[发明专利]一种基于STL模型的船舶任意浮态计算方法

摘要

本发明公开了一种基于STL模型的船舶任意浮态计算方法，包括如下步骤：按照“常规法”计算船舶船中吃水TM、横倾角正切值tanθ及纵倾角正切值；根据船中吃水、横倾角及纵倾角确定倾斜水线面的方程；计算水线面下的船体排水体积V及浮坐标(XB,YB,ZB)；计算固定坐标系下的船舶重心坐标(X′G,YG′,Z′G)及浮心坐标(XB′,YB′,ZB′)；判断浮态方程组是否满足平衡条件；如果不满足，则进行艏艉吃水及横倾角三参数迭代计算。本发明基于STL模型计算船舶任意装载状况下的浮态，提出了三参数迭代方法，能同时计算船舶的横倾和纵倾，适用于船舶任意浮态，提高了计算精度。本发明减少了计算量，只需计算出船舶任意浮态下的排水体积及浮心，程序健壮稳定。

主权项

1.一种基于STL模型的船舶任意浮态计算方法，其特征在于：包括如下步骤：A、建立坐标系采用两个左手坐标系：与静止海面相连接的固定坐标系ox'y'z'和与船体相连的船体坐标系oxyz，并且让两坐标系的原点重合，原点选在船舶基平面、中横剖面和中纵剖面的交点上；规定x轴指向船艏为正，y轴指向右舷为正，z轴向上为正；浮态参数选择符拉索夫参数，包括船中吃水T_M、横倾角θ和纵倾角并且规定向右舷倾斜的横倾角θ和向船艏倾斜的纵倾角为正；两个坐标系之间的变换矩阵，从船体坐标系oxyz到固定坐标系ox'y'z'的坐标变换矩阵为：从固定坐标系ox'y'z'到船体坐标系oxyz的坐标变换矩阵为：式中，α为倾斜角，即倾斜水线面与基准面之间的夹角，B、获得船舶外壳的STL模型船舶设计完成后，由船舶设计软件导出船舶外壳及所有舱室的初始化图形交换规范模型即IGES模型，然后再通过3D建模软件转换成光固化立体造型术模型即STL模型；C、计算船舶装载量W及重心坐标(XG,YG,ZG)计算船舶总载重量及重心，总载重量包括船员及备品、货舱、压载舱、淡水舱、燃油舱和润滑油舱，总载重量及重心坐标按下式计算：式中，W为船舶总载重量；W0为空船重量，XG0、YG0及ZG0分别为空船重心的纵向坐标、横向坐标及垂向坐标；Pi为各项装载重量；XGi、YGi及ZGi分别为各项装载重量重心的纵向坐标、横向坐标及垂向坐标；D、按照“常规法”计算船舶船中吃水T_M、横倾角正切值tanθ及纵倾角正切值计算流程如下：D1、由总载重量W查静水力表得到平均吃水T、浮心纵向坐标XB、水线面漂心纵向坐标XF、每厘米纵倾力矩MTC和横稳心高度KMT，船舶静水力表由船舶装载手册获得；D2、计算纵倾吃水差：D3、计算纵倾角正切值：D4、计算艏吃水：D5、计算艉吃水：D6、计算船中吃水：TM＝0.5(TA+TF)D7、计算横倾角正切值：tanθ＝YG/(KMT‑ZG)式中，Δ为船舶排水量，LBP为船舶两柱间长，XF为水线面漂心纵向坐标，XB为浮心纵向坐标，MTC为每厘米纵倾力矩，KMT为横稳心高度；E、根据船中吃水、横倾角及纵倾角确定倾斜水线面的方程：F、通过倾斜水线面和船舶外壳STL模型求交，计算水线面下的船体排水体积V及浮心坐标(XB,YB,ZB)；G、计算固定坐标系下的船舶重心坐标(X′G,YG′,Z′G)及浮心坐标(X′B,YB′,Z′B)已知船体坐标系下重心坐标(XG,YG,ZG)、浮心坐标(XB,YB,ZB)，计算固定坐标系下重心坐标(X′G,YG′,Z′G)及浮心坐标(X′B,YB′,Z′B)，其变换矩阵为：整理得H、判断浮态方程组是否满足平衡条件，即判断总载重量和排水量是否相等、重心和浮心是否在同一条垂线上；H1、判断总载重量和排水量是否相等，即是否满足以下公式：|W‑V·ρ|＜ε1式中ε1为设定的迭代精度，ρ为海水密度；如果不满足，则转步骤I；H2、判断在固定坐标系下，重心与浮心的横向坐标是否相等，即是否满足以下公式：|YG′‑YB′|＜ε2式中ε2为设定的迭代精度；如果不满足，则转步骤I；H3、在固定坐标系下，重心与浮心的纵向坐标是否相等，即是否满足以下公式：|X′G‑X′B|＜ε3式中ε3为设定的迭代精度；如果不满足，则转步骤I；H4、输出当前浮态结果；I、艏艉吃水及横倾角三参数迭代计算；I1、进行第1次迭代；I11、艏艉吃水及横倾角按照下式进行迭代计算：式中，Aw为水线面面积，KML为纵稳心高度；I12、计算当前浮态下的排水体积V1及浮心坐标(XB1,YB1,ZB1)I13、按照步骤G的公式，计算固定坐标系下的浮心坐标(X′B1,YB′1,Z′B1)I14、判断是否满足浮态方程组平衡条件精度要求：若满足，输出当前浮态结果，程序结束；若不满足，令i＝2，转步骤I2继续迭代计算；I2、进行第i次迭代；I21、则第i次的迭代方程为I22、计算当前浮态下的排水体积V1及浮心坐标(XBi,YBi,ZBi)I23、按照步骤G的公式，计算固定坐标系下的浮心坐标(X′Bi,YB′i,Z′Bi)I24、判断是否满足浮态方程组平衡条件精度要求：若满足，输出当前浮态结果，程序结束；若不满足，令i＝i+1，转步骤I21继续迭代计算。