船舶在纵横摇耦合下的非线性动力学特性研究

摘要

在船舶耐波性的研究过程中发现波浪以及船舶自身的一些因素会对船舶的运动状态产生影响，这些因素将会导致船舶呈现出六自由度摇荡运动。在一定程度上，这些摇荡运动及其产生的复杂的动力学效应会降低船舶的稳定性和安全性。在船体坐标系的六个自由度摇荡运动中，船舶的横摇运动和纵摇运动对船舶运动状态的影响是最大的，因此，在对船舶运动进行研究的过程中，准确的掌握船舶横摇运动和纵摇运动的各种非线性动力学特性是一项十分重要的工作，研究船舶横摇运动和纵摇运动的非线性动力学行为是考察船舶稳定性的关键性问题之一。为此，本文做了以下工作：
　　（1）建立船舶纵横摇耦合运动动力学模型
　　本文以水平约束下处于自由模式的船舶系统作为研究对象，假设船舶初始时处于正浮状态，没有航速。在此基础上，采用欧拉角描述船舶的摇摆运动，对船舶在规则波作用下的受力情况进行分析后，分别推导出船舶系统动能、势能、阻尼力矩、波浪力和规则波复原扰动力矩的表达式，最后在拉格朗日方程的基础上，建立了假设船舶参数下的纵横摇耦合运动数学模型。
　　（2）分析船舶单自由度横摇与纵摇运动的动力学特性
　　在前面推导的动力学模型的基础上，采用经典的龙格库塔法对方程组进行数值计算，分析规则波扰动力矩不同振幅、不同初始相位角、不同波浪频率和不同的角度控制参数对船舶单自由度横摇和纵摇运动动力学特性的影响。
　　（3）分析船舶在纵横摇耦合作用下的动力学特性
　　通过数值计算的方法研究规则波扰动力矩不同振幅、不同波浪频率和不同的角度控制参数对船舶纵横摇耦合状态下横摇和纵摇运动动力学特性的影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景及理论意义

1.2 早期稳性理论的研究

1.3 现代船舶摇晃的分析方法

1.4 船舶稳性在规则波浪中的研究现状

1.5 船舶在不规则波浪中稳性的研究现状

1.6 本文主要工作和创新点

第2章 非线性动力学的基础理论

2.1 非线性系统的定性分析

2.2 平衡点的分叉现象

2.3 混沌现象

2.4 本章小结

第3章 船舶纵横摇耦合运动数学模型

3.1 前期理论准备

3.2 船体运动坐标系和基本假设

3.3 惯性矩和附加惯性矩

3.4 基于拉格朗日方程的船舶动力学方程组

3.5 船舶参数

3.6 模型对比分析

3.7 本章小结

第4章 单自由度横摇与纵摇运动动力学特性分析

4.1 理论基础

4.2 船舶单自由度横摇运动动力学特性分析

4.3 船舶单自由度纵摇运动动力学特性分析

4.4 本章小结

第5章 船舶纵横摇耦合运动动力学特性分析

5.1 波浪激励振幅的变化对船舶横摇和纵摇运动特性的影响

5.2 波浪激励频率的变化对船舶横摇和纵摇运动特性的影响

5.3 角度控制参数的变化对船舶横摇和纵摇运动特性的影响

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

附录一 解方程组的MATLAB程序

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢