船舶控制原理：CHp5 海浪、风和海流对船舶的扰动力和扰动力矩

1、1,第四部分 海浪、风和海流对船舶的扰动力和扰动力矩,哈尔滨工程大学,2,本章要求,难度：较高 要求：掌握关键点 题型：问答计算,哈尔滨工程大学,3,本章内容,船舶在波浪中的航行 海浪作用于船舶的扰动力和扰动力矩 海浪的横漂力及对船舶的影响 风和海流对船舶的扰动力和扰动力矩 长峰波随机海浪的实时仿真和频谱分析 利用波谱等能量离散化的海浪仿真 海浪成形滤波器及对海浪的仿真 海浪对船舶干扰力和干扰力矩的仿真和频谱分析,哈尔滨工程大学,4,前言,哈尔滨工程大学,5,哈尔滨工程大学,6,哈尔滨工程大学,7,部分研究成果,哈尔滨工程大学,8,5.1 船舶在海浪中的航行,遭遇周期定义 波浪周期可能与船舶航

2、行中遇到的波浪周期不相等 顶浪时：波浪相对船具有更短的周期 随浪时：波浪相对船具有更长的周期 波浪周期：船舶受到的波浪表观周期 遭遇周期：船舶经受到的波浪周期称为遭遇周期,哈尔滨工程大学,9,遭遇周期：是波浪周期、船舶速度、波浪传播方向与船航向之间夹角的函数 说明船舶是如何遇上影响船舶运动的波浪的 在船舶运动计算中，用遭遇周期代替海浪周期,哈尔滨工程大学,10,遭遇角,横浪,纵向迎浪,纵摇/纵荡/垂荡,顺浪 顶浪,横向运动 （横摇/横荡/首摇),首斜浪 尾斜浪,横向运动 纵向运动,顺浪,哈尔滨工程大学,11,遭遇周期计算 波长，波速C，船速V，V在波浪上分速度Vcose 船由一个波峰驶向另一个

3、波峰的时间遭遇周期,哈尔滨工程大学,12,相关推导,哈尔滨工程大学,13,(1),(2) 遭遇波长有效波长,(3) 遭遇波速,哈尔滨工程大学,14,两种频率 海浪本身的角频率 遭遇角频率e 研究船舶运动，将 转化为e 考虑船速和海浪方向,哈尔滨工程大学,15,遭遇角频率，物理含义,哈尔滨工程大学,16,情况一：,= 0,波速=船速 （或船速在海浪方向上的分量）,船和海浪的相对位置保持不变 ，在船上观看该波浪，仿佛静止一样。,哈尔滨工程大学,17,哈尔滨工程大学,18,顶浪,最大遭遇频率出现在船舶航速分量与波方向一致时出现极值。,哈尔滨工程大学,19,对于以一定航速和遭遇角行使的船舶，波倾角也发

4、生了变化，此时船舶遭遇到的波倾角称为遭遇波倾角 。,最大遭遇波面角,哈尔滨工程大学,20,上面的分析是沿船舶前进方向的波面角，如果考虑船舶正横方向的波倾角，则可用,则此时最大遭遇波面角为,21,5.2海浪作用于船舶的干扰力和扰动力矩,哈尔滨工程大学,22,1.简介,哈尔滨工程大学,23,哈尔滨工程大学,24,哈尔滨工程大学,25,哈尔滨工程大学,26,哈尔滨工程大学,27,2.假设条件,海浪对船体的干扰力解析表达式，首先是根据如下简化假设（即傅汝德克雷洛夫假设）做出的，即： （1）干扰力及力矩仅由流体压力引起的； （2）船舶在流体中所产生的压力场不影响海浪的波场分布； （3）海浪对船舶的干扰力

5、和力矩是由水面下的流体的压力场分布波动引起的。,哈尔滨工程大学,28,假设条件,傅汝德-克雷洛夫假设的解释： 在船体浸湿表面上每一点所受的流体压力，等于船舶不存在，而在船的位置代之以虚拟的船体表面时，各点所受的流体压力。 至于船体的不可穿透性对波中压力及其海浪干扰力的影响，不作讨论。,哈尔滨工程大学,29,假设条件,哈尔滨工程大学,30,计算时需对船舶暂时加以约束其在原平衡状态，可以使得由于海浪作用于船舶的约束力大小等于海浪的干扰力；另外这样除垂直方向外，可消除其它方向流体作用力的影响（流体作用合力为零）。 除铅垂方向以外，对于其它方向的海浪干扰力，只要求出作用于被约束船上的流体压力在浸湿表面

6、上的积分并将之投影到所需的轴上，就可得到各个方向的干扰力和干扰力矩。 对于铅垂方向的力，则必须从所求的力减去原来的静水浮力才能得到干扰力。,假设条件,哈尔滨工程大学,31,3. 扰动力、扰动力矩的积分方法,求出任一时刻波面与船表面的相交水线 （相当于将波面用船体坐标系表示） 并求出船体表面的交线(不同深度) 利用考虑Smith效应的压力计算公式计算船体各点的压力，然后通过沿船长、船宽等方向进行积分，并分解到对应方向，即可求得相应的干扰力和干扰力矩。,压力计算公式,哈尔滨工程大学,32,4.垂荡干扰力和纵摇干扰力矩,该方法可用于计算任意航向和任意航速下的垂荡干扰力 首先假设波浪中的压力梯度与静水

7、压力梯度相等 依据上述假设，则垂荡扰动力实际上是船在波形表面下的静浮力同原平衡水线下静浮力之差。,哈尔滨工程大学,33,哈尔滨工程大学,34,垂荡干扰力,微元上的垂荡干扰力dZ0,将微元力dZ0沿船长方向积分,忽略高阶小量k2y,基于静水压力的垂荡干扰力,哈尔滨工程大学,35,纵摇干扰力矩,各微元垂荡力dZ0对oy轴取矩，然后沿船长方向积分的方法求出：,哈尔滨工程大学,36,考虑史密斯效应 的影响-力、力矩计算,海水的动压力对船舶产生的扰动。 波面下的次波面的竖坐标和斜率为：,哈尔滨工程大学,37,哈尔滨工程大学,38,考虑史密斯效应-力、力矩计算,左舷压力Pp 右舷压力Ps,哈尔滨工程大学,

8、39,考虑史密斯效应-力、力矩计算,作用于两舷围线微元ds上的竖向力大小,哈尔滨工程大学,40,考虑史密斯效应-力、力矩计算,作用在横剖围线上的竖向力：,考虑大气压力，从原平衡位置的水平面到龙骨沿Z轴积分，则有,哈尔滨工程大学,41,考虑史密斯效应-力、力矩计算,对第一项积分,沿船长方向积分,哈尔滨工程大学,42,考虑史密斯效应-力、力矩计算,海浪对船的竖向干扰力为：,考虑史密斯修正： 取决于横剖面的形状及剖面吃水与波长之比。对于一般剖面，其接近于1。计算时，经常用一个平均的 来代替。,哈尔滨工程大学,43,考虑史密斯效应-力、力矩计算,同理考虑流体动压力，纵摇干扰力矩,哈尔滨工程大学,44,

9、5.横荡干扰力,横荡干扰力-考虑波高随y值的变化-根源 船宽B较波长小的多 船宽范围内，波面在y方向的斜率是常数,哈尔滨工程大学,45,横荡干扰力,讨论横荡干扰力，对于波面表达式：,沿用静压差梯度假设，有由波引起的压差：,水下次波面处处与波面平行,哈尔滨工程大学,46,横荡干扰力,将P与微元浸湿面积d相乘，并求其 Y方向分力：,把dY0沿z向积分，得到作用在一个横剖段dx上的干扰力为,哈尔滨工程大学,47,横荡干扰力,海浪对船舶引起的横荡力为,同理考虑史密斯修正后的在流体动压力作用下的横荡力,B(x)为沿x轴的船舶水线宽度,哈尔滨工程大学,48,6.艏摇干扰力拒,把横荡力对z轴求距，并沿x轴积

10、分，则可以得到海浪作用于船舶的艏摇干扰力矩。 考虑史密斯修正后的的艏摇力矩。,哈尔滨工程大学,49,7.横摇干扰力矩,考虑海浪对船舶的垂荡力Z1和横荡力Y1后，可以得到海浪对船舶的横摇干扰力矩。,哈尔滨工程大学,50,8.纵荡干扰力,采用分析垂荡，横荡干扰力的方法,哈尔滨工程大学,51,9.长峰波随机海浪对船舶的扰动力和扰动力矩,平面进行波-长峰波 干扰力和干扰力矩 船舶作小幅摇荡运动-采用叠加原理 各个频率、幅值与初相位的不同平面进行波对船舶扰动力和扰动力矩叠加。,哈尔滨工程大学,52,长峰波随机海浪对船舶的扰动力和扰动力矩,总的干扰力和干扰力矩：,哈尔滨工程大学,53,54,5.3海浪的漂

11、移力及对船舶的影响,哈尔滨工程大学,55,一、漂移力,流体压力P和势函数的关系是复杂的,可表示为,可以使船舶产生一个漂移力 对于某些船舶控制系统，如动力定位控制系统、自动舵系统，需要考虑漂移力影响。 当控制对象的自然频率与漂移力的某分量的频率接近时，影响较大。,哈尔滨工程大学,56,对于规则波，可以用一个正比于遭遇波波幅的正弦函数来表示势速度。,哈尔滨工程大学,57,二、横漂力计算,其中 为圆柱体反射和散射波的波幅。 对于有限深度的横漂力可用修正系数 来修正。,对于正横浪中无限深水中的圆柱体，每单位长度的横漂力,哈尔滨工程大学,58,深水中的船舶在规则波作用下受到的横漂力可用下式近似计算,R为

12、对于吃水为T的矩形截面平板的无因次横漂力系数，通常由水池试验获得。,哈尔滨工程大学,59,三、随机海浪下的横漂力计算,具有谱密度为S()的不规则海浪中的横漂力为,如果S()为一窄带谱，可用经验公式 计算，其中 为海浪平均角频率。,哈尔滨工程大学,60,四、漂移力的影响,二阶漂移力虽然很小，但对船舶航行速度损失、航行阻力及其锚泊运动体的受力很重要。 对钻井平台定位系统，当漂移力频率分量与锚泊运动体自然频率接近时，可引起锚泊装置受很大的力。,哈尔滨工程大学,61,波浪中的漂移力可表示为 其中 为规则波中的漂移力系数，L为运动体的某个尺寸。其包括平均漂移力和随波组频率变化的漂移力方差力。 对于N个随

13、机规则波叠加，其平均漂移力可以表示为 对于随机海浪，平均飘移力可表示为,哈尔滨工程大学,62,二级漂移力的波动部分可由波浪包络的波高的平方给出，即 其中 为二次转移函数， 为波高平方的低频部分同相部分的二阶转移函数； 为波高平方的低频部分异相部分的二阶转移函数。 波高平方可表示为： 相应的低频部分为： 展开后，可表示为：,哈尔滨工程大学,63,系泊状态下的漂移力,64,5.4风和海流对船舶扰动力和扰动力矩,哈尔滨工程大学,65,稳流风：定常扰动 湍流风：与随机海浪的特性相近。 海流比较稳定，可以如稳流风，作为定常扰动处理，湍流风可参照海浪分析的方法来分析。海流则相对比较稳定，可作定常扰动处理。

14、 海风、海流对船舶的扰动效应主要在水平面内，因此主要考虑其产生的纵荡力、横荡力和艏摇力矩。,哈尔滨工程大学,66,一、稳流风对船舶的扰动力和扰动方程,没有受到扰动的具有速度Va的稳流风作用到一个物体上，在迎风面上产生的压力为： 为风的入射角函数。,哈尔滨工程大学,67,如果物体的迎风面由几个部分组成，由各个迎风部分所受到的风力进行叠加而成：,哈尔滨工程大学,68,作用于船舶稳流风所产生的扰动力、扰动力矩可近似为：,哈尔滨工程大学,69,各系数与遭遇风向角有关，其主要由风洞试验获得。对于油轮可参照上式进得到，一般5阶级数即可。,哈尔滨工程大学,70,二、湍流风对船舶的扰动力和扰动方程,对于湍流风

15、，随着船舶的航向和航速的变化，船舶遭遇到的风的风谱也改变了，需研究其遭遇风谱。 参照海浪，空气回流中质点以角速度 旋转，则其回流的波长为：,哈尔滨工程大学,71,船舶和回流的遭遇频率,哈尔滨工程大学,72,设风相对船舶的平均速度为Va,随时间变化的湍流风速度为VT ,则风对船舶产生的力： 由于VT(t)的平方计算比较困难，且为二次项，影响较小，因此，可以忽略。,哈尔滨工程大学,73,湍流风对船舶产生的力和力矩为：,哈尔滨工程大学,74,三、海流对船舶的扰动力和扰动力矩,由于海流的速度和方向的变化是非常缓慢的，所以可以作为一种定常扰动处理。 海流对船舶的扰动力和扰动力矩主要由两部分组成。 (1)

16、.粘滞阻力：由船体与流体之间的粘滞摩擦阻力和压差阻力引起；对肥艏型，粘滞阻力较压差阻力小，可仅考虑压差阻力；,哈尔滨工程大学,75,我们知道，和固体相比，气体和液体的形状可以随容器而变化，这是因为流体中的各层分子之间会发生相对滑动，从而造成总体形状上的变化。那么，粘稠的流体为什么不易发生流动呢？这是不同流体分子结构上的差异造成的。粘稠流体的分子结构，导致不同流层之间存在一种阻碍相对运动的阻力，称为“粘滞阻力”，又叫“内摩擦力”。正是这种“粘滞阻力”，影响了流体的正常流动。,哈尔滨工程大学,76,压差阻力”的产生是由于运动着的物体前后所形成的压强差所形成的。压强差所产生的阻力、就是“压差阻力”。

17、压差阻力同物体的迎风面积、形状和在气流中的位置都有很大的关系。,哈尔滨工程大学,77,中文名：惯性阻力英文名：inertia resistance 需要克服其质量变速运动时产生的惯性力和惯性力矩称为惯性阻力，用RI表示。质量分为平移质量和旋转质量（如飞轮、齿轮、传动轴和车轮等）两部分，变速时平移质量产生惯性力，旋转质量产生惯性力矩。,哈尔滨工程大学,78,海流作用于船舶上的扰动力、扰动力矩可表示为：,哈尔滨工程大学,79,5.5 长峰波随机海浪的实时仿真和频谱分析,一、海浪仿真基础理论 在研究和设计船舶运动控制系统时，为了研究海浪对船舶及其控制系统产生的影响，必须有一个较理想的海浪信号。 在海

18、浪的实时仿真中，如果用规则波来研究这些问题，由于不反映实际海浪，所以结果常是不能令人满意的。 本章采用的方法不仅能仿真多种长峰波海浪，而且可以灵活地改变它的参数来满足各种使用要求。另外，这种仿真方法技能满足实时仿真的需要，又具有较高的仿真精度。,哈尔滨工程大学,80,研究船舶在海浪作用下的运动特性和船舶控制系统在海浪作用下的动态响应时，经常把海浪作为一个平稳随机过程来处理。目前，大部分的研究工作仅局限在长峰波随机海浪的研究。,考虑到实际应用，可忽略高次谐波，则海面上定点的长峰波海浪可以简化成,哈尔滨工程大学,81,确定预仿真波浪的频谱的形式，选用P-M谱 、JONSWAP谱或ITTC谱等，确定

19、所选海浪的有关参数（例如有义波高、特征周期、风速等）。 根据某种原则（例如等间隔法，或等能量法）进行离散化。 根据离散的海浪频谱，就可以确定在每种特定的频率下的各个谐波的幅值。根据各谐波初相位的分布特点可以确定初相位。,二、仿真过程,哈尔滨工程大学,82,离散化,频率分割,随机数,哈尔滨工程大学,83,短峰波与长峰波,三元不规则波-短峰波 二元不规则波-长峰波,哈尔滨工程大学,84,短峰波仿真,长峰波仿真,哈尔滨工程大学,85,哈尔滨工程大学,86,频域,功率谱,时域,哈尔滨工程大学,87,理论上海浪频谱的分布频率为0 无穷； 仿真时不可能对所有频率的谐波进行仿真，只能取其影响较大的频段来仿真

20、。另外，为了达到实时仿真，必须提高仿真速度，所以也只能选择有限的频段来仿真。 长峰波海浪的频谱都是狭带谱，它们的能量主要集中在某一频段。于是，我们选取其某一频段中的有限个谐波对海浪进行仿真，仿真结果可以保持较高的精度。,哈尔滨工程大学,88,频率分隔方式 等间隔采样 等能量采样,三、等间隔分割法,哈尔滨工程大学,89,等间隔采样是比较简单和常用的一种采样方法。 仿真频段为 1 -n 采样频率的增量为,哈尔滨工程大学,90,不同海情采用不同的频段是一种加快实时仿真的有效方法。 低海情, 海浪能量相对来说比较分散，但随频率变化的程度不大，故可把频段 取宽一些，但可取大些。 高海情，由于能量相对集中

21、，则频段可取窄些，但应取小些，若要使计算简化以加快仿真速度，则在仿真中采用等间隔采样。,91,我 国 国 家 海 洋 局 浪 级 标 准,哈尔滨工程大学,92,各种海情的仿真频段和频率增量,哈尔滨工程大学,93,哈尔滨工程大学,94,哈尔滨工程大学,95,哈尔滨工程大学,96,哈尔滨工程大学,97,哈尔滨工程大学,98,if (h135) w1=0.1 w2=1.7 zw=0.06 end,w=w1; i=1; S=0; while(w=w2) w=w1+(i-1)*zw; i=i+1; s1=8.1*0.001*9.812*exp(- 3.11/h132/w4)/w5; s2=2*s1*zw

22、; s=s2(1/2); angle=2*pi*rand(1,1); S=s.*cos(w.*t+angle)+S; end,Matlab仿真程序,哈尔滨工程大学,99,哈尔滨工程大学,100,当对海浪谱的离散采用等间隔采样时，必须使用较多的谐波来叠加，如果选用谐波少，则在谱曲线的峰值附近采样点太少，仿真误差也就大些。 为了避免上诉缺点，可以采用等能量采样来仿真。,哈尔滨工程大学,101,等能量采样,四、等能量采样,哈尔滨工程大学,102,谱曲线下的面积（谱函数的积分）代表了波浪的能量。,设：,等能量采样,哈尔滨工程大学,103,等能量采样,哈尔滨工程大学,104,在实际仿真中，用以模拟每个谐

23、波的频率不是交界频率，而是在两个交界频率之间选取某个频率作为每个谐波的频率。这样，可以选一个使分割的能量块能量平分的频率作为仿真的谐波频率。 相应的能量分割块给定为,(j=1，2，M),等能量采样,哈尔滨工程大学,105,式可得到各能量分割块，也即各谐波的频率为,因此，仿真中的每个谐波的幅值可写成,等能量采样,哈尔滨工程大学,106,定义累积谱为：,等能量采样(2),设海浪谱：,总的能量：,哈尔滨工程大学,107,等能量采样(2),总的能量：,等分能量法分成M份，则,哈尔滨工程大学,108,等能量采样(2),各组成谐波的振幅相同：,等分能量法分成M份，则,哈尔滨工程大学,109,哈尔滨工程大学

24、,110,111,5.6海浪成型滤波器及其对海浪的仿真,哈尔滨工程大学,112,一、概述,成熟期海浪可以认为是一个平稳随机过程，可以用随机信号分析理论对其进行分析研究。 海浪的波高也基本符合高斯分布 各态历经平稳随机变量的一个重要特性： 如果x(t)是一个各态历经的平稳随机过程，通过一个线性时不变系统G(s)后，则输出y(t)也是一个各态历经的平稳随机过程，但是y(t)的谱密度却发生了变化。 采用合适的谱密度的x(t)通过一个具有选定传递函数G(s)的线性是不变系统，则可以使系统的输出y(t)具有所需的谱密度。,哈尔滨工程大学,113,二、自相关函数与谱密度,相关函数 时域 谱函数 频域,随机

25、过程,自相关函数,功率谱密度,互为傅里叶变换,哈尔滨工程大学,114,三、白噪声,从自相关函数和功率谱密度来看，随机噪声可分成两大类： 白噪声 有色噪声 随机海浪和湍流风,白噪声的自相关函数是个理想的脉冲函数，功率 谱是个常数:,能量分布在整个频带上,哈尔滨工程大学,115,四、成型滤波器,白噪声 自相关函数为理想脉冲函数，功率谱为常数的随机噪声。 有色噪声 在某个频带内符合白噪声特性的随机噪声。,哈尔滨工程大学,116,五、随机海浪的成型滤波器,海浪成型滤波器的阶次不宜过高，一般最高为4阶。,117,六、波倾角谱,哈尔滨工程大学,118,波倾角谱和遭遇谱,波高、波倾角、有效波倾角 遭遇波高、

26、遭遇波倾谱、遭遇有效波倾角,119,七、海浪频谱分析,哈尔滨工程大学,120,采样时间,功率谱密度的最高频率,哈尔滨工程大学,121,频谱分析,海浪谱的估计理论，随机海浪双侧谱：,哈尔滨工程大学,122,频谱分析,哈尔滨工程大学,123,频谱分析,FFT变换,哈尔滨工程大学,124,频谱分析,r=0,1,2,哈尔滨工程大学,125,对于单侧谱估计值,哈尔滨工程大学,126,频谱分析,哈尔滨工程大学,127,5.7 海浪对船舶的干扰力及干扰力矩仿真,切片法进行分割,哈尔滨工程大学,128,单次谐波下的横荡力、艏摇力矩、横摇力矩分别为： 对应的系数计算式分别为：,哈尔滨工程大学,129,哈尔滨工程

27、大学,130,哈尔滨工程大学,131,第6部分 船舶运动控制装置,哈尔滨工程大学,132,6.1 概述,哈尔滨工程大学,133,哈尔滨工程大学,134,哈尔滨工程大学,135,哈尔滨工程大学,136,哈尔滨工程大学,137,6.2 控制水翼的水动力特性,一、控制水翼的几何参数,哈尔滨工程大学,138,哈尔滨工程大学,139,哈尔滨工程大学,140,展长:与来流垂直方向的长度； 弦长：与展长垂直方向的长度； 剖面厚度：控制翼面弦剖面最大厚度； 后掠角：距导源(首缘,前缘)1/4弦长点连线与翼展长方向的夹角； 展弦比：展长与弦长比值； 倾斜比：叶尖弦长与叶根弦长之比； 控制翼面积：控制翼面的侧投影

28、面积； 平衡面积：翼轴至导源(首缘,前缘)间侧投影面积； 平衡比：控制翼平衡面积与控制翼面积的比值。,哈尔滨工程大学,141,二、控制翼静态水动力特性,v,N,T,P,L,D,哈尔滨工程大学,142,控制翼绕翼轴转动的转矩为 分别为翼水动力合力作用点距离首缘距离和鳍轴距离首缘距离。 控制翼水动力合力点对翼根部剖面的力矩为 为翼水动力合力点距离翼根部的距离。 升力系数，阻力系数，法向力系数，切向力系数分别为,哈尔滨工程大学,143,扭矩系数，弯矩系数分别为,哈尔滨工程大学,144,三、控制翼类型,NACA系列(美国国家航空咨询委员会) HE系列(儒可夫斯基) 系列(前苏联中央空气动力研究院) Jfs系列(汉堡大学) TMB系列(泰勒船模试验水池) NSS系列(瑞典国家船模实验室),哈尔滨工程大学,145,四、NACA系列,NACA具有剖面升力大，阻力小，导源(首缘)尖瘦的特点。 命名法则 NACAXXBB XX拱度比，BB厚度比 展弦比=3，叶尖弦长/叶根弦长=0.45，后掠角为15度的NACA鳍水动力特性如图所示。,哈尔滨工