船舶行业主要3D软件
1、Tribon
Tribon 系统是由瑞典KCS(Kockums Computer System AB)公司设计开发的一套用于辅助船舶设计与建造计算机软件集成系统。Tribon集CAD/CAM(计算机辅助设计与制造)与MIS(信息集成)于一体，并覆盖了船体、管子、电缆、舱室、涂装等各个专业的一个专家系统。总体上Tribon系统可分为船体设计、舾装设计、系统管理及维护三大部分。该软件是一个出色的集成系统，也是一个庞大的系统(系统程序约500 MB)，它具有许多其他系统所不具备的优点。Tribon推出的新版本较过去添加了很多新的功能，如在设备选择、合同设计等方面的功能.我国使用该设计软件系统的公司有：广船国际股份有限公司、江南造船（集团）有限公司等。对我国的用户来说，该软件存在的缺点有：数据开放性不够，数据库系统自成一套与常用的数据库缺少接口等。
2、FORAN
NAPA 公司首次在船舶设计软件中采用3D技术，并在船舶初步设计和基本设计阶段提出了3D NAPA船舶模型的概念，这一概念己得到广泛认同。利用NAPA Steel设计师们可以在较短时间内迅速完成结构初步设计和重量、成本计算，生成可供送审的技术文件和图样，并根据需要生成结构有限元计算所需的网格模型。在NAPA于2003.1发布的版本中具有的最新的功能之一是提供了许多软件与NAPA Steel之间的接口，比如说Tribon Hull和Nupas-Cadmatic，以及其它一些典型的经常使用的船舶设计系统。其中与Tribon之间的接口可以实现：曲线的转换、表面的转换、图的转换等。
FORAN软件是一个囊括了船、机、电、涂、舾装各个专业的强大设计软件。
在船舶设计和建造中，从开始的方案设计、初步设计和送审设计阶段，直到详细的施工设计阶段，FORAN都是赖以降低成本、提高生产效率的主要工具。
本系统可以应用在所有船型的设计建造，且不受船舶尺寸的限制，同时可以根据不同用户的特定需求进行客户化定制。
FORAN代表了船舶CAD/CAM/CAE技术的前沿，
为造船的全过程提供了集成化的解决方案，包括船型尺寸、船型系数计算、船体结构、机械设备、舾装、电气设施、舱室设计等，所有功能可在分布式工作环境下、应用并行工程的概念完成。
FORAN 的开发和维护者SENER Ingeniería y Sistemas SA公司，是西班牙最大的私营独资的工程公司。利用50年的船舶设计经验，SENER保证其最终产品是可信赖的、高效的工具，帮助用户实现其唯一的目标：让船舶的设计和建造更快、更好、更节省。
3、CADDS 5i
CADDS 5i是PTC公司针对船舶、航空、航天行业推出的产品，空中客车、劳斯莱斯、波音公司BAE系统、洛克希德马丁、美国联防公司、中国的CSIC(中船集团)等约2000个客户已经成功地应用了这套解决方案。该产品在世界造船市场的份额也为15％。这个软件主要包括船体、管系、舾装、电力、空调通风系统等几大模块。船体模块主要进行船体结构辅助设计，可输入输出全部船体制造所需的数据。管系施装模块则提供了管系设计和制造所需的所有工具，包括3D管系布置。空调通风模块所提供的工具可支持开发大型HVAC(热力、通风与空调)系统及其结构的能力，并生成制造输出数据。电气系统模块提供的功能可支持船舶电气系统的开发，其中包括布线示意图、3D电缆通道网络、3D布线以及电缆通道支撑结构。通过从可用于船舶系统的设备和电缆库中进行选择，用户可以创建示意图。国内有部分船厂在使用NAPA软件进行详细设计，使用Tribon做生产设计，而CADDS 5i可以很好的与他们进行互通。我国该软件已在江南、大连、辽南、武昌、长江船舶设计院等船厂和设计院使用。
4、CATIA
法国Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业。其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。CATIA的产品开发商Dassault System 成立于1981年。而如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美圆。雇员人数由20人发展到2，000多人。
CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。
5、挪威DNV公司的Nauticus
6、德国劳氏的Poseidon
7、中国的SD3DS
船舶制造三维设计系统SB3DS是上海申博信息系统工程有限公司（中国船舶工业第十一研究所控股）和上海船厂联合开发的，基于AUTOCAD平台的，以三维建模技术为核心的，面向船舶设计和制造的计算机集成系统。其开发目标是为船舶设计和制造单位提供一套完整的，数据自上而下传递的，符合当今国内船舶制造先进生产模式的，内容覆盖船舶总体设计、船体初步设计、详细设计、生产设计和舾装、涂装生产设计的计算机辅助系统。该系统通过建立产品电子数字模型来实现虚拟建造和仿真检验，并提供完整的生产设计图纸和统计报表，为深化生产设计，促进造船企业转模创造条件。
以上为目前国内常用的几种船舶设计软件，但不知各占比例为多少，可能还跟企业大小来划分，请前辈介绍一下使用心得体会，也好为后来者提供一些参考意见。就好比机械、模具行业的Pro/e、UG、Solidworks等软件一样，对后辈们来说选定那种软件是较重要的决定，目前Pro/e占有比例还是较多的，但新手们都愿意学UG，有后来居上之势，在机械领域内Solidworks可是来者不善。
船舶设计软件对比(转自国外论坛，https://www.doczj.com/doc/638821243.html,龙de船人草译)
TRIBON M3是一个船舶设计综合软件，有助于在设计和生产过程保证高质量。TRIBON的第一个软件包是TRIBON Solution( 曾用名kockums computer systerms）。在2004TRIBON Solution被AVEVA集团（以前叫Cadcentre）收购。M3是tribon的最新版本。它包括初始设计模块，基本设计，船体建模，船舶配件模块，装配计划和工件准备模块。运行于windows系统在造船工业排他性发展。（https://www.doczj.com/doc/638821243.html, 注：言下之意是说tribon和其他程序的接口、兼容等方面过于保守）
vantage marine是AVEVA基于已有著名的PDMS（工厂设计管理系统）发展的新产品。vantage marin e的意义在于它是PDMS配件模块和tribonM3船体和基本应用程序的联合产物。
FORAN是另一个综合性船舶设计系统。由SENER开发，一个1956年成立的私营的工程和咨询公司，为高科技方面的问题提供解决方案。FORAN涵盖了船体和配件设计功能，同时还有一个辅助模块。在辅助模块里，设计者既可以基于2D图纸又可以应用3D方法进行工作。两个工作模式都可以模糊的使用以得出相同的结果。FORAN的造船模块包括完整的静水力计算，线型优化，自重计算等等，舱容划分，装载状况，完整的动力学计算和分析，船舶动力和操纵性。
NUPAS-CADMATIC是由Cadmatic Oy和Numeriek Centrum Groningen B.V联合投资的。它是唯一一个面向船厂和其他有意提高设计制造效率的CAD/CAE/CAM解决方案。它是新一代船体、轮机、管系、配件、舾装的开放软件，最好的是还提供多种多样的产品信息。可以看一下可用的软件模块清单。（www.tri https://www.doczj.com/doc/638821243.html,注：估计有DEMO免费下载）
intelliship由intergraph开发，专门面向造船过程和商业需求。intelliship提供一个全系列可变的船舶设计，产品和单一综合环境下生命周期管理。intelliship6.0现免费开放，提供提供新的功能，增加了设计，制造规划，结构制造和图纸模块。intergraph现在提供intelliship配件设计模块和同aveva tribon 船体模型的接口。这个功能允许tribon的用户在继续使用tribon做结构工作同时能够采用intergraph先进的配件技术。（https://www.doczj.com/doc/638821243.html,注：intergraph的配件舾装技术先进，tribon的船体结构先进，两者有接口可以互相结合。估计是intergraph攀亲）
autoship船体设计、船体型线程序揉合了基于NURBS数学的windows图形交互界面技术，船体型面高端CAD标准提供快速有效创建任意船体线型，无论是竞技艇或是超级油轮，包括上层建筑和其他附加结构。autoship系统公司提供全系列建模解决方案。它们有autoyacht ,autohidro,autonest等等。可以访问它们的网页获得全部产品名单和详细信息。（https://www.doczj.com/doc/638821243.html,注：autoship系统公司官网为www.autoship.co.u k/）
shipc*****tructor
3D产品模型－计划编制－校核－产品输出
shipc*****tructor运用所有船舶设计方面的3D模型，包括船体光顺，放样，设备，管系，penetrati*****和HVAC.输出的图形和报告结合了建造方针计划，钢板套料，船体型表面套料，装配图和管路图，同时还包括NC－coding.
所有模型结合SQL数据库可以方便工程管理，也可以轻松和其他数据库系统配合使用。
CATIA V5是一个领先的制造业产品开发解决方案。CATIA V5可以应用于各种工业部门，比如航空航天，汽车，工业机械，电器，电子，造船，工厂车间设计，还有消费品，包括设计珠宝和服装等多样产品。它促进了多元化企业真正的工程协作，包括风格和外形设计，机械设计和配件和系统工程，管理数字模型，加工，分析和仿真。
附件： 大型船舶操纵模拟器技术需求书 一、设备总体要求 1、大型船舶操纵模拟器包括: 1）教练员控制站1套； 2）主本船及视景系统1套； 3）副本船及视景系统2套； 提供系统的总体框架（包括应急备用系统），主要硬件设备的型号、性能指标和备品清单。 2、模拟器中的各本船功能完备 可完整地模拟船舶驾驶台操作环境，具有较高的仿真精度，可用于包括在受限水域进行高级操纵和引航训练。 可以进行STCW78/95公约所规定的模拟器培训和适任评估。模拟器的性能指标满足挪威船级社（DNV）有关大型船舶操纵模拟器的性能标准和其他国际公认的模拟器标准，满足国家海事局关于“大型船舶操纵模拟器”、“驾驶台资源管理”、“雷达/ARPA模拟器”培训大纲的训练要求。 模拟器应采用当今先进的技术手段和方法，具有一定的先进性和前瞻性。 二、主本船的技术要求 主本船具有一个与实船驾驶台相似的环境，拥有一套完整的仪器设备面板，设备功能和操作性能可达到实际硬件设备所能完成的功能。主本船具有5个通道，水平视场角应达到180°、垂直视场角不小于25°的大屏幕柱幕投影视景系统，每个视景通道的分辨率至少为1024×768，采用几何校正和边缘融合软件校正技术，做到视景真正无缝拼接和高亮度显示，为操作人员提供最接近真实的景象，并提供望远镜及漫游通道，可用于漫游观测和望远镜观测周围360°范围的视景。 主本船的功能要求如下： 1、电子海图显示系统 电子海图显示系统应符合有关ECDIS性能标准的要求。应具有无级放大和缩小、区域放大、自动漫游、分层显示，白天、黑夜、晨昏和朦胧显示；应具有海图要素拾取、航线设计，
可进行海图编辑、改正。提供可覆盖中国沿海港口、主要水道及世界常用海域（至少应包括马六甲海峡、新加坡水域、英吉利海峡等）海图。 2、以ECDIS为背景的船舶动态显示 在ECDIS上可动态显示本船、目标船及拖轮的船位。其大小随船舶吨位大小变化。本船靠离码头时缆绳的受力情况。 3、船舶运动数学模型 船舶运动数学模型至少10个类型。 每种类型中应包括不同吨位与载况的模型。船舶运动数学模型中包括影响本船运动的各种效应（车、舵、锚、缆、风、流、拖轮、岸壁效应、船间效应、浅水效应等），附有精度说明及测试结果。根据车、舵、锚、缆、拖轮的操作，航行环境信息（风、流、潮汐等），实时解算本船的运动参数（船位、航向、速度、航向变化率、加速度等）。 4、舵控制 具有可进行选择的随动舵、自动舵、应急舵。 命令舵角、实际舵角、船舶转头速率、三面舵角指示器、航向的动态显示。 陀螺分罗经指示器动态变化。 提供自动舵控制、操作单元以及应急舵控制手柄。 5、车钟控制 根据船舶模型本身的推进器套数，可使用单车或双车控制。 主机转速、空气启动压力动态变化。 6、可变螺距调节 对采用可调螺距桨的船模，可进行螺距调节，螺距指示动态显示。 7、船舶艏、艉侧推控制 对有艏、艉侧推的船舶，可进行艏、艉侧推的控制，并实时显示螺距比。 8、本船缆的控制 根据船舶的大小，可同时进行多达20根缆的带缆、解缆、绞缆操作，绞缆速度可调。在电子海图上可选择缆桩或浮筒的位置，可动态显示每根缆的长度和受力动态显示。 9、本船锚的控制 用锚操作面板进行左、右锚的操作（抛锚、绞锚、松放、刹停），并动态显示锚链的长度和张力。 10、本船拖轮的控制
船舶在波浪中航行时的安全操纵 关于船舶在波浪中航行的纯稳性丧失，国内外学者进行了大量的研究，文献[1]、[2]采用波浪中船舶瞬时湿表面的计算方法，得出了稳性变化与波浪要素之间的相互关系；文献[3]、[4]通过船舶操纵运动方程，运用流体动力学理论，将波浪运动的影响引人操纵方程，并对船舶稳性的影响进行了模拟计算。对于船舶驾驶员来说，仅从静态上了解衡量船舶稳性是否满足稳性规范的要求是不够的，更重要的是要从动力学的角度出发，了解和掌握在恶劣的天气条件下，船舶在波浪中的稳性变化规律，保证船舶以适应于稳性要求的姿态正确航 行。 1 稳性变化的原因分析 根据文献[5]，船舶在波浪中航行时，由于船体浸水体积的变化，使得正浮时的浮心B移至B*。根据静力学理论，对于横倾θ度的船舶，波浪中的复原力臂GZ*值与静水中的复原 力臂GZ值之间的差值可由式（1）确定。 ΔGZ=（B*R-BR）-BB*Sinθ（1） 由式（1）可以看出，船舶在波浪中的稳性变化是由于形状稳性和浮心位置的变化所引起 的。 为了具体地表现这种内在的关系，把GZ改写为表示动稳性的稳性高度GM，有： GM=I/V-BG（2） 式（2）中，I为水线面的惯性矩，V为船舶水下排水体积，BG为船舶浮心至船舶重心的垂直距离。由于波浪的影响，船舶的排水体积变为V+ΔV，水线面的惯性矩变为I+ΔI，浮心由B移至B*，则GM的变化GM+ΔGM可近似地表示为： GM+ΔGM=I/V（1+ΔI/I-ΔV/V）-B*G（3） 利用BM=I/V的关系，GM的变化量ΔGM可按下式求得：
ΔGM=BM（ΔI/I-ΔV/V）-BB* （4） 通过式（4）可以看出，导致船舶在波浪中的稳性变化是由于船舶的排水体积和水线面惯性矩的变化以及浮心位置的移动而引起的。第一项为舷侧外漂和船体浸水体积变化引起的BM的变化量表示由注心上下移动引起的变化量。 2 稳性变化与海浪之间的关系 防止船舶因稳性丧失而导致倾覆，是船舶驾驶员最为关心的问题。IMO亦已通过《在随浪和尾随浪情况下避免危险局面的指南》，其目的在于给船长在随浪和尾随浪航行时提供避免危险局面的建议。对于驾驶员来说，了解船舶姿态与波浪之间相互位置关系而导致船舶稳性的变化，从而采取和选择安全的操船方案有着重要的意义。 2.1 波长与船长比（λ/L）对稳性的影响 稳性变化主要是浮在波面上的船体的水线面惯性矩I的增减引起的，并与波浪的大小和船舶的尺度有关。图l给出了在波高H固定不变，波长与船长比（λ/L）变化、以及波浪位 于船舶各种相对位置时的GZ曲线。 从图1可以看出，当船中位于波谷（ξG/λ=0）时，由于船体前后部的水线面惯性矩与静水中相比，其数值是增加的，因而船舶的稳性也是增加的；当船中位于波峰（ξG/λ=0.5）时，由于水线面的惯性矩减少了，故船舶的稳性也随之减小。另外，从图1还可以看出，这种由船体前后部水线面惯性矩的增减引起的稳性变化，当波长等于船长时，其稳性变化量最大，随着波长的增加，其稳性变化量有减少的趋向。
摘要 船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心。目前，船舶运动数学模型建模中主要有两大流派：以Abkowite为代表的整体型结构模型和日本拖曳水池委员会（JTTC）提出的分离型结构模型，简称MMG模型。本文主要是对于船舶的回转运动进行研究，采用的是MMG模型。根据13000T散货船的主要参数，通过计算求出所需的相关量，建立了船舶的线性响应型模型。在此模型的基础上，利用MATLAB中的Simulink模块将此数学模型在该软件中建立一个仿真模型。在Simulink中对建立的仿真模型进行运行得到船舶运动参数。通过Simulink的外部模式将仿真结果变成实时输出数据，利用RS232发送并接受数据，用Visual C++连接数据库和RS232的数据提取，再利用Visual C++与SQL的接口读取数据，并通过OSG进行实现船舶回转运动的可视化虚拟仿真。 关键词：船舶回转运动；数学模型；Simulink；视觉仿真；OSG
Abstract The ship motion mathematical model is the problem’s core about the ship motion simulation and control. Currently, there are two major schools in the ship motion mathematical model’s modeling: the overall structure model represented by Abkowite and the separation of structure model referred to as the MMG model proposed by the Japan Towing Tank Committe e (JTTC). This article mainly research on the rotary movement of the ship, using the MMG model. Based on the 13000T bulk carrier’s main parameters, we obtain the required relevant amount by calculating. Then we establish the linear response model of the ship. On the basis of this model, we transfer this mathematical model into a simulation model with the Simulink module of MATLAB. In Simulink, we get the ship motion parameters through running the simulation model. Through Simulink’s external mode, we converse the simulation results into real-time output data, using a standard serial port RS232 to send and receive data. Then we use Visual C++ to connect the database with RS232 data extraction. Using Visual C++ interface with SQL to read database, and conducted by OSG to enable visualization of the ship turning motion of the virtual simulation. Keywords: ship turning motion；mathematical model；Simulink；visual simulation；OSG
船舶静止在波浪上的外力计算 一、整体计算过程（计算思路） 两个假设： 1、假设船舶以波速在波浪的前进方向上航行，即船与波的相对速度为零； 2、假设船体是在重力和浮力作用下静平衡于波浪上的一根梁。 计算思路： 1、船舶外力计算的目的是进行强度校核，应保证： []max σσ≤ 其中，max σ为船体断面最大正应力，[]σ为许用应力。 2、应力计算根据梁的弯曲理论由下式给出： M Z I σ=? 其中，M 为计算断面的弯矩；I 为横断面绕水平中和轴的惯性矩；Z 为计算应力点到中和轴的距离。 3、船体梁在载荷作用下纵纵弯曲产生的弯矩有两部分构成：静水力弯矩和波浪附加弯矩： s M M M ω=+ 整体计算步骤： 1、计算不同装载状态下静水弯矩和波浪附加弯矩以及静水剪力和波浪附加剪力； 2、计算总纵弯矩； 3、计算船体断面的最大正应力； 4、根据许用应力进行强度校核。 波浪要素和装载状态： 1、计算波浪附加弯矩时，标准波浪的波形取为坦谷波； 2、应考虑四种装载状况：满载出港、到港，压载出港、到港
二、各部分计算过程详解 1、静水弯矩计算 两个必要条件：1）船体浮力等于重力；2）重心和浮心在同一铅垂线 静水弯矩计算核心公式： ()()() ()()()()00x x q x x b x N x q x dx M x N x dx ω=-?=???=? ?? 静水力弯矩计算步骤： 1) 绘制重量曲线； 2) 绘制浮力曲线； 3) 求出重量曲线和浮力曲线的差值()q x ，作为船体梁的载荷强度； 4) 根据上面的公式计算静水弯矩。 重量曲线绘制方法： 绘制重量曲线时，必须根据静力等效原则合理分布，满足以下四个要点：重量不变，重心不变，范围一致，均匀分布 围长法：核心是假设船体结构单位长度重量与剖面围长成比例； 抛物线法：核心是假定船体与舾装品总重量构成的重量曲线可以用抛物线和矩形之和来表示； 梯形法：将船体重量近似地用梯形曲线表示； 局部性重量：根据静力等效原则进行合理分布。 浮力曲线绘制方法： 浮力曲线由邦戎曲线得出，由于船舶并非处于平浮状态，所以必须进行纵倾调整，调整方法为解析法和逐步近似法，其中逐步近似法计算过程： ● 按给出的平均吃水m d ，浮心纵向坐标b x ，水线面漂心f x 以及纵稳心半径R ，计算首尾吃水： 22g b f m f g b a m f x x L d d x R x x L d d x R -???=+- ??????-???=-+ ????? ● 确定首尾吃水后，利用邦戎曲线求出对应吃水线时的浮力曲线，可计算出排水体积1V 和浮心纵向坐标1b x 的第一次近似值； ● 将求的的两个数值与给定的排水体积0V 及重心纵向坐标g x 比较，相差较大时，必须作第二次近似计算，由下式确定新的首尾吃水：
第6章 船舶运动控制系统建模应用 6.1 引 言 数学模型化(mathematical modelling)是用数学语言(微分方程式)描述实际过程动态特性的方法。在船舶运动控制领域，建立船舶运动数学模型大体上有两个目的：一个目的是建立船舶操纵模拟器(ship manoeuvring simulator)，为研究闭环系统性能提供一个基本的仿真平台；另一个目的是直接为设计船舶运动控制器服务。船舶运动数学模型主要可分为非线性数学模型和线性数学模型，前者用于船舶操纵模拟器设计和神经网络控制器、模糊控制器等非线性控制器的训练和优化，后者则用于简化的闭环性能仿真研究和线性控制器(PID, LQ, LQG, H ∞鲁棒控制器)的设计。 船舶的实际运动异常复杂，在一般情况下具有6个自由度。在附体坐标系内考察，这种运动包括跟随3个附体坐标轴的移动及围绕3个附体坐标轴的转动，前者以前进速度(surge velocity)u 、横漂速度(sway velocity)v 、起伏速度(heave velocity)w 表述，后者以艏摇角速度(yaw rate)r 、横摇角速度(rolling rate)p 及纵摇角速度(pitching rate)q 表述；在惯性坐标系内考察，船舶运动可以用它的3个空间位置000,,z y x (或3个空间运动速度 000,,z y x &&&)和3个姿态角即方位角(heading angle)ψ、横倾角(rolling angle)?、纵倾角 (pitching angle)θ (或3个角速度θ?ψ&&&,,)来描述，),,(θ?ψ称为欧拉角[4](见图6.1.1)。 显然T ],,[w v u 和T 000],,[z y x &&&以及T ],,[r q p 和T ],,[θ? ψ&&&之间有确定关系[4]。但这并不等于说，我们要把这6个自由度上的运动全部加以考虑。数学模型是实际系统的简化，如何简化就有很大学问。太复杂和精细的模型可能包含难于估计的参数，也不便于分析。过于简单的模型不能描述系统的重要性能。这就需要我们建模时在复杂和简单之间做合理的折中。对于船舶运动控制来说，建立一个复杂程度适宜、精度满足研究要求的数学模型是至关重要的。 图6.1.1的坐标定义如下：000Z Y X O -是惯性坐标系(大地参考坐标系)， 为起始 位置，0OX 指向正北，0OY 指向正东，0OZ 指向地心；o -xyz 是附体坐标系，为船首尾之间连线的中点，ox 沿船中线指向船首，oy 指向右舷，oz 指向地心；航向角ψ以正 北为零度，沿顺时针方向取0?～360?；舵角δ以右舵为正。对于大多数船舶运动及其控制问题而言，可以忽略起伏运动、纵摇运动及横摇运动，而只需讨论前进运动、横漂运动和艏摇运动，这样就简化成一种只有3个自由度的平面运动问题。图6.1.2给出图6.1.1经简化后的船舶平面运动变量描述。 船舶平面运动模型对于像航向保持、航迹跟踪、动力定位、自动避碰等问题，具有足够的精度；但在研究像舵阻摇、大舵角操纵等问题时，则必须考虑横摇运动。本章根据刚体动力学基本理论建立船舶平面运动基本方程，据此进一步导出状态空间型(线性和非线性)及传递函数型船舶运动数学模型，并考虑了操舵伺服系统的动态特性和风、浪、流干扰的处理方法。这些结果将作为设计各种船舶运动控制器的基础。计及横摇的四自由度船舶运动数学模型参见文献[5]。 ψ
船舶操纵运动波浪力计算 2.1 不规则波入射力计算模型 依据概率统计理论，不规则波的波面可以看作是由一系列具有不同的频率、波数、波幅、传播方向以及随机分布初相位角的规则波叠加而成。在实际应用中寻求海浪的统计特性，通常采用“波能谱”的概念来描述海浪。 海浪形成的过程是风把能量传递给水的过程。这一过程大致可分为两个阶段，第一阶段为波浪生长阶段，当风最初作用于海面上时，海面开始出现较小的波，随着时间的增长，风不断地把能量传递给水，波浪越来越大，显然这一阶段海浪是比较复杂，其统计特性随时间不断变化，这一阶段的海浪描述描述相当复杂。但是，当波浪渐趋稳定时，波的能量达到一定值，其统计特征基本上不随时间变化，为了这一阶段海浪的数学描述，应用波谱密度函数，从大量观察分析结果表明海浪以及船舶在波浪中的运动等均属于狭带谱的正态随机过程，因此基于以下假设： 1．波浪为弱平稳的、各态历经的、均值为零的正态(高斯)随机过程。 2．波谱的密度函数为窄带。 3．波峰(最大值)为统计上独立的。 由波的方向性谱密度，不规则波的波面可用下列随机积分表示来描述： ??- ∞ +-+=220 ),(2)],()sin cos (cos[),,(π π?θωθωθωεωθηθξηξ?d d S t k t （2-1） 其中，),(θω?S 为波谱密度函数，表示了不规则波浪中各种频率波的能量在总能量中所占的份量。 仅考虑波沿主浪向运动的情况，并将式（2-1）转化为随船坐标系下表示为： ?∞ +--=0 )(2)]()sin cos (cos[),,(ωωωεωμμ??d S t y x k t y x e （2-2） 为了方便计算，将波能谱密度函数进行离散，用求和形式代替上式的积分如下： ∑=+--?=n i i ei i i t y x k S t y x 1 ])sin cos (cos[)(2),,(εωμμωω?? （2-3） 其中，相位角i ε可视为均匀分布在（0，2π）区间内的随机变量。 由于不规则波可看作是多个规则谐波分量叠加的结果，因而航行于不规则波浪中的船舶所受到的主干扰力仍然依据傅汝德-克雷洛夫（Froude-Krylov ）假设。 类比规则波主干扰力的推导过程，深水中不规则波浪对船体的主干扰力（力矩）仍然是对压力差沿船体表面进行的积分，同样将船体简化成箱体，经推广可得不规则波对船体的主干扰力和力矩的数学模型表达如下：
船舶在波浪中 的运动 学号：M93520070 姓名：赖建中
?简介 ?操纵数学模式 ?运动数学模式 纵移（Surge）、横移（Sway）、上升下潜（Heave）、横摇（Roll）、纵摇（Pitch）、偏摇（Yaw）
? 船舶在海上行进时的反应是一个非常复杂的非线性现象，因为不只有波浪作用力，同时船本身也有一个前进的动力存在。 ? 规则波 单方向不规则波 多方向不规则波 操纵数学模式 ? 使用日本MMG( Mathematical Modeling Group)流力模式。 ? 船舶、螺桨、舵单独性能为基础再加上三者的扰动效应。 ? 只考虑船舶纵移(surge)、横移(sway)、平摆(yaw)、横摇(roll)。 坐标系 ? 空间固定坐标 ? 船体固定坐标 ? 船体固定坐标与水面平行。 ? 地球公转与自转效应忽略。 →→
运动方程式 ? 如果将 定在船体重心 上 ? 不考虑起伏(heave)、纵摇(pitch) ? 角速度 ? 重心速度相对于空间固定坐标的转换 ? 重心速度相对于水的速度转换成相对于地球的速度。 船舶-流体力与力矩，附加质量和黏滞度影响 ? 流体力系数可视为只与船舶之瞬间运动状态有关，此即所谓的准定态(quasi-steady)处理方式。 ? 考虑横摇运动 O G ()()() H eave X m u w p vr Sur ge Y m v ur w p Sw ay Z m w vp uq ??? ?? ?? =+-=+-=+- ()()() R ol l Pi t ch Yaw x z y y x z z y x K I p qr I I M I q r p I I N I r pq I I ??? ?? ?? =+-=+-=+- () pr op ps I I n Q Engi ne += () () X m u vr Y m v ur ?? ??? =-=+ p q r φ θ???????? ??? 00cos si n si n cos X u v Y u v ???? ?????=-=+