斜浪中船舶参强激励横摇运动研究

摘要

船舶在斜浪中航行时，同时受到参数激励和波浪强迫激励的作用，易发生参强激励横摇运动，导致船舶大幅度横摇运动甚至倾覆。
　　本文以大型C11集装箱船为例探索斜浪中船舶参强激励横摇运动的力学机理，对指导船舶在恶劣海况下安全航行有重要意义。主要内容如下:
　　船舶在波浪中运动时，垂荡、纵摇对横摇运动的影响较大，建立横摇、垂荡和纵摇三自由度的耦合运动微分方程，并考虑非线性的恢复力和横摇阻尼力矩的影响。其中随时间变化的横摇恢复力矩是参数激励项，根据瞬时船舶与波浪的相对位置，编制瞬时非线性恢复力程序;横摇非线性阻尼采用线性加立方阻尼的形式，阻尼系数由实验获得;而附加质量系数、线性垂荡和纵摇阻尼系数，以及波浪强迫激励采用三维势流理论计算。并采用龙格库塔方法数值求解船舶运动微分方程，分析相关因素的影响。
　　同时提出了一种简单预报斜浪中参强激励横摇运动的方法，即考虑简谐变化的垂荡和纵摇运动，以及初始波峰位置的影响，以瞬时恢复力程序为基础计算时变的初稳心高，建立1.5自由度的横摇运动微分方程，应用龙格库塔方法求解横摇运动解微分方程。数值分析发现船舶大幅度横摇运动时，初稳心高呈单一频率简谐变化，将其拟合成简谐函数，并代入到横摇运动微分方程，应用多尺度法求解其近似解析解，并根据弗洛凯理论分析解的稳定性，确定船舶发生参强激励横摇运动的参数范围。
　　通过以上研究可以得到以下结论:斜浪中船舶参强激励横摇运动属于多频响应，包括波浪激励频率及主参数共振频率。在满足参数横摇发生条件时，改变初始时刻波峰位置，船舶参强激励横摇运动可能会消失。对于C11集装箱船，船舶在首斜浪航行容易发生参强激励横摇运动，比在尾斜浪中航行危险。同时随着波高的增大，船舶发生参强激励横摇的波长、航速和航向角范围也随之扩大。
　　通过解的稳定域，可以确定船舶在斜浪中发生参强激励横摇的波高、遭遇频率与横摇固有频率比的范围;同时研究发现随着波高的增大，频率比范围扩大;波高继续增大，频率比范围有减小的趋势。通过横摇运动随遭遇频率变化的分岔曲线，可以确定船舶发生参强激励横摇的遭遇频率范围。当船舶发生横摇主共振时，横摇运动为单倍周期运动;当船舶发生主参数共振时，横摇运动为2倍周期运动。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 船舶参数横摇运动的研究现状

1．2．1 国外参数横摇的研究现状

1．2．2 国内参数横摇的研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 线性船舶运动研究方法

2．1 基本理论

2．1．1 线性波理论

2．1．2 波浪的绕射和辐射理论

2．1．3 势流理论

2．2 算例分析

2．2．1 水动力模型的建立

2．2．3 水动力参数分析

2．3 本章小结

3 非线性振动问题研究方法

3．1 实验方法

3．1．1 实验水池介绍

3．1．2 实验模型介绍

3．1．3 实验分析

3．2 数值方法

3．3 解析方法

3．3．1 参数激励振动

3．3．2 多尺度法

3．3．3 弗洛凯理论

3．4 本章小结

4 斜浪中船舶三自由度运动方程数值模拟

4．1 船舶运动微分方程的建立

4．1．1 船舶运动坐标系

4．1．2 船舶运动方程

4．2 瞬时非线性恢复力

4．2．1 瞬时恢复力计算方法

4．2．2 瞬时恢复力计算方法验证

4．2．3 横摇恢复力矩的变化规律

4．3 实例分析

4．4 数值解与实验值对比

4．5 影响因素分析

4．5．1 初始波峰位置的影响

4．5．2 波长与船长比的影响

4．5．3 傅汝德数Fn的影响

4．5．4 航向角对横摇运动影响

4．7 本章小结

5 斜浪中船舶1．5自由度运动方程数值模拟

5．1 数值分析方法介绍

5．2 数值解与实验值对比

5．3 本章小结

6 斜浪中船舶1．5自由度运动方程解析求解

6．1 解析分析方法介绍

6．1．1 斜浪中船舶1．5自由度运动方程

6．1．2 船舶运动方程的近似解析解

6．2 解的稳定性分析

6．2．1 平凡解的稳定性分析

6．2．2 周期解的稳定性分析

6．2．3 倍周期分岔和跳跃现象

6．3 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢