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操船リスクシミュレータにおける波浪状況の生成と船体運動

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操船リスクシミュレータに
おける波浪状況の生成と
船体運動
運航・物流系
福戸淳司、三宅里奈、疋田賢次郎
講演の構成
はじめに
海洋波の表現について
シミュレータの海洋波の表現機能
画像システムでの表現
運動計算と波の表現
波浪中の運動のシミュレーション例
まとめ
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
2
はじめに
重点研究:実海域再現水槽と操船リスクシミュレータを融合した
海難事故等再現・解析技術の高度化に関する研究
操船シミュレータと実海域再現水槽とのリンク
多種多様な自然環境や交通環境下の操船の再現
事故時の状況把握
原因の究明・安全対策の検討
荒天時の大洋航行や波浪中の海洋開発作業等に関わる
システムの検討時の事前評価
多様な自然環境条件の下、(波浪、風、潮流、浅水等)
多様な操船条件での、(幅広いスピードレンジ、定点保持等)
リアルタイムでの波浪と船体運動の表現技術の実現
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
3
海洋波の表現について
x
l
V
C
c
座標系
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
y
Z:
n:
hi:
f i:
t:
g:
X:
Y:
 i:
 i:
波高(m)
成分波の分割数
成分波の方振幅(m)
成分波の周波数(Hz)
計算開始からの経過時間(s)
重力加速度(m/s2)
南北方向位置座標(m)
東西方向位置座標(m)
成分波の波向き(rad)
成分波の位相(rad)
4
波の表現
成分波の周波数と振幅の計算
1. 波のスペクトルに基づく
成分波への分割と
周波数fiの設定
2. 成分波の片振幅hiの計算
a1 = a2 = a3 ・・・ = an
S(f) [m2・s]
成分波の周波数fiと
波振幅hiの計算手順
5
A1
A2
a1
0
a2
a3
f1 f2 f3
ai
fi
an
f
n
・・・
・・・
Frequency [Hz]
等エネルギー分割法による周波数の分割
分割法については、平山、宮里による「任意形状スペクトルによる多方向不規則波の造波法の
提案」、港湾空港技術研究所報告 第48巻第2号、2009.6 を参照。
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
Δfi
波の表現
成分波の周波数と振幅の計算
ITTC スペクトル
1/3 有義波高: 5m
分割数
50
0.3
等エネルギー分割法による周波数の分割
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
1.57
6
成分波の各周波数
最小値:0.406 [rad/s]
最大値:1.871 [rad/s]
波の表現
成分波の周波数と振幅の計算
成分波の振幅は、波のスペクトルを用いて、以下の式とし
て表現できる。
ここで、成分波の分割を等エネルギー分割法を用いたこと
により、各成分波で共通の値となる。
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
7
波の表現式
成分波の波向きiの算定
成分波の波向きは、波の方向分布関数に基づき、
正規化した累積曲線を求め、乱数を対応することで求める。
Cosn型方向分布関数
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
波向きの計算結果
8
波の表現式
成分波パラメータのデータ形式
成分波番号
振幅 hi(m)
角周波数ωi
(rad/s)
波向きχi(rad)
位相差εi(rad)
1
0.250058
0.0646875,
3.47495
5.65493
2
0.250058
0.0690625
3.57792
5.30411
3
0.250058
0.0715625
3.75071
2.30052
4
0.250058
0.0740625
3.18872
1.41016
5
0.250058
0.0759375
2.94437
4.97141
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
n-1
0.250058
0.225937
3.97062
0.637725
n
0.250058
0.297813
3.39641
2.80193
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
9
シミュレータ上の海洋波の表現機能
表現できる波の種類
規則波
1方向不規則波
多方向不規則波
ユーザ設定の不規則波
利用できる波のスペクトル
ITTC
ISSC
JONSWAP
Bretschneider-光易
ユーザ定義スペクトル
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
規則波の3D波形
一方向不規則波の3D波形
多方向不規則波の3D波形
スペクトルの比較
10
シミュレータ上の海洋波の表現機能
11
利用できる波の方向分布関数
Cosn型方向分布関数
光易型方向分布関数
ユーザ定義方向分布関数
波方向135(deg)での波の方向分布関数
波方向135(deg)での正規化
累積波の方向分布関数
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
Cosn型方向分布関数による
主要波方向135(deg)での波の
方向分布
シミュレータ上の海洋波の表現機能
任意の多角形で海域分割した
2つの海域での波を表現
12
f(x,y,d)
2つの海域の成分波の振幅に
、重み関数を以下のとおり掛け
合わせ、2つの海域の波を表現
する。
成分波振幅 h(x,y)
= f(x,y,d) h1 + (1 - f(x,y,d)) h2
x, y : 位置座標、 d: 干渉調整幅
h1: 海域内の振幅
h2: 海域外の振幅
領域分割時の領域例と重み関数 f(x,y,d)
重み関数 f(x,y,d)は、境界外が0.0、境界内が1.0、境界多角形上が0.5とし、な
めらかに移行するために干渉調整幅を設け、任意の(x,y)座標から多角形まで
の距離と干渉調整幅の比から、重みを設定する。任意の(x,y)座標から多角形
までの距離は、多角形の全線分までの距離を計算し、最も短いものを距離と
する。
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
シミュレータの海洋波の表現機能
操船シミュレータの構成と情報の流れ
主計算機
環境
データ
船舶
モデル
自船指令値
(舵角, 回転数等)
シミュレータ
主プロセス
波浪情報
自船運動状態
波浪設定情報
波浪条件
設定
景観画像生成PC PC1
CG生成プロセス
generation PC2
CG
CG generation
波浪計算プロセス
Wave
program
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
シナリオ
データ
波浪計算
関数
船体運動
自船運動計算
プロセス
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画像システムでの波の表現
景観用波浪計算プロセスの関連シーケンス図
景観画像生成PC PC1
シミュレータ
主プロセス
初期化時
計算実行時
シナリオ・各種設定
計算開始指示
波の設定条件指示
CG 生成プロセス
画像データ
波の設定条件
船舶状態データ
成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
波係数計算要求
波の設定条件
計算終了指示
成分波パラメ
ータ計算
波高計算要求
波高データ
波係数計算要求
終了時
計算終了指示
波浪計算関数
波高計算
成分波パラメ
ータ計算
画像システムでの波の表現
今回更新した景観画像生
成システム "Vega Prime"は、
海面を詳細に表示するため、
海面の部分だけをメッシュ
状に分割し、それぞれの
メッシュ交点の波高を求め
設定することで、リアルな波
形を実現している。
CG画面の海面の部分のメッシュの状況
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
15
波の画像
成分波50、有義波高4m のJONSWAPスペクトル、Cosn型方向分布関数を用いた波の景観画像
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
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運動計算と波の表現
LAN
LAN経由のプロセス間通信
実行時
他舶の運動計算
船体状態データ
他のプロセスとの
通信機能
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
実行時
操船指令値
操船指令データ
波浪条件に基づく
成分波パラメータ計算機能
実行時
波浪条件の設定
実行時
シミュレータ主プロセスとの通信機能
船体状態量
操船指令取得管理
シナリオデータ
船体状態初期値
波浪条件データ
自船運動計算プロセス
成分波
パラメータ
シナリオデータ
初期化時
初期化時
シミュレータ
主プロセス
運動計算 DLL
操縦運動モデル(MMG)
+
波浪中の運動モデル、波浪計算関数
波浪中のシミュレーション例
運動モデル
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波浪による運動
不規則波中を航行する
船舶の運動モデル
+
操縦運動
6自由度の運動方程式
波浪による運動
or
成分波の規則波に
対する周波数応答の
重ね合わせ
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
成分波のパラメータ
任意点の波高
成分波のパラメータ
波浪中の運動のシミュレーション例
平成27年度(第15回)海上技術安全研究所研究発表会
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まとめ
波浪状況下の船体運動の再現を目的として、波のスペクトル
等の統計量やユーザ設定による波の形状とその動きを計算する
波浪計算プログラムを作成した。
自船船体運動プロセスと個別の船体運動計算を行うダイナミ
ックリンクライブラリ及び波の景観作成プロセスから利用でく
るように、波浪計算プログラムを操船シミュレータに組み込ん
だ。
これにより、不規則波に対応した景観画像表現が可能となる
と共に、船体動揺計算に必要な波の詳細情報を実時間で提供で
きるようになった。
今後、波浪状況下での運動計算法として、MMG型の操縦運動
モデルと、ストリップ法をベースとし波浪中での復原力変動を
表現するために、時々刻々の水面下の船体形状に基づいた復原
力及びフルードクリロフ力を評価できる船体運動計算プログラ
ムを作成し、シミュレータに組み込む予定である。
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