[发明专利]一种基于帆船风帆攻角确定最小回转半径的方法

权利要求书

1.一种基于帆船风帆攻角确定最小回转半径的方法，其特征在于，包括：

设定目标帆船、所述目标帆船的参数；根据所述目标帆船的参数建立所述目标帆船的帆船模型；

设定不同的风帆攻角，并根据所述目标帆船的参数得到不同的升力系数与阻力系数；根据所述不同升力系数与阻力系数，计算得到不同所述风帆攻角下的升力与阻力；

根据设定的绝对风速和相对风向角得到相对风速；将所述相对风速及所述升力、阻力、升力系数、阻力系数输入所述帆船模型，根据不同的所述风帆攻角计算得到助推力、侧推力及助推力系数、侧推力系数；

建立舵受力模型，并将舵角值设定为满舵值；选取能够辅助所述目标帆船回转的相对风向角和风帆攻角范围；

建立所述目标帆船的运动模型和运动坐标系；将所述绝对风速、相对风向角、舵角值、助推力及侧推力输入所述运动模型，获得所述目标帆船的航速、风帆转矩、船舵转矩以及航行轨迹信息；

根据所述航行轨迹确定最小回转半径，并获取所述最小回转半径所对应的所述风帆攻角。

2.根据权利要求1所述的一种基于帆船风帆攻角确定最小回转半径的方法，其特征在于，所述根据所述不同升力系数与阻力系数，计算得到不同所述风帆攻角下的升力与阻力，包括：

计算不同所述风帆攻角下的升力F_L与阻力F_D的表达式为：

式中，ρ_a为空气密度；S_W为风帆的侧向投影面积；V_a为相对风速；C_L为升力系数；C_D为阻力系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于帆船风帆攻角确定最小回转半径的方法，其特征在于，所述将所述相对风速及所述升力、阻力、升力系数、阻力系数输入所述帆船模型，根据不同的所述风帆攻角计算得到助推力、侧推力及助推力系数、侧推力系数，包括：

设定船首指向为x，右舷指向为y，当所述风帆攻角沿着所述相对风向角顺时针旋转为正数值时，计算表达式为：

当所述风帆攻角沿着所述相对风向角逆时针旋转为负数值时，计算表达式为：

所述正数值为0°至90°，所述负数值为-90°至0°；

式中，X_S为风帆助推力；Y_S为风帆侧推力；C_X为风帆助推力系数；C_X为风帆侧推力系数；θ为相对风向角。

4.根据权利要求3所述的一种基于帆船风帆攻角确定最小回转半径的方法，其特征在于，所述建立舵受力模型，包括：

所述舵受力模型的表达式为：

式中，δ为舵角；α_R为舵叶的攻角；ρ为海水密度；V_S为航速；L_R为舵长；D_R为舵宽；C_Xδ、C_Yδ、C_Nδ分别为舵叶助推力系数、侧推力系数和转向力矩系数；X_R、Y_R、N_R分别为船舵助推力、船舵侧推力和船舵转首力矩。

5.根据权利要求4所述的一种基于帆船风帆攻角确定最小回转半径的方法，其特征在于，所述选取能够辅助所述目标帆船回转的相对风向角和风帆攻角范围，包括：

根据风帆转首力矩与船舵转首力矩的方向相同，选取所述相对风向角和风帆攻角范围；风帆助推力、风帆侧推力及风帆转首力矩的关系表达式为：

式中，X_S、Y_S、N_S分别为风帆助推力、风帆侧推力、风帆转首力矩；er为风帆作用力在水平面上之于目标帆船重心的力臂。