波浪中船舶操纵性数值预报及自航模验证

基于统一理论,考虑横荡、纵荡、艏摇平面三自由度操纵和横摇耦合,建立四自由度模型,按照MMG模型将船体上的力分为船体力、螺旋桨力和舵力,采用耦合模型叠加波浪力的方式来预报船舶在波浪中的操纵性。波浪力采用三维面元法计算,并根据船舶实时速度和遭遇浪向进行二维插值。通过对比仿真数据与自航模试验数据,验证了模型的准确性。预报了在不同波浪工况下的船舶操纵性,验证了二阶力是船舶回转漂移的主要原因。比较了不同波高对船舶在波浪中操纵性的差异,研究结果表明:波高越大,船舶回转的纵向和横向漂移越明显,并且Z形试验中的第1超越角和达到时间越长。     

舵速对船舶波浪中回转及横摇的影响

基于经典MMG模型和统一理论建立操纵性和横摇四自由度耦合模型,利用耦合模型叠加波浪力的方式来预报船舶波浪中的回转和横摇特性。波浪力采用三维面元法计算,并根据船舶实时速度和遭遇浪向进行二维插值。通过自航模试验进行模型验证,预报了不同操舵速度对船舶回转和横摇的影响。研究表明耦合模型能够有效地仿真船舶的回转及横摇,回转过程中操舵速度越大船舶改变航向和航迹的能力越强,纵距越小,但会给船舶造成较大的横摇。     

基于统一模型的船舶迎浪参数横摇数值预报及其舵减摇研究

国际海事组织（IMO）正致力于第二代完整稳性规范的制定,而参数横摇一直是船舶动态完整稳性研究的热点。文章采用考虑船舶操纵性和耐波性运动耦合的统一模型对迎浪规则波下的船舶参数横摇运动进行了时域数值模拟。在时域模型中,六自由度耐波性运动辐射绕射力采用切片理论计算,并由脉冲响应函数法转化到时域。非线性回复力和入射波力采用瞬时湿表面压力积分方法计算。操纵性运动基于MMG模型,依据统一理论将操纵性与耐波性运动进行耦合计算。文中先应用简化三自由度模型对三艘集装箱船进行了参数横摇样船计算,并进行了初步的模型实验验证,依据结果对比分析了横摇惯性矩、初稳性高和方形系数对参数横摇的影响。基于统一模型分析了操纵性运动对参数横摇的影响,并进行了参数横摇舵减摇研究。     

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.     

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。     

二代稳性衡准纯稳性丧失直接评估方法研究(二)

针对国际海事组织(IMO)正在制定的船舶第二代完整稳性衡准中的纯稳性丧失直接评估衡准,本文提出了纵荡-横荡-横摇-首摇4自由度运动耦合的标准数学模型,进行了纯稳性丧失直接评估.该方法首先基于MMG操纵性标准方法,构建纵荡-横荡-横摇-首摇4自由度运动方程,同时考虑了舵控制方程,其次在纵荡、横荡、横摇、首摇方程右边考虑时域波浪力/力矩,且横摇方程右边进一步考虑了粘性横摇阻尼力矩和波浪中复原力臂变化.最后采用ONR内倾船进行了尾斜浪中纯稳性丧失直接数值计算,为纯稳性丧失直接稳性评估衡准的应用奠定了基础.     

不同舵速对船舶回转性能影响理论与试验分析

为分析不同舵速对船舶回转性能的影响,采用理论仿真和模型试验相结合的方法,基于流体力学和船舶操纵性基本理论,建立三自由船舶运动模型,对模型进行仿真验证。通过构建自航模试验系统,进行不同舵速下的自航模试验,理论与试验结果表明:不同舵速对战术直径、定常回转直径和横距无明显影响,但对纵距影响较明显。     

极地科考船在规则波中的参数横摇数值模拟

以一艘极地科考船为研究对象,利用基于Rankine面元法的Wasim模块,分析其在不同波浪条件下参数横摇发生的规律。首先建立了适合Wasim模块计算的数值模型,基于考虑黏性的CFD模拟下的自由横摇运动引入了非线性阻尼,进而验证了在Wasim中进行横摇运动模拟的准确性;然后模拟了船舶谐摇的情况,将谐摇结果作为基本值对比后续的参数横摇结果;最后模拟了不同浪向角和波浪频率下的船舶参数横摇运动,分析了极地科考船发生参数横摇的规律。结果表明,Wasim模块能够较好地模拟船舶横摇运动;参数横摇发生在遭遇频率为固有频率1.95～2.1倍区间范围内;无航速下,在横浪附近的参数横摇较为严重,容易引起船舶倾覆;设计航速下,参数横摇更易发生在迎浪的波浪条件下。     

操纵性方程在船舶横甩研究中的应用

综合操纵性和耐波性理论，采用船舶的三自由度操纵运动方程，加入波浪的扰动力项，得出一个船舶在发生骑浪时的非线性运动方程，用简化后的线性方程对某型驱逐舰随浪航行的横甩区域进行了大致绘算。结果与已有的横甩理论以及船模试验研究结论大型相符，最后提出一种基于操纵性试验的横甩试验方法。     

基于升摇效果分析新型船舶舵减摇潜力

为探究某新型船舶的舵减摇潜力,将该船舶的实际船体参数引入到船舶运动模型中,通过建立的Matlab仿真平台进行模拟仿真,观察船舶在不考虑海浪等环境干扰情况下,不同摆舵幅度和操舵频率对船舶横摇角的影响。根据横摇角的变化特点设计实验方案,探究该新型船舶在舵速限制下能产生的最大横摇角,分析船舶具备的舵减摇潜力。根据实验可知,通过合理的操舵策略,该船舶能够产生较大的横摇角,具备较好的舵减摇潜力。     

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。     

VLCC波浪中操纵性数值预报与自航模试验验证

超级油轮(VLCC)由于其自身惯性大、方形系数大等特点,其操纵性与一般的大型船舶存在很大差异,因此对其操纵性特别是波浪中的操纵性进行研究就显得尤为重要。目前国内鲜有研究人员对不同波陡、初始浪向角下VLCC波浪中的操纵性进行详细和深入研究,本文采用一种新型自航模系统的操纵性试验和数值模拟的方法对不同波陡规则波下VLCC波浪中的操纵性能进行了研究。在试验中,通过改变波浪参数,重点研究分析了不同波陡、初始浪向角对VLCC操纵性的影响,并与数值模拟进行比较,结果吻合良好。     

变舵速对船舶Z型运动影响理论与试验分析

为分析变舵速对船舶Z型运动性能的影响,提出一种理论仿真和模型试验相结合分析的方法。基于流体力学和船舶操纵性基本理论和方法,建立三自由船舶运动模型,并对模型进行仿真验证。通过构建自航模试验系统,进行变舵速下的自航模试验。理论与试验结果表明:不同舵速对K及T指数无明显影响,但对超越角影响较明显。     

船舶大舵角转向时艏摇与横摇的耦合仿真研究

摘要：为进一步研究船舶在大幅度转向时艏摇和横摇的耦合机制,在非线性船舶运动数学模型的基础上,进行了不同情形下的操纵仿真试验。试验结果显示在大舵角转向时,船舶的艏摇和横摇运动存在较强的耦合作用,横摇幅度和艏摇幅度存在正相关性。指出大幅度的横摇使艏摇出现相位滞后和偏离基准航向的现象;在横摇过大的情况下,大幅度动舵和加速操纵将导致稳性迅速消失和航向打横。     

变舵速对船舶Z型运动影响理论与试验分析

为分析变舵速对船舶Z型运动性能的影响,提出一种理论仿真和模型试验相结合分析的方法.基于流体力学和船舶操纵性基本理论和方法,建立三自由船舶运动模型,并对模型进行仿真验证.通过构建自航模试验系统,进行变舵速下的自航模试验.理论与试验结果表明:不同舵速对K及T指数无明显影响,但对超越角影响较明显.     

参数横摇对集装箱船设计和运营的影响

<正>纯稳性丧失、参数横摇、骑浪(横甩)是船舶在波浪中的3种典型倾覆现象,其中,参数横摇是目前国际海事组织(IMO)正在研究的船舶第二代完整稳性衡准技术中5种失效模式之一。研究人员普遍认为,参数横摇是由船舶在波浪中的复原力周期性变化而导致的非线性现象,其主要特点是:船舶在顶浪状态下产生垂荡、纵摇运动的同时伴随着大幅度横摇运动。大量研究表明,当船舶的横摇固有频率等于其在波浪中遭遇频率的50%时,船舶可能产生显著的横摇运动,即参数横摇。大型集装箱船的艏     

高速舰船的运动模型适用性分析及海浪中的操纵仿真试验

船舶运动模型的建立对于船舶运动控制算法的研究以及自动舵的研制和陆基条件下的检测都具有重要意义。对于静水条件下中低速船的航迹航向控制,三自由度模型较为简单适用,然而高速舰船的操纵特性与中低速船不同,在回转过程中会产生较大的横倾角,横摇运动与首摇运动的耦合作用较明显。本文通过Matlab对DTMB5415驱逐舰进行四自由度的运动建模及操纵仿真实验,根据仿真试验与水池试验数据的对比,验证了四自由度模型的适用性,并进一步应用该模型分析了海浪干扰对高速舰船运动的影响。     

关于舵在尾斜浪和横浪中横摇衰减效果的理论研究

由于操舵时不仅产生摇首力矩,同时也产生横摇力矩,故利用这一效果来减低横摇就成为一个合乎逻辑的设想。 借助于自动操舵仪和附加的横摇反馈控制,有可能在外界扰动和舵对横摇的扰动力矩之间建立起适当的相位关系。本文将基于势流理论和切片方法的船舶在波浪中运动的理论计算方法加以扩展,来估价受控舵作为一种横摇衰减装置的可行性和有效性。 文中给出了一些理论考虑和装备减摇舵的一艘特定船舶在尾斜浪和横浪中运动的数值计算结果及分析。 分析表明,附加的横摇角速度反馈控制下的舵能在几乎所有感兴趣的波长范围内减低横摇,特别是在横浪中及船舶横摇固有频率附近最为有效。至少减摇舵能减低自动操舵仪所激起的横摇运动。受控舵作为一种减摇装置是可行和有效的。与减摇鳍和减摇水舱相比,减摇舵是个经济的选择。 若用本文中提出的方法,对欲装备减摇舵的指定船舶进行系统的计算,则能对减摇舵的性能作出综合评价,并为该船的减摇舵控制系统参数设计提供量的指导。     

随机斜浪中船舶参数-强迫激励横摇运动计算

研究船舶随机斜浪中大幅参数激励非线性横摇运动的计算方法.将船舶稳性高度GM作为时域变化的随机参数激励,波浪力为随机强迫激励项,建立船舶在随机斜浪航行情况的参-强激励横摇运动微分方程.参数激励项的求解考虑了船体型线、纵摇、升沉及波浪运动对稳性高度变化的影响.分别取不同波高、航速、航向,计算出随机斜浪中船舶的时域横摇运动响应.计算结果表明,此方法可以用于计算随机斜浪中船舶的参-强激励横摇运动,据此分析随机斜浪对船舶横摇和倾覆的重要影响.     

探讨参数横摇对集装箱船坠箱事故的影响

当船舶在纵浪中以一定速度航行,使遭遇波浪的频率约两倍于横摇频率时,船舶稳性发生变化,即导致参数横摇现象。迎浪或随浪条件下的参数横摇谐振会大大加剧船舶的横摇运动,在几次摇摆周期中,横倾角可以毫无预期地从几度发展到三十度以上。这种剧烈的运动会对舱面集装箱及系固系统造成过多的压力,进而导致舱面集装箱坠箱事故的发生。本文从现象出发,分析了参数横摇对舱面集装箱系固稳定性的影响,提出了船舶遭遇参数横摇的应对方法。