大风浪中船舶航向优选方法探讨

依据船舶耐波性理论计算结果，运用灰色关联综合评估理论对大风流中船舶耐波性进行了综合评估，然后根据结果确定船舶在波浪中以某一航速航行时的优选航向，并通过实例应用与分析表明，使用该方法能为船舶安全航行提供科学指导。     

风浪中船舶航行安全性研究

依据船舶耐波性理论计算结果,运用灰色关联综合评估理论对大风浪中船舶耐波性进行了综合评估,然后根据评估结果确定船舶在波浪中以某一航速航行时的优选航向,并通过实例应用与分析表明,使用该方法能为船舶安全航行提供科学指导。     

基于灰评估的船舶航向优选方法研究

依据船舶耐波性理论计算结果,运用灰色关联综合评估理论对大风浪中船舶耐波性进行了综合评估,然后根据评估结果确定船舶在波浪中以某一航速航行时的优选航向,并通过实例应用与分析表明,使用该方法能为船舶安全航行提供科学指导。     

基于航速保持的舵减摇控制方法

船舶航行受阻力影响引起航速和能量损耗。研究船舶在静水和波浪中的附加阻力,给出船舶航行时的总体航速损失的计算方法。设计带有航速损失约束的自动舵控制系统,依据舵角协同控制方法设计航向和舵减摇滑模控制规律。综合讨论"航向"与"航向+减摇"两种工作情况,包括横摇稳定、航向精度、航速保持、操舵能量消耗。仿真结果表明:该方法可以有效保持航速;从航行经济性的角度,对于同时安装有减摇鳍和自动舵的船舶,不推荐采用舵鳍联合减摇的控制方法。     

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。     

含半开放水舱的船舶波浪特性数值分析

含有半开放水舱的船舶在实际波浪中航行时，由于船体运动和舱壁反射等而导致舱内波浪环境条件十分复杂，增加了小型船舶进该水舱内作业安全的不确定性。基于自研求解器naoe-FOAM-SJTU，并利用重叠网格技术对不规则波中含半开放水舱的船舶进行运动模拟。以船舶零航速迎浪时的模拟为基础分析半开放水舱内的波浪演化特性，研究不同航速和浪向对半开放水舱内波浪环境的影响。结果表明，在半开放水舱内波浪从舱尾到舱首呈现逐渐减小的趋势，航速增加后舱内波高明显降低，这在舱首尤为明显；随着浪向角的减小，舱内波高明显增加。已完成的计算工况表明，增加航速或浪向角可减小半开放水舱内波浪，从而降低小船驶入水舱内作业的风险，这项研究结果可为制定实际船舶的作业方案提供参考。     

缆船非线性拖带系统及数值仿真

基于船舶操纵性运动方程和拖缆的三维动力学运动方程,提出了被拖带船舶拖点位置匹配的方法,建立了缆-船非线性整体的拖带动力学模型,采用数值计算法实现了时域内拖带运动的模拟.对一艘具有航向稳定性船舶进行了拖带运动数值计算,拖带船舶采用PD控制方法较真实地模拟了拖带船舶航向改变的运动过程.数值计算讨论了拖点位置、拖缆长度、拖带航速对拖带航向稳定性的影响,结果表明：拖带航向稳定性与线性拖带理论一致,即拖点位置在水动力作用点之前拖带航向具有稳定性,拖缆长度和拖带航速对拖带航向稳定性无影响.拖缆长度和拖带航速可以影响拖带的航行品质,增加拖缆长度能有效抑制拖缆张力的振荡,拖带航速影响到航向角的响应快慢和超调量.     

一种基于GPS的自动航向控制系统

全球定位系统(GPS)提供了高精度的位置信息和航向、航速等运动要素,借助这些参数,该文实现了可以控制船舶按照既定路线航行的自动航向控制系统。     

基于计算机编程的船舶航速预测研究

当前的一些方法由于存在预测准确率较低的问题,因此提出一种基于计算机编程的船舶航速预测方法,该方法使用高级编程语言,实现了船舶航速预测方面的创新。基于计算机编程对船舶进行数值模拟,使用的计算机语言为BASIC,使用的编程软件为Eclipse。根据船舶数值模拟结果进行船舶行驶阻力的估算,使用的软件为FLUENT。通过船舶模型针对船舶实施随浪规则波与迎浪规则波的自主航行试验,对波浪中船舶的运动响应、航速与周期、波高间的关系进行分析,从而预测波浪推进下的船舶航速。配置仿真环境,对该方法进行预测准确率的实验测试,并将现有方法作为测试中的对比项。测试结果表明该方法在迎浪航行时与随浪航行时均能达到较高的船舶航速预测准确率,具备很强的实用性,有一定的应用前景。     

船舶在波浪中航行时绕射问题的线性时域解

本文研究了水面船舶(物体)在波浪中航行时的绕射问题,求得了有航速船舶绕射问题线性时域解的理论模型.提出了计算波浪绕射力的公式.对于细长形的船舶.作者给出了计算波浪扰动力的公式,使得在时域中有航速船舶波浪扰动力的计算,可以用辐射势和入射波势来表示,而不须求解绕射势.利用本文所提出的波浪扰动力公式.在求解波浪扰动力时,对于任意多的入射波频率,只要解算积分方程一从而大大节省了计算工作量。本文还证明了在波浪中航行的一般三维物体,如果在自由面条件简化时,假设定常兴波势为有限量价,则在波浪绕射力公式中,不存在水线积分项。从数学上证明了水线积分项在物理上反映了自由面条件中定常兴波势和不定常势之间的耦合效应。在算例中,运用本文导出的波浪扰动力公式对 Wigley 船型进行了波浪扰动力的求解,与试验结果和现有理论方法的数值结果进行了比较,吻合良好.本文还对各种参数的影响进行了讨论,对计算结果所反映的物理现象作了分析。     

舰船风浪中航行及操纵系统

基于风浪中经验航法和理论航法相结合的观点；汲取耐波性等领域的研究成果，提出了一种实用的风浪航行操纵系统，集合3个子系统（海浪计算子系统，航向航速优选子系统，摇荡短期时历预子系统）的计算结果，合理组合，可满足风浪航行及转向时机，舰载直升机起降时同，海上补给及拖带航向航速选择等决策的需求。     

水动反冲击力及其应用

船艇迎浪前进时,在风浪冲击下,艏部会高高翘起、而后又在波谷中跌落,形成纵摇、拍击、颠簸、失速、航速下降、稳定安全性降低等缺点。为了克服这样的不良航态,必须在水动力流场中,造成克服这些弱点的水动力和相应的水动力矩沿船体合理分布。为此,提出设置不同于常规船艇的船底浸湿面外形,使之产生足够强大的水动反冲击力、水动升力及相应的水动航向稳定扶正力矩,确保船艇不偏离目标;凭借足够强大的的水动升力和相应的船艇纵向稳定扶正力矩,消除船艇的纵摇拍击;以相应的船体横向稳定扶正力矩来克服船艇的横摇摆动。最终确保船艇平稳高速地破浪前进。而在风浪中转弯时所激起的强大水动离心力、水动反冲击力、水动升力和相应的水动助回转力矩、水动抗船体向心倾覆扶正力矩又能使船艇以很小的回转半径高速、稳定、安全地在风浪中转弯。     

运输船舶在波浪中失速的近似估算

如何准确、快速、简便地估算船舶在波浪中的失速,已成为船舶研究、设计人员及航运界有关人员共同关心的一个重要课题。文中给出了近似估算运输船舶在波浪中失速的2个方法。对处于初步设计阶段且尚未做过静水快速性能模型试验的运输船舶,可直接应用第2个方法。该方法提出的近似估算公式应用方便,也不用编程便可直接人工计算,且与模型试验结果相当吻合。     

基于CFD的舰船遭遇畸形波数值模拟的验证研究

畸形波对船舶航运极具威胁,已引发多起海上事故,因此有必要对舰船遭遇畸形波进行数值模拟研究。该文基于随机波浪的Longuet-Higgins模型,在相位调制方法的基础上考虑了航速航向的影响,调制部分组成波的初相位,可以实现舰船定时定点遭遇畸形波。在此基础上,利用CFD方法对舰船顶浪态势下遭遇畸形波进行数值模拟,并将结果与水池实验值进行比对,验证了文中所建模型的有效性,对于研究舰船在极恶劣海况下的耐波性及完善船舶设计规范等具有不可忽视的意义。     

基于三维势流理论的耐波性数值预报

准确预报船体运动响应对于砰击等波浪载荷的计算以及合理结构设计具有重要意义。船舶在大幅波浪中的运动呈明显的非线性,而现阶段耐波性预报多采用线性切片方法。三维水动力分析软件 WASIM基于时域势流理论,采用 Rankine面元法预报船舶在波浪中的运动响应,并考虑了多种非线性因素。本文以标模 DTMB5512为对象,采用 WASIM预报其在不同航速下的耐波性,并与基于线性切片理论的计算结果和模型试验结果进行对比。结果表明：利用 WASIM计算得到的船体运动响应比其他方法更接近试验值,合理体现了船舶在风浪中的实际耐波性能。因此,利用 WASIM能够较好地评估船舶在波浪中的非线性耐波特性。     

海船船行波对游艇航行安全影响试验

采用不同比尺的物理模型,研究了3万t级海船及游艇在进出港航道中航行产生的船行波特性;利用造波机模拟海船船行波,试验分析了海船船行波对游艇航行安全的影响。研究表明,当航道两侧挡沙堤出水后,对海船航行具有较明显的限制性航道特点;海船航速8节时在游艇航道中产生的最大波高为0.46m,对单游艇航行安全没有影响;当海船和2艘游艇三者同时相遇时,游艇航速宜小于等于10节。     

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.     

用naoe-FOAM-SJTU求解器数值模拟船舶在波浪上的操纵运动问题（英文）

Ship maneuvering in waves includes the performance of ship resistance, seakeeping, propulsion, and maneuverability. It is a complex hydrodynamic problem with the interaction of many factors. With the purpose of directly predicting the behavior of ship maneuvering in waves, a CFD solver named naoe-FOAM-SJTU is developed by the Computational Marine Hydrodynamics Lab(CMHL) in Shanghai Jiao Tong University. The solver is based on open source platform OpenFOAM and has introduced dynamic overset grid technology to handle complex ship hull-propeller-rudder motion system. Maneuvering control module based on feedback control mechanism is also developed to accurately simulate corresponding motion behavior of free running ship maneuver. Inlet boundary wavemaker and relaxation zone technique is used to generate desired waves. Based on the developed modules, unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) computations are carried out for several validation cases of free running ship maneuver in waves including zigzag, turning circle, and course keeping maneuvers. The simulation results are compared with available benchmark data. Ship motions, trajectories, and other maneuvering parameters are consistent with available experimental data, which indicate that the present solver can be suitable and reliable in predicting the performance of ship maneuvering in waves. Flow visualizations, such as free surface elevation, wake flow, vortical structures, are presented to explain the hydrodynamic performance of ship maneuvering in waves. Large flow separation can be observed around propellers and rudders. It is concluded that RANS approach is not accurate enough for predicting ship maneuvering in waves with large flow separations and detached eddy simulation(DES) or large eddy simulation(LES) computations are required to improve the prediction accuracy.     

一种舰船实际航速的计算方法

在舰船航线设计、舰船机动等领域,舰船在不同海况下沿不同航向航行的实际航速计算都是一个关键性问题。在近岸、近海区域,舰船实际航速的计算涉及到海流计算、舰船在风浪中的失速计算、浅水失速计算等多个方面。本文通过分析影响航速计算的主要因素,给出了适用于舰船实际航速计算的具体模式。     

Wave responses of a coastal cargo ship consisting of unit modules

This article discusses the dynamic responses of a coastal cargo ship that consists of unit modules with advance forward speed in waves. We introduce a simple way of connecting the modules that has enough capability to link the modular parts of the ship as a unified whole. The flexible connection consists of male and female rubber fenders with additional pretensioned ropes. This kind of connection system is proposed for use in coastal regions with relatively calm waters wherein the modular ship can move at a moderate speed. The modules are assumed to be rigid compared to the connections. Computations were performed to investigate the vertical elastic responses of four modules connected end-to-end with the assumption that in the simple hinge, no gaps occur in the flexible rubber connections between adjacent modules. A simple method, which is an extension of the computational analysis we reported previously, is presented to study the hydroelasticity and rope tension forces of the modular ship with forward speed in waves. Experiments with a three-dimensional model at Froude numbers of 0 and 0.16 in head waves were performed to evaluate the effectiveness of the calculation method. In the experiments, deflections for each part were measured using calibrated potentiometers. Force transducers were used to measure the rope tension force between the modules of the articulated cargo ship. Some slight differences were observed, but generally the calculated results showed the same trends as the experimental values.