一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法

本发明涉及一种垫升压力的解算方法，具体涉及一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法，属于全垫升气垫船动力学建模。

背景技术：

1、全垫升气垫船通过垫升系统在船体与航行面之间形成一层气垫，有效地减少了摩擦阻力，从而提高了船只的速度和燃油效率。同时垫升系统的存在也使气垫船能够在各种地形(如水面、沼泽、冰面、雪地等)上行驶，从而大大扩展了其应用范围，特别是在救援和军事任务中。气垫船垫升系统的动力学模型研究是整个气垫船动力学与运动学模型研究的基础性工作，通过对垫升系统的深入研究，可以更好地了解气垫船的运动特性，从而优化设计，提高操控性能和安全性。然而气垫船的垫升系统集具有强非线性和非解析性，它涉及多自由度的非线性动力学，船体、围裙、气垫和水面之间的相互作用非常复杂，这些耦合效应增加了模型的复杂性，这种复杂的关系导致垫升压力的解算十分困难，需要更精确的数值方法来解决。

2、目前，研究气垫船垫升系统的动力学模型不仅具有重要的理论价值，还具有显著的实际意义。如果通过精确的动力学建模，则可以预测气垫船在不同工况下的运动表现，为优化设计和安全操控提供科学依据。此外，模型研究还可以用于开发先进的控制系统，提高气垫船的稳定性和可靠性，减少事故发生率。因此对垫升压力结算方法的研究具有十分重要的意义。

3、而现有的动力学模型由于涉及复杂的流体力学和空气动力学，具有高度非线性的原因，导致不能稳定准确地解出不同时刻的垫升压力数值，进而无法预测和避免因气垫压力不均或失控引起的事故，不利于气垫船的航行安全。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有气垫船垫升系统的动力学模型，不能稳定准确地解出不同时刻的垫升压力数值，进而无法预测和避免因气垫压力不均或失控引起的事故，存在不利于气垫船航行安全的问题。进而提供一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法。

2、本发明的技术方案是：一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法包括以下步骤：

3、步骤一：按照两个垫升风机与四个气室的气体输入输出关系，列出六元非线性方程组；

4、步骤二：在气垫船风机特性曲线的平衡点处进行线性化；

5、步骤三：对气垫船气道特性曲线进行平滑处理，并得到气道曲线；

6、步骤四：对全垫升气垫船垫升压力模型在平衡位置处进行化简获得初始垫升高度；

7、步骤五：采用初始解动态跟踪的方法进行迭代求解；

8、步骤六：重复上述步骤求解垫升压力直到方程组残差小于规定值为止。

9、进一步地，步骤一中的六元非线性方程组为：

10、

11、其中，pi(i＝1-6)为四气室外加两台垫升风机内部气压，qpumpi(i＝1-4)为四个气室的气室体积变化率，f表示各气室以及垫升风机之间的非线性关系。

12、进一步地，步骤二中的平衡点处为：全垫升气垫船在气垫垂向和船体重力相平衡时的垫升压力以及气垫船常用垫升风机转速。

13、更进一步地，步骤二中线性化后的风机特性曲线为：

14、

15、其中，p0为与船体重力相平衡时的垫升压力，n0为气垫船常用垫升风机转速。

16、进一步地，步骤三中平滑处理后的垫升风机与其相邻气室之间的气道曲线为：

17、

18、其中，qinci表示由垫升风机进入各气室的气体流量，pinci表示由垫升风机进入各气室的气体压力，i＝1-4表示四个气室。

19、更进一步地，步骤四中对全垫升气垫船垫升压力模型在平衡位置处进行化简获得初始垫升高度的过程为：

20、步骤四一：对全垫升气垫船围裙泄流模型在平衡点处进行线性化，将全垫升气垫船围裙泄流函数去除常数项后，函数写为：

21、

22、步骤四二：对垫升系统方程组进行化简，在平衡状态，全垫升气垫船四气室之间将不再相互泄流；消除f01与f02项，并且由于平衡状态下的对称性，全垫升气垫船左、右两侧垫升风机对其相连的两个气室的其流量相等，即：

23、

24、此时气垫船垫升压力方程组可写为：

25、

26、优选地，步骤五中的迭代求解过程如下：

27、将上一时间步长所解算成功的p1-p6作为下一时间步长垫升压力解算的初始解，即：

28、p0i(t)＝pi(t-δt)

29、其中p0i表示全垫升气垫船垫升压力使用牛顿迭代法求解所设初始解，pi表示所解算出的实际垫升压力，t为当前时间δt为仿真步长。

30、本发明与现有技术相比具有以下效果：

31、本发明针对全垫升气垫船垫升系统通过改进模型与传统牛顿迭代法，在使用时将全垫升气垫船垫升压力模型进行了部分线性化、模型平滑处理、仿真初始高度确定并对算法初始解进行了动态跟踪处理，通过以上改进，提出了一种能够稳定准确地解出每一仿真步长的船体垫升压力的方法。其中，模型的部分线性化和平滑处理减少迭代过程中的振荡和发散现象，显著提高了计算稳定性；而动态跟踪处理的牛顿迭代法则进一步提升了计算精度。这些改进确保了气垫船垫升系统在复杂环境中的可靠性和精确性。无论是在静水中还是在复杂波浪环境中，都能保持良好的解算性能，适应不同运行工况下的气垫船垫升压力解算需求。准确预测和避免因气垫压力不均或失控引起的事故，保证了气垫船航行的安全性能。

32、本发明的方法为气垫船垫升系统的研究和应用提供了新的工具和方法，推动了相关技术的发展，具有重要的学术和工程价值。

技术特征：

1.一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法，其特征在于：它包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法，其特征在于：步骤一中的六元非线性方程组为：

3.根据权利要求2所述的一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法，其特征在于：步骤二中的平衡点处为：全垫升气垫船在气垫垂向和船体重力相平衡时的垫升压力以及气垫船常用垫升风机转速。

4.根据权利要求3所述的一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法，其特征在于：步骤二中线性化后的风机特性曲线为：

5.根据权利要求4所述的一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法，其特征在于：步骤三中平滑处理后的垫升风机与其相邻气室之间的气道曲线为：

6.根据权利要求5所述的一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法，其特征在于：步骤四中对全垫升气垫船垫升压力模型在平衡位置处进行化简获得初始垫升高度的过程为：

7.根据权利要求6所述的一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法，其特征在于：步骤五中的迭代求解过程如下：

技术总结一种针对全垫升气垫船垫升压力的解算方法，它涉及全垫升气垫船动力学建模技术领域。本发明为了解决现有技术不能稳定准确地解出不同时刻的垫升压力数值，易因气垫压力不均或失控引起的事故，存在不利于气垫船航行安全的问题。本发明的步骤一：按照两个垫升风机与四个气室的气体输入输出关系，列出六元非线性方程组；步骤二：在气垫船风机特性曲线的平衡点处进行线性化；步骤三：对气垫船气道特性曲线进行平滑处理，并得到气道曲线；步骤四：对全垫升气垫船垫升压力模型在平衡位置处进行化简获得初始垫升高度；步骤五：采用初始解动态跟踪的方法进行迭代求解；步骤六：重复上述步骤求解垫升压力直到方程组残差小于规定值为止。本发明用于海下作业。技术研发人员：王元慧,关一田,任哲达,韩济轩,王成龙,吴鹏,张潇月,戴开恒受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18