風(fēng)浪中大型集裝箱船橫搖穩(wěn)定性及航行安全性研究.pdf

1、隨著集裝箱船的大型化以及集裝箱船運(yùn)輸在國際海運(yùn)中所占比重的逐漸提高，集裝箱船受到越來越多的關(guān)注，集裝箱船的橫搖穩(wěn)性與航行安全性也成為船舶設(shè)計(jì)和使用人員最為關(guān)心的問題之一。集裝箱船在航行時(shí)一般容易發(fā)生迎浪中的參數(shù)橫搖、橫浪中的大幅諧搖，造成過度運(yùn)動(dòng)和過度加速度，從而容易引起裝載貨物的損壞和丟失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生船舶傾覆的災(zāi)難性事故，造成巨大的人員與財(cái)產(chǎn)損失。與此同時(shí)，第二代完整穩(wěn)定規(guī)范要求以現(xiàn)代船舶力學(xué)的最新研究成果為手段，從物理現(xiàn)象入手，深

2、入研究穩(wěn)性失效的機(jī)理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴船舶的大幅非線性橫搖運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上可描述為一個(gè)非線性動(dòng)力系統(tǒng)，為了分析船舶的非線性橫搖運(yùn)動(dòng)特征，首先要確定船舶的非線性因素。船舶橫搖時(shí)的非線性因素主要來自于非線性恢復(fù)力矩和非線性阻尼力矩，論文分別采用數(shù)據(jù)最小二乘擬合與開展靜水中的橫搖衰減試驗(yàn)來分別確定非線性恢復(fù)力矩和阻尼力矩系數(shù)，建立橫浪中單自由度運(yùn)動(dòng)方程。運(yùn)用多尺度方法近似求解了船舶在正橫規(guī)則波中的橫搖近似解析解，并進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證。

3、同時(shí)，定性分析了兩種非線性因素即非線性恢復(fù)力和非線性阻尼力對(duì)橫搖穩(wěn)態(tài)解的影響。⑵考慮到船舶實(shí)際航行中的海況條件，研究了兩類系統(tǒng)下船舶非線性橫搖穩(wěn)定性的研究方法，分別為確定性系統(tǒng)和隨機(jī)性系統(tǒng)。對(duì)于確定性系統(tǒng)，本文采用 Melnikov函數(shù)方法，通過求解函數(shù)的一階簡單零點(diǎn)得到混沌閾值。對(duì)于隨機(jī)性系統(tǒng)，推導(dǎo)了隨機(jī)Melnikov均方準(zhǔn)則和相空間轉(zhuǎn)移率的計(jì)算公式。⑶對(duì)于像大型集裝箱船這種水線面以上有巨大受風(fēng)面積的船舶而言，風(fēng)載的影響不能忽略。文

4、中分析比較了計(jì)算風(fēng)載荷系數(shù)的三種不同方法：CFD數(shù)值模擬、NK規(guī)范法和Isherwood經(jīng)驗(yàn)公式，并將風(fēng)載模型加入到非線性橫搖動(dòng)力系統(tǒng)中，此時(shí)橫搖系統(tǒng)由對(duì)稱系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?duì)稱系統(tǒng)。對(duì)于風(fēng)載與規(guī)格海浪聯(lián)合作用的情況，計(jì)算了系統(tǒng)Melnikov函數(shù)的簡單零點(diǎn)以確定混沌閾值，并以最大李雅普諾夫指數(shù)作為數(shù)值驗(yàn)證，此外觀察了波浪激勵(lì)大于系統(tǒng)閾值時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定域逐步破損的過程，這表明橫搖系統(tǒng)已經(jīng)失穩(wěn)，傾覆即將發(fā)生。通過對(duì)風(fēng)浪聯(lián)合作用時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，定

5、量評(píng)估了風(fēng)載對(duì)于系統(tǒng)非對(duì)稱程度和穩(wěn)定性的影響。⑷由于船舶航行的實(shí)際海洋環(huán)境是不規(guī)則波，所以有必要對(duì)非對(duì)稱隨機(jī)橫搖系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。論文根據(jù)隨機(jī) Melnikov均方準(zhǔn)則推導(dǎo)了隨機(jī)系統(tǒng)下的相流函數(shù)和相空間轉(zhuǎn)移率，以相空間轉(zhuǎn)移率作為船舶穩(wěn)性損失的度量。針對(duì)非對(duì)稱系統(tǒng)下軌道參數(shù)方程難以解析求解的困難，文中求解離散時(shí)間解，并通過離散時(shí)間傅里葉變換確定出橫搖系統(tǒng)在風(fēng)載與隨機(jī)海浪作用下的臨界激勵(lì)閾值曲線。對(duì)于隨機(jī)情形，從概率的角度出發(fā)采用傾覆概率

6、云圖的方式完成了數(shù)值驗(yàn)證工作，證明了隨機(jī) Melnikov函數(shù)方法在研究非對(duì)稱隨機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)的有效性，并將云圖結(jié)果進(jìn)一步用于航行于特定航線的集裝箱船橫搖傾覆概率的計(jì)算。⑸追蹤第二代完整穩(wěn)性規(guī)范研究制定的最新進(jìn)展，最后從二代穩(wěn)性和過度加速度的角度對(duì)集裝箱船的航行安全性做了一些基本的研究工作。分別從船上作業(yè)人員和裝載貨物的角度討論了安全因子、準(zhǔn)則（criteria）和標(biāo)準(zhǔn)（standard）；研究了集裝箱船的過度橫搖運(yùn)動(dòng)和發(fā)生條件；針