0 引　言

对舰船运动姿态研究可以提高作战系统目标跟踪与锁定的能力。在复杂的海况下，舰船运动的不稳定性影响作战系统的效能。通过对舰船运动姿态的分析和预测，可以减小目标在传感器视野范围内的运动，为指挥人员提供判断依据。

对于船舶的耐波性分析，大多数对船舶耐波性研究在数值模拟^{[1 − 3]}、试验研究^{[4 − 5]}、理论研究^{[6 − 7]}、船舶设计^[8]和自适应控制^[9]等方面都取得了一定的进展，这些方面更多的是优化船舶的形状和结构，提高船舶的稳定性、操纵性以及耐波性等性能。但在海上作战中，舰船的运动姿态对作战系统的效能和稳定性也有着重要的影响^[10]。舰船在波浪环境中不断变换运动姿态，良好的运动姿态预测与优化可以提高作战系统的目标跟踪与锁定能力。因此，对运动姿态的研究和优化也是提升作战系统效能的重要方向。本文通过构建非完备条件下舰船模型，从而对已有舰船的运动姿态进行分析，来帮助作战时的推演。

1 非完备条件下舰船模型构建

本文首先利用Maxsurf软件对已有的某舰船模型进行详细建模。在建模过程中，舰船的主尺度参数等数据均来源于多方面的文献资料，以确保数据的准确性和可靠性，从而实现在非完备条件下的舰船信息获取，为后续舰船运动姿态分析提供相对精确的实船数据基础支撑。此外，对于舰船模型中除主尺度参数以外的结构，通过对实际确定的尺寸与图片上的模糊尺寸进行配合、转换和提取，以得出精确的结构尺寸。并基于舰船设计原理对舰船模型进行建模，得到该舰船的实体模型。这一模型实体将作为后续对目标舰船的耐波性能分析的模型依据。舰船参数模型得建立方法如图1所示。

1）通过对多源文献的查阅来确定舰船的主要尺度参数，包括舰船的船长、型宽和型高等。这些参数是构建准确模型的基础，为了确保所获取的尺度参数的准确性，参考来自不同出版物的文献资料，包括舰船的技术手册、公开发表的权威期刊、论文中抽取的数据以及公开的军事资料等。通过对以上资料的综合比对和分析，得到舰船的主要尺度参数，部分主尺度参数如表1所示。

2）图片反演确定局部细节尺度。确定舰船主尺度参数后，收集足够的照片以确保全方位的视角覆盖，从不同的角度，如正视、侧视、俯视等，以便更全面地了解整个舰船的外观和形状。进一步整理各个视角的照片，确保每一个重要的细节都不会被遗漏。将这些照片导入到适当的软件工具中，如AutoCAD等，以便进行尺度测量和建模。使用测量工具来精确地测量舰船模型各部分的尺度。通过这些精确的测量数据，可以进一步了解舰船的细节和结构，从而更好地为后续舰船水下模型构建提供依据。

3）构建舰船型线图。通过以上对大量舰船尺度信息的收集和分析，确定该型舰船的水线、纵剖面曲线以及横剖面曲线。在创建目标船的线型图中，舰船被分成20站，每站理想长度为7.75 m。因为船尾和船首形状复杂，又在20站基础上多取了0.5、1.5、18.5、19.5。每个站有7个控制点，控制点的Y轴坐标分别对应着船舶左舷轮廓线在吃水为0、0.5、4、8、10、15以及上甲板位置的船舶半宽^[11]。定义绘制型线，水线、纵剖面曲线以及横剖面曲线如图2所示。

4）构建舰船的三维实体模型。通过利用舰船的实际尺寸比例，在建模软件中创建出一个精确的三维模型。由于舰船的结构复杂，特别是船首和船尾部位，因此可以将船分成3部分来进行建模。首先，从船首开始，根据船首的纵剖面曲线和横剖面曲线，构建出船首的三维模型。球鼻艏形状复杂，所以设置相对多的控制点。通过获取舰船部分结构的精选图片进行参数反演，进一步根据控制点自动形成的光滑曲面，球鼻艏的部分是根据一系列控制点自动生成的平滑曲面。这些控制点之间的连接形成了函数拟合曲线，构成了主体部分的外形曲面轮廓。通过对控制点进行赋值和拉拽，可以确保模型轮廓与目标舰船的外形一致。然后，转移到船身部分，根据船身的纵剖面曲线和横剖面曲线，构建出船身的三维模型。最后，再回到船尾部分，根据船尾的纵剖面曲线和横剖面曲线，构建目标船的船尾同样形状较为复杂，所以采用的同样的方法进行构建出船尾的三维模型。

在构建每一部分的三维模型时，需要仔细分析和模拟曲线的变化，以确保模型的准确性和真实性。一旦完成了所有部分的三维模型，就可以将它们连接起来，最终完成模型的建立。

通过以上步骤，可以使用舰船的尺度参数构建出一个三维实体模型。

2 水动力计算参数设置

完成水面舰船模型分析工作的操作步骤如下：

步骤1　模型进行船体水线切割的处理。根据给定的情况，将吃水值设置为−6.7 m（根据舰船的主尺度参数的吃水）。

步骤2　设置全局变量和浮体质量。依据舰船设计的一般原理，结合舰船的设计参数，确定重心垂向位置。为了简化计算，惯性半径K_xx、K_yy、K_zz可以通过以下经验公式估算：

${K_{xx}} = 0.35B ，$

(1)

${K_{yy}} = 0.25L，$

(2)

${K_{zz}} = 0.25L。$

(3)

步骤3　网格划分，通过网格收敛性验证后生成网格。

步骤4　计算参数设置。取45°一个间隔，共计8个浪向，最小波浪频率f根据经验公式估算^[12]：

$f = 0.05\sqrt {\dfrac{g}{d}} 。$

(4)

式中：$g$为重力加速度；$d$为水深。

Aqwa软件在计算水动力时，其时间步长覆盖了波浪的主要能量范围，即5～30 s。而对于常规结构物的浮体，该处设置为31.4 s。因此，在Aqwa软件中进行水动力计算时，本文将计算周期设置为31.4 s，以确保波浪能量的覆盖范围。根据需要对其他参数进行合理的设置和调整，然后进行频域计算。

3 结果与分析处理 3.1 舰船模型的验证与检查

1）模型验证，根据所构建舰船模型的参数与舰船实际参数进行对比，如表2所示。

通过对比可以得知，舰船主要尺度参数包括船长、船宽、吃水等要素在已收集到的资料中保持了一定的一致性。同时，描述舰船船体形状和性能的重要参数，如方形系数、棱形系数等，在可接受的误差范围内保持了相对准确性。

在已知舰船模型构建过程中，由于信息获取的限制和非完备条件的存在，对舰船主尺度和形状参数的准确性要求通常会有一定的偏差容忍范围。因此，尽管存在一定的误差范围，但对于非完备条件下的舰船模型来说，合理地利用舰船主要尺度参数和形状参数可以有效地进行分析和评估。

2）模型检查。对模型进行静水力计算，将计算结果与已知舰船模型信息对比，如表3所示本舰船的重心坐标Z_g=1.2相对于水面，与表中的计算结果一致；本舰船排水量为8 364 t，软件计算的排水体积为8 176 m³，根据海水密度为1 025 kg/m³换算成质量为8 380 t，与原舰船的排水量基本一致，证实了仿真结果的可靠性。

对于以上舰船模型的验证与检查可知所构建的某型舰船模型在准确性方面表现较为理想，可以用于水动力性能的计算。这意味着该模型在模拟舰船运动姿态方面具有一定的可信度，可以用于评估舰船在不同风浪条件下的航行稳定性，为实际作战和航海任务提供更准确的数据支持。

3.2 横摇幅值算子

对模型进行水动力计算，查看90°浪向下的横摇幅值算子（RAO）计算结果，如表4所示。

分析可知，该舰船的横摇固有周期大约为14 s，当波浪入射角为90°时，阻尼修正前，横摇幅值达到的最大值为17.16°/m，这是因为船舶横摇幅值受到粘性阻尼的影响更大。基于面元法的求解没有考虑到横摇粘性阻尼。因此，对横摇阻尼进行修正。工程上阻尼可取为5%～10%的临界阻尼，本文中的临界横摇阻尼利用书籍^[13]中的经验公式来确定。本文取10%的临界阻尼作为横摇阻尼修正值，添加附加阻尼，重新进行水动力计算，查看波浪入射角为90°横摇作用下的横摇峰值结果最大值为3.89°/m，为给定海况下的运动姿态分析提供频域基础。

3.3 给定海况下的运动姿态分析

根据以上完成给定海况作用下船体频域运动分析，对水动力响应性能进行参数设置分析。在水动力时域分析中插入不规则波，波浪谱为Pierson-Moskowitz，浪向为0°、$\pm$45°、$\pm$90°、$\pm$135°、180°的典型工况，波浪设置如表5所示。

以浪向45°时的舰船运动为例，输出航行过程中在重心处500 s的横摇时程曲线、纵摇时程曲线与垂荡时程曲线，如图3～图5所示。

在给定海况下，计算结果表明通过非完备条件下的舰船建模，利用Aqwa软件能实现船舶运动姿态较为精确的模拟分析。

4 结　语

本文构建了一艘水面舰船的三维模型，该模型详细地反映了舰船的几何特征和属性。随后，利用Aqwa软件对该模型进行耐波性分析。分析过程涵盖了舰船在不同海况下的运动响应，如浪向、波高和波周期等，从而详细展示了舰船的耐波特性及其对波浪的响应过程。

在实际作战场景中，这种能力具有重要意义。通过对舰船运动姿态的实时分析，指挥官可以更好地评估舰船在复杂海洋环境中的耐波性，从而为作战行动提供有力支持。此外，本文的研究成果还可为舰船设计提供参考，有助于优化舰船的结构和性能。

综上所述，本文通过对多个软件的联合应用，对一艘非完备条件下的水面舰船的耐波性进行了分析，结果表明该舰船在给定海况下能够对非完备信息的舰船进行运动姿态分析。这一研究方法和技术成果对于水面舰艇的设计、性能优化以及在作战时的推演、运用分析具有重要的实际应用意义。