规则波浪中舰船纯稳性丧失计算研究北大核心CSCD

[目的]波浪中纯稳性丧失是第二代舰船完整稳性中稳性薄弱性的衡准之一。针对波浪中大倾斜角稳性计算发散问题,[方法]以静水面坐标系为基准,定义了广义纵倾角和广义吃水变量,推导出物理含义清晰的波面方程。在Froude-Krylov假定条件下,结合AutoCAD二维图形面域计算技术和VBA编程方法,提出了规则波浪中舰船纯稳性丧失的计算方法。针对一艘具有阶梯式甲板的舰船,计算了规则波浪中舰船复原力臂曲线,证明大横倾状态具有一致收敛性。[结果]计算得到了规则波浪中稳性变化规律:纵向波浪中,波面高于甲板或低于船底导致有效水线面消失是稳性降低的主要原因;斜浪和正横浪中,波面相对船体横剖面倾斜引起的不对称性,是稳性大幅度降低的主要原因。[结论]计算收敛一致性表明,基于广义纵倾角定义的计算方法可成为评估舰船波浪中纯稳性丧失的有效手段。     

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。     

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。     

初稳性高时变特性对横摇运动的影响

研究纵浪中船舶初稳性高时变特性对横摇运动的影响。假设升沉和纵摇是准静力平衡,建立纵浪中船舶横摇参数激励运动方程,提出了稳性高波动项与瞬时波浪高度及波面升高加速度之间的函数关系式,提供了稳性高波动项的计算方法。以一艘渔政船为例,在不同航速下,分别计算规则波和非规则波中船舶参数激励横摇运动。得到稳性高波动项的时间历程及功率谱,并模拟由初稳性高随机波动引起的参数激励横摇。结果表明：在船遭遇一系列高波情况下,当特征波长接近船长,且参数激励频率集中在二倍横摇固有频率时,船舶发生参数激励大幅横摇。     

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.     

ONR内倾船波浪中复原力臂非线性现象试验和数值研究

船舶波浪稳性中参数横摇和纯稳性丧失是与波浪复原力臂变化有关的失效模式,波浪中复原力臂的变化是影响这些失效模式预报精度的关键因素.本文以ONR内倾船型为研究对象,通过试验和数值方法研究了横摇复原力臂的变化.首先采用半拘束模型(垂荡、纵摇自由,固定横倾角)试验测量波浪中船模复原力的变化;其次采用三维时域混合源法建立波浪中复原力臂的数值计算方法,在常规Froude-Krylov力假设的基础上,进一步考虑辐射力和绕射力对横摇复原力的影响,并在速度势的计算中引入精确物面条件,沿瞬时湿表面积分计算动态辐射力和绕射力的成分;最后通过试验结果和数值计算结果的比较,以及复原力臂组成成分的分析、近似物面非线性条件和精确物面条件计算结果的对比等,详细分析了ONR内倾船型波浪中复原力臂的非线性现象.研究表明:顶浪中常规Froude-Krylov力假设不够完善,随着航速、波陡、横倾角度的增加,波浪中复原力臂的非线性现象十分明显,辐射力和绕射力对复原力臂的贡献是非线性现象的主要原因;基于精确物面条件计算动态辐射力和绕射力引起的复原力臂变化可以更好地反应复原力臂的非线性现象.     

参数横摇对集装箱船设计和运营的影响

<正>纯稳性丧失、参数横摇、骑浪(横甩)是船舶在波浪中的3种典型倾覆现象,其中,参数横摇是目前国际海事组织(IMO)正在研究的船舶第二代完整稳性衡准技术中5种失效模式之一。研究人员普遍认为,参数横摇是由船舶在波浪中的复原力周期性变化而导致的非线性现象,其主要特点是:船舶在顶浪状态下产生垂荡、纵摇运动的同时伴随着大幅度横摇运动。大量研究表明,当船舶的横摇固有频率等于其在波浪中遭遇频率的50%时,船舶可能产生显著的横摇运动,即参数横摇。大型集装箱船的艏     

纵浪中纵荡和稳性丧失对参数横摇的影响研究

目前国际海事组织正在制定船舶第二代完整稳性衡准,衡准方案中提出了建立可靠预报参数横摇数学模型的要求。本文针对纵浪中航速变化以及稳性丧失对参数横摇的影响开展了计算研究。首先建立了纵荡-垂荡-横摇-纵摇4自由度耦合数学模型,该数学模型中利用无横倾时的垂荡、纵摇运动以及纵荡导致的速度变化来确定船-波相对位置,然后沿着船体瞬时湿表面积分得到非线性横摇复原力的变化,同时顶浪中考虑了横倾时辐射力和绕射力对横摇复原力的贡献,随浪中考虑了大幅横倾时升力对横摇复原力的贡献。最后采用ONR内倾船型研究了顶浪和随浪中纵荡和稳性丧失对1/2倍遭遇频率参数横摇和1倍遭遇频率参数横摇的影响。研究结果表明,纵浪中除了大幅参数横摇发生的临界点之外,其余工况纵荡对1/2倍遭遇频率参数横摇影响很小,随浪中较高航速时纵荡和稳性丧失对1倍遭遇频率参数横摇影响比较显著。     

初稳性高时变特性对横摇运动的影响分析

文章研究纵浪中船舶初稳性高的时变特性对横摇运动的影响.假设升沉和纵摇是准静力平衡,建立纵浪中船舶横摇参数激励运动方程,提出了稳性高波动项的计算方法.以一艘渔政船为例,考虑不同航速,计算非规则波中参数激励横摇运动.计算结果表明在纵浪上,当船遭遇到一系列高波,特征波长接近船长,且参数激励频率集中在2倍横摇固有频率时,船舶会发生参数激励横摇.     

随机斜浪中船舶参数-强迫激励横摇运动计算

研究船舶随机斜浪中大幅参数激励非线性横摇运动的计算方法.将船舶稳性高度GM作为时域变化的随机参数激励,波浪力为随机强迫激励项,建立船舶在随机斜浪航行情况的参-强激励横摇运动微分方程.参数激励项的求解考虑了船体型线、纵摇、升沉及波浪运动对稳性高度变化的影响.分别取不同波高、航速、航向,计算出随机斜浪中船舶的时域横摇运动响应.计算结果表明,此方法可以用于计算随机斜浪中船舶的参-强激励横摇运动,据此分析随机斜浪对船舶横摇和倾覆的重要影响.     

随机斜浪中船舶参数——强迫激励横摇运动计算

研究船舶随机斜浪中大幅参数激励非线性横摇运动的计算方法。将船舶稳性高度GM作为时域变化的随机参数激励，波浪力为随机强迫激励项，建立船舶在随机斜浪航行情况的参—强激励横摇运动微分方程。参数激励项的求解考虑了船体型线、纵摇、升沉及波浪运动对稳性高度变化的影响。分别取不同波高、航速、航向，计算出随机斜浪中船舶的时域横摇运动响应。计算结果表明，此方法可以用于计算随机斜浪中船舶的参—强激励横摇运动，据此分析随机斜浪对船舶横摇和倾覆的重要影响。     

甲板上浪2D数值模拟与试验研究

基于VOF法,采用动边界造波,对规则波中的浮体甲板上浪进行了2D数值模拟.得到了在不同倾角下甲板上浪的波形时历.基于PIV和浪高仪测试技术,在波浪水槽中对浮体在规则波中的甲板上浪进行了试验,得到了上浪水在甲板上的水位高度及波浪沿船首爬行、变形、破碎的过程.计算结果与试验结果进行了对比,验证了数值计算的可行性.     

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.     

船舶参数横摇数值计算与力学机理分析

[目的]参数横摇是船舶在波浪中的特殊失稳现象,现有研究认为,波浪经过船体时稳性参数的变化是激发船体横摇的主要原因,但其力学机理并不明确。[方法]首先,基于惯性坐标下的垂荡和纵摇耦合运动方程,以及船体坐标下的横摇运动方程,建立垂荡、纵摇和横摇的混合动力学模型;然后采用所提出的摇荡耦合切片计算方法,数值计算船舶参数横摇运动,分析数值计算的横摇运动规律,并基于能量原理提出发生参数横摇的衡准。[结果]研究结果表明,船舶发生参数横摇的力学机理是,在横摇角增大过程中回复力矩系数吸收的能量小于横摇角减小过程中回复力矩释放的能量;发生参数横摇的衡准是,回复力矩系数一阶谐波分量的相位角位于[0,π]内。[结论]明确参数横摇力学机理有助于深入认识参数横摇失稳模式的物理本质,提出的参数横摇衡准对于船舶第2代完整稳性衡准的制定具有参考意义。     

随浪规则波中ONR内倾船纯稳性丧失黏流模拟方法研究

纯稳性丧失作为5种典型的船舶在波浪中运动失稳的模式之一，是波峰位于船舯时复原力显著减小而导致船舶大幅横摇甚至倾覆的运动失稳现象。论文采用STAR-CCM+商业软件，模拟全附体ONR内倾船在随浪下的纯稳性丧失现象。数值模拟中采用重叠网格技术实现船-桨-舵耦合的多体运动求解，通过速度边界条件进行造波，采用欧拉叠加模型进行消波，考虑了实船螺旋桨的旋转因素，对舵进行自动控制来实现航向的稳定。模拟了ONR内倾船在不同航速下发生纯稳性丧失导致大幅横摇甚至倾覆的过程，并与试验结果进行了对比，最大横摇幅值的计算值与试验值趋势一致。分析了在不同航速下舭龙骨、桨、舵等附体力和力矩的变化。论文建立的CFD数值模拟方法，为更加细致地分析波浪中纯稳性丧失的运动现象提供了技术支撑，为后续势流方法中的螺旋桨、舵等附体力学模型的改进提供了参考。     

风浪中舰船横浪及随浪稳性计算

此文从便于驾驶员使用的角度出发,考虑船舶在非规则波浪中摇荡,就最典型的情况——横浪,提出了可供航海实用而又有一定精度的船舶风浪中稳性算法。针对随浪,采用Grim等效波高的思想,借鉴一些研究成果,给出了非规则波中随浪稳性计算公式和可供实用的程序。     

内倾船骑浪概率评估方法和安全边界研究

针对与横甩密切相关的骑浪运动,构建了规则波中纵荡-横荡-横摇-首摇4自由度耦合运动数学模型,其中包含了波浪绕射、非线性水动力导数、静水中横倾产生的水动力和非线性横摇阻尼等因素。在螺旋桨推力和舵力模型中考虑了波浪粒子速度、螺旋桨和舵实时出入水以及双桨、双舵对首摇力矩的影响。基于规则波中骑浪数值预报,采用临界波法建立了不规则波中船舶骑浪概率评估方法。以一艘非常规双桨双舵内倾船为例,计算了内倾船在长期海况和短期海况中骑浪发生的概率,并开展安全边界研究,获得了船舶骑浪危险区域边界。建立的船舶骑浪概率评估方法可为骑浪/横甩直接稳性评估提供技术支撑。     

纯稳性丧失和瘫船稳性薄弱性衡准实船验证分析

国际海事组织(IMO)正在制定第二代完整稳性衡准,并计划于2019年开始强制实施.该稳性衡准涵盖了5种稳性失效模式:参数横摇、纯稳性丧失、过度加速度、瘫船稳性和骑浪/横甩.衡准评估由薄弱性衡准和稳性直接评估组成.本文采用实际运营的4艘油船和3艘渔政船对最新草案中纯稳性丧失和瘫船稳性的薄弱性衡准进行了计算,分析了第一层和第二层薄弱性衡准的一致性,为纯稳性丧失和瘫船稳性薄弱性衡准的制定提供参考.     

舰船在波浪中优选航向航速的计算

舰船在波浪中航行时,波浪引起的横摇、纵摇、升沉、甲板淹湿、砰击等因素会影响舰船完成其任务甚至危及航行安全。因而在大风浪中航行时,为了进行正常作业或为了航行安全常常需要调整航向航速。为了及时选择最佳的航向航速,本文提出的方法是:根据在原航向上测得的纵摇与横摇的数据估计出当时的海浪谱参数,根据该浪谱参数预报改用其它航向航速后船的纵摇、横摇、升沉的幅值及甲板淹湿、砰击的概率,在此基础上选出航向航速的可行范围及最佳值。本文提出的所有计算均由计算机自动完成,从而使在波浪中调整航向航速的决策方法由传统的依靠驾驶员的经验估计变为用计算机自动进行定量分析。     

船舶第二代完整稳性机理及船舶操纵技术分析

为增进船舶航行安全,分析船舶第一代完整稳性规则的局限性及其发展趋势,探讨船舶第二代完整稳性的架构机理。从第一层稳性衡准的参数横摇、纯稳性丧失、瘫船稳性、骑浪/横甩和过度加速度等5种稳性失效模式的评估方法及其与船舶静态参数、动态参数的关系入手,分析基于第二代完整稳性衡准的船舶操纵性能,提出确保稳性满足规则要求的船舶操纵技术和措施。