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基于MapleSim空间六自由度海浪模拟装置仿真与设计

发布时间:2020-04-13 21:01
【摘要】:随着航海事业、仿真技术和并联机构的发展,以并联机构为载体的多自由度海浪模拟装置已广泛应用于船舶摇摆模拟方面研究。一方面,多自由度海浪模拟装置与计算机虚拟仿真相比,可以实体再现船舶在航海过程中的响应摇摆运动。另一方面,与实体船试验相比,多自由度海浪模拟装置明显具有经济性、可控性以及适应性。MapleSim可以实现机械、液压、控制等系统仿真,与Maple数学分析程序和工具相结合,可对系统模型进行各种常规设计和深度分析。本文结合MapleSim,以6-UCU海浪模拟装置为研究对象,主要研究内容如下:首先,为了实现六自由度海浪模拟仿真,本文对海浪及海浪谱知识进行归纳分析,通过海浪谱分析,得到了6级海况下海浪对船舶的扰动规律,并以此作为海浪模拟装置控制系统输入信号,再对6-UCU海浪模拟装置进行了运动学和动力学分析,为后续MapleSim环境下海浪模拟装置系统仿真提供理论依据。其次,基于6-UCU海浪模拟装置运动学和动力学分析,在MapleSim环境下,开展了海浪模拟装置运动学和动力学仿真,其仿真结果与理论计算对比,进行了相互验证。基于6-UCU海浪模拟装置运动学仿真,添加了控制系统、传动系统和感知系统,以此构成了完整的6-UCU海浪模拟装置系统,其仿真结果输出曲线为后续样机研制提供了数据依据。再次,基于MapleSim系统仿真,设计并研制出了6-UCU海浪模拟装置,其中包括6-UCU并联机构设计,伺服驱动器、电机和电动缸配置,六维传感器和限位开关选型以及运动控制程序编写。此外,为了安全有效控制电动缸完成船舶摇摆运动而设计了电气控制柜。最后,基于虚设运动副法,对6-UCU海浪模拟装置上、下两端虎克铰链进行制造和安装误差建模,利用激光追踪仪开展了样机标定实验研究。经过两次标定逐级补偿样机上、下两端虎克铰链误差。在此基础上,开展了海浪模拟装置模拟6级海况下船舶单自由度摇摆运动和六自由度复合摇摆运动。
【图文】:

计算机模型,海浪模拟


1.1 课题背景及研究意义随着航海事业、仿真技术和并联机构的发展,,以并联机构为载体的多自由度海浪模拟装置已广泛应用于船舶摇摆模拟方面研究。多自由度海浪模拟装置作为实物与仿真结合的产物,一方面与计算机虚拟仿真[1-3]相比,如图 1-1 所示,计算机虚拟仿真只能从虚拟图像角度来描述船舶在复杂多变的海洋环境的无规则摇摆运动,而多自由度海浪模拟装置则可以从实物角度再现船舶航海过程中响应摇摆运动,而且还可以通过测量技术获得研究所需运动曲线。另一方面与实体船直接试验[4-6]相比,如图 1-2 所示,在相对真实的情况下多自由度海浪模拟装置可以在实验室等地方模拟实体船的摇摆效果。研究人员也可以根据实际需求研制相应海浪模拟装置,如低级海况下适应于训练航海人员与高级海况下适应于训练驾驶员的多自由海浪模拟装置显然不同。多自由度海浪模拟装置具有明显的经济性、可控性以及适应性,因此,多自由度海浪模拟装置深入研究对并联机构理论和航海事业的发展具有重要意义。

实船试验,海浪模拟


1.1 课题背景及研究意义随着航海事业、仿真技术和并联机构的发展,以并联机构为载体的多自由度海浪模拟装置已广泛应用于船舶摇摆模拟方面研究。多自由度海浪模拟装置作为实物与仿真结合的产物,一方面与计算机虚拟仿真[1-3]相比,如图 1-1 所示,计算机虚拟仿真只能从虚拟图像角度来描述船舶在复杂多变的海洋环境的无规则摇摆运动,而多自由度海浪模拟装置则可以从实物角度再现船舶航海过程中响应摇摆运动,而且还可以通过测量技术获得研究所需运动曲线。另一方面与实体船直接试验[4-6]相比,如图 1-2 所示,在相对真实的情况下多自由度海浪模拟装置可以在实验室等地方模拟实体船的摇摆效果。研究人员也可以根据实际需求研制相应海浪模拟装置,如低级海况下适应于训练航海人员与高级海况下适应于训练驾驶员的多自由海浪模拟装置显然不同。多自由度海浪模拟装置具有明显的经济性、可控性以及适应性,因此,多自由度海浪模拟装置深入研究对并联机构理论和航海事业的发展具有重要意义。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U665

【参考文献】

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本文编号:2626435

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