船舶剩余阻力系数计算平台的实现_李同山.docx

DOI ： 10. 16411/j. aiki. issnl006 7736. 2007. 01. 007 第 33卷第 1期 大连海事大学学报 Vol.33 No. 1 2007 年 2 月 Journal of Dalian Maritime University Feb 2007 文章编号 ： 1006-7736(2007)01-0025-04 船舶剩余阻力系数计算平台的实现 李同山 洪碧光 孙洪波 谢广伟 2 (1.大连海事大学航海学院，辽宁大连 116026; 2.舟山引航站，浙江舟山 316000) I®要：根据蓝波一奥芬凯勒图谱，利用非线性最小二乘法对船舶剩余阻力曲线进行了曲线拟合，将得到的方 程系数保存为文本文档，建立 VB与文本文档的检索方法，开发出船舶剩余阻力系数的计算平台 .根据界而中 输入的船型参数，利用计算机在数据中进行检索、内插，从而达到直接计算剩余阻力系数的目的 .通过计算实 例与实验结果比较，计算结果的精度完全能够满足船舶动态仿真的需要 . 关键词：船舶操纵性；运动仿真；剩余阻力系数；蓝波一奥芬凯勒图谱 中图分类号 :U 661.311 文献标识码 :A 0引言 在建立船舶运动数学模型、进行船舶运动仿 真、评价船舶操纵性能时，一个最关键的问题是如 何确定作用于船体上的直航阻力 .船舶直航阻力 的计算方法，无外乎是模型实验法或是近似估算 法 .从经济角度上看，目前常用的是近似估算法， 依其资料来源可分为以下三种：母型船数据估算 法 (海军系数法、引伸比较定律法、基尔斯修正母 型船剩余阻力法 1)、船模系列资料估算法（泰洛 (Taylor)法、陶德 (Todd)法 )和依据归纳船模和实 船资料估算法 2_3.在上述的三种阻力估算方法 中，由于给出的数据的限制，常用的是第三种方 法，其有两个典型的算法： (1) 艾亚 (Ayre)法 .该方法的适用范围较广， 特别对中、低速船的估算结果与船模实验结果的 吻合性尚好，但由于其统计的资料仅代表 20世纪 40年代以前的船型，因此用于近代船型，如肥大 型船，往往误差较大，甚至船型要素超过艾亚法给 定的范围 .此外，该方法全部由统计资料所得，故 在理论上有其难以解释之处，这也是其不足之处 . * 在工程中常用的是第二种算法，即蓝波一奥芬凯 勒法 . (2) 蓝波一奥芬凯勒 （ Lap-Keller)法 .该方法 是将船舶的剩余阻力和摩擦阻力分开计算 .其中 摩擦阻力系数按照桑海公式计算，计算公式可在 文献 4中查取 ;粗糙度补贴系数 AC； 可根据船 长选取4.而剩余阻力系数可由蓝波一奥芬凯勒 图谱查得 .该图谱系根据荷兰瓦根宁船模实验池 所做的 107艘单螺旋桨大型船舶的模型实验结果 分析整理得到 .但蓝波一奥芬凯勒法中图谱的表 达形式为 G。 fx 103 = /(¥ = 6.5， AM * 收稿日期 :2006-08-25. 作者简介 :李同山 （ 1981 )，男，江苏泰州人，研究生 ;E-mail: tongshanlil223 126. com 26 大连海事大学学报 第 33卷 船舶剩余阻力曲线图和船舶剩余阻力曲线随航速 变化的曲线图，所得曲线精度完全满足动态仿真 的要求 . 1船舶剩余阻力系数的构成 1.1数据来源及存贮结构和检索方法 本文数据主要采用蓝波一奥芬凯勒图谱中 图谱曲线拟合后的六阶方程 AM X 1 3 s ai JcpL( -r 中的 7个系数 （ a6, a.Sr CI41 Cl2 Cl ). 奥芬凯勒图谱由 5张曲线图谱 (分别用 A, B， C， D， E表示）和一张索引图谱构成 .对每张曲线图谱中 的 Cp从 0.6 0.85每隔 0.01给出的共 26条曲 线，运用非线性最小二乘法 5_6进行曲线拟合，从 而给出了每张图谱的拟合数据 （ a6, a5, a3, a2, a, a )k" k = 1， 2， ， 26本文以 （ a6, as，a4. ， 办 ai， a )t， 灸 =1， 2， ， 26为数据项，并将 数据保存在 “ *.txt” 格式的文档中 .这种保存格 式便于 Visual Basic 6.0对于数据的检索和读取 . 1.2内插方法 本文采用系数内插的方法，内插是对系数 ( 0. 85 时，则令 = 0. 84, C沖 = 0.85进行外插，计算此时的 a/. (1) 当 Cp< 0.60 时，则令 = 0.61， C沖 = 0.60进行外插，计算 a/的值 . 上述通过对 Cp的内插和外插 ,扩展了蓝波 - 奥芬凯勒图谱的使用范围，为确定船舶剩余阻力 系数随航速的变化奠定了基础 . 2 计 算 平 台 实 现 方 法 2.1 程序设计思想 本文的平台设计主要是三个子函数的设计 : (1)索引子函数 whichIndex(Cp， 纟），其用来判断 在具体的船型参数下，使用哪一张图谱 .该子函数 的传递的参数为 Q和纟，其中？ = 100X 即， 返回的是个字符型变量，用来确定调用哪个文本 文档，例如，返回的是 “ xsa.txt” ， 则表示调用 A图 谱 .（ 2)系数检索子函数 xsFind(strtext)， 其传递 参数为索引子函数返回的字符变量，返回来的是 26X 7的二维数组，用来存放曲线图谱拟合后方 程的系数，每一行用来存放对应于每个的 7个 系数 （ a6, a5,a3, a2, ai， a )， 每张图谱共有 26 条曲线 .故共有 26行 .（ 3)系数内插子函数，该函 数利用 1.2内插方法中的 Cpa、 Cp作为参数， 通过循环结构 For i = 1 To 7 a,- = at (c ) "I- pa Next i (aucpb) aucpa) 返回与 Cp相对应的曲线方程系数 . 2.2 计算结果的修正 蓝波一奥芬凯勒法中图谱是以 IV6 = 6.5 和 6/J = 2.4给出的，故一般需对计算结果进行 修正 . 当 # 6.5时，依下式对 C； 进行修正： l + 4 J丄 240,4.5<孕 <5.5 100 0 ACr _ 6.372x2 91.261x + 324.465 Ld Cr 1十 100 b /.U 0.98,7.0<<8.5 当办 #2.4时 ,修正方法可参考文献 4. 2.3 几个系数的计算 在本文中，计算船舶剩余阻力系数时，给出的 船 型 参 数 有 其中 船舶排水体积 F和船中剖面面积只在计算船 舶剩余阻力系数随航速变化时才需要 .因此在程 序运行时还需要计算出其他的一些系数 . (1)湿面积采用 60系列船型公式 7 为 S= F2/3(3.432 + 0.305L/6 + 0.443b/d-0.643 Cb) (2)棱型系数 Cp .在计算船舶剩余阻力系数 随航速变化曲线图时，其求取公式为 Cp = V/ (Lpp X AM ) (1) 在计算船舶剩余阻力曲线图时，其求取公式 为 Cp = 1.015- 1.46F, (2) 这样求取的差别在于在计算船舶剩余阻力系数随 航速变化时，速度从零开始，如用式 (2)，则不满足 物理意义 . 第 1期 李同山，等 :船舶剩余阻力系数计算平台的实现 27 2.4 计算实例 为了能与蓝波一奥芬凯勒图谱曲线图做比 对以验证本程序的正确性，特以文献 8给出的 “ 胜利 ”号运输船（船型参数为 = 135.6 m， Xb = 0.244 m, b = 18.9 m, Cz, = 0.675, V = 15 020 m3, AM = 162.15 m2, d = 8.69 m, vs = 9.2 m/s)为例进行计算，曲线如图 1(a)所示 .计 算结果表明该船适用 B图谱中 Cp = 0.6465的曲 线，图 1(b)为蓝波一奥芬凯勒 B图谱中 = 0.64和 0.65的曲线 . (a)实例 1计算曲线 （ b)蓝波一奥芬凯勒 B图谱 图 1实例 1计算曲线与蓝波一奥芬凯勒 B图谱的比较 为了在搜集的有限的试验数据内体现程序 的一般性，又以 = 100.0 m， = 1.5 m， 6 = 15.5 m， Q) = 0.63, d = 6.47 m， v., = 6.5 m/s为 例进行计算，曲线如图 2(a)所示 .计算结果表明 该图是 A组， Cp = 0.7119的曲线；曲线图 2(b)为 蓝波一奥芬凯勒 B图谱中 Cp = 0.71和 0.72的 曲线 . (a )实例 2计算曲线 （ b )蓝波一奥芬凯勒 A图谱 图 2 实例 2计算曲线与蓝波一奥芬凯勒 A图谱的比较 文献 8给出根据 “ 胜利 ” 号运输船模型（比 尺为 1 :24)拖曳实验数据得出的 “ 胜利 ” 号运输 船的剩余阻力系数随傅汝德系数 A的变化曲线， 如图3 (b)所示 . (a)实例 3计算曲线 （ b )“ 胜利 ” 号运输船剩余阻力系数随变化曲线 图 3 实例 3计算曲线与模型实验数据图谱的比较 在输入文献 8中 “ 胜利 ” 号运输船的船型参 数后，本文得到的船舶剩余阻力系数随航速变化 28 大连海事大学学报 第 33卷 的曲线如图 3(a)所示 . 通过 R = v$/ /，把速度转化成 R， 则通 过比较可以发现本计算平台不仅计算精度更符合 水池实验得出的剩余阻力系数，而且还扩展到航 速从零开始的剩余阻力系数变化曲线 . 3 结语 本文基于蓝波一奥芬凯勒图谱，利用非线性 最小二乘法对其图谱曲线进行拟合，通过对方程 系数的内插扩展了蓝波一奥芬凯勒 （ Lap-Keller) 法的使用范围，并用图形方式表达了计算结果 .通 过计算实例 1和 2与对应的蓝波一奥芬凯勒图谱 进行比较，以及计算实例 3与船模试验结果的比 较，可以看出本文的程序设计思想和计算方法是 合理的，所得计算结果的精度完全能够满足船舶 动态仿真的需要 . 参 考 文 献 ： 1 张峥，林钧 .基尔斯法阻力预报程序 J.船舶， 2003(1). 2 邵世明，赵连恩，朱念昌 .船舶阻力 M.北京：国防工业出版社， 1995. 3 伊绍琳 .船舶阻力 M.北京：国防工业出版社， 1985. 41贾欣乐，杨盐生 .船舶运动数学模型一机理建模与辨识建模 M.大连 :大连海事大学出版社 ， 1999. 5 肖爱玲 .非线性最小二乘法的算法 J.数学理论与运用， 2004,24(2):86 90. 6 陈淑铭，乔田田 .一个求解非线性最小二乘问题的新方法 J.烟台大学学报 ,2004, 17(1):14 21. 7 杨盐生 船舶阻力系数和推力系数计算的数据库方法 J 大连海事大学学报， 1995, 21 (4): 15 17. 81鲁谦，李连有，李来成 .船舶原理手册 M.北京：国防工业出版社， 1988. Calculating ship residuary resistance coefficient based on the lap-keller chart LI Tong-shan1, HONG Bi-guang1, SUN Hong-bo1, XIE Guang-wei2 Navigation College Dalian Maritime Univ.， Dalian 116026， China; 2.Zhoushan Pilot Station， Zhoushan 316000, China) Abstract： With regard to calculation of the ship s residuar y resistance coefficient， a realization software based on the Lap-Keller chart is established. Firstly， the obtained data is reserved as “ *.txt” document and the channel between software and u txt,9 document is established for data reading. Secondly? Operation interface is built on Visual Basic 6.0 environment. According to the parameters entering from the interface, the coefficients talked above will be obtained by using computer searching and interpolation among the data that reserved in the “ *.txtw document. Finally, the illustrative examples show the effectiveness of the above-mentioned software. Key words： ship maneuverability； simulation of ship movement； residuary resistance coefficient； Lap-Keller chart