船舶垂荡与纵摇耦合运动频率散射机制研究

针对船舶纵向速度振荡对垂荡与纵摇耦合运动建立运动响应模型,基于弗劳德-克雷洛夫假定,采用切片法推导切片的浮力、阻尼力和惯性力,通过对切片的积分得到了船体垂荡与纵摇的水动力(矩),推导并得到垂荡与纵摇耦合运动响应方程。以某隐身船为实例,初步分析遭遇频率散射强度和散射频率对耦合运动的影响,得到增大散射强度和散射频率可以减弱耦合运动及其剧烈程度的初步结论。     

Trussspar平台垂荡一纵摇耦合运动数值模拟研究

采用SESAM软件建立平台模型进行数值模拟,得出平台在规则波浪中附加质量系数、阻尼系数和波浪力,建立平台垂荡-纵摇耦合方程,采用龙格库塔法求解该非线性方程,借助于Matlab软件编制计算程序,建立了垂荡-纵摇运动的非线性耦合算法.针对Spar平台垂荡-纵摇耦合运动响应问题,与SESAM软件中的算法相比,本研究建立的垂荡-纵摇运动的非线性耦合算法更接近实际情况.     

Spar平台垂荡一纵摇耦合运动的不稳定性

研究了深水Spar平台垂荡—纵摇耦合不稳定运动的形式和条件。以经典Spar平台为例,基于垂荡包络线概念,分析了平台垂荡—纵摇耦合运动的相互放大效应及"舞动"运动。结果表明,当垂荡包络线周期与纵摇固有周期相等时,纵摇运动失稳;因纵摇对垂荡的耦合影响,垂荡幅值不断增大,同时垂荡运动的变化又影响纵摇运动,使得纵摇幅值小幅度增加,平台运动存在相互放大效应。纵摇失稳后,Spar平台将处在一种奇特的"舞动"运动形式。     

船舶在纵浪中的运动稳性分析

基于非线性动力学理论，分析船舶在纵浪上的运动响应和运动的稳定性。首先建立描述船舶在纵浪上运动的垂荡—横摇耦合运动方程，利用多尺度法，求得垂荡—横摇耦合运动的亚谐共振解。其次，对船舶运动的稳态响应进行稳定性分析，得到亚谐共振情况下，船舶运动稳态响应的分布图，并揭示了船舶运动的某些非线性特征。     

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。     

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N-S方程的航行船舶辐射问题数值模拟

基于N-S(Navier-Stokes)方程,进行了航行船舶辐射问题的数值模拟,包括强制垂荡和强制纵摇的模拟.计算了船舶垂荡和纵摇的附加质量和阻尼.数值模拟中,控制方程--BANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理.文中给出了以不同航速前进的船舶强制垂荡和纵摇的力与力矩,以及船舶垂荡和纵摇的附加质量系数和阻尼系数,并与DUT(Delft University of Technology)的试验数据进行了比较,二者吻合良好.     

液压伺服驱动系统在船舶三自由度运动模拟平台中的应用

三自由度模拟运动平台在船舶运动性能检测、治疗晕船病等方面具有重要的应用,引起了研究人员的广泛关注。船舶运动平台的三自由度是指纵摇、横摇和垂荡等运动,3个方向的自由度结合方程求解和反求解,可以得到确切的机械结构位置、速度、加速度等参数。本文结合传统的船舶三自由度运动模拟平台,研究和设计基于液压伺服驱动系统的运动模拟平台,并对其进行力学和运动的求解。     

船舶在波浪中频域分析

船舶在波浪中的响应一直被船舶工程师广泛关注。本文以Wigley船为对象,采用线性回归计算船舶在规则波中运动的附加质量,采用刘易斯法计算阻尼系数。以新切片理论为基础建立和求解频域内的垂荡和纵摇的耦合运动方程,得到船舶在频域中的运动响应和波浪载荷,并与三维网格法的计算结果进行比较,表明这是一种可靠的、简单快捷的计算船舶在波浪中响应的方法。     

滑行艇海豚运动稳定性分析的仿真验证

首先引入滑行艇纵摇-垂荡耦合的数学表达方程,再对艇体的回复力系数、附加质量、阻尼系数进行了求解和简化。通过引入Routh-Hurwitz稳定性判据,对纵摇-耦合方程进行转化和推导。通过Matlab GUI界面编程设计,对给定参数的模型进行仿真。得到了航速对滑行艇纵倾角、长宽浸湿比的影响规律;验证了船体重心纵向位置对于海豚运动临界稳定速度的影响规律;得到了稳定性参数和船宽弗劳德数的关系曲线。研究成果对于改善滑行艇海豚运动具有理论指导意义。     

迎浪状态下三体船垂荡和纵摇运动参数

运用基于势流理论的三维频域格林函数方法对三体船的垂荡、纵摇运动进行参数研究,讨论三体船附体位置对垂荡、纵摇运动的影响。将计算结果与实验结果进行对比,比较结果表明数值计算是可靠的。设计了十二种不同附体位置配置方案,并计算出各个方案在三个航速下的垂荡和纵摇频率响应函数曲线。计算结果表明:(1)航速对三体船的垂荡、纵摇运动影响剧烈,随着航速提高,运动幅值增加明显;(2)当三体船的航速为零时,附体位置对垂荡、纵摇的影响不明显,随着三体船航速的增加,附体位置对垂荡、纵摇影响也随之变大;(3)附体纵向位置变化对垂荡、纵摇的影响要大于其横向位置变化的影响。     

含裙板之CALM浮筒辐射问题研究

水动力系数的计算是确定CALM浮筒运动响应的基础,采用特征函数展开及边界匹配的方法求解含裙板之CALM浮筒作纵荡,垂荡和纵摇运动引起的辐射载荷,得到相应的附加质量和辐射阻尼系数。在程序中令浮筒半径趋于零可处理圆形垂荡板辐射问题,令裙板半径等于浮筒半径可处理无裙板之浮筒或浮式直立圆柱体的辐射问题。边界积分法的缺点是在求解物体湿表面分布源积分方程时会出现不规则频率现象,而特征函数展开及匹配法则不存在这一问题。分析了裙板半径大小对CALM浮筒水动力系数的影响,裙板半径增大时由自身运动引起的垂荡和纵摇附加质量显著增加,而垂荡辐射阻尼则显著减小。     

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。     

穿浪双体船T型水翼状态反馈H∞控制器设计

穿浪双体船在海洋中高速航行时,纵向运动会对其性能造成不利影响,产生的垂向加速度使乘员晕船,设备短期失效。为了解决此问题,首先建立穿浪双体船纵摇和垂荡运动模型,然后运用切片理论求解运动方程中的水动力系数,将随机海浪作为外界干扰,以T型水翼为纵向运动稳定装置,进而建立带T型水翼的穿浪双体船纵向运动模型。最后以90 m长的穿浪双体船为研究对象,利用状态反馈H∞控制策略设计控制器,对船体的纵摇和垂荡进行仿真实验。结果表明:状态反馈H∞控制器可有效地减小船舶纵向运动,降低晕船率,为减小高速船纵向运动提供可靠实用的方法。     

和型组合共振激励下深海SPAR平台运动稳定性分析

深海SPAR平台在环境载荷作用下的运动稳定性问题已经成为当前的研究热点。文章采用理论分析和数值模拟相结合的方式,在不考虑系泊张力影响并且满足组合共振条件情况下,探讨当波浪幅值达到一定程度时垂荡、纵摇响应的局部分岔现象。结果表明：在组合共振发生时,垂荡、纵摇响应均变得不稳定,而且纵摇响应幅值较大;垂荡固有频率与两倍的纵摇固有频率之间的偏差越大,激起纵摇分岔现象需要的波浪幅值越大;波浪频率在一定范围内的变化对a5曲线影响不大,但当波浪频率与垂荡和纵摇固有频率之和的偏差超过一定范围时组合共振现象会消失。     

船舶搁浅于尖顶型礁石的外部动力学

船舶搁浅于沙滩上时，二维的地面特征使得只能允许考虑船舶的纵荡、垂荡和纵摇运动，忽略了船舶其它三个自由度的运动。然而，在船舶搁浅于尖顶型礁石的情况下，很明显，若礁石位置不在船舶的中心线上，则船舶所有六个自由度的运动都需要进行考虑。地面反作用力的垂直分量使船舶产生垂荡、横摇和纵摇，而水平分量则影响船舶的纵荡、横荡和首摇运动。     

船舶迎浪航向下的垂荡运动建模与仿真分析

船舶在海上的航行姿态不仅取决于船舶自身动力系统的参数,还与海浪、海风、洋流等因素密切相关,船舶在多个力的作用下不可避免的发生横摇、垂荡、横荡等运动,其中横摇和垂荡是2种最主要的运动方式。船舶大幅度的垂荡运动会使船舶的航行阻力增大,航行的平稳性降低,严重时甚至会导致船舶偏离航线和船舶倾覆事故等。因此,研究船舶垂荡运动,尤其是迎浪航向下的垂荡运动有重要意义。本文结合传统的船舶耦合运动模型,建立了船舶迎浪航向下的运动模型,并进行了船舶垂荡运动的仿真分析,对提高船体稳定性有重要意义。     

不同随机波影响因子下张力腿平台动力响应

采用时域耦合法对某传统式张力腿平台进行非线性动力响应研究,重点讨论不同随机波有义波高、谱峰周期和入射波方向对张力腿平台各自由度运动响应和顶端张力的影响。结果显示,本文各工况各自由度最大位移均满足设计要求。纵荡、垂荡和首摇运动幅值对有义波高较为敏感;平面内运动对谱峰周期较敏感,而谱峰周期对平面外运动影响不大;平面内运动对入射波角度较敏感。纵荡和首摇为低频运动,垂荡和纵摇为高频运动,其中垂荡与纵荡相耦合;由于高频载荷引起平台升沉、横摇和纵摇运动,而这3种运动又作用于张力腿轴向振荡,从而使得张力腿顶端张力表现为高频响应。     

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。     

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。