船舶系泊动力分析数值模拟计算研究

利用动力分析方法的数学模型SHIP-MOORINGS对船舶系泊过程中的运动、波浪载荷及橡胶护舷的碰撞力进行了数值模拟计算。试验中,系泊船舶运动量、系缆力和撞击力随着波高的增大而增大,随着波浪周期的增大一般也增大,其变化关系还与船舶本身的自摇周期有关。当45°斜浪和90°横浪作用时,横移<1.0 m(PIANC,1995)的要求最容易超标,为该浪向作用下船舶作业标准的主要控制指标;当0°顺浪作用时,升沉<1.0 m的要求最容易超标,为顺浪作用下船舶作业标准的主要控制指标。在45°斜向浪作用时,沿船长方向布置的护舷所受碰撞力分布不均衡,艏、艉处的碰撞力较大,而在90°横浪和0°顺浪作用时,作业和系泊条件略好,因此控制浪向为艏来45°斜浪作用。其中,10 000DWT的船型由于吨位相对较小,风浪流作用下,运动量较大,其中横摇、横移表现最为明显。对于各泊位所选择的护舷型号,计算表明,系缆力控制工况下,护舷所受到的最大撞击力均小于其设计反力,护舷型号选择合理。     

较大周期波浪作用下大型系泊(LNG)船舶运动响应试验研究

采用物理模型试验方法,对横向较大周期波浪作用下一艘大型系泊(LNG)船舶运动响应特性进行了研究。结果表明:系泊船舶纵移、横移和回转运动存在着自振周期;横移运动为周期性运动,横移自振周期与船舶横摇固有周期比值在1.11～1.23间,且横移运动峰值随着波浪周期的增大而增大;不同装载状态下,升沉运动随波浪周期增大的变化规律一致,升沉运动量最大值大于波高;横向波浪作用下,系泊船舶纵摇运动受波浪周期变化影响很小;横摇运动为周期性运动,横摇自振周期与船舶固有横摇周期的比值在1.23～1.48间,横摇运动峰值随波浪周期增大而增大。     

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。     

浮码头与旁靠船舶的运动响应特性研究

本文基于三维势流理论，采用数值分析方法研究了浮码头与散货船旁靠系泊的运动特性。考虑缆绳和护舷的非线性特性，探求了波浪周期对浮体运动、系缆力的影响规律。研究结果表明：考虑间隙内水体运动影响，旁靠散货船在横浪条件下的纵摇和纵荡运动有所增大。浮码头在计算工况下，缆绳受力较大，在某些工况条件下超出了国际系缆力标准的要求，旁靠散货船的缆绳在计算工况下均未超标，满足要求。研究结果为浮码头系泊系统的设计及工程运营提供理论参考。     

船舶在固定护舷约束下的运动和动力响应

边际油田开发过程中,有时将储(运)船舶停靠在导管架平台内,在导管架上布置横、纵护舷以约束储运船舶。采用物理模型试验方法,研究了随机波浪作用下,船体在固定护舷约束下的运动和动力响应问题。试验结果表明:原型3 000 t级储运船舶,当船侧与横向护舷间隙为500 mm、纵向护舷间隙为零时,船舶各运动分量较为自由,未见甲板上浪情况。单个横向护舷最大吸收能量为1 465 k J,纵向护舷最大吸收能量为745 k J。随着船侧与护舷间隙减小,船舶各运动分量运动受到限制,不同程度的出现甲板上浪现象,护舷吸收能量相比于间隙为500 mm情况有所减小。当考虑船舶运动及甲板上浪时,船体与护舷间应适当留有间隙;当考虑护舷及船体碰撞安全时,应适当减小间隙。     

波浪中船舶结构惯性力求解及实际工程应用

船舶在海洋中会受到波浪的作用产生摇荡运动,其中横摇、纵摇和垂荡对船舶影响最大。由船舶运动产生的惯性力是工程中常用的结构设计载荷。因此,对惯性力计算方法的研究是十分必要的。本文通过将船舶横摇、纵摇及垂荡运动的叠加,简化了船舶在波浪中惯性力计算方法,为实际工程的实施提供了理论依据,同时也避免了许多繁琐的计算过程。     

双体工程辅助船波浪载荷

为预报双体工程辅助船在波浪中的运动响应,采用直接计算法和SESAM软件对其波浪载荷进行直接计算。计算结果表明:双体工程辅助船的垂荡运动响应在横浪时达到最大;纵摇运动响应从横浪到顶浪逐渐增大;横摇运动响应在横浪时达到最大;纵摇有关扭矩在艏(艉)斜浪时达到最大,满载出港工况下的响应幅值最大,压载到港和满载出港结冰工况下的响应幅值比较接近;纵向扭矩在艏斜浪附近时响应幅值达到最大,压载到港工况下的响应幅值最大,满载出港结冰工况下的响应幅值最小,即双体工程辅助船在压载航行时的纵向扭转较为严重。从双体工程辅助船结构设计、驾驶及其理论研究等角度提出了建议与对策。     

系泊船舶运动响应周期试验研究

针对国内外系泊船舶物理模型试验中所给系泊船舶运动响应周期特征参数的不同,对横向波浪作用下一艘26.6×104 m3系泊LNG船舶的运动响应周期特性进行物理模型试验研究。结果表明,半载状态下,纵移运动存在着32 s的自振周期;横移运动为周期性间歇增长运动,横移运动周期与系泊船舶固有横摇周期的比值在1.11～1.23,大体上随波浪周期增大成倍数增长;横摇运动峰值随波浪周期增大而增大,横摇运动周期与系泊船舶固有横摇周期的比值在1.23～1.48,大体上随波浪周期增大成倍数增长;不同装载状态下回转运动均存在着较长的自振周期:半载状态为30 s,满载状态为32 s。     

船舶在波浪中的横摇运动及其稳性

本文在静水稳性概念基础上,根据船舶在波浪中的运动和横摇运动方程的分析,用多尺度法求解横摇运动响应,确定横摇响应的稳定性条件,探讨了规则波对 GZ 曲线、初稳性和最大横摇角等稳性要素的影响,并提出了衡量船舶在波浪中稳性的几点建议,最后给出一个实船算例。     

7 500 t浮吊海浪激励下的谐响应分析

应用有限元软件ANSYS建立500 t浮吊三维计算模型,以规则海浪载荷作用下船舶摇荡运动加速度作为基础激励,采用谐响应分析方法计算起吊7 500 t载荷时浮吊在海浪作用下的动力响应.计算结果表明,海浪方向为90°时浮吊动力响应比较大;吊重起升至比较高位置时,浮吊动力响应比较大;因船舶横摇大于纵摇,故浮吊的横向位移大于纵向和垂向位移,钢丝绳-吊重横向摆角大于纵向摆角;臂架的最大动应力出现在根部主弦杆处,海浪载荷引起的浮吊结构动应力小于材料屈服强度.     

7500t浮吊海浪激励下的谐响应分析

应用有限元软件ANSYS建立500t浮吊三维计算模型,以规则海浪载荷作用下船舶摇荡运动加速度作为基础激励,采用谐响应分析方法计算起吊7500t载荷时浮吊在海浪作用下的动力响应。计算结果表明,海浪方向为90°时浮吊动力响应比较大;吊重起升至比较高位置时,浮吊动力响应比较大;因船舶横摇大于纵摇,故浮吊的横向位移大于纵向和垂向位移,钢丝绳吊重横向摆角大于纵向摆角;臂架的最大动应力出现在根部主弦杆处,海浪载荷引起的浮吊结构动应力小于材料屈服强度。     

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。     

巨型船舶大风浪中系泊模型试验研究

通过对一艘17．5万吨散货船的大风浪系泊模型试验，得出了在吹岸风和吹开风状态下，护舷和缆绳的受力随风浪流及风向角变化的一般规律以及不同吃水对船舶受力、系泊缆绳和护舷受力的影响，对巨型船舶的大风浪系泊有重要的参考价值。     

基于Rankine源法的小水线面双体科考船耐波性预报

采用基于三维时域Rankine源方法的水动力分析软件Wasim,对某小水线面双体科考船在不同航速、不同海况与不同浪向下的耐波性进行了计算与分析,重点对不同工况下小水线面双体船横摇、纵摇和垂荡性能进行了研究.研究表明:无航速时,横摇有义单幅值极大值出现在90°浪向,纵摇极大值出现在0°与180°浪向;较高航速时,横摇响应最大单幅值出现在60°与90°浪向,纵摇在30°,150°和180°浪向时明显较大;波浪对连接桥的砰击会显著影响SWATH船的运动响应,使垂荡运动幅值显著增大;随航速的提高,顺浪航行下纵摇运动幅值逐渐减小.     

波浪入射角度和周期对系泊船舶运动影响的数值模拟研究

基于MIKE 21 Mooring Analysis系泊分析软件,模拟研究在不同周期和入射角度的不规则波作用下系泊船舶运动的变化规律。结果表明,系泊船舶运动量随波浪入射角度和波浪周期的变化相互影响。在不同周期波浪作用下的系泊船横移、横摇和升沉运动量均随波浪入射角度的增大而增大,横摇运动的共振效果随着波浪入射角度远离90°方向逐渐减弱,升沉运动量在波浪入射角度靠近90°或0°方向时基本不变。当入射波浪周期较长时,纵移和回转运动量随着波浪入射角度的增大先增大后减小,一般在波浪60°入射时产生峰值。     

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.     

基于AQWA的渔船排列形式对运动和系泊力响应的影响分析

渔船作为海洋渔业的重要经济载体,渔船安全一直备受关注,但极端天气下港内锚泊渔船倾覆、断缆的情况时有发生。利用水动力分析软件AQWA,分别建立的单船、双船并排与三船并排首尾锚泊模型,计算不规则波作用下首尾锚泊渔船的时域运动响应与系缆力,分析不同波高和周期条件下船舶排列形式对横摇角度和系缆力的影响。计算结果表明,双船或三船并排锚泊能有效抑制横浪作用下船舶的横摇角度;三船并排锚泊时,中间船的横摇角度会大于两侧船只;并排锚泊时,系泊力随波浪周期的增大而增大;出于渔船安全考虑,渔港内波高与波周期均较大的区域,宜采用多船并排锚泊形式。     

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。     

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。     

不同航态下船舶运动规律仿真研究

主要根据波浪叠加理论,采用ITTC单参数标准海浪谱对随机海浪作用下船舶线性横摇、纵摇运动进行建模和仿真研究,探讨不同船型、各种航态(不同海况、不同航速、不同航向)下船舶横摇和纵摇运动规律,为进一步研究船舶的减摇预报与控制打下基础。