面向安稳期预报的船舶运动时域预报方法研究

摘要

船舶在海上作业，由于风浪流的作用，产生六自由度的摇荡运动，对海上作业的作业效率和作业安全产生严重影响。但即便是在非常恶劣的海况下，仍会存在船舶运动幅值满足作业要求、持续时间足够作业完成的时间段，该时间段为船舶运动安稳期，准确预报并充分利用船舶运动安稳期，可以提高诸如舰载直升机着舰、潜器布放回收等海上作业的作业效率、保证作业安全。本文主要围绕船舶运动安稳期预报方法，完成以下方面的工作：
　　1.总结现有船舶运动安稳期预报系统的技术发展现状，总结安稳期预报系统的主要技术流程，其关键技术包括雷达测波及波浪场重构技术、波浪传播预报技术和船舶运动预报技术。并通过高海况舰载直升机着舰作业模拟计算，对安稳期的存在性进行分析，结果表明即便是恶劣海况，安稳期也广泛存在于船舶作业过程中。
　　2.研究两种可用于船舶运动安稳期预报系统的船舶运动预报方法，系统对其有计算速度快、精度高的要求，一是基于幅频响应算子的谱分析方法（RAO方法），二是基于脉冲响应函数的时域方法（IRF方法）。RAO方法的关键是准确求解船舶运动RAO，本文通过自编STF法计算程序求解，二维水动力系数采用扩展边界积分方程的方法，该方法在国外典型船舶运动安稳期预报系统中已有应用。IRF方法的关键是各脉冲响应函数的求取，本文采用两种方法，频-时转换间接方法和直接时域方法，该方法为船舶运动安稳期预报系统中的首次使用。间接方法就是通过傅里叶变换由频域解求得相应的脉冲响应函数，频域解通过STF法求得；直接时域方法通过船舶运动时域切片计算程序求解各脉冲响应函数满足的定解条件。
　　3.时域切片方法是利用船体细长的特点，通过细长体假设、高频低速假设和不计定常势三个假设，将船体所满足的三维时域定解条件转换为横剖面满足的二维时域定解条件，进而可求得全船的受力及运动响应，该方法计算效率较三维时域方法显著提高。通过二维推板造波、二维浮体强迫运动等算例验证二维边界元计算程序的计算稳定性；通过计算WigleyI船、S175集装箱船、8000TEU集装箱船、57000DWT散货船和KVLCC等5艘船的运动响应，并通过试验结果的比较，验证本文时域切片方法的稳定性。
　　4.通过水池模型试验，验证本文采用的两种船舶安稳期运动预报方法的适用性。水池试验中，通过在船模前几米处布置浪高仪，用于模拟雷达对远方的波浪信息的测量，作为船舶运动预报方法的输入波浪信息。试验结果表明，两种方法在计算效率和计算精度方面都能满足安稳期预报系统的使用需求。同时通过水池试验，验证短范围波浪传播预报方法的适用性。

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第1章 绪论

1.1 本文研究背景及意义

1.2 船舶运动安稳期预报技术研究现状

1.3 船舶运动预报方法研究现状

1.4 本文主要工作内容

第2章 船舶运动安稳期及安稳期预报概念介绍

2.1 船舶运动安稳期概念介绍

2.2 船舶运动安稳期存在性分析

2.3 船舶运动安稳期预报系统介绍

2.4 本章小结

第3章 基于切片理论的船舶运动时域预报方法

3.1 船舶运动基本理论

3.2 时域切片计算模型

3.3 二维水动力系数求解

3.4 船舶运动计算结果分析

3.5 本章小结

第4章 船舶运动安稳期预报方法

4.1 随机海浪理论及谱分析方法

4.2 基于幅频响应算子的船舶运动安稳期预报方法

4.3 船舶受力的脉冲响应函数表达形式

4.4 基于脉冲响应函数的船舶运动安稳期预报方法

4.5 数值验证

4.6 本章小结

第5章 船舶运动安稳期预报方法水池模型试验验证

5.1 试验概况

5.2 试验方案

5.3 试验结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢