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。     

悬挂式多波束水动力分析

多波束主要用于考察海底地貌,保证良好的水动力性能可以更有利于多波束的工作。波浪中舰船产生的纵摇和垂荡是影响多波束水动力性能的主要因素。多波束所受的合力主要是由波浪中舰船垂荡和纵摇所产生的耦合垂向加速度引起的。采用势流理论计算舰船水动力系数,进一步采用STF二维切片理论对舰船耐波性进行预报。多波束升力的计算要考虑波浪和纵摇的攻角,合力与升力、重力以及浮力的差值即为多波束与船体间的作用力。多波束的水动力周期性变化,变化周期同舰船摇荡周期相同。     

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。     

波浪中破损船舶运动的时域预报

波浪中破损船舶的运动会同时受到波浪激励和进出水的影响,而船体运动也会影响进出水过程,二者相互影响。因此,准确地评估波浪中考虑破舱进出水影响的破损船体运动是十分复杂的。论文提出采用一种基于势流理论的方法进行波浪中破损船体运动的预报,该方法假设舱内的液面水平,利用修正的伯努利方程模拟破舱进/出水,利用Ikeda`s经验公式修正阻尼系数,采用4DOF(横荡-垂荡-横摇-纵摇)相互耦合的时域方法评估波浪中破损船体的运动。文中以一艘ITTC破损稳性标模为例,研究了规则波中破损船体的运动响应;通过计算结果和模型试验的对比,验证了论文采用方法的有效性,并研究了破舱口位置对运动响应的影响。研究表明,论文采用的数值模拟方法结合合理的横摇阻尼模型,可以定量地评估破损船舶在波浪中的运动。     

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。     

基于数值模拟的水翼五体船耐波性分析

为改善五体船在小摇荡时的耐波性,提出在侧体和主船体之间加装水翼构造水翼五体船,借助Hydro Star水动力学软件,依托Wigley片体五体船进行水翼五体船耐波性计算对比。结果表明,由于水翼的减摇减震及升力作用,在侧体和主船体之间加装水翼可以明显降低五体船的纵摇幅值、横摇幅值及垂荡幅值,提高五体船的耐波性。     

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.     

基于低通滤波和经验模态分解的舰船耐波性试验信号分析方法研究

针对舰船耐波性实测信号中趋势项难以消除而影响滤波精度这一问题,采用经验模态分解方法消除趋势项的影响.根据舰船对波浪运动响应的低频特点,在经验模态分解前先进行低通滤波,可使实测运动信号中的谱峰频率处在相对高频位置,减少EMD迭代次数,并使有用信息包含在第一个IMF中,方便对有用模态的识别.还针对实船耐波性试验无法直接获得垂荡位移的实际问题,对垂向运动加速度联合采用低通滤波、数值积分和EMD去趋势项消除积分误差的方法获得垂荡,通过模型耐波性试验以及对实舰横摇角速度采用该方法求得的横摇与实测横摇的比较,验证了该方法在舰船耐波性实测信号分析中的有效性.     

规则波浪中舰船纯稳性丧失计算研究北大核心CSCD

[目的]波浪中纯稳性丧失是第二代舰船完整稳性中稳性薄弱性的衡准之一。针对波浪中大倾斜角稳性计算发散问题,[方法]以静水面坐标系为基准,定义了广义纵倾角和广义吃水变量,推导出物理含义清晰的波面方程。在Froude-Krylov假定条件下,结合AutoCAD二维图形面域计算技术和VBA编程方法,提出了规则波浪中舰船纯稳性丧失的计算方法。针对一艘具有阶梯式甲板的舰船,计算了规则波浪中舰船复原力臂曲线,证明大横倾状态具有一致收敛性。[结果]计算得到了规则波浪中稳性变化规律:纵向波浪中,波面高于甲板或低于船底导致有效水线面消失是稳性降低的主要原因;斜浪和正横浪中,波面相对船体横剖面倾斜引起的不对称性,是稳性大幅度降低的主要原因。[结论]计算收敛一致性表明,基于广义纵倾角定义的计算方法可成为评估舰船波浪中纯稳性丧失的有效手段。     

规则波浪中舰船纯稳性丧失计算研究

[目的]波浪中纯稳性丧失是第二代舰船完整稳性中稳性薄弱性的衡准之一。针对波浪中大倾斜角稳性计算发散问题,[方法]以静水面坐标系为基准,定义了广义纵倾角和广义吃水变量,推导出物理含义清晰的波面方程。在Froude-Krylov假定条件下,结合AutoCAD二维图形面域计算技术和VBA编程方法,提出了规则波浪中舰船纯稳性丧失的计算方法。针对一艘具有阶梯式甲板的舰船,计算了规则波浪中舰船复原力臂曲线,证明大横倾状态具有一致收敛性。[结果]计算得到了规则波浪中稳性变化规律:纵向波浪中,波面高于甲板或低于船底导致有效水线面消失是稳性降低的主要原因;斜浪和正横浪中,波面相对船体横剖面倾斜引起的不对称性,是稳性大幅度降低的主要原因。[结论]计算收敛一致性表明,基于广义纵倾角定义的计算方法可成为评估舰船波浪中纯稳性丧失的有效手段。     

舰船波浪中非线性运动响应与砰击研究

基于非线性切片理论建立波浪中船体垂荡和纵倾的耦合运动动力方程,给出不同浪向角下船舶的垂荡运动响应和纵倾运动响应.在此基础上,参考Ochi底部砰击试验所提出的经验公式,对某舰船各横剖面的砰击压力系数进行推导,同时对不同频率下砰击载荷的大小、位置等进行研究.结果表明,该船在低频的入射波中更易发生底部砰击,且砰击瞬时的影响不容忽视.     

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.     

基于三维时域混合源法的顶浪 不规则波参数横摇研究

国际海事组织(IMO)船舶设计建造分委会(SDC)第4次会议把参数横摇稳性直接评估提上议程,如何准确预报和评估不规则波中的参数横摇是亟待解决的问题。文章提出采用一种三维时域面元法进行不规则波中参数横摇的预报和评估,该方法首先采用混合源法,即在内域采用Rankine源,在外域采用瞬态的时域Green函数,该混合源法充分考虑了船体的定常和非定常运动,以及定常运动对非定常运动的影响;其次考虑了船体与不规则波浪的瞬时相对位置,沿船体瞬时湿表面进行压力积分求解Froude-Krylov力和静水力;然后通过时域求解垂荡—纵摇—横摇三自由度耦合方程计算参数横摇。文中以国际标模C11集装箱船为研究对象,研究了不同随机波浪谱下参数横摇的发生规律,进行了统计分析,并通过已有的试验结果验证了文中采用方法的有效性。结果表明,该文采用的三维时域面元法可有效用于顶浪不规则波中参数横摇的直接数值预报。     

波浪对穿浪双体船摇荡运动的影响

穿浪双体船作为一种新船型,逐渐在近海高速客运领域中发挥重要作用。研究穿浪双体船在不同海况条件下的摇荡运动规律具有重要意义。本文采用修正切片法计算某穿浪双体船的纵摇、垂荡以及横摇运动的幅值响应函数,并采用谱分析的方法统计计算其在不同海况条件下的摇荡运动规律,通过零航速时计算结果与试验结果的比较,验证了本文计算方法的正确性。最后,对本文计算对象在不同海况条件下的摇荡运动规律进行了分析。     

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CFD方法的舰船顶浪运动响应幅值算子计算

基于计算流体力学(CFD)方法,给出了舰船在波浪中运动的数值模拟方法,采用边界造波法生成了精确的三维规则波浪,实现了DTMB 5512船模在2种不同波高规则波中顶浪运动时的垂荡及纵摇耦合运动数值模拟,求取了垂荡及纵摇运动的响应幅值算子,通过船模水池实验数据及势流理论方法验证了数值模拟方法的精确性.     

波浪中破损船舶的运动响应研究

波浪中破损船舶的运动会同时受到波浪激励和进出水的影响,而船体运动也会影响进出水过程,二者的相互影响机理十分复杂.本文重点研究波浪中破舱进出水对船舶运动响应的影响,文中首先基于势流理论建立了考虑破舱进出水的4DOF(横荡-垂荡-横摇-纵摇)相互耦合时域预报方法,在计算中假设舱内的液面水平,利用修正的伯努利方程模拟破舱进/出水,利用Ikeda's经验公式修正阻尼系数.然后以一艘ITTC破损稳性标模为例,研究了波浪中考虑破舱进出水的数学模型以及破舱进出水对运动响应的影响,并研究了不同自由度、破舱口位置对运动响应的影响.研究表明,本文基于势流理论建立的时域预报方法可以定量的预报破损船舶的运动响应.     

随机波中船舶参数横摇研究

针对随机波中船舶参数横摇,提出一种数值预报方法。采用新的随机波成形方法,求解出船舶无横倾时在随机波中时间序列垂荡和纵摇运动,确定出船-波相对位置。利用3个坐标系之间的转换关系确定船体各横剖面左右舷与波面瞬时交点,然后对波浪压力沿船长湿表面积分,得出船舶复原力的Froude-Krylov部分。提出复原力之辐射力和绕射力部分和横摇角的非线性假定。确定一个参数横摇数学模型,实现随机波中参数横摇计算;通过试验和数值模拟对一艘巴拿马型集装箱船进行了参数横摇预报,研究了随机波中参数横摇的实际非各态历经的特点。     

频率散射对船舶垂荡与纵摇耦合运动的影响

为研究遭遇频率散射现象对船舶垂荡与纵摇耦合运动所造成的影响,以某船为研究对象,假设船舶在顶浪航行,通过船舶纵向速度振荡产生频率散射。基于弗汝德—克雷洛夫假定,推导并得到了垂荡与纵摇耦合运动响应方程。采用切片法计算了耦合运动方程中的水动力系数。通过理论求解方法验证了数值求解耦合运动方程的准确性。同时,还分析了散射强度和散射频率单独对耦合运动的影响,以及两者对耦合运动的综合影响。结果表明,增大散射强度和散射频率可以减弱垂荡和纵摇耦合运动及其剧烈程度。     

小水线面双体船斜浪中运动的参数激振初探

船舶经常会在斜浪中航行,特别是在海峡内航行。此时,船舶运动是一种纵摇,横摇和垂荡的藕合运动,这种藕合运动容易导致参数共振,使船舶的耐波性变坏。以中国科学院科学考察船"实验1"号的一艘实船和代号T-SWDTH的一个船舶设计方案为例,计算分析了它们在斜浪中航行时的船体运动和参数共振问题,证明小水线面双体船在斜浪中横摇不会造成垂荡和纵摇的参数共振。