船舶MMG动力学仿真与旋回运动分析系统

资 源 简 介

本项目通过实现国际通用的MMG（Maneuvering Modeling Group）隔离模型，对船舶在水中的运动进行精细化数值模拟。系统将船舶受力分解为船体水动力、螺旋桨推力、舵力以及它们之间的相互干扰项，建立包含纵向、横向及首摇运动的三自由度非线性运动方程。程序利用MATLAB强大的矩阵运算能力与数值分析工具，采用高阶微分方程求解算法对运动方程进行迭代求解，能够动态模拟船舶在特定工况下的实时位姿。用户可以自定义船舶的主尺度参数、质量分布以及关键的水动力导数。项目的核心应用在于模拟船舶的旋回试验，通过设

详 情 说 明

船舶MMG模型动力学仿真与旋回运动分析系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的船舶动力学仿真平台，核心采用国际通用的MMG（Maneuvering Modeling Group）隔离模型。系统通过将船舶受力分解为船体水动力、螺旋桨推力及舵力三大模块，并考虑各部件间的相互干扰，建立了描述船舶在海平面运动的纵向、横向及首摇三自由度非线性方程。该系统能够精确模拟标准旋回运动试验，为船舶操纵性预估、设计参数验证及航行安全评估提供量化的数据支持。

功能特性

1. 模块化受力建模：严格遵循MMG建模准则，将船舶运动分解为纵向（Surge）、横向（Sway）和首摇（Yaw）三个维度的耦合受力。
2. 高精度数值积分：系统内置四阶龙格库塔算法（RK4），确保在复杂的非线性动力学求解过程中具备较高的迭代稳定性和计算精度。
3. 动态环境交互模拟：实时计算螺旋桨进速比、推力系数以及舵处的有效诱导速度，还原船-桨-舵之间的精细干扰效应。
4. 综合性能自动评估：程序可自动识别并计算旋回试验中的关键指标，包括纵距（Advance）、横距（Transfer）及战术直径（Tactical Diameter）。
5. 多维度可视化输出：提供运动轨迹图、航速与航向时历图、横向漂角变化图等，直观展示船舶运动特性。

使用方法

1. 环境配置：确保计算机已安装MATLAB R2016b或更高版本。
2. 参数自定义：在程序初始化区域，用户可根据具体船型修改船长、船宽、吃水、方形系数等几何参数，以及船舶初始航速和目标操舵角度。
3. 运行仿真：启动主程序，系统将根据设定的步长（默认0.1s）进行时域迭代计算。
4. 结果查看：仿真结束后，系统将自动弹出四组分析图表，并在图表中实时标注旋回性能参数。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB (推荐 R2018a 及以上版本)
2. 硬件要求：标准个人电脑即可，需保证足够的内存以存储仿真历史矩阵。

实现功能与逻辑说明

程序实现逻辑分为以下五个核心阶段：

第一阶段：参数初始化 程序首先定义船舶的几何特征（L、B、d）和质量属性。利用无量纲化经验公式计算纵向附加质量、横向附加质量及附加惯性矩。同时设定仿真工况，如初始航速、螺旋桨转速以及预定的操舵动作（如10秒后执行35度舵角）。

第二阶段：状态向量迭代 采用六维状态向量 [u, v, r, x, y, psi] 描述船舶瞬态。程序在时间轴上通过四阶龙格库塔法进行循环迭代。在每一个时间步长内，通过四次采样斜率来估算下一时刻的位姿，以抵消非线性项导致的累积误差。

第三阶段：动力学核心解算 这是程序的最重要部分，系统会实时计算三个组成部分的力和力矩：

• 船体受力：基于多项式模型计算阻力和横向流体动力，反映船舶在漂角运动下的阻力增加和侧向吸附。
• 螺旋桨推力：计算进速比J，利用线性模型推算推力系数KT，进而求得计入推力减额后的有效推力。
• 舵力计算：考虑螺旋桨加速流对舵效的增强，计算舵处有效流速和真实舵角，从而求出舵对船产生的转舵力矩及横流。

第四阶段：质量矩阵与加速度求解 根据三自由度动力学方程，构建包含附加质量项的3x3质量矩阵。将计算所得的合力与惯性离心力项组成受力向量。通过矩阵左除运算（M B_vec）即时解算出当前时刻的纵向、横向及角加速度。

第五阶段：坐标变换与输出 将船坐标系下的速度（u, v）通过欧拉角变换转换为大地坐标系下的位置增量（dx, dy）。程序记录全过程的航行轨迹和姿态数据，最终提取船舶首向角改变90度和180度的关键节点，量化输出操纵性能指标。

关键函数与算法分析

1. 四阶龙格库塔算法（RK4）：该算法作为系统的数值引擎，解决了操纵性方程的强非线性问题。通过在dt、dt/2处多次评估导数，避免了欧拉法等一阶方法在处理船舶急速回转时出现的轨迹漂移问题。

1. 船桨舵耦合算法：

• 螺旋桨诱导流模型：程序通过推力系数实时估算舵处水流速度，模拟了螺旋桨旋转时的吸流效应，使得仿真更符合实际物理工况。
• 舵效修正：计入了舵对船体的干扰系数（a_H）和干扰中心（x_H），这体现了MMG模型“隔离建模、考虑干扰”的核心思想。

1. 性能识别逻辑：

利用逻辑索引技术（find函数）在海量的仿真数据中定位首向角越过特定阈值的时间点，通过插值或直接寻址方式获取该时刻的位置坐标，从而实现对纵距（Advance）及战术直径（Tactical Diameter）的自动化测量。

1. 动力学矩阵方程：

系统通过构建质量矩阵 M 和等号右侧受力向量 B，实现了 M * dV/dt = B 的标准型表达。该实现方式保留了重心偏离（x_G）带来的耦合项，能够真实反映船舶在回转过程中的质心离心效应和横倾力矩关联性。