船舶随浪稳性与航行安全性研究（可编辑） .doc

船舶随浪稳性与航行安全性研究 驯缎煳 分类号:密级:?:编号:工学硕士学位论文船舶随浪稳性与航行安全。性研究邱敏芝硕士研究生:指导教师 李积德教授:学位级别 工学硕士学科、专业: 船舶与海洋结构物设计制造:船舶工程学院所在单位年月论文提交日期:年月论文答辩日期:学位授予单位: 哈尔滨工程大学哈尔滨秤大学硕学能论文摘 要船舶在随浪上航行时,极易遭遇航向失控、大幅横倾甚至倾覆等航行安全性事故,丽稳性的损失是船舶随浪航行发生航行事故的主要原因之一。本文对船舶随浪稳性及航行安全性进行了研究,试图探讨并寻求合理可行的船舶随浪稳性预报方法和航行安全性评估方法。作者参照船舶操纵性六自由度运动方程,建立了船舶在随浪上的摇荡运动方程,其中计及了惯性力、阻尼力、流体静力和波浪主干扰力力。在此基础上,在定义的坐标系下分别相继解算船舶隧浪运动姿态、给定波面上的船一波相对位置和船体波形水线、任意倾浮姿态下的船体浮心和浮力作耀线,继面根据重力佟耀线和浮力你用线获得船舶的恢复力臂。以静水和随浪上的船舶恢复力臂的差异变化,考察分析船舶的随浪稳性特征。作者就某算例船在规则随浪上的稳性及其损失进行了计算研究,考虑分析了算例船在若干典型波长、波高和浪向下的随浪稳性及其基本变化规律。为充分认识船舶随浪航行安全性的影响因素,作者在船模试验水池中分别进行了船蒡鑫随浪航行波浪力船体转首力矩、随浪船舶舵时水动力和船舶随浪自航等船模试验研究,分析了船舶随浪航行运动的基本特点和影响随浪航行安全性的有关客观因素。在随浪稳性和船模随浪试验研究的基础上,作者根据影响船舶随浪航行安全性的各类具有不同层次和关联关系的因素,采用模糊综合评估法对本文算例船进行了随浪航行安全性评估,得到了一些对船舶设计、研究和使用具有参考意义的结论。关键词:船舷;隧浪稳性;航行安全性;模型试验;模糊综合评彳吉哈尔滨丁程火学硕学位论文? 、,. .锣,、 、?、.、. .,.、, , ,. ;。:螂;洲如嬲。致是确;哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签字:叠丝堇日期: 年月日哈尔滨程大学硕十学位论文 ;第.章 绪论。本文的目的和意义海上航行安全性是船舶毳珏究、设计、建造和使用人员共同关注的一个重要问题。基于航行安全性经验,人们驾船航海首选的航向通常是迎浪航行,但当目标航向与浪向不一致时,或者需要作机动航行及特殊航行作业时,也常常遭遇旁浪、尾斜浪及随浪上的航行工况,这样的航行工况具有危及船舶安全的风险。船舶在随浪含尾斜浪上航行时,当巧遇船舶及其航速、航蠢和风浪环境等因素的某种缀合时,船舶极易发生航向失控、急速横甩、大幅横倾甚至倾覆的极端险情,危及船舶的航行安全性。年,一艘尾机型罂千吨级远洋货轮从湛江载运吨散装滑石去虽本翊崎,该船东出大隅海峡遭遇到尾斜浪,发生大幅左倾,横卧海面后不久沉没于海底蹿】。这样的海难事故在国内外的航海历史上层出不穷,年年均有不幸的记载。已有的研究表明,船舶在尾斜浪及随浪上发生航行失控和倾覆是一个极为复杂的力学现象,目前对此现象的解释有多种观点,如纯稳性损失、波浪转首力矩大于舵控力矩、舵效降低、参数激振等强,僵至今尚未有有效可行的研究方法和彻底明晰的研究结论。基于这样的研究背景和工程实际需求,本文试图开展船舶随浪稳性与航行安全性的研究,探讨并寻求合理霹行的船舶随浪稳性预报方法和航行安全性评估方法,无疑是具有理论和工程意义的。船舶随浪靛行时的稳性损失和靛向失控,与航行海域的风浪环境浪高、特征周期和船舶的航行工况航向、航速等客观因素有关,各类船舶均有可能遭遇如此险情。就我囡自勃海至南海的近海海域及其周边海域而言,全年统计下的平均特征波长为,而且我国近海受明显的季风影响,海面常呈现西北一东南与东北一西南的斜浪,在这样的海域内南北向或东西向航行,从船长几十米到酉来米的各类型船熊,帮从中小吨位的渔船到数于吨级的货船,在四、五级海况下即有可能遭遇随浪稳性损失与运动失稳而导致可能的倾覆危险。近年,大开嗣集装箱船、滚装船以及中小尺度的高速边防艇、海关船、缉私艇不断涌现,随浪上遭遇稳性损失或大幅横倾对于大开口集装箱船和滚装船的航行安全是极为不利的;离速边防艇等中小型船舶在随哈尔滨稃人学硕十学位论文浪上高速航行更易遭遇上述不测险情。而远海直至更为开阔的大洋洋面,恶劣天气下的风浪尺度则更加显著,大型船舶随浪航行时也有可能遭遇随浪险情。目前,技术上审定船舶航行安全的有关法规主要集中体现于船舶稳性,而稳性规范的审核内容仍然以静水中的稳性为主。所以,对随浪稳性的研究,有着显而易见的研究和需求对象。船舶在随浪上的稳性与静水中的稳性有着本质区别,随浪上的船舶稳性除与船舶及其操控和风浪等外在客观因素有关外,还与船舶航行动力学有着内在的本质关系。已有的研究表明:船舶在低频随浪上航行时,波面影响导致船体水线面的变化,波面下的船体排水体积、水线面面积及其绕纵轴的转动惯性矩较静水中的明显减小,可能明显地降低了船舶的横稳性。船体固有的静力稳定平衡关系受到随浪扰动的干扰影响,船体恢复力表现出动态的时变性,使船体趋于中性平衡甚至不稳定平衡,此时,当再次受到波浪力或船体恢复力的时变激励,船体将适时地发生横倾,并进一步受到衍生出的惯性力和非线性阻尼力“推波助澜”式的影响,则进一步加剧横倾或横摇,甚至导致倾覆。因此,静水中的稳性问题在理论上是一个简单的静力学问题,而随浪稳性则是一个复杂的动力学问题。至今,专业学术界对船舶随浪航行产生的种种不能被人为预测和控制的非常态现象,给予了不同的机理解释和解析分析。,在此背景下开展随浪问题研究,探讨船舶随浪失稳的力学机理,寻求合理有效的船舶随浪稳性预报的解决方案,有着重要的理论及其学术意义。.国内外研究现状与发展综述人们对船舶随浪稳性损失以及航向失控、大幅横倾和倾覆的关注,首先是从众多海难事故中引起的。早在十九世纪中叶,人们在对许多船舶翻沉事故的记录进行分析后认识到,随浪或尾斜浪上航行的船舶在受到不大的风的作用下发生了倾覆,尤其对于尺度对于的小船更是如此。由此人们开始认识和研究随浪上船舶的稳性问题。上世纪的年代,等人通过调查观察和分析研究,指出了船舶在随浪或尾斜浪中航行时的船舶稳性降低的一些直观因素:波峰处于船舯附近时稳性会降低,而波谷处于船舯时则稳性有所提高。哈尔溟程大学硕士学位论文年,美国加利福尼亚大学位壳利分校的教授利用集装箱船和货船模型,在旧金山湾进行了随浪、尾斜浪和横浪的试验畸呻,并根据试验研究提怠了随浪中船舶倾覆的三种模式:王纯稳性损失,在随浪航行时,若船速接近波速,船长接近波长,波峰位于船舯附近,则船舶稳性将大大降低;低频共振参数共振,当摇荡的遭遇频率近似等于横摇圈有频率倍时,横摇将以固有频率而非遭遇频率摇荡,而且摇荡幅值远大于以遭遇频率作线性横摇的幅值;急转横甩,在随浪和尾斜浪中航行的船舶突然失去航向稳定性,发生急转,舵效下降,使船舶处于横浪位置,横摇突然变大而使船舶倾覆。鸯二次大战结束起,北大嚣洋特别是北海及附近海域、波罗的海东部海域、北美加拿大的巴芬弯、戴维斯海峡和美国东北部海域接连报道了中小型渔船及护渔与护航船舶频繁遭遇随浪倾覆的事故;上个世纪的八十年代初,日本集装箱船尾斜浪倾覆、波兰一护卫舰随浪航向失控发生编队船舶闻严重碰撞等一系列事故,引发了更多的研究人员对随浪稳性等阀题的科学调查与理论研究。目前公开的详细技术报道和研究论文主要集中于集装箱船、渔船等,对此问题做深度研究并取得显著成果的国家主要有日本、波兰、英隧、美国等。取得的比较一致的研究见解主要有以下几点口:船舶低频随浪航行,波面影响导致了船体水线面的变化,故任何的随浪航行均发生横稳性损失。这类闷题称为纯稳性损失。船舶随浪航行,在一定的条件下,船舶可能因受参数共振而产生很大。幅度的横摇,甚至导致倾覆,这类问题为参数共振船舶随浪航行,可能受稳性损失、参数激励 和强迫激励 作用,以及随浪上船盾舵效损失的影响,导致船舶航向的不稳定,在连续单方向的波浪力作用下,导致船体打横,容易出现船舶翻沉事故。这类溺题称为急转横甩。霉前,基子理论和模型试验的厘内外同类研究工作主要集中于上述几今核心问题,其研究工作信息与研究成果除了零散发表于各个专业学术刊物以外,更能集中发表在每届国际船舶与海洋运载器稳性会议论文集上。国际船哈尔滨程大学硕十学位论文一舶与海洋运载器稳性会议,由国际海事组织主办,自年在英国格拉斯哥,举办首届会议起,至年在巴西里约,举办第九届会议止共举办了九届国际稳性会热内卢议,有关船舶随浪问题以及围绕稳性的航行安全性问题是会议讨论的主要问题之。与静水中航行的船舶水线相比,随浪上航行的船舶其舷侧水线纵向呈现波状,水线以下的船体排水体积、水线面面积及其绕纵轴的转动惯性矩较静水中的明显减小,船舶的横稳性受到了损失。基于上述直观的观察与考虑,上个世纪的六、七十年代,人们即以浮力与重力相等地将船舶“静止地放置于波面上,计算船舶的随浪稳性。年,. .田基于这样的认识,不考虑波浪的扰动对船舶浮态的影响,按传统的静力学方法计算波状水线下船体的排水体积形心,并沿解算的浮心位置作垂直于波面的浮力线,计算浮力线与重力线的直线距离作为恢复力臂以考量随浪上航行船舶的完整稳性。他们以此估算方法还建议了随浪航行船舶的完整稳性衡准。, ,他们把斜浪影研究了斜浪中的船舶稳性问题响分成两个分量:一个分量按随浪来计算,另一分量则看成船舶左右舷引起的压力差,从而可以归结为一个波浪扰动力矩。和?应用李雅普诺夫处理动力系统稳定性的方法提出了用直接法来处理横浪一横风中和随浪航行时船舶稳性的思想。自上世纪八十年代开始,随着世界海上航运业的发展和繁荣,集装箱船被开始大量投入使用,滚装船和客滚船也开始专业性承运车辆和旅客,船舶的海上航运安全显得极为重要,由此带动了包括船舶随浪稳性在内的有关船舶航行安全性问题的研究。这个时期,船舶运动性能及其水动力理论与数值预报方法也得到了迅速发展,提供了与当时计算工具相适应的经济实用的计算方法和计算手段,迎合了船舶工程发展的需要。人们开始运用较为慎密的船舶运动理论如切片法和船舶操纵运动理论及其水动力数值分析方法,建立船舶随浪航行运动的数学模型,以及现代非线性动力学理论等研究和计算包括完整船和破损船舶的随浪稳性,同时也进行了大量而广泛的船舶随浪稳性模型试验研究,根据事故调查、理论分析、数值计算和模型试验研究,哈尔滨程大学硕十学位论文引用多种评估理论及方法建立船舶随浪航行安全性的评估方法【】。国内对船舶随浪稳性及航行安全性的理论与试验研究起步较晚。有代表性的相关研究工作主要有:林焰和邢殿录等人【应用理论,研究了船舶在规则波浪上的动稳性:利用摄动理论,解算船舶运动响应;并讨论了船舶横摇与垂荡运动频率、最人横摇角和波浪要素对稳性曲线的影响,以及流体动压力对稳性曲线的修正,从而给随浪中船舶稳性的计算提供了一种方法。孔祥金和曹振海瞳应用摄动法提出了一种尾斜浪中恢复力计算的新方法,对艘处于不同船一波相对位置的船舶进行了大量的计算,并进行了船模尾斜浪稳性试验,证实了理论算法的正确性。刘家新和蔡岭梅乜们研究了突加横风及规则波作用下的非线性横摇运动,应用函数和实用稳定性理论,进行了船舶横摇运动的稳定性分析,将导出的一对应的妒。,作为衡准船舶安全性的指标,并进行了船模试验验证了该稳性衡准方法的可靠性和实用性。董艳秋,纪凯等人乜印应用瞬时湿表面变化的时域分析法,研究了波浪中的船舶横摇稳性,给出了船舶在波浪中横摇稳性的计算方法以及波浪中稳性衡准的初步建议。马坤,张明霞等人陋们提出了采用罚函数优化算法来计算船舶稳性的思路,通过最优化求解计算给出了船舶的稳性。以上研究成果给本文工作提供了知识学习与研究参考。.本文的主要工作参照船舶操纵性六自由度运动方程,并考虑惯性力、阻尼力、流体静力和波浪主干扰力?力对随浪航行船舶浮态的影响,建立船舶在随浪上的摇荡运动方程。在定义的坐标系下,建立船一波相对位置和船体水线与船舶随浪运动姿态的关系。确定任意倾浮姿态下的船体浮心和浮力作用线、以及根据重力作用线和浮力作用线获得船舶恢复力臂的求解方法。以静水和随浪上的船舶恢复力臂的差异变化作为考察分析船舶随浪稳性的基本特征。以此对某算例船在规则随浪上的稳性及其损失进行计算研究,哈尔滨程大学硕十学位论文并就若干典型波长、波高和浪向下的随浪稳性及其基本变化规律展开讨论。为充分认识船舶随浪航行安全性的影响因素,在船模试验水池中将分别进行船舶随浪航行波浪力船体转首力矩、随浪船舶舵叶水动力和船舶随浪自航等船模试验研究,分析船舶随浪航行运动的基本特点和影响随浪航行安全性的有关客观因素。在随浪稳性和船模随浪试验研究的基础上,根据影响船舶随浪航行安全性的各类具有不同层次和关联关系的因素,采用模糊综合评估法对本文算例船进行随浪航行安全性评估。创新点:建立了计及波浪对船体浮态水动力干扰作用下的船舶随浪稳性计算方法。较为系统地进行了船舶随浪航行运动水池模型试验,获得了对认识和分析船舶随浪航行安全性与评估体系的影响因素。采用模糊综合评估方法对船舶随浪航行安全性进行了评估研究,得到了一些有价值的结论。哈尔滨程大学硕十学位论文第章船舶随浪稳性数值预报的基本理论已有的研究表明:船舶在低频随浪上航行时,波面的存在不仅影响船体水线面的变化,由此而影响船舶固有的横稳性,而且波面波动将干扰船体浮态,进一步影响船体的水线面。显然,随浪稳性是一个复杂的船舶动力学问题。本章将参照船舶操纵性六自由度运动方程,在考虑惯性力、阻尼力、流体静力和波浪主干扰力?力对随浪上船体浮态具有干扰影响的基础上,建立船舶在随浪上的摇荡运动方程,讨论随浪干扰下的船舶运动姿态,以及任意倾浮姿态下的船体实际水线面的确定和求解方法,以便求解波动水线面下的船体浮心和浮力作用线,使得根据重力作用线和浮力作用线计算船舶的恢复力臂成为可能。.船舶随浪运动方程的建立如图.所示,取右手正交坐标系一翻与为大地坐标系,作为研究船舶在水平面空间运动动力学的惯性参考系,坐标面与静水面重合,轴铅直向下。同时取一固定于船舶并随船一起运动的联船坐标系,原点位于船体初始正浮时的纵中面、舯横剖面以及静水面相交处,轴指向船首,铅直向下,坐标系亦为右手系。一般认为,就是船舶的惯性主轴。图.坐标系.哈尔滨程大学硕十学伉论文设船体为刚体,其质量为,重心在联船坐标系中的坐标为、。根据刚体动力学的动量和动量矩定理,并参照船舶操纵性六自由度运动方程模式,船体在随浪中的运动方程可以表达为矗?聊口一,珊口,?,船户一?目啊?,崩力?一,尼户一?口,腰一尼,圮如?一叩一甜?矽? ,琵产,一,魁一,.您户,麟?这里,、分别为沿、轴的速度分量,、分别为绕、轴转动的角速度分量,、及分别为绕、轴的质量转动惯性矩及质量惯性矩乘积,、扶沙分别为关于船体绕、轴的转动角度欧拉角,、矽、沙,、和、分别为船体在、轴方向上受到的流体作用力与波浪力及其力矩。总的来说,上述方程中的流体作用力、及矩、是关于船体与波浪的相互干扰作用力矩,它们是船体运动量如姿态、速度和加速度的函数,同时随时间作变化。稍作分析,流体作用力应包括以下分量哈尔滨程大学硕十学位论文?肋旯,彳册如,矽联。,。,沙,岛,?品名,矗厶,。,。,岛,?肋力,船,臼,口。,兄。,孝,式中,、为流体动力项,包括附加质量力和阻尼力,它们分别与船体运动的加速度和速度有关;、”为流体静力项,它们与船体的运动姿态量有关;、为按?假设下的?力项,与波浪要素波幅仅和波长九及船体运动姿态有关。同理,关于矩应有以下形式的分量项?肋力,船,矽口。,力。,孝,?肋旯,册乞,矽麟位。,旯,.,沙,%,?肋,册厶,矽。,旯。,乞,显然,流体作用力表达式?与船舶操纵性六自由度运动方程中流体作用力的一般表达式有所不同,方向缺少了船体阻力、螺旋桨推力以及舵力投影分量,其它方向上缺少了舵力投影分量或舵力矩。注意到,为了单纯考察船舶随浪稳性,只需要考虑船舶随浪航行遭受到波浪扰动而影响船体运动姿态横倾、纵倾和升沉,由此影响船体实际水线面及其下的浮力线,不需要考虑船舶遭遇随浪发生的转首以及纵荡和横荡,即,给定船舶一个固定的航速和航向,让其航行于随浪上,因而不涉及到船舶航行阻力与推力,也不需要舵的掌控以改变船的航向。故方程式即可作为船舶在随浪上的运动方程式,而?式则作为运动方程式中的流体作用力项。.船舶随浪运动姿态的确定方法由于船舶在随浪中运动时具有倾覆倾向的大幅运动,故传统的微幅运动假设在这里已不再适用。同时,波浪扰动试图改变船舶运动姿态,但由于遭哈尔滨释大学硕十学位论文遇频率甚低,船舶即使运动其最大的运动频率也不过趋近于很低的遭遇频率,所以,船舶在随浪上的摇荡运动可以被看作是“静”的倾斜运动。于是,仅需考虑静力和?力的作用效应,船体在波浪上的瞬时姿态位置可由下式确定?据】,之矽椰雕眭 、一 、?矽 以及?椰肘一 矽.流体动力的处理方法为分析船体湿表面受到的尾斜浪的作用力,我们可设一向孝轴正向传播的正弦波,波浪的波数为七,相速度为,波面方程?口孝一压力分布近似地表达为?昭一孝一在?式中理应考虑由波浪流体质点作轨圆运动而需做所谓的效应修正,但这一修正量是不大的,对船体的大幅急转横倾的影响可忽略不计。将在大地坐标系中表达的波面与压力分布表达式转化到联船坐标系中,有?孝一乞少一一?秒?矽口善沙一一?】.哈尔滨:秤大学硕学位论文以及昭?矽矽?一昭口孝一一】这罩,亏、与。分别为船体坐标系在大地坐标系中的初始位置。并认为船舶在随浪中航行时的纵倾角与横倾角由相比要小得多。?式表达下的作用于船体湿表面上的静力矩和力矩,可在联船坐标系中表达,并以压力剃度的形式给出蟠册厝?矿一考老】垤 ? 、西币胁争岍老例矿一少矽争昭肛册殿一叭老,一考朋矿?一昭。矽矿上述体积分是在由湿表面与水线面所围的控制体内进行的积分。考虑到?式,联船坐标系中的波面由下式给出一?一一矽少】毒则,船体左、右两舷舷侧、处的波面可由以下两式分别确定哈尔滨程大学硕十学何论文?少尸 】?孝驴一 矽】式中,、。分别为、处的半宽,如图.所示。图.船体舷侧与波面相交点的确定于是,船长方向处横剖面面积为?龙出?一。】该横剖面处单位长度厚的片体所受到的波浪横倾力矩为日昭。争比一昭。矽丢尸坎纠引卅捌一 一眨上。出】 出】哈尔滨稗大学硕十学位论文一昭矽吉吃纠一捌将上述关系式代入?式中关于体积以及力矩的平衡关系胎上彳。矽一互日有一;出剃出一?矽式中的积分限为船体水线长。根据式,即可以计算船体处于不同瞬时位置处的船体复原力矩。.惯性力和阻尼力估算方法.惯性力船舶在波浪上航行时,必然要带动周围的水体作非定场运动,由此产生惯性力。在估算惯性类水动力时,通常的简化方法是,近似认为船对称于中横剖面,并用对称于水线面的“重叠船体”的概念而使船体成为具有三个对称面纵中剖面,水线面和中横剖面的在无界理想流中运动的物体,进而用势流方法如面元法计算惯性力附加质量与附加质量矩。或者基于椭圆回转体的修正计算法,以及采用平面运动机构进行模型试验获得。本文采用基于元良诚三图谱进行多元回归分析后得到的估算公式:哈尔滨程大学硕学何论文等急.。.删。扣.?扣舯等.一?.琊.。.詈.等急.。.。.吉.这里,表示船体质量;,分别表示船长,吃水,船宽,方形系数;。为联船坐标系下船体在,方向的附加质量矩;关于船舶横倾附加惯性矩的计算问题,一般是将船舶本身横倾的惯性矩与附加惯性矩合并考虑,用下列经验公式估算:,。/式中,及为船舶重心距基线在轴方向上的距离。.阻尼力如一互肛乏川.。扣.,驰一 三硼.种如一三硼.争式中,丁吃/为平均吃水;一办为首尾吃水差;允/为展弦比;旯/?;.:兰;。季。.哈尔滨:挥人学硕十学何论文.随浪上的船体瞬时姿态对于船舶在随浪上的横倾大幅运动,传统的微幅假设下的运动计算方法已难于处理这一问题,原因是当船舶大幅横倾时,不仅船舶姿态发生巨大变化,而且由于姿态的变化恢复力矩也发生了巨大变化,因此在数值计算随浪运动时必须考虑恢复力矩的变化对横倾运动的影响。这一点与迎浪中的运动计算具有显著的区别。对于变姿态下恢复力矩计算可采用摄动展开方法在时间步内逐步模拟迭代求解。首先对于波浪波面的确定,通过对微幅波的累加给出,即,?口。一矽一式中,缸。微元波波幅,/,为波幅。而对于方程式中的由无穷小微幅波波幅导致的摄动参数、伽、。和。,可以获得一.尬口一矽一?一越口一巳一其中巴 矽?纠少一?一位七尸矽】 口?矽少】口七杪以及西一矽 矽矽哈尔滨程大学硕十学位论文一 ,矽一一础 ?七一矽考虑?式中关于与。的变化而引起的和的微元变化、,有?互幽石王删?上埘痧。矽因而得到?一矽一这里,和,是对?式作摄动展开时关于摄动参数扯、巾、的展开系数。由此,?式可以分解为?。?:工?:,。厶上。一臼上剃:一上剃,工出口工剃。出乞。一目上日:?,?。一.哈尔滨程大学硕学位论文在实际计算时,首先计算船体在静水中给定横倾角夺时的恢复力矩,并作为一个船体的平衡状态,然后考虑波浪的扰动影响。对此根据以上摄动的方法,采取逐步迭代计算,郾每给一个摄动小星,计算恢复力矩、船体的运动姿态量等至给定的波幅为止,由此获得希望的船体在尾斜浪中的升沉:、纵倾角和横倾角毒。注意到,船舶在随浪上的运动方程式.是一组关于船舶六舀由方向上的运动速度的阶微分方程,可应用龙格一库塔法对其进行数值求解,所得到的解是一组作用在联船坐标系上的速度和位移值,需要将其进行坐标系闯的转化,以求得到大地坐标系下船鸯蠹运动姿态与轨迹。一般地,不难得到该转换关系式赢掰矿毋矿蠡护一?秘,吵毋痧力“口杪秽沙谗矿?妒?氛晓十痧?妒/其中:等式左边的物理量彘,。,。,沙。为大地坐标系下的三个坐标轴方向的线位移,以及绕三个坐标轴方向的角位移。.船舶随浪稳性如图.所示,考虑波浪效应后的恢复力矩为?男露多.。哈尔滨程大学硕十学位论文并满足以下平衡条件胎一。图.船舶在波浪上恢复力臂至此,船舶在随浪上航行时的稳性力臂巾恢复力矩可按下式计算:一:矽出 式中,为船舶重心距基线高度。数值计算表明,运用上述方法计算船舶在随浪上的运动姿态,可以获得比较满意的结果,而采用式获得的稳性力臂不很理想,时有定性错误。事实上,当运用上述理论方法获得船舶在随浪上的运动姿态后,可以利用船舶运动姿态横倾和纵倾、轨迹垂向位移以及给定的波面,即可以获得波面与船体的相对位置关系即船舷四周的波形水线,实用上,可以沿船长分取若干站片体本文实际计算分取站,按给定的站型值,两两相等,作为站,根据各片体左右舷波面平均位置计算波面下的排水体积和型心位置,然后再沿船长积分得到全船浮心位置坐标,。已有的理论表明,对于一定浮态下船舶稳性力臂的计算可归结为求一定浮态下重力作用线与浮力作用线之间的距离,根据船舶空间倾斜的几何关系恢复力臂可以表示成如下表达式,【?曰一匕一圪,】【匕一。一】【。一。一口】一?:?。?。?一妒哈尔滨程大学硕十学位论文赫茹警;黼 .薯这里,为船舶的浮心位鼹坐标,为船舶的重心位置坐标。.本章小结参照船舶操纵性六自由度运动方程,并考虑惯性力、阻尼力、流体静力和波浪主干扰力?力对隧浪上船体浮态具有干扰影响的基础事实,建立了船舶在随浪上的摇荡运动方程。按摄动展开原理,推导给出了大幅横倾下船舶运动姿态处理方法。给出了船麓随浪稳性力臂鄹恢复力臂的求解方案。哈尔滨【:程人学硕十学何论文第章船舶随浪稳性计算研究由前一章的经过推演分析,得到了船舶随浪稳性的理论预报方法,该方法是以恢复力臂作为考量船舶随浪稳性的特征量。本章将以一俄罗斯驱逐舰作为算例对象,对该算例船在规则随浪上的稳性及其损失进行计算研究,并就若干典型波长、波高和浪向下的随浪稳性及其基本变化规律展开分析讨论,试图进一步认识船舶随浪稳性的基本特性,以及船舶在规则随浪上的不同航行工况所反映出的稳性基本规律。.算椤舟合旁白要素算例对象:俄罗斯某驱逐舰,该船模总体参数见表.,模型缩尺比为:。计算该船在静水和随浪上的稳性。表.算例船模型总体参数序号 项目名称 单位 度量值.排水量 ?.船模总长. 设计水线长.型宽. 设计水线宽.吃水. 型深.浮心纵向位置距舯.浮心垂向位置距基线一.重心纵向位置距舯哈尔滨稃人学硕十学何论文. 重心垂向位置距基线.初稳性高按修正后核算横向转动惯量 .纵向转动惯量?横摇周期 。 . 木 舵两对 见图.注:木者不参与本章计算,仅在后续章节的模型试验和航行安全性及其评估方法研究中得到应用。.计算流程计算中,给定规则波波高和波长或周期以及船舶航速与航向,因而解算方程一?时,不计其中的船体阻力、螺旋桨推力和舵力与船舶操纵性计算不同。首先计算船体在静水中给定横倾角由时的恢复力矩作为船体在该横倾角下的平衡状态,然后加入波浪的扰动影响,按上述摄动方法,从零波幅静水步进给一个摄动小量取波幅的十分之一为宜采取逐步迭代计算船体的运动姿态量至给定的波幅为止,由此获得希望的船体在尾斜浪中的垂向位移升沉、纵倾角和横倾角。其中采用龙格一库塔法解算船舶运动方程组?,时间步进周期为选取规则波周期的十六分之一。整个计算在平台上进行。图.为计算流程框图。.计算结果及其分析波高对随浪稳性的影响图.给出了不同波高下的随浪稳性数值结果恢复力臂,该算例中的波长取为船设计水线长。图中一并给出了静水中恢复力臂计算结果。计算表明,本文方法计算结果与的程序计算结果基本一致。图.给出了静水中的与随浪中的恢复力臂之差值,即随浪稳性损失。图.和图.表明,船舶在随浪中航行时,船舶的稳性将受到影响,哈尔滨程大学硕十学仲论文输入:船舶总体参数和型值、规则波波幅和周期静水稳性计算倾角、浮心、重心、恢复力臂图.船舶随浪稳性计算流程框图波高变化对船舶随浪纯稳性的影响比较直观且简单,即波高越大,稳性损失越大。波长对船舶随浪稳性的影响图.给出了不同波长下的算例船随浪稳性数值结果恢复力臂,该算例中的波高取。图.给出了最大恢复力臂随波长/船长比的变化特性。结果表明,尽管在不同波长的随浪上航行时,船舶稳性均遭致不同程度的影响,哈尔滨稗人学硕十学何论文图.波高对随浪稳性的影响图.不同波高下的稳性损失曲线.哈尔滨程大学硕学位论文但在波长为.倍船长范围内的随浪上航行时的稳性损失很严重。图.波长对船舶随浪稳性的影响图.最大恢复力臂随波长的变化浪向角对随浪航行稳性的影响图.和图.给出了船舶随浪航行时恢复力臂随浪向角变化的数值结哈尔滨稗大学硕十学位论文果。该算例中的波长取为船长,波高取。图示结果表明,随浪向角变化至。为正随浪过程中,船舶的随浪稳性将逐渐降低,正随浪时稳性损失最为严重。图.不同浪向角下的稳性曲线图.不同浪向角时的稳性损失曲线船舶在波面上的相对位置对随浪稳性的影响哈尔滨一:程人学硕十学何论文图.给出了船舶正随浪航行时位于波面纵向不同位置处时的恢复力臂数值结果。该算例中的波长取为船长,波高取。图.给出了最大恢复力臂随船舶在波面上不同位置处时的变化情况,结果表明,船舯处于波谷时的稳性比静水中的要好,而当船舯处于波峰时,则稳性损失比较大,同时船舶在上坡段的稳性要比下坡段的稳性好。图.船舶位于波面不同位置处时的稳性曲线一. . ?. ?. 一. ?. . . . . . .图.船一波相对位置对随浪稳性的影响哈尔滨程人学硕十学位论文波高和浪向角的联合变化对船舶随浪稳性的影响图.图.给出了不同波高和浪向下的船舶随浪稳性恢复力臂数值结果,计算波长取为船长。图.随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向沙。图.随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向。哈尔滨一厂程大学硕十学位论文图.随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向沙。图.随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向,。.哈尔滨一:稗人学硕十学位论文图.随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向沙。从图.一图.不难看出,不同浪向下的船舶随浪稳性随波高的增大而降低,不同波高下的船舶随浪稳性随浪向角减小趋于正随浪亦降低。波长和浪向角的联合变化对船舶随浪稳性的影响图.图.给出了不同波长和浪向下的船舶随浪稳性恢复力臂数值结果,计算波高取。图.随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向,。哈尔滨群人学硕十学位论文图.随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向,。图.随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向沙。.哈尔滨:厂挥人学硕十学位论文图. 随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向沙。图.随浪航行时的恢复力臂计算结果浪向。.哈尔滨程大学硕十学何论文下面的图.,图.给出了随浪航行时的最大恢复力臂随/同波长和浪向变化的损失情况。与图.图.和图.图.给出的分析有所不完全一致,图.图.图示结果所反映出来的波长和波高的共同变化表明,在浪向角比较小时杪。,波长和波高的共同变化对随浪稳性的影响,与图.和图.给出的分析结论较为一致。但当浪向角在至时,波长和波高的共同变化对随浪稳性的影响与图.和图.给出的分析结论有明显差异,稳性损失最大的波长从.变为.,同时当波长大于.时稳性有所提高;而当浪向角大于时,稳性损失最大的波长又从.变回.,且稳性有所提高。图.最大恢复力臂随波长的变化 .最大恢复力臂随波长的变化浪向沙。 浪向杪。图.最大恢复力臂随波长的变化 .最大恢复力臂随波长的变化浪向沙。 浪向沙。哈尔滨程大学硕学何论文 波长和波高的联合变化对船舶随浪稳性的影响图.图.给出了船舶在正随浪。上航行时遭遇波长和波高联合变化时的恢复力臂数值计算结果。图.随浪航行时的恢复力臂计算结果波长图.随浪航行时的恢复力臂计算结果波长兄哈尔滨挥大学硕十学位论文图.随浪航行时的恢复力臂计算结果波长从图.图.可以看出, 波长与波高联合变化时,波长越长,不这是由于波长越长,波陡越小,波高的同波高对随浪稳性的影响差异越小,影响相对减弱。浪向和船位的联合变化对船舶随浪稳性的影响下图圈.给出了浪向和船体一波相对位置联合变化对船舶固有的最大恢复力臂影响的数值结算结果。算例中取波长等于船体设计水线长、波高翮。图中的横坐标。表示船舯与波峰的褶对俄置,即髓。表示波峰处在船舯,口。一.表示波峰处在船尾,髓。.表示波峰处在船首。图示结采表明:波峰出在船秀孛时的稳性损失最大,焉波谷处在船瓣时的稳性反而有所提高;船舶在上坡段的稳性较下坡段的稳性要好;浪向角小于以志的尾斜浪航行时的稳性损失与正随浪靛行时的基本一致,随着浪向角的增大,稳性有所逐渐转好,但是当浪向角大于。时,波峰在船舯时的稳性损失有所网拜,丽波谷在船舯时的稳性却有所降低。