船舶在纵浪中的运动稳性分析

基于非线性动力学理论，分析船舶在纵浪上的运动响应和运动的稳定性。首先建立描述船舶在纵浪上运动的垂荡—横摇耦合运动方程，利用多尺度法，求得垂荡—横摇耦合运动的亚谐共振解。其次，对船舶运动的稳态响应进行稳定性分析，得到亚谐共振情况下，船舶运动稳态响应的分布图，并揭示了船舶运动的某些非线性特征。     

船舶超谐共振响应运动

由于船舶阻尼系数和恢复力矩的非线性，船舶大幅运动时横摇和纵摇耦合。各类船舶的纵摇固有频率接近横摇固有频率的两倍，存在基于动力学理论的2；1的内共振关系。本文考虑大幅波浪激励，建立了船舶横摇与纵摇耦合的非线性运动方程，针对纵摇和横摇频率存在2：1内共振关系以及波浪遭遇频率Ω等于1／4倍纵摇固有频率，采用多惊讶方法，求出了运动方程的摄动解，得到了横摇与纵摇超谐运动的时间历程响应，分析了产生超谐共振的条件。研究表明，在大幅波浪激励下，船舶将出现超谐共振响应，其运动特征是：横摇运动和纵摇运动均为两个不同频率谐波的迭加。横摇响应包括波浪遭遇频率谐波和横摇固有频率谐波；纵摇包括波浪遭遇频率谐波和纵摇固有频率谐波。两个谐波响应的迭加，使横摇和纵摇运动响应显著增加，并且横摇运动不再左右对称，针对算例进行了超谐运动响应计算，计算结果与本文的理论分析结论完全吻合。     

船舶在波浪中非线性横摇研究的现状与发展

本文对航船在波浪中的非线性横摇运动研究的现状进行了小结,讨论了所存在的一些问题及其发展趋势。对横摇非线性问题的产生以及导致非线性的因素作了简述后,从大幅非线性横摇运动、横摇一垂荡耦合运动、横摇一纵摇耦合运动三方面,详细综述了国内外关于船舶在波浪中的非线性摇摆研究工作中采用的各类典型数学模型,以及主要成果和进展。最后讨论了船舶非线性动力学中几个有待深入研究的问题。     

船舶大幅摇荡运动的计算机仿真

应用数值－模拟式的计算工具对船舶的摇荡运动进行了仿真研究，工作是在SIMULINK仿真工具箱中进行的，研究了船舶运动的某些动力学问题，如随浪中的非线性参数激励横摇运动、纵摇－升沉的耦合运动；研究表明，对于非线性动力学系统，尤其是涉及到多自由度运动耦合的情形，利用SIMULINK进行仿真研究不失为一个适用的方法。     

船舶参数激励非线性运动升沉(纵摇)-横摇耦合关系的研究

本文考虑船舶参数激励非线性运动 ,导出了升沉与横摇耦合系数的计算公式 ,计算了耦合系数值 ,探讨了升沉对横摇的影响 ,进一步揭示了升沉 (纵摇 )能量向横摇运动转移的机理 ,这对于高海情下船舶运动控制具有重要意义。     

横向规则波作用下的船舶倾覆

运用安全池理论研究了某近海干货船在横向规则波作用下的船舶倾覆问题.用阿当姆斯预估-校正法数值求解时域内单自由度非线性横摇方程.采用三维格林积分方程法计算水动力系数的频域特性.分析了非线性横摇方程中势流阻尼、非线性阻尼以及在横向规则波作用下波高和频率对安全池的影响.     

船舶运动亚谐共振动力学行为的研究

船舶运动时的阻尼和刚度非线性，导致船舶大幅运动时横摇和纵摇之间的耦合，本文依据作者建立的船舶纵摇与横摇耦合的非线性方程，考虑强海浪激励情况以及纵摇和横摇的频率特征存在2：1的内共振关系，采用非线性动力学中的多尺度方法，求出了横摇和纵摇运动的摄动解，研究了亚谐共振发生的条件，给出了亚谐共振状态下船舶纵摇与横摇运动的动力学特征。研究表明，船舶亚谐共振的发生取决于波浪遭遇频率和纵摇频率的比值以及波浪激励的大小；船舶运动发生亚谐共振时，船舶出现大幅运动甚至倾覆。     

白噪声海浪激励下船舶非线性横摇运动的概率分析

应用求解FPK方程近似解的一种新理论研究白噪声激励下船舶非线性横摇运动的联合概率密度函数及稳定期望穿阈率.船舶随机横摇运动微分方程考虑到阻尼力与恢复力的非线性.新理论基于减少FPK方程的误差以获得参数化的联合概率密度函数.应用本理论易得一维积分表达的系统响应的概率特性,如联合概率密度函数及稳定期望穿阈率.近似解与精确解的比较结果表明:新理论在研究白噪声激励下船舶非线性横摇运动是非常有效的.     

随浪中纯稳性丧失直接评估方法研究

针对国际海事组织(IMO)正在制定的船舶第二代完整稳性衡准中的纯稳性丧失直接评估衡准,文章构建了纵荡-横摇2自由度运动耦合的数学模型,进行了随浪中纯稳性丧失直接评估。该方法首先在纵荡方程中考虑了随航速变化螺旋桨推力和静水阻力,及随瞬时船—波相对位置变化的时域纵荡波浪力。其次在横摇方程中基于Froude假设采用静平衡法求解随瞬时船—波相对位置和横倾角变化的时域复原力变化,同时考虑了初始横倾、非线性横摇阻尼和横倾水动力导数的影响,构建了纵荡—横摇2自由度耦合运动方程。最后采用ONR内倾船开展了随浪规则波中纯稳性丧失试验,验证了文中提出纵荡-横摇2自由度运动耦合的数学模型的可靠性,并进一步分析了初始横倾角、纵荡和横倾水动力导数对纯稳性丧失的影响,为纯稳性丧失直接稳性评估衡准的应用奠定了基础。     

规则纵浪中船舶参数激励横摇运动研究

考虑船舶横摇运动中恢复力矩及阻尼力矩的非线性,建立船舶在规则波浪中参数激励下的非线性横摇运动方程,并对规则纵浪中船舶参数激励横摇运动进行研究,探讨船舶发生参数激励横摇运动的条件及大幅横摇的动力学特征,分析船速、波高及波长等因素对参数激励横摇运动的影响。     

船舶参数激励非线性横摇运动方程

讨论了船舶在海浪上运动时参数激励产生的机理，建立了船舶参数激励和波浪激励非线性横摇运动方程。本文工作为研究倾覆机理奠定了基础。     

考虑晃荡耦合船舶运动的晃荡压力算法（英文）

The effect of coupling between sloshing and ship motions in the evaluation of slosh-induced interior pressures is studied. The coupling between sloshing loads and ship motions is modelled through a hybrid algorithm which combines a potential flow solution based on transient Green function for the external ship hydrodynamics with a viscous flow solution based on a multiphase interface capturing volume of fluid(VOF) technique for the interior sloshing motion. The coupled algorithm accounts for full nonlinear slosh forces while the external forces on the hull are determined through a blended scheme of linear radiationdiffraction with nonlinear Froude-Krylov and restoring forces. Consideration of this level of nonlinearities in ship motions is found to have non-negligible effects on the slosh-coupled responses and slosh-induced loads. A scheme is devised to evaluate the statistical measure of the pressures through long-duration simulation studies in extreme irregular waves. It is found that coupling significantly influences the tank interior pressures, and the differences in the pressures between coupled and uncoupled cases can be as much as 100% or more. To determine the RAO over the frequency range needed for the simulation studies in irregular waves, two alternative schemes are proposed, both of which require far less computational time compared to the conventional method of finding RAO at each frequency, and the merits of these are discussed.     

基于RANS和非线性动力学方法的海洋平台供应船水舱减摇预报

在探讨带平面被动式减摇水舱的海洋平台工作船在横浪中的减摇问题上,采用RANS方法进行船舶和水舱的强迫运动模拟,通过数值处理得到船舶和水舱的水动力系数。假设在共振频率下船舶和水舱的横摇运动在达到稳态后可以解耦,由非线性动力学的方法求解船舶横摇运动,并在波浪中进行系列模型试验以研究减摇特性。海洋平台工作船具有多工况的特点,不同载况对应不同船舶固有周期,实际航行中对减摇水舱的使用就是通过改变水舱水深使水舱的周期等于船舶固有周期,而通过上述方法的快速计算,选择合适的水深和阻尼隔板可以达到理想的减摇效果。结论表明该方法可以预报不同方案下的船舶横摇运动,该思路在船舶的减摇水舱设计阶段可以提供参考价值,并且在实船航行中可以提供水深加载指导以适应复杂的多工况航行。文中研究结果被运用于一艘实船航行时水舱加水策略中。     

随机横浪中甲板上浪船舶的倾覆研究

应用相空间转移率,定量研究了随机海浪中甲板上浪船舶的倾覆,给出了甲板上浪对船舶抗倾覆能力的影响.综合考虑非线性阻尼、非线性恢复力矩和随机横浪激励,建立了无甲板上浪和有甲板上浪时船舶随机非线性横摇运动的一般方程.以一艘倾覆的拖网船为例,分别求解了无甲板上浪和有甲板上浪时,不同海况激励下船舶横摇的相对相空间转移率.以相空间转移率作为船舶稳性损失的度量,定量比较了两种情况下船舶的抗倾覆能力.研究表明,甲板上浪后,船舶在较低的海况下会产生较大的相对相空间转移率,甲板上浪严重降低船舶的抗倾覆能力,从理论上进一步揭示了甲板上浪船舶的倾覆机理.     

波浪对船舶非线性横摇阻尼的影响

横摇非线性阻尼通常是在静水中进行横摇衰减试验确定。本文通过在波浪水池中进行不规则波的船模横摇衰减试验，研究了波浪对非线性横摇阻尼的影响。研究发现波浪的存在使横摇阻尼线性部分减少，非线性部分增加；采用随机减量法得到非线性横摇阻尼时，门槛值不同所得到的阻尼也不相同，一般说来，门槛值越大，阻尼非线性成分增加，而线性成分减少。     

Three-dimensional numerical wave tank simulations on fully nonlinear wave–current–body interactions

A finite-difference scheme and a marker-and-cell (MAC) method are used for numerical wave tank (NWT) simulations to investigate the characteristics of nonlinear wave motions and their interactions with a stationary three-dimensional body in the presence of steady uniform currents. The Navier–Stokes (NS) equation is solved in the computational domain, and the boundary values are updated at each time-step by a finite-difference time-marching scheme in the frame of a rectangular coordinate system. The fully nonlinear kinematic free-surface condition is satisfied by the marker–density function technique developed for two fluid layers. The incident waves are generated from the inflow boundary by prescribing a velocity profile resembling the motions of a flexible flap wavemaker, and the outgoing waves are numerically dissipated inside an artificial damping zone located at the end of the tank. Using the NS–MAC NWT, nonlinear wave and current interactions around a stationary vertical truncated circular cylinder are studied, and the results are compared with the experimental results of Mercier and Niedzwecki, a time-domain NWT based on linear potential theory, a fully nonlinear NWT, and a second-order diffraction computation. Received: July 3, 2001 / Accepted: September 25, 2001     

大范围直线运动梁的非线性共振响应计算

以两端铰支直梁的大范围直线运动为研究对象,建立了直梁纵横运动的动力学模型,利用多尺度法,求解了纵横向运动微分方程,解决了纵向运动对横向运动的耦合影响关系,为研究非线性动力学特性奠定了基础,并计算了主共振响应.通过对文中的算例结果与非线性有限元计算结果比较,得出两种计算结果相差很小,证明该动力学模型是正确的.从计算结果可知,在一阶共振外部激振条件下,2,3阶振幅同样为零.     

基于细长体公式的Truss SPAR在波流中的运动响应预报方法

利用细长体公式和刚体非线性运动方程建立Truss SPAR在波浪与流中运动响应预报方法。通过波浪自由表面和SPAR中心线方程构造辅助函数,迭代计算Truss SPAR瞬时湿长度。根据SPAR主体形状特点和流场中水质点运动规律,分段高效积分Truss SPAR上的水动力载荷。通过Runge-Kutta-Fehlberg方法求解运动方程,得Truss SPAR在波浪与流中的运动响应。对一座Truss SPAR在不同波流工况中的运动响应进行了预报,结果显示波浪和流使Truss SPAR产生了明显漂移运动和振荡运动,漂移运动的大小与流的方向有关,而振荡运动的幅值与波浪的方向有关。     

高速三体船波浪中运动与增阻CFD计算研究

基于数值波浪水池技术,对波浪中高速三体船运动及增阻进行CFD计算研究。控制方程—RANS方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理;在入口边界模拟柔性造波板运动产生入射波,使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波。首先对规则波顶浪中单个主船体的运动和增阻进行了计算,并与高速细长体理论计算结果进行了比较;随后进行了三体船运动和增阻计算,分析了侧片体对主船体阻力增加的影响。为高速三体船耐波性研究提供了数值工具。