摘要
船舶在海面上航行，可能会以各种不同航速、不同航向角遭遇到各种不同的波浪，从而发生六个自由度的运动，包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇。通常会通过图表的形式来描述这些运动参数，然而随着科学计算可视化的广泛运用，人们开始考虑将复杂的船舶运动数据用视景仿真技术直观的展现出来，因此诞生了航海模拟器，而航海模拟器中最核心的部分就是视景仿真系统，本文就将结合unity3D虚拟引擎和Visual Studio程序编译平台开发船舶运动视景仿真系统。 首先，建立船舶运动数学模型。根据船舶在波浪中航行时的受力情况，推导其所受到的波浪扰动力及力矩，利用切片理论建立船舶直航运动数学方程，通过刘易斯剖面法和田才图谱，并配合数值积分法计算全船水动力系数及波浪扰动力（矩）。 其次，对比理论方法的计算结果。选取Wigley系列船型和“育鲲轮”，通过与试验值、其他相关理论值和某商业软件数值仿真结果对比，验证切片理论计算结果的准确性，并分析误差原因，考虑非线性横摇阻尼的影响，修改切片理论公式中的水动力系数。 然后，开发船舶运动姿态求解器并研究其数值仿真结果。在Visual Studio编译平台下，采用C#语言编译程序代码，并引入四阶龙格一库塔算法分步长求解每一时刻船舶的运动幅值、速度及加速度。同时以“育鲲轮”为例，研究该船在不同海况、不同遭遇角、不同航速下的运动规律。 最后，开发船舶运动实时仿真系统。以“育鲲轮”为例，在Unity3D虚拟引擎下，搭建虚拟场景，包括船模、海浪、岛屿、天空、声音等，同时连接外接输入设备，通过MonoDevelop开发环境将船舶运动姿态求解器的计算结果同步传输到虚拟场景中，实现船舶运动实时仿真。并调试优化程序代码，发布船舶运动视景仿真系统。 本文研究创新点如下: (1)在传统二维切片理论下，考虑非线性横摇阻尼的影响，修改公式中的水动力系数，提高了计算结果的准确度。 (2)通过编写脚本程序将开发的求解器结果同步传输到视景仿真的场景中，实现实时仿真的功能，并发布成独立软件。
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