斜浪中船舶運動動力特性及傾覆機理研究

《斜浪中船舶運動動力特性及傾覆機理研究》是依託大連理工大學,由李紅霞擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：斜浪中船舶運動動力特性及傾覆機理研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李紅霞

項目摘要

船舶在斜浪中航行時，外部施加的波浪力、風力等強迫擾動力矩和船舶自身橫搖回復力矩係數波動這一參數激勵往往聯合作用於船舶的橫搖運動，在橫搖運動主共振區附近，各自由度之間都存在強烈的耦合效應。為了確定船舶在風浪中最安全的航速和航向，設計出性能更優良的船型，有必要綜合考慮操縱性和耐波性，研究斜浪中的船舶在多種航速和航向組合時，在參數激勵和強迫激勵聯合作用下的橫搖運動及其穩定性。對此，擬採用剛體動力學和流體力學方法建立船舶六自由度耦合運動方程，數值求解六自由度耦合運動方程，分析波浪參數對船舶運動及橫搖穩性的影響，採用非線性動力學理論分析規則斜浪中船舶非線性橫搖運動的分岔和混沌現象，確定運動的穩定域；將數值計算結果、理論分析結果與模型試驗結果進行比較分析。該研究可揭示船舶在斜浪航行時，發生大幅橫搖和傾覆的力學機理。

結題摘要

本項目研究了斜浪中船舶的運動特性及傾覆機理，完成了申請時所提出的研究任務。在數值仿真方面：綜合考慮操縱性和耐波性，建立了船舶六自由度耦合運動方程；橫搖、縱搖和垂盪運動的回覆力（力矩）根據瞬時船、波相對位置積分求解；分別編制了數值求解六自由度和三自由度（橫搖、縱搖、垂盪）耦合運動的軟體，輸入船體型線、重量重心、波浪參數、螺旋槳和舵參數、航向航速等即可求解出六自由度或三自由度耦合運動時歷。在實驗研究方面：本項目於2012年3月，在中國船舶研究中心開展了斜浪中船模搖擺運動實驗，這也是國內外首次開展的斜浪中參數激勵橫搖實驗研究；實驗發現，在斜浪中也會發生大幅參數激勵橫搖運動；實驗結果與數值模擬結果對比發現，考慮船、波瞬時相對位置對回復力（力矩）的影響得到的結果與實驗結果吻合較好，反之則與實驗結果相差很大。在進行耦合運動數值仿真時，發現初始的船、波相對位置，對數值計算的穩定橫搖幅值影響較大。實驗值一般比較接近數值計算的最大值。由於經費所限，未對這一影響因素進行深入的實驗研究。在理論分析方面：根據數值方法擬合出橫搖回復力的表達式，採用多尺度方法求解出運動微分方程的近似解析解，分析了解的穩定性；根據floquent理論求解出參強激勵橫搖運動的穩定域，並分析了系統運動的分岔；結果顯示，解析解與數值解和實驗結果吻合較好。在數值仿真、實驗研究、理論分析的基礎上，採用安全盆理論，分析了船舶初始橫搖角和橫搖角速度對橫搖運動的影響。發現與線性耦合運動相比，考慮回復力非線性耦合的系統，安全盆的形狀基本沒有變化，但是後者的穩定運動幅值比前者要大很多，更接近實驗結果。此外，本項目還分析了船舶的航速、航向、波高、波長對船舶運動的影響。發現當遭遇頻率接近船舶橫搖固有頻率時，橫浪和斜浪中都會發生比較大幅的橫搖，橫搖運動頻率等於遭遇頻率；當遭遇頻率接近橫搖固有頻率的兩倍時，縱浪和斜浪中可能發生大幅的參數激勵橫搖運動，此時橫搖頻率等於遭遇頻率的1/2；當波高增大時，參數激勵橫搖幅值可能呈現先增大後減小的趨勢；當相對波長和船長接近時，更易引發斜浪中的參數激勵橫搖運動。因實驗是在2012年4月份完成，因此已發表的論文均為數值模擬研究的成果。共發表了3篇國際會議論文；5篇國內會議論文；一篇被《船舶力學》錄用。關於實驗研究和理論分析成果有4篇論文在審。此外，完成一套船舶全浪向非線性耦合運動仿真軟體的編制。