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可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报5(2018)285船舶运动仿真Seung-Ho Hama,Myung-Il Rohb,Chang,Luman Zhaoaa大韩民国首尔国立大学船舶建筑和海洋工程系b大韩民国首尔国立大学造船和海洋工程系及海洋系统工程研究所阿提奇莱因福奥文章历史记录:2017年8月4日收到2017年12月17日收到修订版,2017年2017年12月20日在线发布保留字:基于物理的分析虚拟现实运动平台钻井船A B S T R A C T传统的船舶运动分析结果只能用图形来表示他们通常不会目前,将基于物理的分析与IT技术(如虚拟现实(VR)、运动平台或其他硬件)相结合的集成仿真可以提供潜在的解决方案。在船舶运动分析中,考虑海浪等环境载荷,可以得到船舶的动态响应我们可以看到船的运动相对于真实物体的纹理,包括水和天空,就像在现实世界中从船舶运动分析计算的然而,将三种不同的技术集成到一个系统中并不容易,因为它们有不同的目的,并且是单独开发的。针对这一问题,提出了一种基于三种不同技术的集成仿真框架。所提出的框架可以用来同步仿真时间和交换数据,通过中间件使用标准化的数据结构。此外,我们可以很容易地添加新的组件或删除现有的组件在模拟。为了验证所提出的框架的有效性和适用性,钻井船的运动仿真。©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)下访问文章1. 介绍用于钻井作业的海洋平台有钻井船、半潜式钻井平台、自升式钻井平台、钻井驳船等,其中钻井船主要用于深海环境。钻井船是一种海上平台,设计用于勘探新的石油和天然气井的海上钻井或科学钻井。近年来,装备有最新、最先进动力定位系统的钻井船在深水、超深水中得到了应用。对于钻井船的设计,在这种恶劣的环境下有很多事情需要考虑。其中最重要的考虑因素之一是钻井船在作业过程中的运动分析。该钻井船与安装在海底的几个防喷器和一个防喷器(防喷器)相连,由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者:海军建筑与海洋系首尔国立大学海洋系统工程工程研究所,首尔市冠乐区冠乐路1号,邮编08826。电子邮件地址:hsh0930@snu.ac.kr(S.- H. Ham),miroh@snu.ac.kr(M.- I.Roh),luman@snu.ac.kr(L. Zhao).海平面以下500米,如图1所示。的运动钻井船受到海洋环境载荷的作用,如波浪、风、海流等。钻井船有各种系统和设备,有助于其执行其功能的能力,如钻井设备、折臂起重机、隔水管张紧器系统等。钻井船上的这些系统和设备需要像在真实环境中一样进行测试。此外,在检查其性能时,如果使用运动分析的结果对其进行测试,则可以进行更可靠的评估(图2①)。存在多种模拟钻台上的司钻座椅和钻井设备的钻井模拟器,并且司钻可以出于训练目的使用虚拟现实(VR)来练习钻井操作。事实上,司钻因此,一个真实的模拟器需要与分析结果相结合,以反映实际情况(图1)。 2 ②)。相比之下,司钻的操作可能会影响船舶运动(图1)。 2 ③)和钻孔设备(图2<$)。类似地,传感器信号或硬件的运动可以用作反馈来校准分析结果(图10)。 2、模拟器(模拟器) 2分)。因此,所有的运动https://doi.org/10.1016/j.jcde.2017.12.0052288-4300/©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。286S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298Fig. 1. 钻井船的运动与防喷器和防喷器有关。图二、运动分析、硬件和虚拟现实之间的关系分析、虚拟现实和硬件是非常密切相关的,这些关系如图所示。 二、但是,上述技术并不容易集成,因为它们有自己的开发目的和环境。因此,本研究针对这些不同的技术,提出一个有效且方便的整合式模拟架构。本文的其余部分组织如下。第二节对相关研究进行了总结,并与本研究进行了比较。第3节详细说明了集成仿真框架的配置第四部分介绍了该框架在钻井船运动综合仿真中的应用最后,第5节描述了本研究的结论和未来的工作2. 相关研究传统上,基于物理的分析,如动力学和运动,已经在各个工程领域进行了研究特别是,在船舶生产中引入了基于多体系统的动态公式,以预测浮式起重机悬挂的重负载的运动,并计算作用在起重机钢丝绳上的张力(Ham,Roh,Hong,2017; Ham,Roh,Lee,Hong,Lee,2017)。与此同时,VR技术已被用于开发模拟器,就像用户坐在控制椅上一样。例如,已经提出了实现平铺显示墙以向用户提供更身临其境的感觉的方式(Cha,Lee,Han,2010)。效果也得到了改进,以实时产生逼真的可视化效果(He,Liu,Zeng,Yang,2005)。然而,这样的研究只集中在模拟组件。与以前的研究相比,两种或更多种技术已经结合起来创建模拟器或实现自己的目的。Ueng、Lin和Liu(2008年)将船舶运动分析与叠加的三个正弦波的可视化相结合,以创建模拟的高度场。Kim、Kim和Kim(2012)对模型尺度的晃动问题进行了比较研究,该晃动问题涉及八面体容器内液体的运动。为了在油箱中产生晃动,从基于物理的运动分析中生成数据。也就是说,数据激励了安装有坦克的6自由度运动平台。但这不是实时仿真,而是在完成基于物理的运动分析后的后处理。Kaliappan、Budiyono和Min(2012年)进行了HILS(硬件在环仿真),以测试UUV(无人水下航行器)嵌入式硬件(控制器)。在他们的研究中,基于物理的分析被用来产生UUV操作的增益。结果S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298287表1集成仿真的相关研究。研究分析硬件可视化集成方法Ham,Roh,Hong(2017)OXX–Ham,Roh,Lee,Hong,Lee(2017)OXX–Cha,Lee,Han(2010)XXO–He,Liu,Zeng,Yang(2005)XXO–Ueng,Lin,and Liu(2008)OXO直接Kim,Kim,and Kim(2012)OOX后处理Kaliappan,Budiyono和Min(2012)O(运动平台)OO直接本研究O(主计长)OO综合模拟框架(运动平台)图三. 三个模拟组件的集成。见图4。 新的和现有的仿真组件之间的连接。288S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298使用视觉处理计算机集群可视化也就是说,将基于物理的分析、硬件和VR三种技术集成到一个系统中,但它们是直接集成的,没有任何集成框架。尽管上述研究集成了两种或多种不同的技术,但它们都使用了直接方法或后处理方法,并且没有提出任何框架来实现船舶建筑和海洋工程领域的高效实时仿真因此,他们的水平相对较低,灵活性,以扩展其应用。上述相关研究总结见表1。3. 综合模拟框架的配置在本节中,我们将解释如何有效地集成基于物理的分析、硬件和虚拟现实的仿真组件图五.集成仿真框架,具有集成仿真中间件和接口。见图6。 通过使用集成仿真框架添加新的仿真组件。见图7。 综合仿真框架的四个模块及其功能。S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298289表2详细介绍了集成仿真框架的四个模块的网络连接模块TCP/IP服务器从TCP/IP客户端接收序列化数据并将数据发送到客户端TCP/IP客户端将序列化数据发送到TCP/IP服务器,从服务器连接连接TCP/IP服务器和客户端断开连接断开TCP/IP服务器和客户端数据管理模块从接收数据找出发送数据发送数据到找出哪个客户端必须接收数据从/到关系表通过查找关系表匹配客户端数据类型定义模块定义数据类定义数据类以传输和共享序列化将数据序列化为二进制类型将数据序列化为二进制类型时间管理模块允许接口内部的时间提前触发执行执行每个仿真组件的时间相关功能接收数据根据传输的数据更新内部变量数据3.1. 综合模拟框架的概念图3示出了三个仿真组件之间的一般集成概念,而没有任何集成框架。在分布式仿真环境中,各种仿真组件协同工作,这意味着它们在不同的计算机上执行。因此,网络接口和连接规则是集成的首要要求。数据类型也应该在每个模拟组件中定义,以便交换数据。模拟开始后,模拟时间应该同步,就像只有一个计时器一样。当一个新的模拟组件被添加时,很多事情都必须改变,如图4所示。新的组件应该与现有的组件一个接一个地连接,这无疑是一种低效的方法。为了解决这一问题,可以采用集成仿真中间件和接口组成的集成仿真框架。 五、集成的仿真中间件将仿真组件连接起来,而不是直接连接,并且数据从一个组件传输到另一个组件,并且还减少了整个仿真时间。该接口插入到每个仿真组件中,以将其与中间件连接。如果添加了一个新的仿真组件,则所需的唯一工作是将新组件连接到中间件,如图6所示。这显然比图中的例子更有效。 四、这就是为什么在这项研究中提出了一个集成的仿真框架。3.2. 综合模拟框架的功能为了保证集成仿真框架的完整可操作性,中间件需要包括网络连接模块、数据管理模块、数据类型定义模块和时间管理模块等四个模块。图7显示了集成仿真中间件的四个主要模块的功能。网络连接模块提供TCP/IP服务器和客户端的连接和断开接口以及中间件。为了将数据从一个模拟组件发送到另一个模拟组件,数据管理模块定义了一个查找表,称为“From/To Relation Table”。数据类型定义模块声明数据类型并提供序列化和非序列化函数。最后,时间管理模块见图8。 综合模拟框架的工作程序。290S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298见图9。 钻井船运动仿真集成仿真框架概述。通过提供“允许时间提前”功能,为所有模拟组件设定模拟时间每个仿真组件的时间相关代码表2详细说明了每个模块的功能。3.3. 综合模拟框架的工作程序图8示出了通过使用集成仿真框架的四个模块的工作过程。为了解释,我们假设有三个模拟组件,并且数据传输是从第一步是“允许时间提前”功能发送向“TCP/IP服务器”和“TCP/IP客户端”发送开始信号,以使仿真组件知道是执行内部计算的时候了(图8①-图8)。在执行之后,计算数据被串行化并且通过网络被发送到“TCP/IP服务器”(图8 - 10)。"From/To Relation Table“(自/至关系表)决定哪个模拟组件应接收传输的数据(图8)。然后,来自“组件A”的数据通过“TCP/IP客户端”和“初始化”被传送到“组件B”和“组件C”,并且最后,它触发“接收数据”功能(图8中的10 - 11)。“接收数据”功能通过使用从“组件A”传输的数据更新每个模拟组件的数据。完成更新后,“完成”信号被发送回“允许时间提前”功能,一次性步骤的模拟程序结束(图8)。现在,下一个时间步根据以上程序。4. 集成仿真框架在钻井船运动仿真中以钻井船运动仿真为例,验证了该仿真框架的有效性。 图 9显示了由集成仿真中间件和接口组成的集成仿真框架的概述。如图所示,有三个模拟组件。第一个组件是基于物理的运动分析组件(简称运动分析组件),可以计算由环境载荷(例如海浪)引起的钻井船运动它是使用内部代码开发的(Cha,Ham,Lee,Roh,2010;Ha,Ku,Roh,Hwang,2015; Ku Roh,2015)。第二部分是一个6自由度运动平台,其上安装有钻井船实体模型。第三个组件是虚拟现实模型见图10。 基于物理分析的运动方程。S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298291用于逼真的可视化,包括钻井船和环境,例如太阳、天空和海洋。4.1. 基于物理的钻井船运动仿真分析组件基于牛顿-欧拉方程的运动方程是钻井船运动分析的基本理论背景。我们已经开发了一个多体动力学公式,在存在运动约束的情况下求解运动方程。图10中总结了典型的四种多体动力学公式:增广公式(Shabana,2010)、嵌入技术(Cha,Roh,&Lee , 2010 ) 、 递 归 牛 顿 - 欧 拉 公 式 ( Featherstone , 2008; KuRoh , 2015 ) 和 欧 拉 - 拉 格 朗 日 方 程 ( Ham , Roh, Lee , Ha ,2015)。水动力是海洋环境中外力(Fe)水动力见图11。 辐射力的计算程序。图12个。钻井船的RAO292S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298图十三. 基于物理的运动分析组件,用于计算钻井船运动。见图14。 6-DOF运动平台的组件。可分为两部分:由入射波施加的波浪激振力和钻井船自身运动产生的波浪辐射力。F流体动力学¼ F激发 F辐射F激励可以通过力RAO(响应幅度算子,F(x))乘以给定频率下的正弦函数来计算力RA0可以从商业求解器获得,例如DNV的WADAM。Cummins方程(Cummins,1962)可用于在时间域中计算F辐射图11总结了F辐射的计算过程。在该图中,ij(x)(i,j = 1,.. . ,6)是频率相关的附加质量,并且,b ij(x)(i,j= 1,.. . 、6)是频率相关阻尼系数。这些系数在给定频率(x)下是不同的。附加质量矩阵(A)和延迟函数B(s)可以通过下式获得:分别使用aij和bij为了验证给定环境中的运动,运动RAO(表示1 m波高处的运动响应 ) 与 稳 态 分 析 的 最 大 运 动 一 致 ( 图 12 ) 。 使 用 商 用 求 解 器(WADAM)获得运动RAO,其为蓝线。红色方块是使用本研究中开发的基于物理的分析程序计算的稳定状态下运动的最大高度。图12表明,结果几乎遵循直线的趋势用于计算钻井船运动的运动分析组件如图13所示。它可以计算流体静力,这是相同的排水量下的海面乘以重力加速度此外,它可以计算水动力,考虑各种波浪条件下,根据不同的波振幅,波频率(波周期),和航向角。4.2. 6-用于钻井船运动仿真的自由度运动平台组件在本研究中,我们制作了一个小型的六自由度运动平台,以进行硬体整合测试。它由一个控制器和传感器,六个伺服电机,支持,和顶板,如图所示。 十四岁S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298293图15. 运动平台的反馈控制程序。图16. 六自由度运动平台的升沉运动试验。图17. 6自由度运动平台的侧倾运动测试。294S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298运动平台必须基于来自运动分析组件的结果实时生成准确的运动。为此,加速度计和陀螺仪传感器安装在运动平台上。利用它们,通过PID(比例-积分-微分)控制获得运动平台的实际运动数据(位置和姿态)。运动平台的PID控制的详细过程如图所示。 十五岁如该图所示,运动分析数据被传输到控制器(图1)。(15①)。首先,运动分析数据直接用作运动平台的输入(图15②)。传感器捕获平移和旋转的顶板运动,并且这些实际运动数据用作反馈以校正运动平台(图1)。[15]③)。 通过比较来自运动分析部件的结果(运动平台的输入)和来自加速度计和陀螺仪传感器的实际运动数据(运动平台的输出),在每个时间步长计算差,并将其用于运动平台的PID控制(图15)。通过这种方式,运动平台可以产生精确的运动(图15)。图图16和图17分别示出了运动平台的升沉和横摇的运动测试。4.3. 用于钻井船运动仿真的为了实现钻井船运动的可视化,利用商用VR在软件在这项研究中,我们使用Unity (http://www.unity3d )。com),具有价格低、性能好、效果多样等优点。特别地,对诸如具有云的天空、具有反射的海洋和钻井船周围的波浪的环境进行建模以产生逼真的可视化,如图18所示。如上所述,钻探船的VR模型组件实时地基于基于物理学的运动分析组件的结果。结果包括钻井船在每个时间步长的平移(纵荡、摇摆和升沉)和旋转(横摇、俯仰和偏航)的6-DOF数据。4.4. 钻井船运动综合仿真的实现基于集成仿真框架,实现了钻井船运动的集成仿真其具体配置如图所示。 十九岁运动分析组件界面中的“执行”可求解钻井船的运动方程(图19①)。当“执行”被触发时一旦钻井船运动数据到达该应用程序仅将从运动分析组件计算的钻井船运动数据发送到运动平台组件和VR模型组件。因此,图十八岁钻井船的VR建模S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298295图19. 钻井船运动综合仿真的组态。图20. 钻井船运动综合仿真的实现。296S. H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298只有一条线。如果钻井船运动数据在“接收数据”中到达,则运动平台组件和VR模型组件改变平台或钻井船模型的位置和方向(图19)。在添加具有人的新视角的多一个VR模型组件的情况下图21. 钻井船垂荡和纵摇运动图对于钻井船内部的人员,可以通过复制先前开发的VR模型组件的界面来有效地完成(图19)。图图20示出了钻探船运动的集成仿真的实现。四台计算机和监视器被设置为执行运动分析组件、运动平台组件和两个VR模型组件,这两个VR模型组件表示钻井船内部和外部的视图。4.5. 钻井船运动综合仿真结果为了产生钻井船运动,我们假设波浪与2 [m]高度和8 [sec]周期从后面来。 在这种环境条件下,利用图12中的模拟组件执行基于物理的运动分析,并且结果在图21中的升沉和俯仰运动的曲线图中示出。如上所述,这些结果是运动平台组件和VR模型组件的输入数据。图22显示了钻井船在选定时间(20、22和24 s)的升沉和纵摇运动现在,我们将波浪改变为来自钻井船侧面的方向,高度为2 [m],周期为8 [sec]结果显示在图1中的垂荡和横摇运动的曲线图中。 23岁图24显示了钻探船在选定时间(28、30和32秒)的升沉和横摇运动的另一个综合模拟结果。结果表明,钻井船的升沉、纵摇和横摇运动的仿真方案得到了很好的执行。VR模型组件的可视化与基于物理的分析组件生成的运动完全相同。6-DOF运动平台类似地移动,但由于其精度的限制而不完全相同。从这个应用程序中,我们可以确认,这三个组件之间的数据交换和时间同步,成功地通过集成仿真框架。图22. 钻井船升沉和纵摇运动的综合仿真结果S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298297图23. 钻井船的垂荡和横摇运动图5. 结论和今后的工作在这项研究中,提出了一个集成的仿真框架,在一个集成的环境中,该框架由集成的仿真中间件和接口组成,中间件包括网络连接模块、数据管理模块、数据类型定义模块和时间管理模块。为了验证该框架的适用性,将其应用于钻井船运动的集成仿真,该框架包括四个仿真组件:基于物理的运动分析组件、运动平台组件和两个VR模型组件。结果表明,钻井船的升沉、纵摇和横摇运动的仿真方案由此,我们发现6自由度运动平台组件的运动和VR模型组件的可视化结果与从运动分析组件计算的运动响应相同即通过集成仿真框架来确定这三个组件之间的数据交换和时间同步本研究将整合的仿真中间件和接口,使用TCP/IP在建议的框架。在未来,高层体系结构(HLA),这是由美国国防建模与仿真办公室(DMSO)提出的分布式仿真的通用体系结构,将取代TCP/IP(Ha,Cha,Roh,Lee,2012)。此外,我们将开发一个可编程逻辑控制器(PLC)接口,以实现硬件在环仿真(HILS)的概念与建议的框架。此外,进一步的研究将集中在所提出的框架的各种应用,如图24. 钻井船升沉和横摇运动的综合仿真结果298S.- H. Ham等人 /计算设计与工程学报5(2018)285-298遥控飞行器(RemoteOperated Vehicle,简称RVM)。为了得到更全面、定量的测量结果,本文提出了利用陀螺仪和加速度传感器测量运动平台姿态的方案。此外,我们将改进运动平台,以生成更准确的运动。利益冲突作者声明不存在利益冲突确认这项工作是我们以前研究的扩展(Ham,Roh,Kim,Zhao,&Ha,2015),部分得到了(a)韩国教育科学技术部资助的韩国国家研究基金会(NRF)赠款(编号2016R1A2B4016253),(b)韩国国防开发署(UD 160009DD),(c)BK21 Plus,&海上工厂工程师教育研究中心(COPE)(d)大韩民国首尔国立大学海洋系统工程研究所。引用Cha,M.,李,J.,&汉,S.(2010年)。一个使用平铺显示墙的分布式可视化模块及其应用。第九届ACM SIGGRAPH会议虚拟现实连续体及其在工业中的应用 - VRCAI 10(pp.63-65)。http://doi.org/10.1145/1900179.1900191网站。Cha,J.H.,Ham,S. H、李,K.是的,&Roh,M. I.(2010年)。多体系统动力学拓扑建模方法在船厂多浮吊仿真中的应用。Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part K:Journal of Multi-Body Dynamics,224(4),365-373. 网址://doi.org/10.1243/14644193JMBD246.Cha,J.H.,Roh,M.一、&李,K. Y.(2010年)。基于多体系统的起重船吊重货物动力响应仿真动力学海洋工程,37(14-15),1273-1291。https://doi.org/10.1016/J的网站。OCEANENG.2010.06.008网站。Cummins,W. E. 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