一种帆船速度预测方法

本发明涉及船舶航行，尤其是涉及一种帆船速度预测方法。

背景技术：

1、帆船具有远海作业、实时数据传输功能、低营运成本的优势，帆船的航行速度是指单位时间内帆船相对于海底所航行的距离，它影响着帆船的运输周期、营运成本以及航运竞争能力，是运输船舶的重要技术指标。

2、现有技术中通常根据帆船的位置、类别、航行轨迹等参数计算得到帆船的航行速度，但帆船设计通常是基于经验公式，在帆船设计之初不能得到帆船的速度、舵角和航向角与风速和风向的关系，对于帆船动力特性没有清晰的结果。对于帆船的动力性能评估，特别是帆船速度预测，现有技术中缺少有效的评估和预测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种帆船速度预测方法，以解决现有技术中在帆船设计之初不能科学有效地预测帆船速度的技术问题。

2、本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

3、一种帆船速度预测方法，包括：

4、根据帆船模型获取帆船参数，设置所述帆船航行时的预设风况；

5、根据所述帆船参数和所述预设风况，利用数值计算软件分别计算所述帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力；

6、根据所述风帆受力、所述船舶阻力、所述船舵受力、所述船体受力及所述稳向板受力对所述帆船进行受力分析，建立所述帆船保持稳定姿态航行时的平衡方程组，所述平衡方程组包括力矩平衡方程、纵向受力平衡方程和横向受力平衡方程；

7、利用数值计算软件求解所述平衡方程组，得到所述帆船在所述预设风况下航行时的预测速度、预测舵角和预测航向角。

8、可选地，所述风帆包括前帆和主帆，利用数值计算软件计算所述帆船的风帆受力包括：

9、数值计算软件利用计算所述帆船的前帆受力，利用计算所述帆船的主帆受力；

10、其中，ff1为前帆受力；ff2为主帆受力；cs为形状系数；ρ1为空气密度；a1为前帆的面积，单位为m2；a2为主帆面积，单位为m2；v为风速，单位为m/s；vs为帆船速度，单位为m/s；α为航向角，θ为帆转角。

11、可选地，利用数值计算软件计算所述帆船的船舶阻力包括：

12、数值计算软件利用计算所述帆船的船舶阻力；

13、其中，x1、x2、x3为常系数；x4为常数；vs为船速，单位为m/s。

14、可选地，所述船舵包括左舵和右舵，利用数值计算软件计算所述帆船的船舵受力包括：

15、数值计算软件利用计算所述帆船的左舵受力、右舵受力；

16、其中，fd1、fd2分别为帆船的左舵受力、右舵受力；cd为阻力系数；ρ2为海水密度；ad为单个舵叶面积，单位为m2；vs为船速，单位为m/s；为舵角；α为航向角。

17、可选地，所述船体包括左船体和右船体，利用数值计算软件计算所述帆船的船体受力包括：

18、数值计算软件利用计算所述帆船的左船体受力、右船体受力；

19、其中，fc1、fc2分别为帆船的左船体受力、右船体受力；cd为阻力系数；ρ2为海水密度；ac为水线以下船体侧投影面积，单位为m2；vs为船速，单位为m/s；α为航向角。

20、可选地，所述稳向板包括左稳向板和右稳向板，利用数值计算软件计算所述帆船的稳向板受力包括：

21、数值计算软件利用计算所述帆船的左稳向板、右稳向板受力；

22、其中，fw1、fw2分别为帆船的左稳向板受力、右稳向板受力；cd为阻力系数；ρ2为海水密度；aw为单个稳向板侧投影面积，单位为m2；vs为船速，单位为m/s；α为航向角。

23、可选地，所述平衡方程组包括：

24、帆转角大于预设角度时的第一平衡方程组和帆转角小于预设角度时的第二平衡方程组，所述预设角度为帆船的前帆力矩方向发生变化时的帆转角角度；

25、其中，所述第一平衡方程组包括第一力矩平衡方程、第一纵向受力平衡方程和第一横向受力平衡方程，所述第二平衡方程组包括第二力矩平衡方程、第二纵向受力平衡方程和第二横向受力平衡方程。

26、可选地，所述第一力矩平衡方程为：

27、

28、所述第一纵向受力平衡方程为：

29、

30、所述第一横向受力平衡方程为：

31、

32、其中，cs为形状系数；ρ1为空气密度；a1为前帆的面积，单位为m2；a2为主帆面积，单位为m2；v为风速，单位为m/s；vs为船速，单位为m/s；α为航向角，θ为帆转角；a2为主帆压力中心与桅杆支点在甲板上的投影距离，单位为m；b2为桅杆支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；cd为阻力系数；ρ2为海水密度；ad为单个舵叶面积，单位为m2；ac为水线以下船体侧投影面积，单位为m2；a3为左舵旋转支点与压力中心在甲板上的投影距离，单位为m；b3为左舵旋转支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；l5、l6均为水面以下船体受力中心与重心投影距离，单位为m；aw为单个稳向板侧投影面积，单位为m2；为舵转角。

33、可选地，所述第二力矩平衡方程为：

34、

35、所述第二纵向受力平衡方程为：

36、

37、所述第二横向受力平衡方程为：

38、

39、其中，cs为形状系数；ρ1为空气密度；a1为前帆的面积，单位为m2；a2为主帆面积，单位为m2；v为风速，单位为m/s；vs为船速，单位为m/s；α为航向角，θ为帆转角；a2为主帆压力中心与桅杆支点在甲板上的投影距离，单位为m；b2为桅杆支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；cd为阻力系数；ρ2为海水密度；ad为单个舵叶面积，单位为m2；ac为水线以下船体侧投影面积，单位为m2；a3为左舵旋转支点与压力中心在甲板上的投影距离，单位为m；b3为左舵旋转支点与重心在甲板上的投影距离，单位为m；l5、l6均为水面以下船体受力中心与重心投影距离，单位为m；aw为单个稳向板侧投影面积，单位为m2；为舵转角。

40、可选地，所述预设角度为57.9°。

41、本发明提供了一种帆船速度预测方法，包括：根据帆船模型获取帆船参数，设置所述帆船航行时的预设风况；根据所述帆船参数和所述预设风况，利用数值计算软件分别计算所述帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力；根据所述风帆受力、所述船舶阻力、所述船舵受力、所述船体受力及所述稳向板受力对所述帆船进行受力分析，建立所述帆船保持稳定姿态航行时的平衡方程组，所述平衡方程组包括力矩平衡方程、纵向受力平衡方程和横向受力平衡方程；利用数值计算软件求解所述平衡方程组，得到所述帆船在所述预设风况下航行时的预测速度、预测舵角和预测航向角。

42、有鉴如此，本发明带来的有益效果是：

43、本发明通过获取帆船参数和设置风况条件，利用数值计算软件分别计算帆船的风帆受力、船舶阻力、船舵受力、船体受力及稳向板受力，构建帆船保持稳定姿态航行时的运动平衡模型，将帆船的速度、舵角和航向角等参数耦合到平衡方程组中，结合数值方法和经验算法求解帆船在不同风况条件下帆船的速度、舵角和航向角与风速和风向的关系，能够得到帆船动力特性，实现准确预测帆船的航行速度。本发明适用于帆船设计、载人帆船的风帆操纵以及无人驾驶帆船的自动控制。