船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究综述

系统阐述船舶波浪载荷预报的二维、二维半、三维方法以及水弹性力学分析方法,详细分析了完全弹性模型以及分段弹性模型的试验技术,并给出了船舶波浪载荷预报方法和模型试验研究现状和发展趋势。作为一个自然的发展趋势,船舶水动力学的发展方向是从频域转向时域、从切片理论转向完全三维理论、从线性转向非线性以及从势流转向粘流。船舶波浪载荷模型试验目前广泛采用只模拟一阶垂向振动频率的均质梁来开展试验。     

基于水弹性方法的船体非线性波浪载荷预报

文章介绍了三维水弹性方法的基本原理,引进了一种三维非线性水弹性方法的数值算法。该算法以三维水动力理论为基础,充分考虑各种非线性效应,包括静水恢复力的非线性、物面非线性以及砰击力的作用,结合水弹性方法建立船体运动方程,并对船舶在波浪中运动受到的载荷进行预报。计算工况根据设计波法来确定,预报结果与线性计算结果进行了对比,差异主要体现在弹振和砰击方面。     

非线性管土耦合条件下悬跨管道涡激振动响应时域预报

海底悬跨管道与海床耦合呈现高度非线性,使得发展一种时域预报方法成为需要.文章运用有限元法对输液张紧悬跨管道进行空间离散,并应用Facchinetti等改进的尾流振子模型和切片假定模拟每个有限单元上的涡激振动水动力,发展了一种悬跨管道-海床-流场多场耦合的非线性时域预报方法.在合理选取尾流振子模型附加水动力阻尼参数的基础上,时域预报了线性、理想塑性和张力截断弹簧模型下悬跨管道的涡激振动响应.研究结果表明,基于尾流振子的时域预报方法能够合理地描述非线性管土耦合边界下VIV响应;非线性边界条件下,锁定产生的最大响应幅值低于线性结果.     

规则波中船舶非线性波浪弯矩的时域计算

本文提出了一种预报船舶在迎浪规则波中升沉和耦合运动以及垂向弯矩的非线性响应的方法。本方法的实质是线性切片理论的延伸与推广,它在原切片理论的载荷公式中加入了非线性的浮力项、非线性的流体动量力及阻尼力项。在时域中求解耦合运动方程组,在此基础上分别求解将船体视为刚体和弹性梁的垂向弯矩。此非线性理论计算值与线性理论计算值及模型试验结果作了比较,非线性计算模拟与模型试验结果一般可达到良好的一致性。在船舶总纵强度研究有特定价值的波长范围内,本方法能有效地用来预报垂向弯矩,     

船体在波浪中的非线性水动压力

本文提出了一个预报船体在波浪中大幅运动时非线性水动压力场的二维时域理论。船体扰动势用时域自由面格林函数和在入射波下的瞬时湿表面上的分布源求解；与非线性水动压力场相匹配的船体运动用差分法求得。为提高计算效率和避免数值过程发散，采用了改进的数值模型和方案。通过线性理论计算与模型试验结果的比较，指出了线性切片理论在预报水动压力场时的不足，水动压力与波高的非线性关系及正负水动压力沿船体表面的分布在Wigley船的计算比较中得到了说明。初步计算表明，该理论的实用化发展前景是令有鼓舞的。相应的计算机程序可在PC机上运行。     

航行船舶的三维非线性水弹性分析

基于Wu提出的浮体二阶水弹性理论[1],研究大浪中航行船舶的非线性水弹性响应,给出了数值方法和计算结果.在二阶水弹性分析中,主要考虑了大角度刚体转动和瞬时湿表面变化引起的非线性水动力.根据三维线性水弹性理论[2],采用移动脉动源格林函数和Kelvin定常兴波假定,求解了对二阶水动力做主要贡献的一阶速度势及响应.最后以航行于不规则波中的小水线面双体船为例,讨论了航速和定常兴波流场对水弹性响应的影响,并对线性和非线性响应的预报结果进行了比较.     

深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析

文章基于三维时域势流理论和弹性细长杆理论,研究并提出了深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析方法。该方法采用时域物面非线性理论方法在瞬态位置直接时域模拟系泊浮体所需水动力,结合有限元方法计算系泊缆索的动力响应,利用异步耦合方法实现浮体和系泊缆索的时域耦合动力求解。既满足系泊浮体时域水动力耦合,又满足系泊浮体和系泊缆索动力耦合。通过对二阶非线性不规则波作用下深海系泊半潜式平台的时域耦合响应特性进行研究,将不同海况下物面非线性时域耦合静力响应和动力响应与间接时域耦合动力响应的三种方法计算结果进行比较。研究结果表明,系泊缆索动力响应明显,平台瞬态空间位置对垂荡低频运动影响较大,有必要在平台瞬时湿表面采用动力响应方法进行深海系泊浮体时域耦合响应分析。     

小方型系数船舶的船体波浪载荷综合研究

从船级社规范对于不符合主尺度比要求的船舶船体梁波浪载荷的规定出发,采用理论预报和船模试验2种综合方式,进行了小于0.6方型系数、高航速、高海况目标船的波浪载荷研究。从规范对波浪载荷的线性理论预报值进行的非线性修正,修正后中拱和中垂波浪弯矩绝对值之和与线性理论预报极值全幅值相等出发,阐述所研究船特殊主尺度比下的模型试验结果、三维非线性水弹性理论预报结果显示出的波浪载荷非线性行为;同时综合模型试验与理论预报的共同规律,研究不同波高、航速、浪向等非常规船型船体波浪载荷的强非线性行为,从而认为规范基于的线性理论预报值进行非线性修正的统一规定太过笼统,进而建议规范对波浪载荷的非线性修正予以进一步的明确区分和规定。     

小方型系数船舶的船体波浪载荷综合研究

从船级社规范对于不符合主尺度比要求的船舶船体梁波浪载荷的规定出发,采用理论预报和船模试验2种综合方式,进行了小于0.6方型系数、高航速、高海况目标船的波浪载荷研究.从规范对波浪载荷的线性理论预报值进行的非线性修正,修正后中拱和中垂波浪弯矩绝对值之和与线性理论预报极值全幅值相等出发,阐述所研究船特殊主尺度比下的模型试验结果、三维非线性水弹性理论预报结果显示出的波浪载荷非线性行为;同时综合模型试验与理论预报的共同规律,研究不同波高、航速、浪向等非常规船型船体波浪载荷的强非线性行为,从而认为规范基于的线性理论预报值进行非线性修正的统一规定太过笼统,进而建议规范对波浪载荷的非线性修正予以进一步的明确区分和规定.     

机器主动学习技术在船舶和海工结构非线性水动力响应长期预报中的应用研究

提出一种对船舶和海工结构非线性水动力响应进行长期预报的新方法，利用高斯过程回归（GPR）和贯序取样技术，建立机器主动学习模型，实现对非线性长期极值响应贡献度最大的少数海况的贯序识别，以及对GPR模型训练集的持续更新。通过对GPR模型的迭代训练，使长期极值响应的预测值快速向真实值收敛，避免在整个海况域内进行非线性时域水动力计算。采用所研发的机器学习模型，对两型大型集装箱船的非线性水动力长期响应极值进行预报，以验证模型的高效性和准确性；并通过敏感性分析，对初始训练集数据的选择给出建议。模型对非线性问题具有广泛适用性，可以在适应性改造的基础上解决船舶及海工结构其它非线性响应的预报问题。     

横向补给系统高架索的参激振动研究

考虑了集中质量、轴向运动等因素对系统动力学行为的影响,建立了海上横向补给系统高架索的面内振动的连续模型。利用Galerkin方法对高架索偏微分模型进行模态离散,得到了1、2阶模态耦合的高架索系统的标准的动力学控制方程,利用多尺度方法对动力学方程进行渐近分析。对系统存在的两类参数激励共振进行了数值分析,得到了系统时间历程曲线、相图以及频谱图,研究结果表明高架索横向振动存在混沌等复杂的动力学特性。     

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.     

水下机器人平面直航运动稳定性分析

应用古尔维茨(Hurwitz)判别法对水下机器人平面扰动运动微分方程的特征方程式根的实部符号进行判断,进而用一次近似法对水下机器人平面直航稳定性进行分析,试图为水下机器人在稳定性方面的设计以及对其稳定性进行评估提供可靠的依据。最后,实例说明该方法可行。     

海洋立管悬挂状态的固有频率和振型

文章把悬挂状态的立管简化为一端固定一端自由的梁模型,考虑截面性质和有效张力及质量的变化,其控制方程为变系数的四阶偏微分方程,运用微分变换方法推导了固有频率和振型的数值计算方法。通过数值算例验证了文中方法的有效性,考察了收敛速度的变化情况,讨论了立管末端的悬挂器具对固有频率和振型的影响,并结合工程实际,给出了若干海况下立管悬挂状态时在飞溅区的共振区域。     

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.     

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.     

应用微分求积法的旋转变截面梁振动分析

研究了截面高度沿纵向线性变化的旋转梁的振动特性。基于Hamilton原理导出了控制方程,该控制方程计及了向心力刚化效应,利用微分求积法将其谐和振动方程转化为代数方程。计算了前三阶固有频率并进行了对比,结果表明了该方法的精度和有效性。     

鳍对拖式吊舱推进器水动力性能的影响

为研究鳍的影响,建立了吊舱推进器的水动力性能的计算模型.计算了吊舱推进器安装和不安装鳍时的水动力性能,螺旋桨与吊舱及鳍之间的相互影响通过迭代计算加以考虑.采用基于速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面元以消除面元间的间隙.采用Newton-Raphson迭代求解压力分布使得桨叶的随边满足压力库塔条件,用柳泽的方法求得物体表面的速度分布以避免数值求导的奇异性.无鳍.单鳍和双鳍的吊舱推进器水动力性能计算结果表明,附加鳍时吊舱推进器的螺旋桨推力增加,由于鳍上产生推力导致吊舱阻力减小.附加双鳍时的吊舱推进器水动力性能最好,附加单鳍时次之,无鳍时最低.     

Determination of attainable regions in ship maneuvers: an application of differential inclusions to the modeling of ship dynamics

A commonly used mathematical tool in vehicle dynamics simulation is the ordinary differential equation. However, in some situations, these equations may not be sufficient to solve problems. For robust flight, surface ship or submarine control design, safety assessment, missile and aircraft guidance, the influence of disturbances, and differential games of pursuit–evasion, more versatile tools are needed. The differential inclusion (DI) is a generalization of a differential equation that can be extremely useful. The solution of a DI is not just a model trajectory or a set of trajectories obtained by a randomization of the original problem. The solution is a reachable set, and it is a deterministic object. A differential inclusion solver and its application to vessel movement are described. Compared to previous publications on the DI solver, the new feature is an implementation of the fuzzy sets technique to improve the resulting images. It is pointed out that the reachable sets cannot be assessed properly while treating the uncertain variables as random. The application of the DI solver can give a proper view of the regions in the state space where all the possible model trajectories belong.     

苏州河河口水闸水上拦阻网动力分析

对于水下闸门,为了保障水闸和船舶的通行安全,需要设计水上安全设施.拦阻网主索的设计计算是此类工程的难点和重点.以苏州河河口水闸水上拦阻网为例,利用动量原理,建立船舶的运动微分方程,运用数值计算方法,得到船舶冲程和拦阻时间,并分析船舶行程和速度随时间的变化规律,研究冲程和拦阻时间与主索拉力的关系,得到一些有益的结论.