基于操纵与耐波统一模型的船舶迎浪参数横摇数值预报及其舵减摇研究

摘要

国际海事组织(IMO)正致力于第二代船舶完整稳性规范的制定,参数横摇一直是船舶波浪中完整稳性研究中的热点。本研究中采用考虑船舶操纵性和耐波性运动耦合的六自由度统一模型(Unified Model)对迎浪下的船舶参数横摇运动进行了数值模拟。在此时域模型中,船舶六自由度耐波性运动基于脉冲效应函数法计算。非线性回复力和F-K力采用瞬时湿表面压力积分方法计算得到。船舶纵荡、横荡与艏摇三自由度操纵性运动模型基于MMG模型,最终依据统一理论,将操纵性运动和耐波性运动在同一坐标系下进行叠加。采用此六自由度模型可以计入各自由度运动和非线性回复力对参数横摇的影响。同时,耦合操纵性运动有助于考察船舶速度变化及桨舵作用力对参数横摇的影响。同时还对参数横摇统一模型各模块进行了验证,并将模拟结果与一艘3100箱集装箱船模型的自航模参数横摇实验结果进行对比。
　　本研究基于简化的三自由度模型对三艘集装箱船进行了不同航速、波陡和装载工况下的参数横摇样船计算。籍此讨论了各因素对参数横摇影响的机理,其中波高与方形系数影响初稳性高GM变化的幅值,横摇惯性矩、航速和初稳性高影响遭遇频率与横摇自然频率间的关系进而影响参数横摇的发生。通过统一模型与简化模型间结果对比,发现迎浪规则波下随时间变化的航速对参数横摇结果有很大影响,考虑了航速变化的统一模型最后达到的参数横摇稳定幅值普遍都会小于实用计算模型结果。采用统一模型对迎浪不规则波下的参数横摇进行数值模拟,分析了不同有义波高对参数横摇的影响。并对不规则波下的参数横摇运动进行统计分析,探讨了参数横摇运动的概率特性。最后应用传统PID控制方法基于统一模型在保持船舶航向的前提下进行参数横摇的舵减摇研究。结果显示控制器开启越早,横摇角越小即减摇率越好,同时其舵角摆动的幅度也越小,航向也越稳定。通过不同航速下参数横摇舵减摇模拟结果显示,与常规的舵减横摇问题不同,即使在低航速下采用舵进行参数横摇减摇依然能够取得一定的效果。

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1.1课题背景及意义

1.2 参数横摇研究现状

1.3 本研究主要工作及创新点

1.4 本研究主要内容

第2章 参数横摇运动统一模型

2.1概述

2.2运动坐标系统

2.3 NUBRS曲面与非线性回复力计算

2.4 耐波性运动数学模型

2.5 操纵性运动数学模型

2.6 运动统一模型

2.7 参数横摇数值程序验证

2.8 参数横摇实用计算模型

2.9 本章小结

第3章 参数横摇样船计算

3.1概述

3.2参数横摇样船计算

3.3 参数横摇影响因素分析

3.4操纵性运动对参数横摇影响

3.5本章小结

第4章迎浪不规则波下参数横摇研究

4.1概述

4.2不规则波下参数横摇数值计算

4.3不规则波下参数横摇统计分析

4.4 本章小结

第5章 参数横摇舵减摇研究

5.1概述

5.2舵减摇控制理论

5.3 舵减参数横摇研究

5.4 本章小结

第6章究总结与展望

6.1全文总结

6.2 研究展望

参考文献

附录A辐射力与波浪绕射力脉冲响应函数及其卷积计算

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文