1.本发明涉及船舶的舱室液面高度计算方法，特别是一种液货船配载仪中船舶任意横纵倾下的舱室液面高度计算方法。
背景技术：2.考虑到液货船的横纵倾会造成非满舱装载液体的等体积自由流动，会导致液货重心、自由液面惯性矩等相关参数发生改变，因此在计算液货船的浮态和稳性时，需要根据船舶当前的横纵倾重新确定非满舱液体的自由液面，从而计算装载液体的参数。
3.目前重新确定装载液体液面高度的方法主要有测量修正法和离线插值法。文献1通过修正测量得到的液面高度，对舱容曲线进行差值得到相应横纵倾下的液货体积；文献2计算出不同横倾角下倾斜液面位置和容积的关系曲线，再进行差值计算，计算的实时性较好；文献3按照液舱形状，计算一定装载量下液体移动产生的倾斜力矩，从而实现任意载况下的自由液面修正计算；文献4分析了按imo规范进行舱容计算产生误差的原因，提出了一种基于三维nurbs表达的精确自由液面计算方法；文献5基于全站仪的测量数据建立液舱数学模型，利用测深管液面高度计算出不同浮态下的液货体积；文献6在已知测深管位置、读数和船舶纵倾的情况下，计算各站液面高度，通过对舱容模拟曲线进行积分得到舱容；文献7在液舱数学模型的基础上对不同液面高度下的液面面积进行积分求得液货体积，计算结果较为精确，但没有考虑船舶横纵倾的影响。
4.采用测量加修正的方法计算液货自由液面时，计算精度主要取决于建立的液舱数学模型的精度和测量液面的精度，在实际操作中容易造成较大的误差；通过建立倾斜液面位置和液货体积的关系曲线，进行离线差值计算时的实时性较好，但在有纵倾影响时计算的误差较大。
5.本发明涉及到的参考文献如下：
6.[1]马坤,李作志,杨洋《舰船完整稳性实时计算方法研究[j]》，大连理工大学学报,2007,47(03):383-386。
[0007]
[2][2]马坤,陈德志《自由液面对大倾角稳性的修正计算方法[j]》，中国造船,2005(01):3-9。
[0008]
[3]马坤,董晓霞,杨帆《舰船自由液面对稳性曲线修正的实时计算[j]》，中国舰船研究,2006,1(01):54-57+80。
[0009]
[4]陆丛红,林焰,纪卓尚《基于nurbs表达的精确自由液面修正[j]》，中国造船,2007,48(01):30-38。
[0010]
[5]项勇,胡勇.《船舶液货舱舱容计量与修正[j]》，船海工程,2011,40(02):40-44。
[0011]
[6]肖步桥《一种简便易行的计算舱容的方法[j]》，中国修船,2001(03):34-36。
[0012]
[7]陈宾康,赵成壁《船舶液货舱容积精密计算方法[j]》，武汉水运工程学院学报,1994,18(01):26-33。
[0013]
[8]刘春雷,尹勇,孙霄峰等《基于stl模型的船舶几何特性计算[j]》，系统仿真学报,2015,27(10):2264-2271。
[0014]
[9]赵晓非,林焰《关于解船舶浮态问题的矩阵方法[j]》，中国造船,1985(03):57-66。
[0015]
[10]刘春雷《散货船智能化配载仪的研究与实现[d]》大连:大连海事大学,2013。
[0016]
[11]germanischer lloyd s e.rules for classification and construction[s].2013。
技术实现要素：[0017]
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种液货船配载仪中舱室液面高度计算方法，以解决液货船配载仪中液货自由液面计算精度不高、实时性差和在纵倾影响下计算困难的问题。
[0018]
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种液货船配载仪中舱室液面高度计算方法，包括以下步骤：
[0019]
a、获取液舱三维数据
[0020]
采用液舱内表面三维数据作为计算的数据来源。为了方便描述舱内液货的相对位置，引入参考坐标系ex0y0z0，此坐标系是一个左手直角坐标系，其中e点为船舶中横剖面、中纵剖面以及基平面的交点，ex0轴水平指向船首为正，ez0轴竖直向上为正，ey0轴垂直于ex0轴水平向右为正。查询装载手册得到舱室容积中心p点坐标，以p点在舱室基平面上的投影o点为原点建立舱室直角坐标系oxyz，其中oxy面与舱室基平面重合，ox轴平行于ex0轴，指向船首方向为正，oz轴垂直于oxy平面向上为正，oy轴垂直于oxz平面向右为正，所有的计算都是建立在舱室直角坐标系上的。
[0021]
沿船长方向按照固定间隔δ对舱室进行切割，得到每个横剖面处的液舱型线多边形，得到舱室内表面三维数据。所述的间隔δ为0.10
±
0.01m。
[0022]
b、计算舱容参数
[0023]
由于船舶在运营过程中会不可避免的产生横纵倾，液舱内的液体会随着船舶的横纵倾等体积自由流动以达到平衡状态，在计算船舶浮态和稳性时，需要重新确定液面高度以计算舱室自由液面惯性矩，进行自由液面修正。下面基于舱室内表面三维数据，在已知船舶横倾角、纵倾角及液货体积的情况下，利用逐次线性化法确定液舱内的液面高度，使计算得到的液面高度下的舱室容积等于初始液货体积。船舶在横摇及纵倾过程中，船舶总体积保持不变，船舶横倾角θ、纵倾角φ已知，需要计算出舱室液面高度h：
[0024]
其中液货参数方程为：
[0025]v0-v＝0
ꢀꢀ
(1)
[0026]
隐式表示为：
[0027]
f(h)＝0
ꢀꢀ
(2)
[0028]
式中，v0为舱室初始液货体积，v为给定θ、φ、h参数下的液货体积。
[0029]
c、用逐次线性化法计算实际舱室液面高度
[0030]
逐次线性化法的基本思想是利用计算液货体积和实际液货体积的差值以及当前液面面积，不断修正液面高度，使计算体积逐渐逼近实际体积，直到确定最终的液面高度。
首先查询装载手册中的平吃水舱容表，利用已知的液货体积通过内插得到船舶平吃水时的舱内液面高度，将液面高度h的初始值设置为此高度。已知φ、θ、h，通过积分求得液面下的液货体积v，利用v与v0的差和当前液面高度下水线面面积s修正h，得到最终结果。
[0031]
采用逐次线性化的方法得到线性化方程如下：
[0032]
df(hk)(h-hk)+f(hk)＝v
0 k＝0,1,2,
…ꢀꢀ
(3)
[0033]
式中，hk为第k次计算时的液面高度，f(h)为液面高度为h时的液货体积，df(hk)为f(h)在hk处的偏导。由静力学原理得：
[0034][0035]
式中，s为液面高度h时的舱室水线面面积。
[0036]
在第k次计算时式(3)写成如下形式：
[0037]s·
dhk+f(hk)＝v0ꢀꢀ
(5)
[0038]
第k+1次的计算参数见下式：
[0039]hk+1
＝hk+dhkꢀꢀ
(6)
[0040]
逐次线性化法计算流程如下：
[0041]
c1、令i＝1，给定h第1次迭代初始值h1[0042]
c2、采用梯形积分法计算液面高度h1下的的体积v1，
[0043][0044]
式中，l为舱室长度，a1为舱室方向x处横剖面的面积。
[0045]
c3、判断是否满足终止条件
[0046]
f(h)＝|v
0-v1|＜ε
ꢀꢀ
(8)
[0047]
若满足，输出当前液面高度h，结束；若不满足，令i＝2，转步骤c4。
[0048]
c4、进行第i次迭代，计算新的液面高度h
i+1
[0049][0050]
式中，vi、si分别为液面高度为hi的液货体积及液面面积。
[0051]
c5、判断是否满足终止条件：
[0052]
f(hi)＝|v
0-vi|＜ε
ꢀꢀ
(10)
[0053]
若满足，输出当前液面高度h，结束；若不满足，令i＝i+1，转步骤c4。
[0054]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0055]
本发明通过对液舱内表面数据进行沿船长方向的等距切割，得到液舱三维数据。基于液舱三维数据，在已知液货体积、横倾角、纵倾角的情况下计算出液面高度。实验得出以下结论：
[0056]
1)利用舱室三维数据和船舶横纵倾角确定液货的液面高度是可行的，并且计算精度较高；
[0057]
2)本发明在保证计算精度的同时具有较好的实时性，一般需要3～5次迭代即可收敛，可以更好的满足液货船配载仪中复原力臂曲线的计算要求。
附图说明
[0058]
图1为舱室横倾及纵倾下液面高度变化示意图。
[0059]
图2为液货舱r1.01p三维切片示意图。
[0060]
图3为本发明的流程图。
[0061]
图4为计算舱室示意图。
[0062]
图5为dam1下的复原力臂对比曲线。
[0063]
图6为dam2下的复原力臂对比曲线。
[0064]
图7为dam3下的复原力臂对比曲线。
具体实施方式
[0065]
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
[0066]
本发明以长为138m、宽为22.6m、排水量为19847.2t的液货船“jin zhou wan”中的货舱和压载舱为例，计算确定了横倾角分别为0
°
、10
°
、20
°
到50
°
以及液货体积占总舱容体积10％、50％和90％时的液面高度，并与napa计算值进行对比。由于此液货船的货舱和压载舱关于船舶中纵剖面对称，因此本实施例按图3所示流程计算位于船舶中纵剖面右侧的货舱和压载舱(如图4所示)，图1所示为某舱室横倾及纵倾变化后液面高度变化示意图，图2所示为某舱室r1.01p 3d切片示意图。
[0067]
napa软件是芬兰napa公司开发的国际著名船舶cad软件，德国劳埃德船级社和挪威船级社等均将napa的计算结果作为准确值，通过与送检配载仪的计算结果进行比对判断送检配载仪是否达到认证要求。
[0068]
在win 7操作系统下的vs2013平台上，利用c++语言编写逐次线性化法计算程序。在计算精度为0.5m3时，将计算出的液面高度与napa计算结果进行比对，发现三种方法均可以得到较高的计算精度，但是达到精度要求所需的时间略有差异。对不同舱室下装货体积分别占满舱体积的10％、50％和90％，横倾角分别为0
°
、10
°
到50
°
的液面高度进行计算，因为计算产生的数据较多，为了减少篇幅，本实施例只给出逐次线性化法下的计算结果与napa计算值的比对结果，即每次计算的误差，见表1～3。对所有的计算结果进行统计分析，每次计算的平均误差、最大误差以及平均迭代次数、最大迭代次数的统计结果见表4。
[0069]
表1装货体积占10％时逐次线性化法的计算结果
[0070][0071]
表2装货体积占50％时逐次线性化法的计算结果
[0072][0073][0074]
表3装货体积占90％时逐次线性化法的计算结果
[0075][0076]
表4计算结果分析
[0077][0078]
对计算结果进行分析，计算结果最大绝对误差为7.5cm，满足船级社50cm的误差要求。最大迭代次数为4，收敛速度较快。
[0079]
基于本发明的研究成果，大连海事大学航海研究所成功的完成了液货船配载仪中的浮态和稳性计算模块，并将其运用到与上海船舶设计研究院联合研发的液货船配载仪smart load中。目前该配载仪已经通过了ccs、abs、dnv、nk、bv及lr国际六大船级社认证并成功装船100余条。
[0080]
利用本发明算法和napa配载仪计算液货船jin zhou wan中部分破损工况下的复原力臂曲线，并将二者的计算结果进行比对。其中计算选取的破损工况下的船舶载态和破损舱室见表5。
[0081]
表5船舶载况和破损舱室
[0082]
[0083]
smart load的计算数据和napa的计算数据见图5～7。
[0084]
对计算结果进行误差分析，见表6。
[0085]
表6误差分析
[0086]
tab 6 error analysis
[0087][0088]
德国劳氏船级社对基于三维设计数据的散货船配载仪中的稳性计算误差要求为满足5cm或5％，本发明的实际效果符合船级社的精度要求，并且达到了很高的精度。
[0089]
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种液货船配载仪中舱室液面高度计算方法，其特征在于：包括以下步骤：a、获取液舱三维数据采用液舱内表面三维数据作为计算的数据来源；为了方便描述舱内液货的相对位置，引入参考坐标系ex0y0z0，此坐标系是一个左手直角坐标系，其中e点为船舶中横剖面、中纵剖面以及基平面的交点，ex0轴水平指向船首为正，ez0轴竖直向上为正，ey0轴垂直于ex0轴水平向右为正；查询装载手册得到舱室容积中心p点坐标，以p点在舱室基平面上的投影o点为原点建立舱室直角坐标系oxyz，其中oxy面与舱室基平面重合，ox轴平行于ex0轴，指向船首方向为正，oz轴垂直于oxy平面向上为正，oy轴垂直于oxz平面向右为正，所有的计算都是建立在舱室直角坐标系上的；沿船长方向按照固定间隔δ对舱室进行切割，得到每个横剖面处的液舱型线多边形，得到舱室内表面三维数据；所述的间隔δ为0.10
±
0.01m；b、计算舱容参数由于船舶在运营过程中会不可避免的产生横纵倾，液舱内的液体会随着船舶的横纵倾等体积自由流动以达到平衡状态，在计算船舶浮态和稳性时，需要重新确定液面高度以计算舱室自由液面惯性矩，进行自由液面修正；下面基于舱室内表面三维数据，在已知船舶横倾角、纵倾角及液货体积的情况下，利用逐次线性化法确定液舱内的液面高度，使计算得到的液面高度下的舱室容积等于初始液货体积；船舶在横摇及纵倾过程中，船舶总体积保持不变，船舶横倾角θ、纵倾角φ已知，需要计算出舱室液面高度h：其中液货参数方程为：v
0-v＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)隐式表示为：f(h)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，v0为舱室初始液货体积，v为给定θ、φ、h参数下的液货体积；c、用逐次线性化法计算实际舱室液面高度逐次线性化法的基本思想是利用计算液货体积和实际液货体积的差值以及当前液面面积，不断修正液面高度，使计算体积逐渐逼近实际体积，直到确定最终的液面高度；首先查询装载手册中的平吃水舱容表，利用已知的液货体积通过内插得到船舶平吃水时的舱内液面高度，将液面高度h的初始值设置为此高度；已知φ、θ、h，通过积分求得液面下的液货体积v，利用v与v0的差和当前液面高度下水线面面积s修正h，得到最终结果；采用逐次线性化的方法得到线性化方程如下：df(h
k
)(h-h
k
)+f(h
k
)＝v
0 k＝0,1,2,
…ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，h
k
为第k次计算时的液面高度，f(h)为液面高度为h时的液货体积，df(h
k
)为f(h)在h
k
处的偏导；由静力学原理得：式中，s为液面高度h时的舱室水线面面积；在第k次计算时式(3)写成如下形式：s
·
dh
k
+f(h
k
)＝v0ꢀꢀꢀꢀ
(5)第k+1次的计算参数见下式：
h
k+1
＝h
k
+dh
k
ꢀꢀꢀ
(6)逐次线性化法计算流程如下：c1、令i＝1，给定h第1次迭代初始值h1c2、采用梯形积分法计算液面高度h1下的的体积v1，式中，l为舱室长度，a1为舱室方向x处横剖面的面积；c3、判断是否满足终止条件f(h)＝|v
0-v1|＜ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)若满足，输出当前液面高度h，结束；若不满足，令i＝2，转步骤c4；c4、进行第i次迭代，计算新的液面高度h
i+1
式中，v
i
、s
i
分别为液面高度为h
i
的液货体积及液面面积；c5、判断是否满足终止条件：f(h
i
)＝|v
0-v
i
|＜ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)若满足，输出当前液面高度h，结束；若不满足，令i＝i+1，转步骤c4。
技术总结本发明公开了一种液货船配载仪中舱室液面高度计算方法，包括以下步骤：获取液舱三维数据；计算舱容参数；用逐次线性化法计算实际舱室液面高度。本发明通过对液舱内表面数据进行沿船长方向的等距切割，得到液舱三维数据。基于液舱三维数据，在已知液货体积、横倾角、纵倾角的情况下计算出液面高度。实验得出以下结论：1)利用舱室三维数据和船舶横纵倾角确定液货的液面高度是可行的，并且计算精度较高；2)本发明在保证计算精度的同时具有较好的实时性，一般需要3～5次迭代即可收敛，可以更好的满足液货船配载仪中复原力臂曲线的计算要求。满足液货船配载仪中复原力臂曲线的计算要求。满足液货船配载仪中复原力臂曲线的计算要求。
技术研发人员：刘春雷 黄连忠 孙霄峰 尹勇
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2022.02.23
技术公布日：2022/7/5
