮前面的網(wǎng)片對后面網(wǎng)片所處流場產(chǎn)生的影響以及網(wǎng)片之間的相互碰撞；根據(jù)牛頓第二定律建立了無結(jié)節(jié)漁網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[8]將拖網(wǎng)系統(tǒng)近似為拖網(wǎng)漁船、網(wǎng)板和漁網(wǎng)三個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，三個(gè)質(zhì)量點(diǎn)之間通過非彈性的曳綱和手綱相連，且曳綱和手綱的質(zhì)量均分在其兩端的質(zhì)量點(diǎn)上；忽略了收放曳綱對網(wǎng)板運(yùn)動(dòng)的影響；假定拖網(wǎng)漁船對網(wǎng)具系統(tǒng)的拖力隨拖速線性變化，利用拉格朗日方程建立了拖網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了單船中層拖網(wǎng)垂直運(yùn)動(dòng)的研究。文獻(xiàn)[9-12]將漁具系統(tǒng)看作一個(gè)整體，利用集中質(zhì)量法建立了網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對漁具系統(tǒng)的三維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。目前的單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法主要存在兩個(gè)方面的缺陷一是利用近似方法來簡化處理漁船和漁具系統(tǒng)的相互影響，文獻(xiàn)[8]假定拖網(wǎng)漁船的拖力隨拖速線性變化，難以正確描述漁船在拖網(wǎng)作業(yè)過程中的船舶操縱性能；二是在漁具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方面，都是將漁具系統(tǒng)看作一個(gè)整體來建立其水動(dòng)力模型，這樣不僅無法進(jìn)行漁船收放網(wǎng)過程的動(dòng)態(tài)仿真，而且也不能夠體現(xiàn)出捕撈過程中曳綱長度變化對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響。因此，需要提出一種新的單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法，以滿足拖網(wǎng)漁船自由巡航過程、拖曳過程以及收放網(wǎng)過程動(dòng)態(tài)仿真的需要。3參考文獻(xiàn)[1]TobiasHaack，StafanKrllger.Propulsionplantmodelsfornauticalmaneuversimulations[EB/0L].http://Simulations冊w.ssi.tuharburg.de/doc/Veroeffentlichungen/2()()4/C()MP:[T20()4—KRUEGER—H:AACK.pdf[2]EivindRuth.Modellingandcontrolofcontrollablepitchthrusterssubjecttolargelosses[D].Trondheim-NorwegianUniversityofScienceandTechnology,2005.[3]SunXiaofeng'，YinYong'，ZhangXiufeng.Researchonkeytechnologiesoffishingvesselssimulator[A].TheSixthInternationalConferenceonSystemSimulationandScientificComputing[C].Beijing:InternationalAcademicPublishersWorldPublishingCorporation,2005:36-40.[4]0yvindNotlanclSmogeli.ControlofMarinePropellers-FromNormaltoExtremeConditions[D].Trondheim-NorwegianUniversityofScienceandTechnology,[5]Hidec)Yabuki，YasuoYhshimura，TsuyoshiIshiguro，etal.TurningmotionofashipwithsingleCPPandsinglerudderduringstoppingmaneuverunderwindycondition[A].ProceedingofthelnternationalConferenceMARSIM,2006[C]Terschelling:MaritimeInstituteWillemBarentsz，2006:M—6—1M—6—9.[6]莊毅.不同工況下調(diào)距槳艦最大航速及最大輪轉(zhuǎn)速研究[D].大連海軍大連艦艇學(xué)院，2008.[7]J.S.Bessormeau，D.Marichal.StudyoftheDynamicsofSubmergedSuppleNets(ApplicationstoTrawls)[J].OceanEngineering,1998，25(7):563-583.[8]Chun-WooLee，Ju—HeeLee.Modelingofamiclwatersystemwithrespecttotheverticalmovements[J].FisheriesScicence，2000，66:851-857.[9]TsutomuTakagi，KatsuyaSuzuki，TomonoriHiraishi.Developmentofthenumericalsimulationmethodofdynamicfishingnetshape[J].NipponSuisanGakkaishi，2002，68(3):320-326.[10]KatsuyaSuzuki，TsutomuTakagi，TakashiShimizuetal.Validityandvisualizationofa皿mbericalmodelusedtodeterminedynamicconfigurationsoffishingnets[J].FisheriesScience,2003，69:695-705.[11]:匕.i—xinZhu，Zhen—丄inLiang，Liu—yiHuang,etc.NumericalSimulationofDynamicofDynamicResponseofSuppleNets[J"].ChinaOceanEngineering,2006，20(3):443-456.[12]Gun-HoLee，Chun-WooLee,Moo-YoulChoe.Implementationofa3DFishingSimulator[EB/0L].htt.p:〃www.nftc.no/NFTC2006/proceedings.html2006.
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種新的單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法，利用該方法建立的單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型能夠滿足拖網(wǎng)漁船自由巡航、拖曳以及收放網(wǎng)過程動(dòng)態(tài)仿真的需要,從而能夠利用該模型在漁船操作模擬器中開展對漁船船員進(jìn)行單船中層單囊拖網(wǎng)漁法的培訓(xùn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下該方法將單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分為拖網(wǎng)漁船和漁具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，又將后者分為拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并利用邊界條件實(shí)現(xiàn)了模型間的耦合。1.基于荷蘭船模試驗(yàn)水池B系列螺旋槳的敞水試驗(yàn)結(jié)果，利用Akima插值獲得了不同類型調(diào)距槳在不同螺距比下的四象限推力系數(shù)和扭矩系數(shù)以及推力和扭矩，并根據(jù)船舶操縱性分離建模理論，建立了拖網(wǎng)漁船的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。2.將漁具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分為拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其基本思想描述如下1)采用有限差分法建立拖網(wǎng)曳綱的水動(dòng)力模型，根據(jù)達(dá)朗伯原理獲得微元段曳綱的動(dòng)力平衡方程和運(yùn)動(dòng)平衡方程,利用有限差分法求解該偏微分方程組，獲得曳綱節(jié)點(diǎn)在每一模型解算時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在建模過程中，將網(wǎng)板視為拖網(wǎng)曳綱的尾部節(jié)點(diǎn)，利用動(dòng)靜法建立網(wǎng)板的平衡方程，并將其作為曳綱模型的尾部邊界條件,拖網(wǎng)曳綱的首部邊界條件則由拖點(diǎn)提供。模型同時(shí)考慮了曳綱長度及收放速度對其水動(dòng)力性能的影響。2)采用集中質(zhì)量法建立網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將網(wǎng)具系統(tǒng)離散為大量質(zhì)量點(diǎn)的集合，根據(jù)牛頓第二定律來建立各質(zhì)量點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型。在建模過程中，將結(jié)節(jié)、沉子和浮子看作球狀物體來計(jì)算其所受的流體動(dòng)力，將目腳看作桿狀物體來計(jì)算其所受的流體動(dòng)力。由于作用在球狀物體上的流體動(dòng)力在各個(gè)方向上相同，而作用在桿狀物體上的流體動(dòng)力同方向有關(guān),本發(fā)明分別建立了結(jié)節(jié)的數(shù)學(xué)模型(適用于沉子和浮子)和目腳的數(shù)學(xué)模型。3)利用曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之間的邊界條件實(shí)現(xiàn)二者的耦合。3.利用邊界條件實(shí)現(xiàn)漁船和漁具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之間的耦合，以體現(xiàn)二者的相互影響。本發(fā)明的有益效果在于1)利用漁船和漁具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型間的邊界條件實(shí)現(xiàn)了二者的耦合，可以正確反映漁船與漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的相互作用，從而構(gòu)建了可用在漁船操作模擬器中的既考慮了拖網(wǎng)漁船又考慮了網(wǎng)具系統(tǒng)的單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)模型；2)將漁具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分為拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并實(shí)現(xiàn)了二者之間的耦合,不僅能夠進(jìn)行漁船收放網(wǎng)過程的動(dòng)態(tài)仿真，也能夠體現(xiàn)捕撈過程中曳綱長度變化對拖網(wǎng)網(wǎng)位的影響。圖1是建立漁船數(shù)學(xué)模型時(shí)所使用的大地坐標(biāo)系0-X。Y。和隨船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系G-xy。圖2是曳綱微元段受力分析示意圖。圖3是建立曳綱數(shù)學(xué)模型時(shí)所使用的曳綱慣性坐標(biāo)系0T-ijk和曳綱局部坐標(biāo)系5P-tnb以及二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖4是建立網(wǎng)具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)所使用的網(wǎng)具系統(tǒng)空間坐標(biāo)系o-xyz和目腳坐標(biāo)系kml-《n4以及二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖5是建立單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)。圖6是所建立的單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)模型解算流程圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地描述單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)包括了拖網(wǎng)漁船與漁具系統(tǒng)，漁具系統(tǒng)又包含了漁網(wǎng)、綱索和屬具(包括網(wǎng)板、沉子和浮子等)。本發(fā)明分別建立了拖網(wǎng)漁船和漁具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過邊界條件實(shí)現(xiàn)了二者的耦合。其中，又將漁具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分為拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。1)拖網(wǎng)漁船操縱運(yùn)動(dòng)的建模根據(jù)分離建模思想，拖網(wǎng)漁船的平面運(yùn)動(dòng)方程在隨船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(如圖1所示)下可表示為(w+wr—(w+/y.)v/'=A;.+A'尸+JTW+A;.+Xv(ot+附,.)<，wt)=);++y+++):、..其中，m為船舶的質(zhì)量；mx，my分別為船舶在縱向和橫向上的附加質(zhì)量；IZZ，Jzz為船舶的慣性距和附加慣性距；X，Y，N為作用在船體上的力和力矩，下標(biāo)的含義為H為裸船體；P為螺旋槳；R為舵；A為風(fēng)；N為漁具系統(tǒng)；U為船舶的合成速度；u,v，r分別為船舶的縱向速度、橫向速度以及轉(zhuǎn)首角速度；x。為船舶重心到船中的縱向距離。作用在調(diào)距槳上的水動(dòng)力計(jì)算模型采取如下所示的四象限表達(dá)式r=(//2)[〖'+(0.7簡D)2](丌/4)D2.C;.仏=(p/2)[〖'2+(0.7tt打D)2]O/4)D2-Z).C';其中，T為不考慮推力減額時(shí)調(diào)距槳縱向推力；Qp為調(diào)距槳扭矩；P為流體密度；D為調(diào)距槳直徑；VA為調(diào)距槳軸向進(jìn)速；n為調(diào)距槳轉(zhuǎn)速；C/，CQ*為調(diào)距槳四象限的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)；YP，NP為調(diào)距槳產(chǎn)生的橫向力和轉(zhuǎn)首力矩；0p為調(diào)距槳盤面比；JP為調(diào)距槳進(jìn)速系數(shù)；Y'，N'是與盤面比和進(jìn)速系數(shù)相關(guān)的調(diào)距槳橫向力和轉(zhuǎn)首力矩的無因次化值。根據(jù)B系列槳的敞水試驗(yàn)結(jié)果，采用如下回歸公式計(jì)算CT*，CQ*:130C;=而S[雄)cos^+単)sinW_130=j^Z[c("")s"/+D("sinWA=0其中，A(k)，B(k)，C(k)和D(k)是同槳葉數(shù)Z，盤面比入和螺距比P/D相關(guān)的回歸系數(shù)；Y為螺旋槳梢0.7半徑處的水動(dòng)力螺距角，且Y=arctan(V"O.7nnD)。結(jié)合B系列槳水池試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)距槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的計(jì)算方法如下(1)槳葉數(shù)Z為4、盤面比0p為0.7時(shí)6①求出給定水動(dòng)力螺距角Y、不同螺距比下P/D的B系列槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)；②利用Akima插值的方法，計(jì)算給定螺距比下調(diào)距槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)。(2)槳葉數(shù)Z為4，但盤面比ep不為0.7，采用下式計(jì)算調(diào)距槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)C;.(4,^,尸/D，力=C;(4,0.7,P/i)j+{C;(4,&,1.0,力)—C.;(4,0.7，1.0，,rr>《(4,^,尸/A力=(4,0.7,i5/A7)—+{C^(4，^Jl.0j)—C;(4,0.7,1.0,"}_(3)槳葉數(shù)Z不為4時(shí),采用下式計(jì)算調(diào)距槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)C;(Z,^,尸/化釣《(4,《)，尸/Z),-)—+{(7;(2，^,1.0,釣-C;(4,^,1.0,仰C;(Z，&，iVi),P)《(4,《"iV化P)>+{《(Z，^,—1.0，p)—C;(4,^,1.0,2)拖網(wǎng)曳綱的建模取拖網(wǎng)曳綱的微元段ds進(jìn)行受力分析(如圖2所示)，根據(jù)達(dá)朗伯原理微元段曳綱的動(dòng)力平衡方程的矢量形式可表示如下凍/然+,+,+，=0本發(fā)明利用如圖3所示的曳綱慣性坐標(biāo)系O廠ijk和曳綱局部坐標(biāo)系P-tnb進(jìn)行曳綱的受力分析。曳綱平衡方程可寫成如下形式Afy'=iyi>+《在不考慮拖網(wǎng)曳綱剛度以及拖網(wǎng)曳綱的扭曲時(shí)，y=(T，vt，vn,vb,e,e)'，矩陣M，N，q分別表示如下00—vAcos#-v—vAsin夕v,cos^+、sin^0一rcos^00r—1000010000100001000000007廳v,l+t'7'00"，-A仏)附00(附A—/7,4,厶)COS0000000000000—(.1+tT)cos-000附i-譜,cos-+(w,v,,—)sin-000腳,《=-(附—/x'l)gsin^+C,.>/l+tT(v(卜,—J",000點(diǎn)，變〗示-("!-,，*cos^+(;VT^f(v,,-./,,)2+(、',,-A)2本發(fā)明利用有限差分法求解上述偏微分方程組，將曳綱分成N段，則共有N+l個(gè)節(jié):的個(gè)數(shù)為6(N+i)個(gè)。對前N個(gè)節(jié)點(diǎn)的偏微分方程在時(shí)間和空間上作中心差分可得6N個(gè)方程，如下所N)為節(jié)點(diǎn)標(biāo)其中，AS為每段曳綱的長度；△t為時(shí)間步長；下標(biāo)j(j=0，1.號(hào)；上標(biāo)i為時(shí)間標(biāo)號(hào)?？紤]曳綱收放速度對曳綱水動(dòng)力性能的影響，則曳綱首節(jié)點(diǎn)速度為漁船拖點(diǎn)處速度與曳綱收放速度的合成，則有(v,。十i，》一十+、)》=v,,/+vp>J+v,/其中，vt。，vn。，vb。為曳綱局部坐標(biāo)系下曳綱首節(jié)點(diǎn)的速度分量，vpx，vpy，vpz為曳綱慣性坐標(biāo)系下拖點(diǎn)處的速度分量。將上式展開，可得由曳綱首部條件給出的三個(gè)代數(shù)方程，表示如下v,o—VcosAcos6>0-vwcosAsin《)—、.s—0-vr=0v0+v戸.sinAcos《,+sin-。sin6>0—v,'z.cos^=0'將網(wǎng)板視為曳綱的尾節(jié)點(diǎn)，根據(jù)達(dá)朗伯原理，網(wǎng)板動(dòng)力平衡方程的矢量形式可表示如下:『+r+F+JB++F固=0其中，^為網(wǎng)板在水中的重量，f為曳綱對網(wǎng)板的拉力，,為作用在網(wǎng)板上的流體力，3為網(wǎng)板的慣性力，《^,《襲2分別為網(wǎng)具的上下手綱對曳綱的拉力。通過網(wǎng)板的受力分析，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚砗?，網(wǎng)板動(dòng)力平衡方程可表示如下1如下(附"—P匕)gsin入-:、'-5P'S'(:盧,h卜(附+Aw)i),+ft=0(附,,—k.cos^—會(huì)a%>|"I—(附+a附)i)"+g=0J"P'S'(>*|"61—(附++込=02'一在時(shí)間方向上對上式進(jìn)行差分，可得由曳綱尾部條件給出的三個(gè)代數(shù)方程，表示1—p〖:)g-sin《——5-ex;11";;'|+-(附+△'")(、，;i，;)=oi.1A/[5p雙"|"AI+^]-(附+Aw)(《-v二)=0通過上述方法可得到包含6(N+l)個(gè)未知變量和6(N+l)方程的定解代數(shù)方程組(其中N為分段數(shù))，求解該方程組可以得到曳綱的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。3)網(wǎng)具系統(tǒng)的建模本發(fā)明利用網(wǎng)具系統(tǒng)空間坐標(biāo)系oiyz和目腳坐標(biāo)系k1DfIn4來進(jìn)行其受力分析，如圖4所示。由于結(jié)節(jié)的流體動(dòng)力系數(shù)在各方向上都相同，本發(fā)明在空間坐標(biāo)系下進(jìn)行其受力分析。根據(jù)牛頓第二定律，結(jié)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方程可表示如F(m,+A附;)i,=K+F義(附,+A附,)見=7;.+Fy(m,十Am,試=7;+f+〖弘其中，m,.，Ami分別為第i個(gè)結(jié)節(jié)的質(zhì)量和附加質(zhì)量，(x,.，z》為結(jié)節(jié)在空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，T，F(xiàn)，W分別為結(jié)節(jié)所受到的彈性力、流體的阻力以及結(jié)節(jié)在水中的重量，下標(biāo)分別表示結(jié)節(jié)所受各力在空間坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量。由于目腳的流體動(dòng)力系數(shù)同其方向有關(guān)，本發(fā)明在目腳坐標(biāo)系下進(jìn)行目腳的受力析。不考慮目腳彎曲對目腳所受水動(dòng)力的影響，根據(jù)牛頓第二定律，目腳的運(yùn)動(dòng)方程可表分示如下:(附,+A"!,,,)《=;+(w,+△〃!,-)#,=7;+/^—+沐9[國]其中，nii為第i個(gè)目腳的質(zhì)量，(L，I,")為目腳在目腳坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，△mK，Amin，An^分別為目腳在l，n，4方向上的附加質(zhì)量；T，F(xiàn)，W分別為結(jié)節(jié)所受到的彈性力、流體的阻力以及目腳在水中的重量，下標(biāo)表示各力在目腳坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量。由于彈性力的作用，所有質(zhì)量點(diǎn)方程組成了--個(gè)非線性微分方程組。將目腳的運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)換到空間坐標(biāo)系F后，網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可表示如下<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>其中，n為漁網(wǎng)中質(zhì)量點(diǎn)的數(shù)目。為提高模型解算實(shí)時(shí)性，本發(fā)明用同第i個(gè)質(zhì)量點(diǎn)相連質(zhì)量點(diǎn)的已知位移代替其實(shí)際位移來求解第i個(gè)質(zhì)量點(diǎn)所受到的彈性力。這樣，第i個(gè)質(zhì)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程可表示如下a",x，z,，*,少,,烏,g，j),為獲得更大的穩(wěn)定求解的時(shí)間步長，本發(fā)明使用Newnark-13算法對漁網(wǎng)各質(zhì)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，Neraiark-e方程表示如下根據(jù)Newraark-15方法，第i個(gè)質(zhì)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程可表示如下y;&,y,:1)=o>本發(fā)明利用牛頓迭代算法求解上述非線性方程組，計(jì)算得到第i個(gè)質(zhì)量點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)軸上的加速度分量后，再根據(jù)Newmark-13方程求出該質(zhì)量點(diǎn)的速度和位移在三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量。4)模型間邊界條件的處理及系統(tǒng)集成在單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)中，漁船、拖網(wǎng)曳綱、網(wǎng)具系統(tǒng)三者之間相互作用，構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)的整體。本發(fā)明通過邊界條件實(shí)現(xiàn)了漁船、拖網(wǎng)曳綱以及網(wǎng)具系統(tǒng)三個(gè)數(shù)學(xué)模型之間的耦合,從而建立了單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。為方便各模型間邊界條件的處理，本發(fā)明將各模型坐標(biāo)系組合為單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)(其中，空間坐標(biāo)系0-XYZ由漁船大地坐標(biāo)系0X。Y。增加垂直軸0Z構(gòu)成，網(wǎng)具系統(tǒng)空間坐標(biāo)系與之重合，Giyz為隨船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，0T-ijk為曳綱慣性坐標(biāo)系，P-tnb為曳綱局部坐標(biāo)系，如圖5所示)，并利用如下方法進(jìn)行模型間邊界條件的處理(1)只放出漁網(wǎng)而沒有放出網(wǎng)板時(shí)，網(wǎng)具系統(tǒng)的兩側(cè)手綱分別與漁船兩側(cè)的絞綱機(jī)相連。此時(shí)，漁船與網(wǎng)具系統(tǒng)間的相互影響如下漁船對網(wǎng)具系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在由于漁船絞綱機(jī)導(dǎo)纜孔處的位置隨漁船的運(yùn)動(dòng)而不斷變化，使網(wǎng)具系統(tǒng)的兩側(cè)手綱首節(jié)點(diǎn)的位置也隨之變化，從而導(dǎo)致網(wǎng)具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化；網(wǎng)具系統(tǒng)將產(chǎn)生作用在漁船上的縱向力、橫向力和轉(zhuǎn)艏力矩，從而對漁船的操縱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。(2)當(dāng)放出漁網(wǎng)及網(wǎng)板時(shí)，兩側(cè)曳綱分別與漁船的絞綱機(jī)相連，而網(wǎng)具系統(tǒng)的兩側(cè)手綱通過網(wǎng)板分別與兩側(cè)曳綱相連。此時(shí)，①漁船與曳綱的相互影響如下漁船對曳綱的影響在于改變了曳綱的位置和速度，進(jìn)而改變曳綱的形狀和張力；拖網(wǎng)曳綱對漁船操縱運(yùn)動(dòng)的影響則是產(chǎn)生作用在漁船上的外力和力矩。②曳綱與網(wǎng)具系統(tǒng)的相互影響如下曳綱對網(wǎng)具系統(tǒng)的影響在于曳綱尾節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)板)位置的變化，導(dǎo)致網(wǎng)具系統(tǒng)的兩側(cè)手綱首節(jié)點(diǎn)的位置隨之變化，從而引起網(wǎng)具系統(tǒng)形狀和位置的變化；網(wǎng)具系統(tǒng)對曳綱的影響在于通過左右兩側(cè)手綱的首節(jié)點(diǎn)對曳綱的尾節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)板)產(chǎn)生一定的阻力，改變了曳綱的尾部邊界條件，進(jìn)而對曳綱的形狀和張力產(chǎn)生影響。通過模型間邊界條件進(jìn)行單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的集成后，模型解算流程如圖6所示。權(quán)利要求一種漁船操作模擬器中單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法，其特征在于該方法將單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分為拖網(wǎng)漁船和漁具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，又將后者分為拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用邊界條件實(shí)現(xiàn)了模型間的耦合；首先，基于荷蘭船模試驗(yàn)水池B系列螺旋槳的敞水試驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)船舶操縱性分離建模理論，建立了拖網(wǎng)漁船的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型；然后，采用有限差分法和集中質(zhì)量法分別建立了拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用模型間邊界條件實(shí)現(xiàn)了二者的耦合；最后，利用邊界條件實(shí)現(xiàn)漁船和漁具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之間的耦合，以體現(xiàn)二者的相互影響。2.如權(quán)利要求1所述的漁船操作模擬器中單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法,其特征在于在所述的漁具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建模方法中，采用有限差分法和集中質(zhì)量法分別建立了拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在拖網(wǎng)曳綱的建模過程中，將網(wǎng)板視為拖網(wǎng)曳綱的尾部節(jié)點(diǎn)，利用動(dòng)靜法建立網(wǎng)板的平衡方程，并將其作為曳綱模型的尾部邊界條件，反映了網(wǎng)板的水動(dòng)力性能對漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響，采用如下方法體現(xiàn)了拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)之間的相互影響(1)曳綱對網(wǎng)具系統(tǒng)的影響在于曳綱尾節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)板)位置的變化，導(dǎo)致網(wǎng)具系統(tǒng)的兩側(cè)手綱首節(jié)點(diǎn)的位置隨之變化，從而引起網(wǎng)具系統(tǒng)形狀和位置的變化；(2)網(wǎng)具系統(tǒng)對曳綱的影響在于通過左右兩側(cè)手綱的首節(jié)點(diǎn)對曳綱的尾節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)板)產(chǎn)生一定的阻力，改變了曳綱的尾部邊界條件，進(jìn)而對曳綱的形狀和張力產(chǎn)生影響。3.如權(quán)利要求1所述的漁船操作模擬器中單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法，其特征在于分別建立了拖網(wǎng)漁船和漁具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并采用如下方法體現(xiàn)了拖網(wǎng)漁船和漁具系統(tǒng)之間的相互影響(1)只放出漁網(wǎng)而沒有放出網(wǎng)板時(shí)，網(wǎng)具系統(tǒng)的兩側(cè)手綱分別與漁船兩側(cè)的絞綱機(jī)相連,此時(shí)，拖網(wǎng)漁船與漁具系統(tǒng)間的相互影響如下漁船對網(wǎng)具系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在由于漁船絞綱機(jī)導(dǎo)纜孔處的位置隨漁船的運(yùn)動(dòng)而不斷變化,使網(wǎng)具系統(tǒng)的兩側(cè)手綱首節(jié)點(diǎn)的位置也隨之變化，從而導(dǎo)致網(wǎng)具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化；網(wǎng)具系統(tǒng)將產(chǎn)生作用在漁船上的縱向力、橫向力和轉(zhuǎn)艏力矩,從而對漁船的操縱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響；(2)當(dāng)放出漁網(wǎng)及網(wǎng)板時(shí)，兩側(cè)曳綱分別與漁船的絞綱機(jī)相連，而網(wǎng)具系統(tǒng)的兩側(cè)手綱通過網(wǎng)板分別與兩側(cè)曳綱相連，此時(shí)，拖網(wǎng)漁船與漁具系統(tǒng)間的相互影響如下漁船對漁具系統(tǒng)的影響在于改變了曳綱的位置和速度，進(jìn)而改變曳綱的形狀和張力，并通過拖網(wǎng)曳綱與網(wǎng)具系統(tǒng)的邊界條件對網(wǎng)具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響；漁具系統(tǒng)對漁船操縱運(yùn)動(dòng)的影響則是通過拖網(wǎng)曳綱產(chǎn)生作用在漁船--匕的外力和力矩，從而對漁船的操縱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。4.如權(quán)利要求1所述的漁船操作模擬器中單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法，其特征在于本系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型預(yù)留了與助漁作業(yè)相關(guān)的接口，可以方便地應(yīng)用在漁船操作模擬器中。全文摘要一種漁船操作模擬器中單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法，該方法將單船中層拖網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分為拖網(wǎng)漁船和漁具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，又將后者分為拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用邊界條件實(shí)現(xiàn)了模型間的耦合。首先，建立了拖網(wǎng)漁船的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型；然后，采用有限差分法和集中質(zhì)量法分別建立了拖網(wǎng)曳綱和網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并利用模型間邊界條件實(shí)現(xiàn)了二者的耦合；最后，利用邊界條件實(shí)現(xiàn)漁船和漁具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之間的耦合，以體現(xiàn)二者的相互影響。本發(fā)明可以正確反映漁船與漁具系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的相互作用，也能夠進(jìn)行漁船收放網(wǎng)過程的動(dòng)態(tài)仿真，還能夠體現(xiàn)捕撈過程中曳綱長度變化對拖網(wǎng)網(wǎng)位的影響。文檔編號(hào)G09B9/06GK101707014SQ200910219959公開日2010年5月12日申請日期2009年11月16日優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日發(fā)明者任俊生,任鴻翔,劉秀文,孫霄峰,尹勇,張新宇,張顯庫,張秀鳳,谷偉,金一丞申請人:大連海事大學(xué)