拖网渔船曳纲的运动建模及仿真.pdf

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1、第3O卷第3期大连海洋大学学报V01．3ONo．32015年6月J0URNAL0FDALIAN0CEANUNIVERSITYJune20l5DOI：10．16535／j．cnki．dlhyxb．2015．03．019文章编号：2095—1388(2015)03—0334—06拖网渔船曳纲的运动建模及仿真高帅，尹勇，孙霄峰，神和龙(大连海事大学航海学院，辽宁大连116026)摘要：在拖拽系统水动力理论研究的基础上，根据集中质量法建立曳纲的三维动力学数学模型，将曳纲在空间上离散为一系列节点，同时忽略曳纲的扭转、抖动等，计入

2、张力、重力、浮力和流体阻力的作用，建立曳纲的动态运动数学模型，并通过四阶龙格库塔方法积分求解，得到曳纲的位置和速度信息，最后利用三维图形引擎OSG(OpenSeeneGraph)实现拖曳系统的三维可视化。数值计算结果与相关试验数据比较表明，曳纲模型的求解方法是可靠的，同时又保证了仿真的实时性。关键词：曳纲；集中质量法；数值模拟；可视化中图分类号：$971．3文献标志码：A曳纲作为水下拖缆的一种，其水动力研究可借鉴现有的水下拖缆相关理论成果，根据目前国内外发表的相关文献可知，在拖曳系统的数学模型中应用最为广泛的有两类：有

3、限差分法和集中质量法。Ablow等⋯首次用有限差分法求解拖缆的三维运动，Howell[、张潞怡、Sun等、李英辉、孙霄峰对有限差分法进行了进一步修正；Wa1．ton等首先采用集中质量法研究了海军武器试验中水下锚链的二维运动响应，Delmer等、Huang【m]、王飞¨¨、陈英龙【先后对集中质量法进行了改进。国内外学者在进行水下拖缆建模时，向下；在P—tnb中，P为曳纲上一点，p￡轴向为曳大多只考虑模型的精准性及其与模型试验的验证，纲在P点处的切线方向，pn、p6方向分别为在P点没有进行可视化和实时陛方面的研究。而模拟器

4、中的视景系统为操作者提供一个训练仿真环境，其可视化效果对环境真实感和训练效果具有重要意义。本研究中，在现有拖曳系统水动力理论研究的基础上，忽略曳纲的扭转、抖动、弯矩等，基于集中质量法建模思想，针对拖曳整体运动进行分析，建立拖网渔船曳纲的动态运动模型，并考虑视景显示的f，COS0cos币一cos0sin咖sin、实时性要求，利用三维图形引擎OSG(OpenScene—A=I—sin0COSsinOsin咖COS0l。Graph)实现拖曳系统的三维可视化。—sin西一COS01曳纲稳态运动当拖网渔船在水中稳定直航时，系统处

5、于相对收稿日期：2014—07—30基金项目：国家“863”计划项目(2015AA016404)；交通部应用基础研究项目(2014329225370)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(313204330)作者简介：高帅(1985一)，男，博士研究生。E—mail：gshuai109@gmail．eom通信作者：尹勇(1969一)，男，博士生导师。E-mail：bushyin—dmu@263．net336大连海洋大学学报第30卷曳纲尾部为自由端时，尾部节点只受到上一节点的一一一一O2468O2468一张力作用；当

6、曳纲尾部为拖网时，尾部节点与渔网手纲相连，受到网具的阻力作用。』ToEAoelo／z，lo>lor0、I=0，2if

7、diferenttowingspeedsof理：trawling=一仃cldlx一I·(一)F=一czdl一．，I·(一．，)。殳F6=0量R(1O)缆长length／m图3均匀海流不同拖速的张力分布Fig．3Distributionofstrainatdiferenttowingspeedsinuniforillcurrent2曳纲动态运动2．1曳纲动态运动方程在曳纲惯性坐标系下对曳纲动态运动进行分析，不考虑弯矩和扭矩的影响，每段的作用力(重[l＼+p0C．~Vi+P。0cM+p0C^]八f(l耄z]／l=力G、浮力

8、日、流体阻力F和张力T)均集中作用在节点上。对曳纲第i个节点应用牛顿第二定律，建立在流体中运动的曳纲节点i的动力方程：I+I。(11)(+△M)x=∑+B+G十F。(7)其中：和△。分别为节点i的质量和附加质量；i为节点i的加速度。(1)附加质量。流体中的物体加速运动会引起(1)拖点边界条件。在拖曳的上端点，渔船对周围流体也做加速