船舶参数横摇发生区间和幅值分布研究

摘要

船舶参数横摇因其在实际海况中有一定的发生概率以及其能引起的巨大损失，被国际海事组织(IMO)在第二代完整稳性衡准研究中确定为五种船舶稳性失效模式之一，近年来被广泛研究。本文以C11型集装箱船在规则波中的航行为研究对象，对其在全浪向下可能发生的参数横摇运动进行数值模拟计算，并在此基础上考虑风载荷对船舶参数横摇的影响，对比分析两种情况下的计算结果。使用多尺度法分别求解含风力激励项和不含风力激励项的船舶参数横摇运动方程的解析解，并对解析解和数值解的结果进行比较分析。
　　在满足参数横摇频率要求的前提下，通过对遭遇频率公式在一系列确定的航速和航向组合下的波浪频率值的求解，结合易于发生参数横摇的波长-船长关系，预测出船舶可能发生参数横摇的区间。在此区间内选取若干海况组合，使用AQWA-NAUT软件进行数值计算。数值计算考虑瞬时湿表面变化的影响，使用非线性横摇阻尼系数，控制航速和航向。根据数值计算结果，得到每种海况下的船舶横摇运动时间历程曲线以及横摇幅值频谱图。通过观察船舶横摇角幅值大小和幅值频谱图中的横摇主频率与遭遇频率的比值以及横摇幅值的分布规律，总结分析该船在不同浪向、航速时发生参数横摇运动的特点。结果很好的验证了本文关于C11集装箱船参数横摇发生区间预测结果的准确性。在遭遇频率等于两倍横摇固有频率的前提下，当航速和波高满足一定条件时，船舶在斜浪、甚至横浪中都有可能会发生参数横摇;航速、波高波长比值都相同时，越接近纵浪，发生参数横摇的横摇幅值越大;当发生参数横摇时，遭遇频率对应的强迫激励项横摇幅值分量在斜浪中非常小，在纵浪中几乎为零;同时，波高的改变会导致横摇激励的主要形式在参数激励和强迫激励之间发生转变。
　　本文首次在船舶参数横摇的研究中考虑风载荷的影响，在数值模拟时，使用藤原敏文风载荷系数计算理论，添加定常风载荷作用，将其数值计算结果与未考虑风载荷影响的计算结果进行对比分析。结果表明:定常风载荷对船舶的作用一部分体现在给了船舶一个定常的横倾值，另一部分改变了船舶的参数激励强度，从而会改变船舶的参数横摇运动状态。在进行解析解研究时，分别建立包含风载荷激励项和不包含风载荷激励项的船舶参数横摇运动方程，使用多尺度法进行解析求解，并将解析解结果与数值计算结果进行对比。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 参数横摇研究进展

1．2．2 风载荷计算研究进展

1．3 本文工作

2 基本理论

2．1 运动方程

2．1．1 运动坐标系

2．1．2 船舶运动方程

2．2 船舶参数横摇运动数学模型

2．2．1 纵浪和斜浪中船舶参数横摇运动方程

2．2．2 考虑风载荷的参数横摇运动方程

2．3 风载荷计算理论

2．3．1 Isherwood方法

2．3．2 藤原敏文方法

2．4 试验模型与计算方法介绍

2．4．1 试验模型介绍

2．4．2 数值模拟方法

2．4．3 解析求解方法

2．5 本章小结

3 船舶参数横摇运动数值模拟研究

3．1 C11集装箱船参数横摇发生区间

3．2 多角度参数横摇数值模拟

3．2．1 数值计算海况组合

3．2．2 数值计算结果

3．2．3 结果分析

3．3 考虑风载荷参数横摇数值模拟

3．3．1 C11船风载荷系数

3．3．2 数值计算结果及分析

3．4 本章小结

4 船舶参数横摇运动解析解

4．1 确定参数激励项

4．2 斜浪参数横摇方程解析解

4．2．1 不考虑风载荷情况

4．2．2 考虑风载荷情况

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 全文结论

5．2 研究展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢