船舶航行性能虚拟测试技术综述

船舶航行性能虚拟测试技术综述

根据虚拟测试定义和三个主要因素的定义，即环境、测试对象和测试方法的虚拟化程度，虚拟测试可以分为两种类型：虚拟仪器和虚拟技术。本文的虚拟测试技术基于虚拟现实技术，使用虚拟样品技术、模拟建模技术和传感器技术进行产品功能和性能测试。航行性能是指船的基本功能，主要包括阻力性能、强制能力、耐波性能和操纵性能。这是船舶全球性能的中心和基础，包括许多学科的领域。航行性能可通过虚拟模型试验和虚拟实船试验两种手段开展研究,其中虚拟模型试验是以CFD技术为核心,通过数值计算手段实现对船舶物理模型试验的仿真及显示;虚拟实船测试是以高精度测试模拟器为核心,运用虚拟现实技术并融合部分虚拟或物理模型试验的结果,实现对实船航行性能测试.1应用虚拟技术的船舶通航性能测试长期以来,船舶航行性能研究和验证主要依靠物理试验.为此,一个多世纪以来,世界上建成了大量的、耗资巨大的船模试验水池、水筒和风洞,为模型试验研究提供了完善的设施.模型试验是在船舶型线初步设计阶段借助试验水池和测试设备对船模进行快速性、操纵性、耐波性等试验,船模和环境均按一定的缩尺比进行人工模拟,然后根据不同的相似定律推算到实船进行预报.实船测试只能在船舶建造完工后方可进行,且试验的实施需多方的配合才能完成,所花费的成本很高.应用虚拟试验测试技术可大大减少物理试验,缩短设计周期,提高产品设计的快速响应能力.为此,我国必须尽快利用现有条件开展虚拟试验研究,提高虚拟测试技术在船舶航性能试验中的应用水平,为船舶高效安全航行提供重要的验证、评估和研究手段.随着计算机技术的飞速发展,许多以往根本无法实现的数值计算逐步成为可能.由于各种软硬件技术的提高,船舶计算流体力学得到了蓬勃发展,船舶的运动响应数学模型更加完善,运用数值模拟手段部分替代物理试验的基础条件基本具备.沈泓萃和赵峰等人提出船模虚拟水池框架,呼吁尽快开展相关研究,实现船模航行性能的虚拟测试.与此同时,范佘明和缪国平等人提出以测试类模拟器为核心,构建可以模拟实船航行性能的虚拟测试系统的总体思路.综上所述,传统的船舶航行性能测试途径为模型试验和实船测试,基于数值仿真技术和虚拟现实技术的虚拟测试技术,包括虚拟水池和测试模拟器,将成为船舶航行性能测试的另外两个重要的途径(图1).虚拟水池应用CFD软件和虚拟现实平台,模拟拖曳水池、风浪流水池、循环水槽、水筒、风洞等实验设施中进行的船模试验,其测试对象是船模,测试环境是实验室数值模拟环境,不考虑人的影响因素.测试模拟器基于实船航行仿真软件、航海模拟器和虚拟现实技术,模拟在海上进行的实船测试,其测试对象是实船,测试环境是实际海况的数值模拟环境,测试人员可以通过模拟器驾控数字样船,按测试标准进行虚拟实船测试.测试模拟器的核心技术是实船航行仿真模型的建立,在建模过程中需要采用虚拟水池以及模型试验的测试数据,虚拟水池是测试模拟器的基础和支撑.2虚拟池塘2.1cfd和cfd在船舶动力结构中的应用早期CFD技术主要用于计算阻力,完成船舶型线设计的多方案选优.随着相关理论体系的不断发展和完善,CFD不仅在船舶快速性研究方面得到了广泛应用,在操纵性、耐波性方面也同样受到关注.如朱仁传,缪国平等在Fluent软件平台的基础上,经过二次开发,建立了数值波浪水池,可准确计算模型尺度下高速船舶的阻力,并可再现船舶与海洋结构物周围的自由面波形.潘子英,吴宝山等探讨CFD在潜艇操纵性水动力预报方面的应用能力和预报精度,通过数值模型试验和回归分析提出了潜艇主体操纵性水动力的估算公式.国内很多单位利用CFD技术已经实现了计及自由面、附体和螺旋桨的船舶流场模拟的关键技术,正在逐步开展整船流场分析、船体与推进器相互干扰、快速性能预报、操纵性能分析、船型及推进器的设计评估工作.2004年-2008年由德国汉堡水池(HSVA)牵头,荷兰水池(MARIN)、瑞典水池(SSPA)等7个欧洲最主要的船舶科技发达国家的23家研究机构联合发起了虚拟水池VIRTUE(TheVirtualTankUtilityinEurope)是虚拟模型试验的典型项目,目的是建立船模航行性能虚拟试验平台,逐步减少或替代模型试验.该计划是国际上首次提出的、全面而又系统的船舶模型虚拟试验策略和评价体系,具有很强的学科指导意义.2.2系统总体框架设计根据船舶航行性能的定义及虚拟试验水池的特点,有关专家提出了船舶综合航行性能虚拟试验系统的总体框架(图2).由图2可知,系统主要包括:系统的顶层设计与建模;不同类型虚拟试验功能软件模块的研制与验证;系统集成.2.3cfd验证试验综合国内外关于虚拟水池的建议,虚拟水池目标主要有:利用CFD数值计算工具,通过选择合适的网格划分方法、边界条件、湍流模式以及求解策略对船舶模型的试验环境、快速性、耐波性和操纵性等进行模拟及仿真,构建不同类型试验的水动力性能计算及分析方法,同时采用物理试验结果对虚拟试验结果进行验证并通过改进CFD工具的可靠性,提高虚拟模型试验的精度和水平.在此基础上,突破以CFD工具为基础的船舶快速性、操纵性、耐波性等水动力性能综合评估分析技术,进一步增强CFD在性能计算、预报精度和试验验证方面的能力,并使数值计算的精度达到模型试验水平.此外,提供一体化的CFD计算手段、优化工具和集成平台,建立船模环境模拟、快速性、耐波性和操纵性等主要航行性能的虚拟试验水池,以部分或完全替代物理模型试验.2.4虚拟模拟系统的组成根据系统构建目标,虚拟水池需要攻克的关键技术主要有:船模数值水池顶层设计与建模技术;航行性能预报及验证技术;虚拟试验环境模拟技术;不同类型虚拟试验系统集成技术;系统可靠性评价指标体系的构建技术等.2.5主要成果的确定在对国外船模虚拟水池最新发展动态分析的基础上,国内已提出自主研发我国船模虚拟水池的初步设想,并运用系统工程概念开展顶层设计研究理念,制定了总体研究思路,确定了总目标、技术指标体系、主要研究内容.目前,前期的相关研究工作正在进行中.VIRTUE计划近四年来取得的主要标志性成果有:通过模型试验和CFD数值计算结果的比对及验证,构建了船模快速性、操纵性及耐波性等模型试验流程及方法,可对常规船模进行虚拟试验;建立了基于CFD数值计算工具的船模综合行性能虚拟测试系统,可对模型航行性能进行综合评估和优化,进一步提高虚拟测试在模型试验中的应用水平.3虚拟船航行性能测试系统3.1实船行车性能模拟目前,利用数值计算和模型试验的手段尚无法实现对舰船综合航行性能的仿真测试.实船测试固然是比较准确有效的手段,但是其无法在设计阶段进行,不能有效避免设计方案的缺陷;实船测试也无法对一些复杂的航区、危险的海况、细致的流态等情况进行有效测试;另外,由于海洋环境的随机性和复杂性,基于实船测试结果难以进行环境对舰船航行性能影响的相关性和机理性的研究.对实船航行性能的模拟主要集中在模拟器方面,早期的模拟器数学模型比较简单,主要采用野本方程建模,同时由于计算机软硬件限制,其环境的模拟逼真度也较差.近年来,由于仿真建模技术、计算机技术、虚拟现实技术和网络技术的发展,模拟器技术发展非常迅速,其数学模型精度也有较大的提高,我国在此领域相对来说较为落后.目前,数学模型精度较高的模拟器有:荷兰水池MARIN和丹麦水池DMI,其可对舰船的航行性能和自动控制系统进行测试并给出试验结果.目前我国在建立船舶运动响应数学模型主要依赖于模型试验和实船测试数据,未做到真正的“虚实结合”,因此模拟器数学模型的研制周期长、成本很高,而且只有在实船建造完毕并进行了相关试验后才能真正建立精度很好的数学模型.3.2实船性能测试船舶航行性能虚拟测试系统由基础层、支撑层和应用层三层组成(图3).由图3可知,基础层是由数据库、通用软件、开发工具及相关测试规程组成;支撑层则是应用基础层提供的计算工具及方法,对实船分别进行快速性能、推进性能、耐波性能、操纵性能及环境条件虚拟测试;应用层是实船综合航行性能虚拟测试平台,其借助基础层的工具和支撑层的结果,建立可模拟实际海况下的船舶航行的实际状态,构建实船综合航行性能虚拟测试系统.3.3现实船行车性能的虚拟测试和验证实船航行性能虚拟测试系统的目标是建立基于虚拟现实技术、虚实结合的船舶水动力性能虚拟测试验证系统,实现实船航行性能的虚拟测试和验证.虚拟测试所涉及的数学模型均采用实船或船模试验结果进行验证,以确保测试精度.虚拟测试结果采用“规范”进行评估,以验证设计方案.通过任意海况的模拟,分析船舶在各种海况下的航行性能.通过航海模拟器的研制和应用,更真实地反映船舶航行时的人机互动,增强“人在回路”中的逼真感觉.3.4虚拟测试关键技术实船航行性能虚拟测试系统的核心是航海模拟器技术,而构建航海模拟器的关键是仿真建模技术和虚拟现实技术.其中仿真建模技术对于虚拟测试尤为重要,因为其直接影响测试精度.数学模型需全面考虑海洋环境(包括风、浪、流、浅滩、有限水域等)的影响,但同时必须考虑到系统响应的实时性以保证画面流畅.虚拟现实技术直接关系到画面的逼真度,必须应用相关技术(如图像融合、校正等)达到最优的效果.因此,同时考虑各种环境因素的实时响应模型构建、实船航行性能预报、风浪流海洋环境模拟和再现技术、系统集成技术是构建实船航行性能虚拟测试系统的关键技术.3.5复杂目标作业仿真模型在国外,荷兰和丹麦水池的测试模拟器已经成功应用于船舶航行性能和自动控制系统测试,为港航安全论证提供了一个优秀的模拟试验平台,开发了六自由度全任务仿真模型,以及拖航和桥梁等复杂航行环境,模拟精度基本达到工程应用要求.在国内,模拟器已经成功应用于海员训练,但仿真模型精度还相对较差.目前中国船舶及海洋工程设计研究院联合上海交通大学和上海海事大学等院校协作攻关,提出了风浪环境作用下高精度实时仿真模型的解决方案,并经过实船测试和模型试验结果的验证,结果令人满意.