船舶骑浪横甩的非线性动力学特性研究

骑浪是指尾浪下航行的船舶被波浪捕获以波速航行时的运动状态.此时的船舶具有一定的不稳定性,容易导致横甩倾覆等危险情况发生.论文从非线性动力学的角度出发,开展了船舶骑浪横甩的研究,采用4自由度非线性数学模型分析骑浪系统的固定点及其局部稳定性.通过计算发现,利用非线性动力学方法求解得到的骑浪固定点可以分为波峰附近固定点和波谷...     

基于CFD的船舶骑浪状态下的纯稳性损失求解

船舶顺浪航行的纯稳性损失研究已成为国际航海界和国际海事组织(IMO)关注的课题之一。基于计算流体力学(CFD)技术,生成了船舶的骑浪航态,采用系列横摇衰减试验方法,获取到了该航态下某型舰艇的稳性曲线,通过后续计算得到纯稳性损失,并与一般理论计算法得到的结果进行对比,结果验证了该方法的可信度。     

船舶不规则波中增速骑浪的数值计算及统计分析

船舶在随浪中航行时,受到波浪影响,会产生间歇性的异常高速现象,即“high runs”,它反映了一种船速相对于波形高速前冲的危险状态,本文采用“波浪中增速骑浪”指代这一现象。基于统一理论,采用耐波性和操纵性耦合的六自由度弱非线性模型进行求解,对其展开数值计算和统计分析。通过探讨,论证标称航速作为波浪中增速骑浪现象发生判定依据下限的合理性和必要性,对不同波浪谱下high runs和横甩2个维度船舶的运动特征进行统计分析,初步得出了波浪谱越窄船舶增速骑浪和横甩的发生概率越大的结论,并初步探讨了high runs作为横甩前兆的统计学意义。     

喷水推进船骑浪运动建模及时域仿真

[目的]船舶骑浪/横甩是国际海事组织(IMO)新纳入船舶第二代完整稳性衡准中的5种稳性失效模式之一.针对当前规范仅适用于螺旋桨推进船的局限性,研究喷水推进船骑浪失稳的问题,为后续进一步完善规范奠定基础.[方法]基于喷水推进装置的力学模型和船舶在随浪中的一维纵荡运动方程,建立船舶骑浪运动的数学模型,利用四阶Runge-K...     

骑浪/横甩薄弱性衡准和模型试验研究

目前国际海事组织(IMO)正在制定的第二代完整稳性衡准,其中就包括骑浪/横甩薄弱性衡准。文章首先介绍了最新骑浪/横甩薄弱性衡准方法,应用自编的衡准软件进行样船计算,分析了当前衡准的适用性。其次,开展了内倾船型在随浪和尾斜浪中的骑浪/横甩试验,试验中获得了四种与骑浪/横甩相关的运动特性:周期运动、稳定骑浪、横甩和横甩导致的倾覆,而且在某波浪条件下观察到船舶连续发生三次横甩的现象。最后,将内倾船型的骑浪/横甩薄弱性衡准计算结果与试验结果进行对比,验证了衡准方法对于内倾船型的适用性。     

内倾船骑浪概率评估方法和安全边界研究

针对与横甩密切相关的骑浪运动,构建了规则波中纵荡-横荡-横摇-首摇4自由度耦合运动数学模型,其中包含了波浪绕射、非线性水动力导数、静水中横倾产生的水动力和非线性横摇阻尼等因素。在螺旋桨推力和舵力模型中考虑了波浪粒子速度、螺旋桨和舵实时出入水以及双桨、双舵对首摇力矩的影响。基于规则波中骑浪数值预报,采用临界波法建立了不规则波中船舶骑浪概率评估方法。以一艘非常规双桨双舵内倾船为例,计算了内倾船在长期海况和短期海况中骑浪发生的概率,并开展安全边界研究,获得了船舶骑浪危险区域边界。建立的船舶骑浪概率评估方法可为骑浪/横甩直接稳性评估提供技术支撑。     

规则纵浪中船舶参数激励横摇运动研究

考虑船舶横摇运动中恢复力矩及阻尼力矩的非线性,建立船舶在规则波浪中参数激励下的非线性横摇运动方程,并对规则纵浪中船舶参数激励横摇运动进行研究,探讨船舶发生参数激励横摇运动的条件及大幅横摇的动力学特征,分析船速、波高及波长等因素对参数激励横摇运动的影响。     

随机横浪中甲板上浪船舶的倾覆研究

应用相空间转移率,定量研究了随机海浪中甲板上浪船舶的倾覆,给出了甲板上浪对船舶抗倾覆能力的影响.综合考虑非线性阻尼、非线性恢复力矩和随机横浪激励,建立了无甲板上浪和有甲板上浪时船舶随机非线性横摇运动的一般方程.以一艘倾覆的拖网船为例,分别求解了无甲板上浪和有甲板上浪时,不同海况激励下船舶横摇的相对相空间转移率.以相空间转移率作为船舶稳性损失的度量,定量比较了两种情况下船舶的抗倾覆能力.研究表明,甲板上浪后,船舶在较低的海况下会产生较大的相对相空间转移率,甲板上浪严重降低船舶的抗倾覆能力,从理论上进一步揭示了甲板上浪船舶的倾覆机理.     

迎浪时基于非线性运动方程的船舶RANS数值模拟

迎浪航行是船舶运动是非线性运动,采用一类具有齐次解的二阶偏微分方程描述迎浪时船舶的非线性运动,构建船舶迎浪航行控制的非线性运动方程,在临界稳定条件下分析船舶非线性微分方程的齐次解,在非线性波动运动模式下,建立船舶非线性运动方程的局部寻优模型,采用最小二乘拟合方法进行迎浪航行的控制参量寻优,实现非线性运动方程的船舶RANS数值仿真模拟,根据RANS数值模拟结果实现船舶非线性运动优化控制。数值仿真分析表明,迎浪时船舶非线性运动方程具有稳定收敛的齐次解,能实现对船舶的超稳定性控制。     

数值波浪水池中船舶顶浪运动模拟研究

文献[1,2]进行了数值波浪水池波浪环境的模拟、规则波顶浪中船舶水动力的计算以及船舶辐射问题的模拟.文章在其基础上,基于N-S方程,对规则波中顶浪前进的Wigley船模运动进行了模拟.数值模拟的船模运动结果与DUT(Dem University of Technology)的试验数据进行了比较,分析,二者符合较好.文中与文献[1,2]的研究工作一起,初步构建了真正意义上的基于N-S方程的数值波浪水池.     

IMO第二代完整稳性骑浪横甩衡准规范研究

本文针对国际海事组织(IMO)目前正在制定的第二代完整稳性衡准中的骑浪/横甩稳性失效模式展开了研究,详细阐述了最新的衡准草案规范并编制了计算程序。在此基础上,以一条远洋渔船为例,开展了静水阻力拖航试验,研究了规范中所涉及的输入参数对于衡准校核结果的影响,包括静水阻力、螺旋桨推力系数等。结果表明,静水阻力数据对于校核结果的影响很大,而螺旋桨推力系数等的影响则较小。本研究对于IMO确立该衡准规范具有参考价值,对于船舶设计人员也有一定的指导意义。     

Surf-riding and oscillations of a ship in quartering waves

The behavior of a ship encountering large regular waves from astern at low frequency is the object of investigation, with a parallel study of surf-riding and periodic motion paterns. First, the theoretical analysis of surf-riding is extended from purely following to quartering seas. Steady-state continuation is used to identify all possible surf-riding states for one wavelength. Examination of stability indicates the existence of stable and unstable states and predicts a new type of oscillatory surf-riding. Global analysis is also applied to determine the areas of state space which lead to surf-riding for a given ship and wave conditions. In the case of overtaking waves, the large rudder-yaw-surge oscillations of the vessel are examined, showing the mechanism and conditions responsible for loss of controllability at certain vessel headings.List of symbols c wave celerity (m/s) - C(p) roll damping moment (Ntm) - g acceleration of gravity (m/s²) - GM metacentric height (m) - H wave height (m) - I _x ,I _z roll and yaw ship moments of inertia (kg m²) - k wave number (m^–1) - K _H ,K _W ,K _R hull reaction, wave, rudder, and propeller - K _p forces in the roll direction (Ntm) - m ship mass (kg) - n propeller rate of rotation (rpm) - N _H ,N _W ,N _R hull reaction, wave, rudder, and propeller - N _P moments in the yaw direction (Ntm) - p roll angular velocity (rad/s) - r rate-of-turn (rad/s) - R(,x) restoring moment (Ntm) - Res(u) ship resistance (Nt) - t time (s) - u surge velocity (m/s) - U vessel speed (m/s) - v sway velocity (m/s) - W ship weight (Nt) - x longitudinal position of the ship measured from the wave system (m) - x _G ,z _G longitudinal and vertical center of gravity (m) - x _S longitudinal position of a ship section (S), in the ship-fixed system (m) - X _H ,X _W ,X _R hull reaction, wave, rudder, and propeller - X _P forces in the surge direction (Nt) - y transverse position of the ship, measured from the wave system (m) - Y _H ,Y _W ,Y _R hull reaction, wave, rudder, and propeller - Y _p forces in the sway direction (Nt) - z _Y vertical position of the point of action of the lateral reaction force during turn (m) - z _W vertical position of the point of action of the lateral wave force (m) Greek symbols angle of drift (rad) - rudder angle (rad) - wavelength (m) - position of the ship in the earth-fixed system (m) - water density (kg/m³) - angle of heel (rad) - heading angle (rad) - _e frequency of encounter (rad/s) Hydrodynamic coefficients K roll added mass - N _v ,N _r yaw acceleration coefficients - N _v N _r N _rr N _rrv ,N _vvr yaw velocity coefficients K. Spyrou: Ship behavior in quartering waves - X _u surge acceleration coefficient - X _u X _vr surge velocity coefficients - Y _v ,Y _r sway acceleration coefficients - Y _v ,Y _r ,Y _vv ,Y _rr ,Y _vr sway velocity coefficients European Union-nominated Fellow of the Science and Technology Agency of Japan, Visiting Researcher, National Research Institute of Fisheries Engineering of Japan     

Nonlinear dynamics of ship capsizing due to broaching in following and quartering seas

To provide a theoretical methodology to predict the critical condition for capsizing due to broaching, a nonlinear dynamical system approach was applied to the surge–sway–yaw–roll motion of a ship running with an autopilot in following and quartering seas. Fixed points of a mathematical model for the ship motion and unstable manifolds of the fixed point near the wave crest were systematically investigated. As a result, the existence of heteroclinic bifurcation was identified. With numerical experiments, it was confirmed that this heteroclinic bifurcation reasonably well represents the critical condition for capsizing due to broaching. Thus the nonlinear dynamical approach can be substituted for tedious numerical experiments. Received for publication on Nov. 20, 1998; accepted on March 16, 1999     

Numerical prediction of the surf-riding threshold of a ship in stern quartering waves in the light of bifurcation theory

In order to develop design and operational criteria to be used at the International Maritime Organization (IMO), critical conditions for broaching are explored in the light of bifurcation analysis. Since surf-riding, which is a prerequisite to broaching, can be regarded as a heteroclinic bifurcation, one of global bifurcations, of a surge-sway-yaw-roll model in quartering waves, the relevant bifurcation condition is formulated with a rigorous mathematical background. Then an efficient numerical solution procedure suitable for tracing the surf-riding threshold hypersurface is presented with successful examples. This deals with all state and control variables in parallel, and excludes backward time integration and an orthogonal condition in the iteration process. The bifurcation conditions identified were compared with the results from a direct numerical simulation in the time domain. As a result, it was confirmed that the heteroclinic bifurcation provides a boundary between motions periodically overtaken by waves and nonperiodic motions such as surf-riding and broaching.     

鱼雷定深航行稳定性的分叉分析

鱼雷定深运动方程含有诸多的非线性项,用传统的分析方法对其稳定性进行研究有较大难度。运用非线性科学中的分叉理论,选定鱼雷定深运动方程中的某一流体动力系数扰动值为分叉参数,系统地分析在经典比例微分深度控制系统作用下,鱼雷在退化平衡点处的航行稳定性。利用中心流形定理,推导出系统状态变量解析表达式,对系统 Hopf分叉进行分析,并进行仿真验证。结果表明,流体动力系数变化使定深航行产生 Hopf分叉,并给出了确保鱼雷稳定航行的流体动力参数取值范围。     

基于MATCONT的潜艇垂直面操纵运动稳定性与分叉分析

基于Matlab数值分岔分析工具箱MATCONT对潜艇高速机动时的运动稳定性与分岔问题进行了研究。分析了潜艇重心坐标和尾升降舵角变化时的单参数分岔,搜索到系统的鞍结分岔和BP分岔点,通过垂直面非线性运动方程数值积分的动态仿真,验证了动态仿真与数值分析结果的一致性。     

单点系泊船舶非线性动力学特性的试验研究

对潮流作用下单点系泊船舶的静态分岔特性和动态分岔特性进行了试验研究.通过试验确定了船舶的平衡系泊点及其Liapunov运动稳定性.以来流速度和系缆长度为分岔控制参数,研究了船舶系泊运动的静态分岔与Hopf分岔特性.对系统的动力学行为进行了定性分类,据此在参数空间中给出了局部分岔集.它将参数平面划分为四个不同的区域,每个区域中船舶的运动模式均不相同,但同一区域内系统的动力学行为是一致的.研究表明,单点系泊船舶具有复杂的动力学响应,试验中观察到吸引子的共存与跳跃和Hopf分岔现象.局部分岔集的确定为系泊系统设计参数的选择提供了依据.     

船型参数对骑浪/横甩薄弱性衡准影响研究

骑浪/横甩是IMO船舶第二代完整稳性的五种失效模式之一,是一种基于概率的稳性衡准,制定规范的目的是更有效地保障船舶在实海域中的航行安全,确保不发生稳性失效情况.本研究中,以IMO有关成员国提出的最新版骑浪/横甩薄弱性衡准草案为基础,基于自主开发的骑浪/横甩薄弱性衡准校核软件,针对围网渔船开展了样船计算和比较分析,研究IMO正在制定的骑浪/横甩薄弱性衡准方法对该类船型的适用情况,分析船型参数对骑浪/横甩薄弱性衡准的影响,为我国参与国际法规制定,提出针对骑浪/横甩薄弱性衡准的提案提供技术支撑和依据.     

长江口南北港分汊口河段护滩限流工程效果分析

作为长江口南北港分汊口治理工程的重要组成部分之一,新浏河沙护滩及南沙头通道限流潜堤工程是长江口深水航道上延的基础性工程,也是南北港分汊口河势控制的关键工程。根据现场水沙测验和地形监测资料,从治理工程实施前后汊道分流比、河床冲淤变化、航道条件以及工程结构稳定性等因素入手,初步分析了新浏河沙护滩及南沙头通道限流潜堤工程的实施效果。结果表明,工程实施效果显著,南北港分汊口河段局部河势向不利方向发展的态势基本得到遏制,宝山南、北水道航道条件明显改善,整治建筑物结构安全稳定,总体达到了预期的治理目标,有利地保障了10.5 m深水航道稳定运行,同时也为长江口12.5 m深水航道向上延伸创造了良好条件。     

骑浪横甩薄弱性衡准技术的发展

介绍了骑浪/横甩的物理背景,以及骑浪/横甩第一层和第二层薄弱性衡准发展过程,并分析了骑浪横甩薄弱性衡准计算方法及初步衡准,掌握骑浪横甩薄弱性衡准技术的发展现状,有助于骑浪/横甩相关技术领域的研究,为船舶第二代完整稳性的技术发展奠定基础。