规则波浪中舰船操纵与横摇耦合运动模拟及特性分析

采用六自由度舰船操纵性方程与横摇波浪力矩耦合构成动力学模型,对舰船在规则波浪中的操纵与横摇耦合运动特性进行了模拟研究.其中操纵性方程采用MMG模型,波浪力矩由切片法计算,舰船航向按PD控制.模拟计算了某船正横规则波浪下保持航向的横摇运动,计算结果与单自由度理论结果进行了比较,其幅频曲线与相频曲线两者符合较好,间接证明了耦合构成动力学模型的有效性.在此基础上计算了不同浪向角和航速下的横摇运动,以横摇等值极坐标曲线表征舰船规则波浪中的横摇特性,从而给出了规则波浪下舰船耦合动力学所描述的运动特征.     

减摇水舱台架系统中横摇阻尼的模拟实现

在减摇水舱台架模拟实船运动过程中，横摇阻尼的模拟是个技术难点。给出了船舶横摇阻尼和阻尼模拟的理论基础，提出了一种新的阻尼模拟方法，并对阻尼模拟在规则波和不规则波下进行了仿真。结果表明此模拟方法具有可行性，最后应用到减摇水舱台架系统中，实验证明方法行之有效，从而在此基础上做横摇、横荡实验，为实船装备减摇水舱提供试验数据。     

有关船舶倾覆概率问题的讨论

本文从横摇运动微分方程出发，结合随机微分方程理论，讨论了船舶在横对随机波时的倾覆概率问题。可以看出关于船舶在随机波上倾覆概率问题目前提出的几种方法间的联系。最后用Fokker-Planck方程解出了随时间演变的概率分布函数，分析了倾覆问题。     

船舶参数激励非线性随机横摇运动分析

研究了随机纵浪中船舶的参数激励横摇运动。将船舶初稳性高作为时变的随机参数激励,应用随机平均法和FPK方程,分析了船舶的参数激励横摇运动微分方程。考虑航速、船舶瞬时湿表面积及随机波浪,建立了船舶横摇幅值概率密度、概率分布函数及其均值的计算方法。以某渔政船为例,计算了不同航速时船舶随机横摇幅值的概率密度、概率分布函数及其均值。结果表明,参数激励谱峰频率为横摇固有频率的2倍时,发生主参数共振,船舶横摇严重,船舶倾覆发生的概率增加。     

随机风浪下的游艇稳性可靠度计算

建立游艇横摇运动微分方程,利用马尔科夫过程理论和路径积分法进行求解,得到游艇横摇角概率密度函数。借鉴结构可靠性计算方法建立游艇稳性概率计算模型,采用当量正态化法(JC法)求解得到游艇稳性可靠度。实例计算表明:游艇在不同海域下的稳性可靠度存在一定差异,随着外界风浪增大,游艇稳性可靠度呈逐步下降趋势,且都存在一个快速下降的波高区间。该方法能够更科学地评判游艇在不同航行条件下的稳性状况,是游艇稳性横准研究的发展方向之一。     

Parametric rolling prediction in irregular seas using combination of deterministic ship dynamics and probabilistic wave theory

In recent years there have been reports of serious accidents of parametric rolling for modern container ships and car carriers. For avoiding such accidents, a prediction method of parametric rolling in irregular seas is required. Since parametric rolling is practically non-ergodic, repetitions of numerical simulations or experiments could be not feasible to ascertain the behaviour. Therefore, in this paper, a method combining a stochastic approach with a deterministic approach in order to estimate the probabilistic index without such simple repetitions is developed. The ship's response in regular seas is estimated by solving an averaged system of the original 1-DoF roll model, and random waves necessary for occurrence of parametric rolling is achieved by using Longuet-Higgins’s or Kimura’s wave group theory. As a result, a fast and robust computation method of the probabilistic index is established. Finally, it is concluded that the proposed method is considered to be one of the useful tools for discussing the new IMO Intact Stability Code.     

Nonlinear analysis of parametric rolling in longitudinal and quartering seas with realistic modeling of roll-restoring moment

Parametric rolling of a containership in longitudinal and quartering seas is examined by applying nonlinear dynamics to a 1DOF mathematical model with realistic modeling of the wave effect on roll-restoring moment. In our previous work, we confirmed that a mathematical model with a roll-restoring moment in waves calculated with the Froude–Krylov assumption could considerably overestimate the danger of capsizing associated with parametric rolling. Therefore, in the present work, all numerical calculations based on nonlinear analysis were carried out with the direct aid of a measured roll-restoring moment in waves. For this purpose, captive model experiments were conducted for various sets of wavelengths in longitudinal seas. This experiment demonstrates that the Froude–Krylov prediction could not explain the wavelength effect on restoring moment as the wave-steepness effect. Using the numerical model with the aid of this measured roll-restoring moment, the Poincaré mapping technique was applied to identify bifurcation structures of roll motions not only in longitudinal seas, but also in quartering seas. As a result, it was confirmed that capsizing associated with parametric rolling is more likely to occur in following seas than in quartering seas. However, period-doubling and chaos appeared in quartering seas. Finally, an averaging method assuming a period-2 orbit was applied to the same model with the same conditions as the Poincaré map. Reasonably good agreement was obtained between the numerical results with a Poincaré map and those with the averaging method in longitudinal seas, but the averaging method has limited capability in quartering seas.     

随机横浪中船舶倾覆过程模拟与安全域计算

研讨了随机海浪中船舶非线性随机横摇运动倾覆过程和安全域问题.考虑非线性阻尼、非线性复原力矩和随机波浪,建立了随机横浪中船舶运动的随机非线性微分方程.考虑两参数海浪谱和不同的有义波高,计算随机波浪力矩,采用简谐加速度数值计算方法求解随机微分方程,进行了随机倾覆过程的数值模拟.考虑船舶运动的瞬时状态,发展了胞映射方法计算随机非线性横摇运动安全域的方法,并编制了计算机程序.模拟了一条渔船不同有义波高作用下横摇倾覆过程,考虑不同的初始条件及随机波浪参数,在初始值平面上采用胞映射法构造了渔船航行的安全域.波高较小时,安全域是一个连续的区域;随着有义波高增大,安全域面积减小并且不再连续,倾覆域和安全域相互包围.计算结果表明,船舶运动的瞬时状态对安全域具有重要影响,而且随机海浪中安全域具有随机特性.     

随机海浪中船舶非线性横摇的首次穿越概率

利用首次穿越失效理论研究了在随机波浪激励下的船舶稳性.利用一组基于广义谐和函数的变换首先将船舶横摇方程降阶为一组一阶随机微分方程.接着利用一个新的随机平均程序获得了幅值过程微分方程的平均漂移和扩散系数的闭合形表达式,并建立了控制横摇幅值过程平均首次穿越时间的Pontryagin-Vitt方程.推导了Pontryagin-Vitt方程的两个边界条件,通过数值求解该边界值问题获得了平均首次穿越时间和首次穿越概率值.     

Nonstationary response of floating structures to random waves

Even if ocean waves are treated as a stationary random process, dynamic responses of floating structures to random waves at the transient state are always nonstationary. When nonstationary response statistics is desired, a common technique is to apply Monte Carlo simulations; however, its implementation is costly in computational time. Analytically, this article develops an efficient method for computing nonstationary response statistics, including evolutionary power spectrum and time-varying mean-square values. Assuming a hydrodynamic software has been employed to get various frequency response functions, a prerequisite of the proposed method is to get the elevation-to-motion transfer function formulated in its pole-residue form. The proposed method is applicable to arbitrary wave spectrum and has been based on pole-residue operations implemented in the Laplace domain to obtain closed-form solutions for the response evolutionary power spectrum. Numerical examples choose a single-degree-of-freedom Spar model and a six-degree-of-freedom Floating Production Storage and Offloading model to a Pierson–Moskowitz wave spectrum, and the correctness of the computed mean-square values is verified by Monte Carlo simulations.     

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。     

渔船非线性横摇理论研究分析

为讨论船舶在波浪中的非线性横摇,应用非线性动力学的方法对现象进行理论分析,得到主共振情况下船舶运动稳态响应的解析解,并对实船进行稳定性分析。通过不同波浪条件下船舶非线性横摇运动的模拟计算,预报船舶在横浪中的横摇运动,预报结果与试验结果比较一致。     

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。     

基于Simulink的潜器在海浪中运动的实时仿真

以随机长峰波海浪作为模型,利用流体力学和波浪理论的原理对潜器在波浪中的运动进行受力分析,建立了潜器的横摇、纵摇和起伏运动的数学模型,用S函数进行各种海况下波浪力的计算和微分方程的求解,运用Matlab中的Simulink控件对潜器在海浪中的运动进行实时仿真,结果表明该方法能够比较真实地模拟各种海况下潜器在海浪中的运动情况.     

小型船舶减摇装置的最优设计及性能分析

在建立了系统动力学模型的基础上，运用数值优化方法对减摇装置的参数进行了优化设计，得到了减摇装置的最佳频率和最佳阻尼；分析了减摇装置有无时系统的传递函数特性，仿真计算了减摇装置有无时船体对初始横摇角的响应及对外部激振的响应。结果表明，设计的减摇装置对船体的横向摇动有明显的减摇效果。     

弹性船体波激响应时域过程的数值模拟

本文从入射波的波浪现实出发，用非线性水弹性积分─微分法进行船体运动和结构动响应的时间历程模拟，直接将试验测量结果与理论计算在时域内作比较，这有利于揭示砰击和上浪等非线性瞬态作用导致冲荡响应的力学机理。这种模拟及其验证方法避免了对理论和试验结果的统计特性进行比较时，因子样长度的限制和数据处理过程所带来的不确定性，比峰值比较更能说明波激响应数学模型的精确性和可靠性。     

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.     

纵向规则波中参数横摇的数值模拟

基于ITTC推荐的参数横摇运动方程,采用估算方法确定方程中的阻尼系数和复原力矩系数,数值模拟出船舶在规则波中的参数横摇情况,将上述方法具体应用于一艘滚装船船模的参数横摇预报,并与试验数据进行对比,验证了所采用方法的有效性。     

国外船舶破损稳性理论分析

船舶破损后的稳性问题是长期困扰造船界的难题,它涉及随机海况下破损船舶的摇摆、进水和倾覆等多方面的复杂技术问题。简要叙述了国外船舶破损进水后的稳性理论计算研究状况,介绍了国际上在破损船舶动力学模型、舱内进水与船体的相互作用、破损口处的进流与出流模拟等3方面的研究进展。研究表明,三自由度耦合的数学模型在处理舷侧破损问题方面很有效,而六自由度非线性数学模型是未来船舶破损稳性计算的发展趋势,而且必须将船体与进水当作相互高度耦合的动力系统,采用水动力学进水模型进行处理。今后,还需采用模型试验深入观测波浪中船舶破损后的物理现象,以了解破损稳性机理。     

计及形变的滚塑船艇横摇运动中的混沌及其控制

以渔家乐滚塑休闲船为例,考虑船艇体的弹性形变、随机风速和随机波浪等非线性因素,采用时历图、相图、功率谱和Lyapunov指数从不同角度剖析船艇横摇中的动力学特性,然后应用精确反馈线性化和闭环增益成形算法相结合的方法设计控制器,使船艇脱离混沌状态。仿真结果表明：当计及船体弹性形变时,横摇频率加快,角速度和角加速度均增大,船艇稳性和舒适感变差;随着风和浪所含谐波次数的增加,横摇更加剧烈,混沌现象愈显著;所设计的控制器能够有效控制其混沌,从而达到增加船艇安全性、稳定性和舒适性的目的。