船舶耐波性总结2讲解

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1、船舶耐波性总结第一章耐波性概述一、海浪的描述、。船舶耐波性是船舶在波浪中运动特性的统称，它包括船舶在波浪中所产生的 各种摇荡运动以及由这些运动引起的抨击、飞溅、上浪、失速、螺旋桨飞车和波 浪弯矩变化等性能，直接影响船舶在风浪作用下维持正常功能的能力。二、6个自由度的摇荡运动船舶任意时刻的运动可以分解为在Oxyz坐标系内船舶中心G沿三个坐标轴 的直线运动及船体绕三个坐标轴的转动。而这些运动中又有直线运动和往复运动 之分，共有12种运动形式，如下表所示。坐标轴转动直线单向运动往复运动单向运动往复运动x横倾横摇前进或后退纵荡y纵倾纵摇横漂横荡z回转首摇上浮或下沉垂荡船舶摇荡运动主要研究有波浪干扰引起

2、的船舶往复运动，其中横摇、纵摇和 垂荡对船舶航行影响最大，是研究船舶摇荡运动的主要内容。船舶摇荡是指船舶 在风浪作用下产生的摇荡运动，他们的共同特点是在平衡位置附近做周期性的震 荡作用。产生何种摇荡运动形式取决于船首方向与风浪船舶方向之间的夹角，称 为遭遇浪向。三、动力响应船舶耐波性是船舶在风浪中性能的总的反应，它主要包括船舶摇荡、砰击、 上浪、失速、螺旋桨飞车。剧烈的横摇、纵摇和垂荡对船舶产生一系列有害的影响，甚至引起惨重后果， 主要表现在以下三个方面：1）、对适居性的影响；2）、对航行使用性的影响；3）、对安全性的影响；船舶在风浪中产生摇荡运动时，船体本身具有角加速度和线加速度，因此属 于

3、非定常运动。第二章海浪与统计分析2-1海浪概述风浪的三要素：风速、风时、风区长度。风浪要素定义：表观波长、表观波幅、表观周期。充分发展海浪条件：应有足够的风时和风区长度。海浪分类：风浪、涌浪、近岸浪。风浪的要素表示方法：统计分析方法。2- 2规则波的特性波面可以用简单的函数表达的波浪称为规则波。6 =6 cos(kx -t)&为波面升高，6a为波幅，k为波数，为波浪圆频率。在深水条件下，波长人、周期t和波速c之间存在以下关系一 12兀人 八八一一九2兀、2T= I 人牝 0.8：人；人=1.56T2 ；c= =1.25人；=；kg； k=gTT 孚g波浪中水质点的振荡，并没有使水质点向前移动，

4、也没用质量传递。但是水 质点具有速度且有升高，因此波浪具有能量。余弦波单位波表面积的波浪所具有 的能量E=i pg&22 A2- 3不规则波理论基础一、不规则波的基本概念1、确定性关系和统计关系我们所讨论的不规则波引起的船舶摇荡运动等都是属于统计规律范畴之内 的。2、不规则波叠加原理为了便于问题的讨论，我们假定不规则波是由许多不同波长、不同波幅和随 机相位的单元波叠加而成的。考虑到不规则波的随机性，不规则波的波面升高方 程为：6=才& co(k x -o t+ )随机相位可以取0到2兀间的任意值。Ann 0 n nnn=1二、随机过程1、随机过程每一个浪高仪的记录代表一个以时间为变量的随机过程

5、6(t)，它是许多记录 中的一个“现实”。所有浪高仪记录的总体表征了整个海区波浪随时间的变化， 称为“样集”。2平稳随机过程1) 考虑时间t=tt=t2等处的统计特性，称为横截样集的统计特性。2) 考虑随时间变化的统计特性，称为沿着样集的统计特性。3、各态历经性对于平稳随机过程，当样集中每一个现实求得的统计特性都是相等的，而且 样集在任一瞬时的所有统计特性等于在足够长时间间隔内单一现实的所有统计 特性，满足这样条件的平稳随机过程称为具有各态历经性。三、随机过程中的概率分布1、随机性的数字特征1）数学期望2）自相关函数3）均方值4）自协方差函数5）方差x-日）22 b ；x2、几种概率分布1）正

6、态分布:（x）= exp2兀bx2xx22）瑞利分布：f（ x）=e- r R=2 b 2Rx瑞利分布的参数R可由史册中的一个现实估算得到，如果xx2，xn是由实测量得到的一组幅值，当数目n很大时，则存在关系R=1 x2n ii=13）泊松分布： p x=k =e-v丁 3 T）* 二乙-入k ！k ！四、瑞利分布的统计特性如果我们把测量的m个波幅&A按大小排列，超过1最大波幅&新 的概率为1，n则有：Lexp -%后E气n F 2bgJ1最大波幅的期望值为n1最大波幅的期望值仅是均方差的函数，具体计算值如下：n平均波幅（n=1）g =1.25* ； A&三一平均波幅（n=3）=?.。/；十一

7、平均波幅（n=10）& =2.55* ；A/10&百一平均波幅（n=100）七00=2.9气2- 4谱分析的理论分析一、频域分析和时域分析一般估计风浪和船舶运动这样的平稳随机过程的统计特性主要有两种不同的途径：一是在时间域对随机取样进行分析，称为时域分析法；另一种是通过对 随机取样在频域范围内的谱分析，结合瑞利分布的特性，对风浪、船体运动和船 体应力等的统计特性进行预报，称为频域分析法。二、谱密度函数在海浪理论中谱分析的主要功能是：确定波浪运动、确定波浪对物体的响应、 模拟波浪的运动。1、谱密度函数的定义方值等于方差，所以有：b28 S（）如xx1-3谱密度函数是从频率域角度描写随机过程，相关

8、函数则从时间域角度描写随 机过程，两者之间存在傅里叶变换关系。R（3）=S（）egE-3根据单边谱密度的定义，维纳一一辛钦公式成为：一 , 、2 .S （a）= j3R（T）cosWTdTR（t）=j3S（w）cosWTd兀 0 xx0 x从能量角度来定义谱密度S（w），则谱密度S（w）可以写成：1 Z& 22 一 - A；xxS （ W）=二,Wx W谱密度曲线下的面积是单位波面积内波浪总能量的量度，当然是衡量海况严重程度的主要因素。2、谱密度函数的数字特征1）n阶谱距：n阶谱距定义为 m =j3wnS（ w）dwn=0，1，2，当 n=0 时，有 m。3S （ w）dw=6当 n=2 时，

9、有m2= j3S （w）dw当 n=4 时，有m4= j3S （w）dw=62）谱宽参数e，它表征谱密度的分布范围g _m4一般情况下，顷于0和1之间。如果七代表符合瑞利分布的风浪标准差， 则考虑谱宽影响的风浪标准差为七_“一2 8气，三一波幅为:孔=2.0当8 0.4时，可以不考虑谱宽的影响，而直接应用瑞利分布的理论结果。2- 5风浪的谱密度公式LP-M 谱s( w)=exp (-旦)5& 5& 42、ITTC 谱 单参数谱：s( S=0exp(-K)双参数谱S( s)=4 exp(-虺L)5 55 2 45T 4 5T 4 43、JONSWAP 谱由风速和风程表示的谱公式：s 5 ( )=

10、exp(-1.25exp由波高和波浪周期表示的谱公式:0.159Tp1-exp -2 b 25 21948S ( )=319.34 w/3 3.35T 4 5( T )44、方向谱：S(, 9)=S()D(, 9)2-6线性系统的响应关系一、线性系统与线性变换二、频率响应法与脉冲响应法三、频率响应函数与频率转换 横摇的频率响应函数：丫帽()= aA船上的遭遇周期:=宫 2-7风级和浪级风速的大小从0到12分成13级的蒲福风级;风级与风速的关系U=1.63 甬, 一般习惯把海况从0到9分为10级。第三章船舶横摇目前，要当运动的研究大致从以下两个方面着手耕柱理论僵定都是州恒定附锡性系统潮播副可以用

11、祯款艘柱微分方础术困比适月 棉加域理.这单在不规则波中横摭巍报的主要何题是碰定橙播痍事厢应函数，非典性理论当横漏角比较大时，表 fl(擂愁访的微分方程的系数不再是怖敷涮舶不能再看成是时间 但定的税性系貌，上述的度加原理不再适用函烦采用另外的处理方法，3- 1由现行理论确定横摇频率响应函数一、船舶在波浪上的运动特点1、表观重力质点A所受的合力R其方向垂直于波面，合力沿着波面的法线方向，此 合力R称为表观重力。波面上任何位置的质点的表观重力沿着波面的法向方 向。2、有效波倾以 =K o以 sin 31=以 sin 313、相对横摇角和绝对横摇角0 = 0 + ar二、横摇的受力分析1、基于单纯横摇

12、方程的受力假定1) 、遭遇浪向角8=90，即波峰线平行于船体中线面；2) 、船宽远小于波长；3) 、横摇角较小，等体积倾斜，初稳性公式仍适用；4) 、入射波流场不受船体存在的影响2、横摇中所受力矩1) 、复原力矩：M( 0 )=-Dh 02) 、阻尼力矩有如下形式：摩擦阻尼：由水的粘性摩擦产生，与角速度的 平方成比例。所占比重较 小，可以忽略。兴波阻尼：船体运动形成水平面波浪，消耗本身能量而产生，与角速度的 一次方成比例。旋涡阻尼：船体弯曲部分附近形成旋涡，损失部分能量而产生，与角速度 平方成比例。横摇阻尼是角速度的函数，一般表示为M ( 0)=-2N 0-W |0|0*大角度横摇m ( 0)

13、=-W |0|0 ；小角度横摇M ( 0)=-2N 03) 、惯性力矩 M ( 0)=-( I +J ) 0=-I 0*4) 、波浪扰动力矩三、横摇微分方程解及频率响应函数横摇最终方程：-,积分求解可得：横摇角为 瓦确n _ 一定义放大因数：横摇幅值与有效波倾之比。即：虹 1叽 _ /（!二&尸 + 4八&I Ai放大因数与横擂频率响应函数之间有着密切的关系，根据式皆有W司*典史=%。,由上式看出,放大因数的变化规律就代表了频率响应淮数肘变化规律“对放大因素的讨论:1）当危:）=（白）。的横摇固物理解粹二波浪很长.初稳性高很大.有周期很小，横擂角等于波面角J图示=随波逐流 2）当 4日-* 时

14、, KblO_ Eg - 180物理解襁：船处在很短的波浪上，不会发生横摇,图示二巍然岐立揆）当Ae = 2旧寸* f心0 =L cdi = 90*四、横摇的谐摇状态及临界状态谐摇：波浪周期TB等于船横摇固有周期 T0称为谐摇.谐摇区：从放大因数曲线知，不仅在谐摇（八缶1 ），放大因数很大，而且 在A0=1附近的一定范围内也是相当大的，通常称0.7VAeV1.3的范围为 谐摇区.船舶在不规则波中的横摇，根据叠加原理，相当于遭受一系列波长的单元规 则波的作用，因此与单一规则波的作用有很大区别，规则波中的谐摇和谐摇区的 概念在这里就不再适了 谱密度曲线的划分0主航泌如展瀚蟒于最燎鲜元端密娜姒邓的单

15、赚为拔分 蔑,它大软档于衅在30九与瞩q醐单无混娜蟠艇主雅服mm. tt楸向早=25区何的单元融为袱瞄礼 wm 觥翻质斜产拥显觥政亚临界区域。当船舶谐捂波长小于3倍船宽时 船舶不会发生很大的横播，称为亚临昇区域。它相当于周 鹦很小的船在大风浪中的情况，对于一般的船舶是很难做 到设一女的如图3-12所示，临界区域，当横摇的谐插岐控位于主成分波区网 之内时这时艇舶产生瑞严重的横播.称为临界区域旧 尊娜秫也躺挥雌就大于耿散抵时朋攒鲜翳私豺跚昇 区虬项总是希笔眦于融魅财南此繇融翘团毓IU是州中经 诙用的嫦航般的方虹嗯3小麻，I3 2由模型试验确定横摇频率响应函数一、横摇模型试验的相似关系1、几何相似2

16、、运动相似3、动力相似3 3 横摇水动力系数的确定一、横摇惯性矩1、惯性半径法匚=gg尸2、加藤公式| 牛)，了 喝 7.- &)(乎一2.砰+(%)3、杜爱尔公式in - 普 + 沃；)4、附加惯性矩二、横摇固有周期计算1、船舶在静水中的有阻尼横摇 *1 由sgC固有周期:代入杜爱尔公式可得:结论：1）、提高初稳性高可提高固有周期，从而提高舒适性2）、两艘相近的船舶，横摇角近似与固有周期的平方成反比:三、横摇阻尼系数 3-15楼播衰福丽线阻尼是影响横摇的重要因素，准确的计算阻尼力矩系数是估算横摇的重要前 提，但是由于横摇时候船体附近流场的复杂性及水粘性的影响，阻尼的理论计算 是相当困难的。目

17、前可靠的方法是模型试验，工程上常采用经验公式计算。3 4非线性横摇横摇角的确定：Ln 87,5 2$。$/ 07216 77C1：波浪对横摇的影响C2：船型和舭龙骨相对尺度对阻尼的影响C3： B/d对阻尼的影响规范查下图得C1：35横摇减摇装置1、2、3、舭龙骨减摇鳍 减摇水舱第四章船舶纵摇和垂荡4 1船舶在波浪中的一般运动方程式基本假定1、假定船舶是一刚体，忽略弹性变形2、不考虑水的粘性和可压缩性3、假定作用在船体上的是微幅规则波4、假定船舶摇荡的幅值是微小的，可做线性问题处理，即可叠加。4 2纵摇和垂荡的耦合运动计算受力分析1、流体静力2、兴波阻力3、附加惯性力4 3纵摇和垂荡运动的工程分

18、析一、固有周期计算T = 2兀+，攻0 DH纵摇固有周期：=2.8顼3垂荡固有周期：孔=2.8捶3结论：纵摇与垂荡的固有周期是相近的二、不规则波顶浪航行时纵向区域划分：1、亚临界区域2、临界区域3、超临界区域4 4斜浪中船舶摇荡人 遭遇周期匕-c _ VC OS p第五章船舶的耐波性设计和实船试验5 1主尺度对耐波性的影响船长：影响纵摇和垂荡船宽：影响稳性和横摇吃水：影响横摇、纵摇、垂荡与此同时，初稳性高、船型系数、干舷和舷弧也有一定的影响5 2船舶形状对耐波性的影响船舶型线静稳性曲线形状球鼻艏5 3耐波性指标1、单项指标：船体的运动幅值、横摇运动周期、绝对加速度、相对波面运动波浪中的失速2、综合指标：作业时间百分比、期望航速百分比5 4耐波性实船试验的组织和实施1、选择适当测试海域和时间2、编写试验大纲3、测量仪表的准备和调试4、试验5、分析