基于船舶运动状态的波浪外力研究

摘要

针对传统的波浪研究和波浪载荷应用相互独立的问题，本文基于船舶运动状态进行波浪监测、船舶姿态监测的研究，结合当前监测技术，详细分析了基于船舶运动状态的波浪监测技术、传感器的选用、数据的修正和记录措施，并分析了监测数据的具体应用方法。主要工作如下： （1）从实用角度出发，阐述了工程中常用的波浪理论，包括常用线性波理论、非线性波理论，简要分析了这些理论的研究方法及特点。比较各种理论，建议了实际工程应用中选择波浪理论的原则，并总结了常用波浪谱公式。 （2）针对工程应用，分析船基波浪监测的要素，围绕波浪、船体之间相互运动，详细推导了波浪的监测方法，并从当前众多监测手段中，选择适合船基监测波浪的手段：激光测波技术，并对误差、布置等做了初步建议。 考虑到波浪载荷后期应用，提出监测波浪的相对数据到绝对数据的转换问题，进而研究船舶姿态的监测，结合当前捷联惯性导航两大研究途径，选择适合监测船舶姿态的方法，对仪器的选用、误差、布置等都做了详细的分析。 在监测波浪、船舶姿态的基础上，详细推导出如何修正得到真实波长、波高数据，并详细研究了如何确保波浪监测仪器的铅垂方向稳定性问题。 参考ABS监测规范要求，提出适合本文研究系统的数据记录措施，给出各个监测环节、数据修正环节的流程图，根据监测数据、修正数据各自的特点，提出这些数据各自的应用领域。 （3）从船舶稳性、结构最值得关注的安全角度出发，分析基于船舶姿态监测的操纵安全预报，提出针对具体船舶、航区建立具体预报数据库的概念，通过分析提出经验公式的形式，跳出传统耗时的仿真途径。 （4）根据船基波浪监测和常规波浪研究的不同，提出船基波浪后期研究中建立波浪方向谱的必然性，并参考资料分析得到方向谱的制作方法。 （5）对本文课题的应用进行了展望，并提出本文研究课题面临的理论和技术难点，为以后的研究指明方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1本文的意义和目的

1.1.1船基波浪监测研究的必要性

1.1.2本文主要工作

1.2波浪研究方法与发展现状

1.2.1谱的应用

1.2.2波浪的非线性研究

1.2.3波浪的时域研究

1.3海浪谱的发展状况

1.3.1世界海浪谱的发展

1.3.2我国海浪谱的发展

1.4波浪实时监测的研究

1.4.1波浪监测方法

1.4.2船舶运动状态监测

第2章 波浪外力

2.1线性波理论

2.1.1小振幅线性波

2.1.2随机波浪理论

2.2非线性波浪理论

2.2.1 Stokes波理论

2.2.2孤立波和椭余波

2.2.3余摆线波理论

2.2.4流函数理论

2.2.5破碎波

2.3波浪理论的比较

2.4实用波浪谱

2.4.1无限风距的海浪谱

2.4.2 JONSWAP谱和Wallops谱

2.4.3浅水风浪谱和涌浪谱

2.4.4方向谱

第3章船基波浪监测和数据处理

3.1波浪的监测

3.1.1波浪要素

3.1.2激光测波技术

3.1.3船基激光测波要求

3.1.4激光测波仪的布置

3.2船舶姿态的监测

3.2.1船舶姿态

3.2.2 GPS系统

3.2.3捷联惯性导航

3.2.4 GPS与捷联惯性导航的配合

3.2.5姿态监测仪器的布置

3.3波浪采样的修正

3.3.1波浪采样要求

3.3.2航速的修正

3.3.3升沉的修正

3.3.4横摇对升沉的影响

3.3.5倾斜的修正

3.4波浪数据的记录和用途

3.4.1波浪相对数据的记录和用途

3.4.2波浪绝对数据的处理和用途

3.5船基监测系统流程图

3.6本章所作工作

第4章波浪监测数据的即时应用

4.1即时预报的对象

4.1.1大倾角

4.1.2砰击

4.1.3甲板上浪

4.1.4尾淹与打横

4.1.5弯矩及剪力

4.2影响船舶水动力性能的因素

4.2.1船舶要素

4.2.2装载

4.2.3航速

4.2.4摇荡

4.3即时预报的要求

4.3.1即时预报的参数

4.3.2理论计算预报的不足

4.3.3经验公式与统计的应用

4.4即时预报方法

4.4.1大倾角预报

4.4.2砰击预报

4.4.3甲板上浪预报

4.4.4尾淹和打横预报

4.5即时预报的综合处理

4.6本章所作工作

第5章波浪方向谱

5.1研究方向谱的必要性

5.2船基方向谱的特殊性

5.3船舶摇荡时历的处理

5.3.1摇荡谱的计算

5.3.2幅值响应算子

5.3.3波浪时历生成

5.4计算海浪方向谱

5.4.1计算海浪的自协方差和互协方差

5.4.2海浪方向谱估计值

5.4.3海浪方向谱扩展函数

5.5船基方向谱面临的问题

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目