规则波浪中舰船不规则摇荡运动计算分析

采用舰船波浪中操纵性基本方法建立操纵与摇荡耦合动力学方程,简化后得到摇荡耦合动力学方程.针对文献资料进行了舰船规则斜浪中航向保持运动模拟,结果显示,规则波浪中操纵与摇荡耦合运动响应出现不规则摇荡运动现象,而摇荡耦合运动响应则不出现不规则摇荡运动现象.通过对遭遇频率的频谱分析,得到规则波浪中操纵与摇荡耦合运动的不规则响应...     

二代稳性衡准纯稳性丧失直接评估方法研究(二)

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,本文提出了纵荡-横荡-横摇-首摇4自由度运动耦合的标准数学模型,进行了纯稳性丧失直接评估.该方法首先基于MMG操纵性标准方法,构建纵荡-横荡-横摇-首摇4自由度运动方程,同时考虑了舵控制方程,其次在纵荡、横荡、横摇、首摇方程右边考虑时域波浪力/力矩,且横摇方程右边进一步考虑了粘性横摇阻尼力矩和波浪中复原力臂变化.最后采用ONR内倾船进行了尾斜浪中纯稳性丧失直接数值计算,为纯稳性丧失直接稳性评估衡准的应用奠定了基础.     

规则波浪中舰船摇荡耦合切片计算方法

[目的]切片理论方法在舰船耐波性设计中有着广泛的工程应用,该方法是针对切片平均位置来计算水动力,本质上缺少船体垂荡、纵摇与横摇的运动耦合性。为有效耦合船体垂荡、纵摇与横摇的运动,[方法]基于广义纵倾角和广义吃水增量的参数,以及船体坐标系下瞬时波面方程的解析表达式,以满足波面处压力为零的条件修正波面下压力分布的计算公式(史密斯效应);基于波面方程和压力分布修正公式,给出瞬时波面下船体切片的静水力与傅汝德—克雷洛夫波浪扰动力之和的计算方法,惯性水动力和阻尼力则采用经验公式估算。建立船体垂荡、纵摇与横摇耦合的时变系数动力学方程,采用AutoCAD图形面域技术开发计算软件,数值计算规则波浪中舰船的耦合摇荡运动。[结果]数值计算结果表明,大波高时横摇幅频曲线呈现出较为显著的因摇荡耦合导致的非线性效应,同时在横摇共振区内有明显的波浪传播方向的横摇偏摇现象。[结论]所得计算方法对于舰船高海况下的耐波性预报将产生积极的作用,计算软件可以作为耐波性设计选型的评估手段。     

船舶大幅横摇运动

本文讨论了六个自由度船舶非线性运动方程.在船舶作大幅横摇运动假定下,采用压力积分方法,利用Taylor展开,导出其他自由度运动对横摇的非线性耦合运动方程.得到其他自由度运动对横摇的非线性耦合系数表达式,以及入射波和绕射波对横摇扶正力矩的非线性影响.结果表明,纵向运动对横摇的非线性静力耦合作用不存在,它们之间的耦合主要是由波浪引起的.     

具有淹水舱的舰船横摇运动建模探讨

舰船在风浪中横摇运动特性是影响舰船航行安全的主要因素,而当舰船由于碰撞、搁浅等意外事故造成船体破损进水后,具有淹水舱的舰船在风浪中的横摇运动将变得更加复杂,更加危险,文章系统地分析了具有淹水舱的舰船在波浪中横摇运动时船和舱内水的能量耦合作用,根据拉格朗日方程建立了具有淹水舱的舰船横摇运动两自由度微分方程,并在此基础上,用Melnikov方法对某实船破损进水后的横摇运动进行了非线性分析,验证了所建模型的实用性,为进一步分析破损进水舰船在风浪中的横摇运动特性提供了可行的数学模型.     

基于统一模型的船舶迎浪参数横摇数值预报及其舵减摇研究

国际海事组织（IMO）正致力于第二代完整稳性规范的制定,而参数横摇一直是船舶动态完整稳性研究的热点。文章采用考虑船舶操纵性和耐波性运动耦合的统一模型对迎浪规则波下的船舶参数横摇运动进行了时域数值模拟。在时域模型中,六自由度耐波性运动辐射绕射力采用切片理论计算,并由脉冲响应函数法转化到时域。非线性回复力和入射波力采用瞬时湿表面压力积分方法计算。操纵性运动基于MMG模型,依据统一理论将操纵性与耐波性运动进行耦合计算。文中先应用简化三自由度模型对三艘集装箱船进行了参数横摇样船计算,并进行了初步的模型实验验证,依据结果对比分析了横摇惯性矩、初稳性高和方形系数对参数横摇的影响。基于统一模型分析了操纵性运动对参数横摇的影响,并进行了参数横摇舵减摇研究。     

舵速对船舶波浪中回转及横摇的影响

基于经典MMG模型和统一理论建立操纵性和横摇四自由度耦合模型,利用耦合模型叠加波浪力的方式来预报船舶波浪中的回转和横摇特性。波浪力采用三维面元法计算,并根据船舶实时速度和遭遇浪向进行二维插值。通过自航模试验进行模型验证,预报了不同操舵速度对船舶回转和横摇的影响。研究表明耦合模型能够有效地仿真船舶的回转及横摇,回转过程中操舵速度越大船舶改变航向和航迹的能力越强,纵距越小,但会给船舶造成较大的横摇。     

多自由度耦合的船舶参数横摇运动分析和数值计算

采用瞬时等效运动下的转换矩阵描述船舶绕多轴同时转动的复杂三维运动。考虑船舶瞬时运动时坐标系的瞬时改变,建立了多自由度耦合运动方程。在理论研究的基础上,推导了船舶表面划分网格后网格特征的数值计算公式,利用瞬时坐标转换矩阵判定水下湿表面新网格,从而得到时域波浪力的数值计算公式。开发了迭代计算时域运动响应的计算程序,用于实船在波浪中的多自由度运动计算。以某C11集装箱船为例,计算其在波浪中的时域参数横摇运动,通过相图和频谱图分析船舶参数横摇特性。计算表明,论文基于坐标转换思想提出的多自由度耦合模型以及建立的参数横摇计算方法是可行的。     

用Morlet小波变换研究舰船横摇垂荡耦合特性

本文探索了用小波变换方法对舰船横摇垂荡非线性耦合动力学特性的研究.对于考虑与垂荡二次耦合的舰船横摇方程,用Morlet小波变换分析其摇摆响应动力学特性,研究分析了船舶在几种典型波浪中的状况:稳定区域中的横摇回复和稳态横摇;非稳定区域的横摇发散;以及混沌现象.研究表明,通过小波变换所特有的时频窗,对横摇响应小波变换系数的模和相等信息进行分析,可以获得船舶横摇-垂荡耦合非线性动力学幅值和频率的各种典型特征.     

基于体积力方法的船舶波浪回转运动数值仿真

研究船舶在波浪环境中的自由操纵运动对船舶操纵性具有重要意义.本文对ONRT全附体模型在规则波中的回转运动进行仿真研究.采用基于结构化动态重叠网格的自研CFD软件HUST-Ship求解RANS方程与船体六自由度运动方程的耦合问题.RANS方程通过有限差法离散,并使用PISO算法进行求解.波浪中操纵运动使用了移动计算域方法...     

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。     

U型水舱在船舶中的垂向布置问题

基于“船舶－被动式U型减摇水舱”系统运动微分方程，分析了U型减摇水舱在船舶中的垂向位置对船舶横摇质量惯性矩、横摇复原系数、横摇固有频率、船舶与水舱的耦合惯性矩等系统方程参数及对船舶横摇运动和舱内液体运动的影响。结果表明，水舱垂向位置高船舶横摇中心越远，由舱内液体引起的船舶横摇质量惯性矩和横摇复原系数越大，船舶横摇固有频率则越小。而耦合惯性矩则随水舱布置高度的变化呈减小的趋势。对于各种不同类型的船舶，存在一个使舱内液体不发生振荡的奇异位置，这时水舱不产生任何的减摇效果，船舶的横摇运动与不安装水舱时相同。利用我校所研制的减摇水舱模型性能摇摆台进行了水舱模型不同垂向布置时的强迫振荡试验，试验结果与仿真结果具有很好的一致性。指出了除水舱固有频率和水舱阻尼外，水舱在船舶中的垂直方向位置也是影响水舱减摇性能和船舶减摇后的横摇运动的主要因素之一，在减摇水舱设计初期应当予以考虑。     

船舶倾覆机理的新见解

利用“对振式可控力矩横摇装置”进行船模允许甲板入水的系列激振横摇实验，得到非线性横摇的实际而准确的数学模型，据此通过风浪联合作用下的动态横摇过程的数值模拟，探讨船模在横风横浪下的倾覆机理，从而形成新见解：翻船是动力横摇的极限运动，临界倾覆于高位平衡点稳定性的丧失。     

Study of damaged ship motions taking into account floodwater dynamics

This paper presents an application of shallow water theory to describe the motion of floodwater inside a rolling ship in damage condition. The time domain theoretical approach to the coupled problems of ship and water inside compartment motions is briefly described, including the method used to solve for the water motion characteristics and forces exerted on the ship. This approach is applied to the study of the behaviour of a passenger Ro–Ro ship in regular beam seas and numerical results are given for the intact and damaged conditions. Comparison is made with experimental results. For the damaged condition, the characteristics of the floodwater motion are studied in the time domain for a number of different wave frequencies. The shape of the free-surface and phase of water motion in relation to the ship roll motion are shown for several wave frequencies. The dynamic floodwater roll moment is also shown and compared with the static roll moment (flat horizontal free surface), allowing the conclusion that the dynamic roll moment is much larger than the static roll moment, for high wave frequencies, and is in phase opposition in relation to the roll motion.     

船舶非线性横摇运动方程的线性化研究

考虑阻尼力矩和恢复力矩的非线性,运用能量法对正横规则波中船舶非线性横摇运动方程进行等效线性化,导出等效线性系数表达式,并验证其工程实用性,为船舶横摇预报提供理论分析计算模型。     

船舶在波浪中操纵运动仿真

本文研究了双浆双舵船在规则波中的回转运动，首先进行了约束模型试验，得到了操纵运动数学模型中的水动力系数，然后，进行了静水操纵运动数值仿真，并与自航模型试验结果进行了比较。最后，预报船舶在规则波中的回转运动，对一些影响回转运动的因素进行了讨论。     

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.     

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。     

Validation of 6-DOF motion simulations for ship turning in regular waves

In this study, a six degrees of freedom (6-DOF) motion simulation method of a ship steering in regular waves is validated. The proposed simulation model is based on the two-time scale concept where the 6-DOF motions are expressed as the sum of the low-frequency maneuvering motions and high-frequency wave-induced motions. Turning simulations of a KCS container ship model with a rudder angle of \(\pm 35^\circ\) in calm water and regular waves are performed and the obtained results are compared with the results of a free-running model test. The model tests were conducted using a ship model of length 3.057 m in a square tank at the National Research Institute of Fisheries Engineering, Japan. The wave conditions were as follows: the wave height was 3.6 m at full-scale, ratio of wavelength to ship length was 1.0, and the ship approached in the head wave direction before it was steered. The present method can simulate both the turning motion and wave-induced motions in regular waves with practical accuracy.