船舶在规则波中阻力增加的理论预报与验证

本文介绍船舶波频运动计算程序ＳＶＭＰ－Ｒ中采用的波浪中阻力增加的计算方法：Ｃｅｒｒｉｔｓｍａ＆Ｂｅｕｋｅｌｍａｎ（１９７２） Ｊｏｏｓｅｎ（１９６６），并给出了采用前一方法对一集装箱船四种航速下规则顶浪的阻力增加的理论预报，结果显示与该船的模型试验在整个波频范围内吻合良好，从而验证了该程序的波阻预报功能对一般船舶预报的实用性。     

短峰波中船舶运动与波浪载荷的频域水弹性理论与试验研究

传统的耐波性及波浪载荷理论与试验主要针对船舶在二维长峰波中的运动与载荷响应进行预报,然而实际海浪是三维短峰波。研究表明,基于长峰波的理论计算及水池模型试验所预报的船舶运动与载荷响应与实际情况存在一定的差异,且三维波浪的方向扩散特性是影响船舶运动与载荷响应的重要因素之一。为了研究短峰波中船舶运动与载荷响应特性及其与长峰波中响应的差异性,本文首先基于三维水弹性理论计算船舶在规则波中的频域响应,然后基于二维谱分析法将其扩展至短峰不规则波中船舶运动与载荷响应预报,进而分析短峰波方向扩散函数对于船舶运动与载荷响应的影响,最后基于实际海浪环境下大尺度模型水弹性试验数据验证理论计算结果。     

小水线面双体船耐波性预报

采用Choung M．Lee改进的切片理论及其公式，编制小水线面双体船耐波性预报软件。该软件可用于在各种波向角时，对不同航速小水线面双体船匀速航行中的运动响应进行预报，包括在规则波或不规则波中的垂荡、纵摇、横荡、横摇、首摇幅值预报，以及其它耐波性统计特性预报。利用本预报软件对某型试验船的耐波性能进行了计算，并与试验结果进行了比较分析，计算结果符合小水线面双体船的耐波性规律。本预报方法可为小水线面双体船的船型设计和稳定鳍选择提供耐波性方面的理论依据。     

具有艏前波观测量的大型舰船姿态运动极短期预报

本文提出了具有艏前波观测量时大型舰船姿态运动建模的预报方法，仿真计算表明，该方法具有满意的预报精度。最后，将该方法与通常的AR方法进行了比较。     

大型豪华邮轮在迎浪中非线性运动预报方法研究

目前工程上通常采用的线性理论耐波性预报方法尚不能够准确地预报船舶非线性运动,而全非线性理论预报又因为耗时长不能广泛应用于实际工程中。现将基于切片理论的频域线性预报方法加以扩展,考虑湿表面变化的非线性因素,在时域中求解船舶非线性运动。通过对某艘大型豪华邮轮的非线性运动耐波特性研究,对其理论计算结果与试验结果比较,表明该预报方法能够较好地评估该船的非线性运动耐波特性。给出的计算方法简便、实用,适用于船舶纵向非线性运动预报,对船舶设计阶段的耐波性能评估具有一定的工程实用价值。     

潜体波浪中近水面不同潜深和航向时运动和波浪力计算

本文对潜水细长体波浪中近水面运动和波浪力的计算，采用STF理论和Frank源分布紧密拟合方法预报波频运动和波浪力响应；采用Newman细长体方法和3－D修正处理计算垂直面低速潜体的二阶平均波浪与与力矩。该方法和计算程序的实用性和可靠性已经被多次模型结果比较，验证所证实。本文以某一国外典型潜艇为例，计算了七种潜深，七种相浪向下艇体的近水面波频运动响应与波浪力响应，给出了几种运动与波浪力参数变化与浪向变化的计算实例，同时还给出采用线性叠加原理得出的波频运动与波浪力时域历程曲线实例。     

滑行艇波浪中纵向运动理论预报的新方法

分析了现有滑行艇纵向运动理论预报方法的不足;根据滑行艇的艇型特点以及模型静水阻力试验和规则波、不规则波的试验结果,提出了滑行艇纵向运动的基本假设;建立了计及浮性和滑行力、滑行力矩影响的滑行艇纵向运动基本方程,提出了预报滑行艇纵向运动的实用计算方法(滑航法)并编制了理论预报程序;比较了忽略浮态变化的全排水量法、只考虑浮态变化的浮航法、同时考虑浮态变化和滑行力、滑行力矩影响的滑航法的计算值和实验值的差别,指出在预报滑行艇纵向运动时,低速宜采用金排水量法或浮航法,中高速时宜采用滑航法.     

大型自航绞吸挖泥船的耐波性预报

选取三维势流理论,使用SESAM软件计算大型自航绞吸挖泥船在规则波中六个自由度的运动响应,并根据线性系统的响应规律对甲板上浪和螺旋桨出水做了短期预报,在计算中考虑了短峰波和方向谱.为考察艏艉开槽对船舶耐波性能的影响,计算时选取了艏艉封口的船型作对比计算,计算结果表明艏艉开槽降低了船舶的耐波性能.     

高速复合水翼双体船的运动预报(英文)

基于2.5D理论,考虑粘性影响,预报了高速复合水翼双体船在规则波中的运动响应,并与试验结果进行了比较.在计算过程中,对复合水翼模型进行了简化,且计算了不同升力浮力比对运动的影响.结果反应出在计算高速双体船和水翼双体复合船型纵向运动性能时,水的粘性影响不可忽略,且计算表明计算值与试验值符合较好,文中提供的方法可提高这类高速水翼双体复合船型的运动预报精度.     

滑行艇在规则波中的数值模拟

针对波浪中滑行艇水动力性能预报的不足,提出了一种基于六自由度运动模型的滑行艇水动力性能预报方法,实现其在波浪中自由运动的水动力性能预报。首先根据水波理论利用CFD技术完成了三维数值水池的造波和消波,然后以某型滑行艇为模型,将六自由度方程赋予滑行艇,实现了其在迎浪匀速航行时随波浪的自由运动,最后通过Fluent数值计算得到了其在波浪中自由运动时的阻力、升力、升沉位移、纵倾角以及兴波等流场参数。计算结果表明:利用该方法获得的某型滑行艇的流场参数较真实地反映了滑行艇在波浪中的姿态,为滑行艇耐波性实验提供了一定的理论依据。     

一型小水线面双体船的水动力性能与结构设计

简要介绍了中国船舶重工集团公司(CSIS)建立和发展的一种小水线面双体船(SWATH)优化设计工程技术系统.主要包括SWATH船型的概念设计、主尺度与线型优化、有效功率预报、纵向运动稳定性校验及稳定鳍设计、耐波性预报、结构载荷评估、波浪中的船体结构动、静响应分析等有关设计、预报与评估的系统方法.并以一型1500吨级小水线面双体型海洋调查船设计和评估为例对有关设计方法进行了说明和验证,在该船设计中,采用线性和非线性三维水弹性理论来预报载荷与评估在波浪中航行船体的结构安全性,同时在中国船舶科学研究中心(CSSRC)的拖曳水池与耐波性水池中进行了阻力与自航、耐波性与操纵性、波浪载荷等船模拖曳及自航试验.文中还给出了该船有关优化设计及模型试验结果.     

基于扩张状态观测器的小水线面双体船终端滑模控制

针对小水线面双体(SWATH)船运动控制问题,设计了带有扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)的终端滑模控制器。首先,针对SWATH船在随机海浪作用下的运动问题,建立了带有系统复合扰动的非线性运动模型;进而,考虑到系统存在的参数摄动和海浪扰动的复杂性、随机性,将系统分为内环观测器和外环控制器分别设计;利用一个线性ESO对系统的复合扰动进行估计,并在外环终端滑模控制器中进行补偿;最后,利用Lyapunov理论得到了系统的渐进稳定结论。仿真结果表明,带有ESO的终端滑模控制方法能够有效实现SWATH船的运动控制,线性ESO能够准确估计出系统的复合扰动,且终端滑模控制器能够使系统状态快速收敛。     

直/斜支柱SWATH的兴波阻力预报

斜支柱小水线面双体船(SWATH)除具备常规SWATH优异的阻力及耐波性能以外,还具有优良的隐身性能,目前世界上唯一一艘斜支柱SWATH是美国海军建造的“Sea Shadow”号。本文针对一型直支柱SWATH和自行开发的一型斜支柱SWATH,以Noblesse的新细长船兴波阻力理论为基础,开发了一种新的算法,所预报的兴波阻力与试验结果吻合良好。本文的工作可用于直／斜支柱SWATH船型的开发和优化。     

SWATH船纵向运动的分数阶PIλDμ控制

针对小水线面双体船(SWATH)的纵向运动稳定性问题,对某SWATH船设计了一种分数阶PI^λD^μ控制器。首先,在控制器设计过程中,引入ITAE准则获得分数阶PID控制器的优化参数,并以类似方式得到优化参数的最优PID控制器。然后,以SWATH船为研究对象,分别采用分数阶PI^λD^μ控制器和最优PID控制器对其等效Nomoto模型和考虑风浪干扰后的模型进行仿真研究。最后,对它们的控制性能及控制能量消耗进行比对分析。通过分析发现,本文所提出的分数阶PI^λD^μ控制器的控制效果明显优于最优PID控制器,且分数阶PI^λD^μ控制器更为节能。     

小水线面双体船的纵向运动稳定性研究

为探讨小水线面双体船在中高速时容易失去纵向运动稳定性的问题,采用Routh判据对其运动稳定性进行初步研究,分析对稳定鳍水动力性能影响较大的几个参数。     

小水线面双体船支柱斜度对其耐波性能影响分析

基于三维势流理论,本文研究了不同支柱倾斜角度的小水线面双体船在设计航速下的耐波性能。将规则波中的运动响应幅值函数与海浪谱结合得到运动统计有义值。对比不同支柱倾斜角度的频率响应曲线,发现在相同海况条件下随着支柱倾斜角度增加,垂荡和纵摇峰值降低。结果表明,通过倾斜支柱可增加船舶运动的附加质量和阻尼,削弱频率响应曲线共振峰。     

小水线面双体船波浪载荷水弹性分析

三维水弹性力学将结构分析的有限元方法与围绕柔性体的势流理论结合起来,为在波浪中航行或驻立的复杂结构的运动和内力分析提供了一个流固耦合的统一分析方法,也为小水线面双体船的分析提供了有效的分析工具.文中将水弹性力学方法和谱分析方法相结合,对1 100吨SWATH船进行波浪载荷预报,并将计算结果与水池模型试验数据及国外相关资料进行了对比,说明了水弹性分析方法对于SWATH设计的合理性.     

小水线面双体船操纵性数值预报方法研究

文章基于粘性流体理论,采用CFD技术,通过对双体船变漂角旋臂运动的模拟,得到代表小水线面双体船舶操纵性能的水动力导数。利用MMG模型,对小水线面双体船的操纵性能进行初步预报。根据变漂角旋臂运动的数值模拟,既可从中得到仅仅与漂角和角速度有关的水动力导数,也可获得包括高阶导数和耦合导数在内的操纵性运动水动力导数。文章在保留三阶水动力导数的情况下,将代入高阶耦合水动力导数的操纵运动方程所绘制的回转圈与不代入高阶耦合水动力导数的回转圈进行对比,体现了高阶耦合水动力导数对于小水线面双体船操纵性预报的重要性,并以某双体船型为例,对其操纵性能进行预报。     

迎浪规则波中小水线面双体船纵向运动及波浪载荷非线性特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中纵向运动及波浪载荷的非线性特性研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了文中方法的有效性;在此基础上,较为系统地分析了SWATH船的垂荡及纵摇运动响应、垂向加速度和波浪载荷的一阶及二阶量随入射波高的变化规律,指出SWATH船的运动响应及载荷与波高存在非线性的关系,尤其体现在响应共振区附近;相比于船体垂荡和纵摇运动,垂向加速度及波浪载荷的非线性特性更为显著.     

基于三维移动脉动源格林函数的SWATH耐波性数值求解

文章基于Bessho 型三维移动脉动源格林函数(Three Dimensional Translating-pulsating Source Green Function, 3DTP),开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hull,SWATH)耐波性数值求解方法研究,计入了对SWATH运动计算有较大影响的因素:两片体之间的兴波干扰、粘性阻尼和稳定鳍的影响.求解了SWATH-6A波浪中航行时的波浪力和纵向运动,通过与切片法结果和试验结果比较验证了计算方法.结果表明,基于3DTP的运动计算结果优于切片法结果,特别是纵摇运动预报较好,与试验值吻合更好.