规则迎浪中船舶参数横摇的三维时域预报方法研究

参数横摇是船舶因复原特性改变而引起的典型非线性现象。文章采用三维时域方法预报规则迎浪中船舶的参数横摇运动。该方法引入匹配面将流域分为内域和外域,内域中采用Rankine源来满足物面条件和线性自由面条件,而外域中应用时域格林函数来满足线性自由面条件和远场辐射条件。数值方法中,Froude-Krylov力和恢复力是通过对船舶瞬时湿表面积积分获得,同时考虑了横摇、垂荡和纵摇三自由度之间的耦合作用,以及非线性横摇阻尼的影响。数值结果与试验结果吻合很好,说明该方法可以有效地预报参数横摇。     

基于三维时域混合源法的顶浪参数横摇研究

参数横摇是复原力周期性变化引起的横摇现象,在顶浪中与垂荡、纵摇的动态耦合非常显著,呈现出强非线性特点,难以准确预报。论文采用一种三维时域面元法进行参数横摇的数值预报,该方法采用混合源法,即内域采用Rankine源,外域采用瞬态的时域Green函数求解平均湿表面的辐射势和绕射势,沿船体瞬时湿表面求解入射势,通过求解垂荡-横摇-纵摇相互耦合的三自由度方程得到参数横摇的时历曲线和幅值。通过与国际标模C11集装箱船的试验结果对比验证了本文数值方法的可靠性,并进一步分析了横摇阻尼和GM值对参数横摇的影响。研究表明,论文采用的三维时域面元法可有效用于顶浪参数横摇的数值预报;横摇阻尼和GM值是参数横摇的敏感性参数,在临界值附近较小的变化会引起较大的参数横摇预报误差。     

基于渐进法的船舶横摇非线性阻尼系数识别

阻尼对于海浪中船舶的横摇运动响应预报至关重要。本文基于渐进法,利用自由横摇衰减数据,提出了一种适用于船舶大幅横摇运动的非线性阻尼系数识别方法。非线性阻尼选用线性加二阶模型,非线性回复力矩可以是任意形式的奇函数。通过数值方法模拟生成自由横摇衰减曲线,采用本文方法识别阻尼系数,验证方法的有效性。开展不同横摇角幅值下的参数研究,将不同船舶横摇方程的阻尼系数识别结果与其他方法的估算结果进行对比分析,验证了本文方法的高精度。最后,将本文方法应用于船舶自由横摇衰减实测数据,识别其非线性阻尼系数,数值模拟结果与试验数据一致性较好。研究表明该方法精度高,易操作,适用于大角度横摇和强非线性回复力矩条件下非线性阻尼系数的识别。     

基于三维非线性区域分割法的船舶运动时域计算研究

基于三维势流理论,构建船舶在波浪中航行的非线性区域分割法。用假想的控制面将计算域分为内域和外域,其中外域采用自由面格林函数法,内域考虑自由面非线性,采用满足移动兴波线性化自由面条件的Rankine面元法,并通过过渡函数使内外域速度势及其导数在控制面上连续。内外域耦合求解得到扰动速度势及流体动压力。其中自由面运动学边界条件、动力学边界条件及物面条件m项中的移动兴波速度势及波面抬升是基于非线性兴波计算得到的,较线性化自由面条件更为精确。以数学船型Wigley-3为对象,讨论了不同因素对计算收敛性的影响,验证了该方法的可靠性和准确性;以S60和S175两种具有外飘的实际船型在波浪中的运动响应为例,将计算结果与试验及其他方法进行了对比,验证了三维时域非线性区域分割法在实船运动预报中的准确性。     

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。     

基于垂向积分形式时域格林函数的多域高阶面元法及其在船舶波阻增加计算中的应用

基于三维时域势流理论,提出基于垂向积分形式的时域格林函数的多域高阶面元法,计算船舶在波浪中的运动响应和阻力增加.在外域采用时域自由面格林函数法,将控制面时域格林函数面元积分分解为垂向积分和水平积分,推导了垂向积分形式核函数新的表达式,对水平积分采用数值离散方法,提高了计算效率和收敛性.在内域采用满足非线性自由面条件的R...     

横摇阻尼对参数横摇计算精度影响研究

船舶横摇预报准确程度很大程度上取决于横摇阻尼的计算。参数横摇作为一种非线性横摇运动,在数值预报时,横摇阻尼算法对数值结果有很大影响。基于船模自由衰减试验拟合横摇阻尼系数,用一计算船舶回复力及耦合运动的数值程序来预报参数横摇,与试验结果对比,证实了该阻尼计算方法和数值算法的可靠性;进而根据贝尔登公式、渡边公式等计算横摇阻尼,比较不同横摇阻尼计算方法的精度。计算表明,用基于试验获得的横摇阻尼系数计算参数横摇相对可靠;采用其他阻尼系数计算的横摇幅值与试验值均有一定偏差,有些甚至偏差很大。     

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。     

基于多层面改进多域法的航行船舶时域水动力分析

针对航行船舶三维时域水动力分析问题，本文采用多域高阶边界元法（MDHOBEM, Multi-Domain Higher Order Boundary Element Method）开展研究，通过假设控制面，将计算域分为内域和外域两部分，内域采用Rankine面元法，外域使用自由面格林函数法，内外域联立求解。从内域、外域、波浪激励三个层面改进多域法的精度、计算效率，以适应不同工况需求。内域重新推导非线性边界条件，考虑入射波对绕辐射问题计算的影响，提高大幅波浪中运动计算精度；外域采用垂向积分形式自由面格林函数，提高格林函数积分计算的收敛性、稳定性及计算效率；波浪激励采用高阶谱（HOS, High Order Spectral）方法生成演化的波场，考虑波浪自身的非线性，提高对非线性现象的捕捉和模拟能力。以C11船为对象，研究内域非线性改进对船舶大幅运动计算精度的提高；以S175集装箱船为对象，验证外域垂向积分对运动及波阻增加计算效率和稳定性的提高；对比S175在线性波场和非线性波场中的运动，论证考虑非线性波场对运动计算的影响；以某内倾船为对象，研究不同层次改进对参数横摇现象捕捉的影响，验证非...     

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。     

ONR内倾船波浪中复原力臂非线性现象试验和数值研究

船舶波浪稳性中参数横摇和纯稳性丧失是与波浪复原力臂变化有关的失效模式,波浪中复原力臂的变化是影响这些失效模式预报精度的关键因素.本文以ONR内倾船型为研究对象,通过试验和数值方法研究了横摇复原力臂的变化.首先采用半拘束模型(垂荡、纵摇自由,固定横倾角)试验测量波浪中船模复原力的变化;其次采用三维时域混合源法建立波浪中复原力臂的数值计算方法,在常规Froude-Krylov力假设的基础上,进一步考虑辐射力和绕射力对横摇复原力的影响,并在速度势的计算中引入精确物面条件,沿瞬时湿表面积分计算动态辐射力和绕射力的成分;最后通过试验结果和数值计算结果的比较,以及复原力臂组成成分的分析、近似物面非线性条件和精确物面条件计算结果的对比等,详细分析了ONR内倾船型波浪中复原力臂的非线性现象.研究表明:顶浪中常规Froude-Krylov力假设不够完善,随着航速、波陡、横倾角度的增加,波浪中复原力臂的非线性现象十分明显,辐射力和绕射力对复原力臂的贡献是非线性现象的主要原因;基于精确物面条件计算动态辐射力和绕射力引起的复原力臂变化可以更好地反应复原力臂的非线性现象.     

基于固定网格小波神经网络的不规则波中船舶横摇运动在线预报（英文）

船舶横摇运动预报对于船舶安全与作业非常重要。本文应用固定网格小波神经网络在线预报不规则波中的船舶横摇运动。该固定网格小波神经网络由离散的小波激活函数组成,其结构和参数可以基于滑动数据窗在线调整;在每一个滑动数据窗,误差下降比判据被用来从小波函数库中选择重要的小波函数项来构建小波神经网络模型,直到该模型可以较好地表达所研究的非线性系统,获得的模型一般比较简洁。预报结果表明,仅仅几个小波函数项就可以很好地捕捉到不规则波中船舶横摇运动的非线性动力学内在特性,这不仅展示了小波函数很强的非线性表达能力,也证实了所采用的建模方法对于预报船舶在不规则波中的横摇运动的有效性。     

基于相轨迹特征的阻尼估算能量法改进研究

横摇是船舶在海上航行安全中首要考察的运动姿态。船舶横摇运动的高精度预报，需准确地估算横摇阻尼。引入相轨迹概念，以能量变化的视角，从船舶模型试验数据中提取幅值数据，进行横摇阻尼非线性特征的研究。分析幅值数据呈现的规律，提出新的幅值拟合函数，并相应改进横摇衰减拟合函数。采用线性加平方阻尼力矩模型，通过预设阻尼系数仿真生成静水船舶模型自由横摇数据，展开阻尼估算试验。试验显示：能量法的改进有效减小了阻尼系数的估算误差。基于阻尼系数进行数值预报，证明方法改进后的数值预报更加接近试验仿真数据。结果表明：能量法的改进是有效的，能更好地识别横摇阻尼的非线性特征，更准确地估算横摇阻尼系数。     

渔船非线性横摇理论研究分析

为讨论船舶在波浪中的非线性横摇,应用非线性动力学的方法对现象进行理论分析,得到主共振情况下船舶运动稳态响应的解析解,并对实船进行稳定性分析。通过不同波浪条件下船舶非线性横摇运动的模拟计算,预报船舶在横浪中的横摇运动,预报结果与试验结果比较一致。     

基于CFD的船舶横摇数值模拟与粘性效应分析

[目的]船舶横摇的准确预报对于船舶耐波性、稳性以及操纵性的研究具有十分重要的意义,但船舶横摇运动受流场粘性效应的影响很大,计算中存在较多非线性因素,因而并不适于常用于研究船舶运动的传统势流理论。为解决这一问题,[方法]采用基于OpenFOAM软件开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,分别通过欧拉方法和RANS方法对S60船模典型二维横剖面的强迫横摇进行数值模拟,同时,模拟分析DTMB 5512不同三维船模的自由与强迫横摇运动。[结果]在成功将横摇阻尼力矩的不同成分分别计算出来后发现,其中漩涡阻尼所占的比例最大,摩擦阻尼所占的比例最小,而舭龙骨在一定的横摇角度范围内则减小了横摇阻尼力矩。[结论]该结果揭示了横摇参数对船舶横摇运动及横摇阻尼力矩的影响,对准确预报船舶的横摇运动具有重要意义。     

斜浪中参强激励横摇运动的数值模拟与解析分析

船舶在斜浪中航行时,参数激励与强迫激励将共同作用于横摇运动,可能引发大幅横摇,甚至船舶倾覆。考虑船舶瞬时湿表面的影响,以及垂荡、横摇和纵摇之间的相互耦合,提出了3自由度耦合运动数值模拟方法和1.5自由度横摇运动数值模拟方法。以C11船为例,采用该方法进行斜浪中参强激励横摇运动的数值模拟,并与试验结果进行对比,验证了数值方法的正确性。在数值模拟的基础上,使用多尺度法求出解析解,并求出了平凡解和周期解的稳定域。     

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。     

波浪中航行船舶水动力和运动分析的Rankine源高阶面元法研究

基于三维频域势流理论,采用计及定常绕流影响的物面和自由面条件,建立了求解波浪中航行船舶水动力和运动响应的Rankine源高阶面元法。采用九节点等参单元离散船体表面,引入Rayleigh人工阻尼项消除自由面截断处波浪的反射,并基于积分方法计算物面条件中的mj项。为了反映波浪自船头向船尾传播的特性,提高数值计算稳定性和精确性,采用二阶迎风差分格式处理自由面条件中速度势的二阶空间导数。选择不同的自由面范围和网格密度对船舶在典型工况下的水动力系数进行计算和分析,以确定达到收敛要求的离散参数取值。在此基础上,针对不同船型在不同遭遇频率下的水动力和运动响应进行数值预报,并将它们与试验及其它数值方法的结果进行对比,表明用该方法计算的结果与试验数据吻合良好。该方法与基于线性均流和常值单元离散的Rankine源法相比精度更高,对于船体外飘的船舶水动力计算要比移动脉动源法更为稳定。     

用神经风格技术辨识海上船舶的稳性参数

本文用神经网络技术对航行在海上的船舶的稳性参数进行识别。从随机横摇响应中计算随机减量。该议程类似于描述自由横摇运动的微分方程。自由横摇运动方程中的非线性特性与线性阻尼项归并成一个横摇角Φ和横摇角速度Φ的非线性函数Ｆ，然后利用带单隐含层的前馈网络来辨识这个总的函数。应用回归技术，函数Ｆ可用来识别扶正力矩参数。作为一个例子，将该技术应用于一个系列６０，ＣＢ＝０．６０船模试验。用神经网络技术预报的曲线与     

规则波浪中舰船摇荡耦合切片计算方法

[目的]切片理论方法在舰船耐波性设计中有着广泛的工程应用,该方法是针对切片平均位置来计算水动力,本质上缺少船体垂荡、纵摇与横摇的运动耦合性。为有效耦合船体垂荡、纵摇与横摇的运动,[方法]基于广义纵倾角和广义吃水增量的参数,以及船体坐标系下瞬时波面方程的解析表达式,以满足波面处压力为零的条件修正波面下压力分布的计算公式(史密斯效应);基于波面方程和压力分布修正公式,给出瞬时波面下船体切片的静水力与傅汝德—克雷洛夫波浪扰动力之和的计算方法,惯性水动力和阻尼力则采用经验公式估算。建立船体垂荡、纵摇与横摇耦合的时变系数动力学方程,采用AutoCAD图形面域技术开发计算软件,数值计算规则波浪中舰船的耦合摇荡运动。[结果]数值计算结果表明,大波高时横摇幅频曲线呈现出较为显著的因摇荡耦合导致的非线性效应,同时在横摇共振区内有明显的波浪传播方向的横摇偏摇现象。[结论]所得计算方法对于舰船高海况下的耐波性预报将产生积极的作用,计算软件可以作为耐波性设计选型的评估手段。