統(tǒng)一模型下船舶縱浪中的非線性橫向失穩(wěn)運動的預(yù)報與規(guī)避研究.pdf

1、惡劣海況下，船長通常會保持在橫向干擾小的縱浪下航行以避免橫風(fēng)橫浪下大幅橫搖引起失穩(wěn)傾覆的發(fā)生。然而近年來，船舶尤其是一些特定船型在縱浪中航行時發(fā)生參數(shù)橫搖和騎浪橫甩等非線性橫向失穩(wěn)現(xiàn)象的概率也大幅提高，其危害不可忽視。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）也正著手將包括參數(shù)橫搖和騎浪橫甩在內(nèi)的五種波浪中失穩(wěn)模態(tài)納入第二代完整穩(wěn)性規(guī)范的制定中，其生效將給我國造船業(yè)帶來巨大的機遇與挑戰(zhàn)

2、。由此本文進(jìn)行了兩種主要的船舶縱浪中橫向失穩(wěn)運動——參數(shù)橫搖與騎浪橫甩的數(shù)值模擬、實驗和規(guī)避研究，以期對縱浪中橫向失穩(wěn)運動的發(fā)生機理、影響因素和規(guī)避有深入理解，為我國的二代完整穩(wěn)性規(guī)范IMO提案提供有力理論支撐。
　　研究中首先基于統(tǒng)一理論開發(fā)操縱性和耐波性運動耦合的弱非線性六自由度（6 DegreesofFreedom，6DOF）時域數(shù)值模擬程序Safe-Stab（Safety Assessment of Ship Dynami

3、c Stability in Waves）用于參數(shù)橫搖和騎浪橫甩等縱浪中失穩(wěn)模態(tài)的數(shù)值模擬，同時對程序中的各模塊單獨進(jìn)行了驗證。
　　實驗研究對于深入了解參數(shù)橫搖和騎浪橫甩的發(fā)生機理以及數(shù)值模型的驗證起著重要作用。本文在拖曳水池中進(jìn)行了KCS（KRISO Container Ship）集裝箱船和一艘萬箱集裝箱船的迎浪參數(shù)橫搖自航模實驗，還分析了一艘42m圍網(wǎng)漁船尾隨浪下騎浪橫甩自航模實驗的結(jié)果。參數(shù)橫搖實驗中，發(fā)現(xiàn)參數(shù)橫搖會發(fā)生在

4、橫搖固有周期Troll與波浪遭遇周期Te比Troll/Te約為2附近，當(dāng)航速過小或過大時，Troll/Te偏離2這一參數(shù)橫搖發(fā)生條件過大，造成參數(shù)橫搖很難發(fā)生。舭龍骨對于削弱參數(shù)橫搖發(fā)生時達(dá)到的穩(wěn)定橫搖幅值具有重要作用。同時實驗中發(fā)現(xiàn)與相對小的KCS集裝箱船不同，大型萬箱集裝箱船發(fā)生參數(shù)橫搖后由于增阻降速與舵出水會發(fā)生一定的偏航。此外還分析了不規(guī)則波中參數(shù)橫搖的普遍非各態(tài)歷經(jīng)性，驗證了不規(guī)則波中參數(shù)橫搖的分析需要進(jìn)行同一工況下的多次重復(fù)

5、實驗，以克服普遍非各態(tài)歷經(jīng)性。同時還進(jìn)行了短峰波中的參數(shù)橫搖實驗，發(fā)現(xiàn)短峰波中的橫搖既包括了參數(shù)橫搖又包括了周期與波浪遭遇周期相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)橫搖。騎浪橫甩自航模實驗中選取了具有不同速度和波高的工況。各工況結(jié)果顯示當(dāng)傅汝德數(shù)達(dá)到0.35到0.4附近時，騎浪以及騎浪后橫甩會隨著波高增大而發(fā)生。
　　基于實驗結(jié)果對Safe-Stab程序的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。首先采用程序?qū)CS和萬箱集裝箱船的迎浪參數(shù)橫搖進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報，并通過與兩者的實驗結(jié)果進(jìn)

6、行對比驗證了程序在這兩艘具有不同尺度的集裝箱船上均可以得到與實驗符合較好的參數(shù)橫搖預(yù)報結(jié)果。然后采用程序?qū)?2m圍網(wǎng)漁船和ITTC A2圍網(wǎng)漁船尾隨浪中的騎浪橫甩運動進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了定性和定量的對比，結(jié)果均符合的較好，充分驗證了此程序在騎浪橫甩數(shù)值模擬上的準(zhǔn)確性。
　　采用經(jīng)過充分實驗驗證的Safe-Stab程序進(jìn)行了參數(shù)橫搖和騎浪橫甩的影響因素和規(guī)避研究。對一艘3100箱集裝箱船進(jìn)行迎浪規(guī)則波和不規(guī)則波下的參數(shù)

7、橫搖數(shù)值預(yù)報，發(fā)現(xiàn)隨著航速的增加，由于Troll/Te更加接近2，參數(shù)橫搖隨之發(fā)生且達(dá)到的穩(wěn)定幅值也會增大。隨著波陡的增加，由于波浪中回復(fù)力變化幅度變大，參數(shù)橫搖幅值變大。通過不規(guī)則波中的數(shù)值模擬驗證了不規(guī)則波中參數(shù)橫搖的普遍非各態(tài)歷經(jīng)性。指出在進(jìn)行不規(guī)則波中參數(shù)橫搖統(tǒng)計分析時，同一波譜工況下需進(jìn)行至少8次長約半小時的重復(fù)實現(xiàn)以克服普遍非各態(tài)歷經(jīng)性。通過重復(fù)實現(xiàn)可以一定程度上抑制普遍非各態(tài)歷經(jīng)性，但卻無法完全消除。通過對圍網(wǎng)漁船的騎浪橫

8、甩數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)舵出水及波浪粒子速度對舵來流速度的削弱是尾隨浪下舵效損失的主要原因。舵效損失是尾隨浪下騎浪后橫甩運動發(fā)生的關(guān)鍵影響因素，且影響主要在傅汝德數(shù)達(dá)到0.36時開始顯現(xiàn)。
　　參數(shù)橫搖和騎浪橫甩的發(fā)生伴隨有船舶大幅橫搖甚至傾覆，會造成較大的經(jīng)濟損失，因此對于兩者的超前預(yù)警和規(guī)避研究有著重要的工程應(yīng)用價值。本文中，基于增量實時Hilbert-Huang變換(Incremental Real-timeHilbert Huang

9、 Transform，IR-HHT)開發(fā)了一種參數(shù)橫搖超前預(yù)警算法，通過數(shù)值模擬和模型實驗驗證了超前預(yù)警算法可以有效地在橫搖角較小的時刻預(yù)報參數(shù)橫搖的發(fā)生。然后通過數(shù)值模擬和規(guī)則波、不規(guī)則波中的實驗充分驗證了舵減參數(shù)橫搖的有效性。研究發(fā)現(xiàn)在參數(shù)橫搖發(fā)生初期，橫搖幅值較小的時候，通過超前預(yù)警算法的預(yù)報結(jié)果來開啟舵減搖控制器，減搖效果較好。
　　以ITTC A2圍網(wǎng)漁船為基礎(chǔ)，在船舶設(shè)計階段通過改變船舶浮心縱向位置和設(shè)置舭龍骨來規(guī)避騎