（流体力学专业论文）三体船横摇阻尼及非线性运动预报方法.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g t h ep r e d i c t i o no fr o l ld a m p i n ga n d n o n l i n e a rm o t i o no ft r i m a r a n c a n d i d a t e ：z h o uy a o h u a s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： p r o f d u a nw e n y a n g m a s t e ro f e n g i n e e r i n g f l u i dm e c h a n i c s j a n u a r y , 2 0 10 j a n u a r y , 2 010 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ，_ ， i t 弧 、 囔 哈尔滨工程大学硕士学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：f 刁祝警 日期： 实部虚部对应相等 a k w ? | w ? 弘睢- c l k w 。ek 啦s i n w 。v d t b 肚2 + 工k 弦p ) c o s k z 如 ( 4 1 9 ) 由格林公式有如下关系： 哈尔浜1 程大学硕士学位论文 叶2 j n k d s = u f f e r t m j d s c 3 3 = c 4 4 2 c 3 52c 5 3 。0 c s s4 一p v 2 f f * - s ，l s d s ；一u 2 s 。 妇 ( 4 - 2 0 ) 吃，= = 吃，= 0 0 魄s2 也，2u 如 ( 4 2 1 ) 脉冲响应函数计算为： k 肚 ) 2 瓤( 歌( k ) 一, j t ) c o s w , z d w , 2j 1 1 p ) 2 瓤( 屹肚一心以( 心) 一瓦c 业) s l n 比谢心 k 肛( o ) = o o ( 4 2 2 ) u j k b 肚c 肛的计算归结为业的计算问题，可构造积分方程，采用三维方法 计算。积分方程如下： 铆捌2 + ”5 p 掣6 q 毗国，q + 晶 ”。” ，4 一1 、 其中 由定解条件 g ；1 1 r hr 州 尸o ，y ，z ) g ( 亭，r l ，；) 口( 亭，7 ， ) ； 一亭) 2 + ( y 一叩) 2 + ( z 一；) 2 ，= 一宇) 2 + ( y 一，7 ) 2 + ( z + 考) 2 令p 在流场中沿物面上q 点法线方向趋于q 点，万指向域外。离散后有 荟缈埘2 荟岛以， 小f 峨f | o - l ( 1 ：一寸1 s q 乒n 4 f = 2 万 岛2 g 亡一 求解方程组即可求解肛肚。本文计算j l 肛在平均湿表面上计算得到。 应注意的是肚= 心，证明如下： 弘i k2p 叶协i d s 而 弘嗡。p 肿l n k d s s h 由定解条件得 l p 辩磕等幽 应用格林第二公式有 号咖等毗，警卜。 内，用线性方程表达雪( ) 。 雪( ) 一昂+ 皇o 一 p 一 曰( 鸭) q + 。一b ( q + 。) q + 1 一鸭 置= 丑( 鸭+ 。) - - b ( 6 0 n ) + i 一 峨 ) 一昙e “( p o + 只) c o s ( 研y 一- 石2 ( e o j 。+ 印。) 厶= r “c o s ( 啪) d ；昙( s i n ( + ，) 一s i i l ( q f ) ) 小f 酬训d 缈目昙( s i n ( 晰) 一删n ( 州+ 吾( 叫咐) 一( ) ) 哈尔滨工程大学硕十学位论文 f l t 于c o 呻0 0 时雪( ) 呻0 0 ，因此在( 小) 域内采用下式近似： 台( ) , 一d o l e 。卢扣蛳“) 口= 百( + ，) 卢a 葡- 1 掣 竺擎世可差分计算。 c l 哦m 妻嗄。e 叫p b ( f 矽缈= i 2 口墅魄瓮1 5 产 石，n i 舯i石。+ f 。 应该远大于o ，口、应使雪( ) 及其导数在q + 。点连续。 关于此半解析方法计算精度的讨论详见文献【1 9 】，本文不予赘述。 4 3 3 绕射力的处理 针对规则入射波的绕射力的计算可简化处理，即应用频域计算程序得到 的r a o 及相位直接计算绕射力。 4 4 运动方程的建立与计算 垂荡、纵摇自由度与横摇自由度的运动在本文中并不耦合，只计及三个 自由度的运动方程推导如下： m 坑= f 3 ( t ) p 3 ( t ) = 磁+ 碟+ 擎+ p m s l 翻4 = f 4 吣f 4 = f 蠢+ f 挚+ f ? + f ：0 - 2 6 ) ，拶坑= f s ( t ) e o ) 一碟+ + 掣+ 掣 其中 f 曩| 一弘j 霸k b i 加k 一丈k j 。q 一柏k d t c j 。 4 1 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 碟 磷 碟 一一心疵一岛疵一z 如。一z 地d z c 3 3 仉 一一心坑一虬磅。一丘匕。一f 研。d l ? - - c 4 4 ，7 。 一一p ，磊5 一b 5 霸s 一丈k 话q 一1 ) # s d r - c 5 羽5 磁- 一如坑一，五一f o o 如( t f ) ，i 5 d z c 。，仇 碟一一黼一6 5 疵一上蚝，o z ) 1 1 3 d z c 5 ， 。 一尝而0 ( 此项即粘性阻尼影响，视阻尼形式确定) 由4 3 2 节的相应推导，且令 则运动方程为： f 3 ；f + f ；一m g = f 擎+ f ? f s i f 警+ f 詈 似+ 心，) 坑+ 上玛，o f y 0 3 a z + 如坑+ 吃，唬+ 上毛，o f ) 0 5 a r e q 。+ 似潮4 + 心辅愆一1 y o , a t r i f 。 + 地s 溉+ 上憋，o z ) 唬咖+ c 5 5 仇+ 瞒+ 魄，唬+ f k ，o z 城d z 一岛 上式可以采用四阶龙格库塔法计算，方程中卷积的计算方法采用梯形法 【刎，例如： ：1 0 0 0 a t + 5 a tk - - 呼- 缸+ 专d 一曲y 缸| d t +g y d 什+ c + 1 “k y d f = k ( n a t + 等) y l 。+ 2 k ( ( n 一1 ) 4 + i z x t ) y i r - 2 a t + + p + 等) y l 。舢， + k 喏) y l 】+ _ 【tk ( _ z x t ) y i t - n a td e k ( 。) y l + 筹】 其中y i f 小。“为之前时间步计算出的各自由度的速度 4 2 采用的由 “一2 舭弘 y ， 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 龙格库塔法公式形式决定计算。 4 5 不规则波处理方法 进行不规则波短期预报，利用海浪谱在时域内模拟不规则波浪。将小于谱 峰密度百分之一的低频和高频部分忽略，把海浪谱的有效频段分成若干份， 则相应与该海浪谱得不规则波面升高；( 毛，t ) ，可视为诸规则波的叠加，即 ；瓴，f ) = ；4 fc o s 讫+ r o a r + 岛) ( 4 2 7 ) 面 氏、t 、为子波的波幅、波数及遭遇频率 讫为平动坐标系下计算波高点的坐标 岛为【0 ，2 r r 】内均匀分布的随机相位 子波波幅由下式确定： ；4 f = 4 2 a o g a s f ( 哆f ) 为子波频率间距 & ( ) 为子波遭遇频率对应的海浪谱密度 遭遇频率对应的谱密度函数只是由于船的航速引起的作用于船上的扰动 力频率发生变化，对应的波浪并无变化。对应关系如下： 为浪向角，1 8 0 为迎浪 u 为航速 本文选取i s s c 双参数谱进行计算： ( c o ) = a t o 。5e x p ( b 。) a = 1 7 3 h 0 3 | 1 ：bi 一6 9 1 1 ： & ) 海浪谱密度( m 2 s ) 圆频率( r a d s ) 4 3 ( 4 2 8 ) ( 4 2 9 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 h 1 ，。有义波高 互平均跨零周期 4 5 数值结果 数值计算对象为哈尔滨工程大学开发的高速三体船模型f a l - a 。 表4 1 船模主体和侧体主尺度 【皿( m )b m ( m )t i n ( m )c b m ( m )i s ( m )r e ( m )取m ) c b s a ( 坳 2 5 0 1 7 80 1 0 8o 3 5 40 7o 0 3o 0 5o 4 7 51 7 7 3 圣 图4 4 三体船主体和侧体的横剖面图 t 三三三圭三j 0 7 m 图4 5f a - 1 a 的主体和侧体的位置关系 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图4 6 计算时域附加质量网格 4 5 1 脉冲响应函数积分域对计算结果的收敛性影响 脉冲响应函数的计算取决于遭遇频率的积分范围。由于本文计算频域辐 射力系数基于二维半理论故需要满足其艏前无波的基本假定，同时由于频域 理论在入射波频率较高时计算结果误差较大也需要选取适当的积分上限保证 计算精度。由频域附加质量、阻尼系数均可计算脉冲响应函数，故针对由两 个水动力系数计算脉冲响应函数分别讨论收敛性影响。 首先讨论积分上限，积分下限倍率取为1 0 。积分下限倍率系数意义下文 解释。积分上限表征为为无因次的波长船长比。 以f a l 迎浪情况为例，由阻尼系数计算脉冲响应函数，f k 力、静水恢复 力退化为线性情况计算运动响应结果如下，其中f r = 0 3 5 。本节中计算时域附 加质量采用4 9 0 0 个面元计算，时域附加质量的影响4 5 2 节讨论。 图4 7 不同积分上限垂荡响应图4 8 不同积分上限纵摇响应 4 5 2 o 8 6 4 2 o i t o o 0 o o u】【曲i【 z o 8 6 4 2 o 邶 叭 呲 叫 日u f 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 对比计算表明入射波频率肌选取小于0 1 计算结果即趋于收敛。积分上 限可取为0 0 5 。 由附加质量计算脉冲响应函数计算结果如下： 1 2 1 o n 8 ：o 6 f n4 n2 0 0 图4 9 不同积分上限垂荡响应图4 1 0 不同积分上限纵摇响应 对比计算表明入射波频率l 选取小于0 0 1 计算结果即趋于收敛。积分上 限取为0 0 0 6 左右为宜。 可见积分下限不变的情况下，以附加质量计算脉冲响应函数需要更大的 积分范围。选取各自的最佳积分上限计算运动响应与频域理论结果对比如下： 图4 1 l 垂荡响应 可见，两者基本与频域结果吻合， 略好于采用附加质量计算，原因如下： 0 40 60 81 01 21 41 6182 02 2 l 图4 1 2 纵摇响应 但不完全一致。且采用阻尼系数计算 有航速问题导致计算脉冲响应函数需要计算时域附加质量，本文中时域 附加质量的计算在三维下采用面元法求解。而辐射力水动力系数应用二维半 理论求解，因此存在理论上的不完全匹配。 频域理论在计算较高频入射波时计算精度会大大降低。而采用附加质量 z o 8 6 4 2 0 i n o o n n u 1 i 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 系数计算需要较高的积分上限，因此受此影响大于采用阻尼系数计算的情况。 同时，由于积分域下限不可能取到o ，而需要满足二维半理论的基本假设 即假设船舶航行的速度足够高，在船舶的艏部以前的区域( 记为x ) 没 有非定长流场的扰动，即船前无兴波。要求b r a r d 数r = 警寺。因此， 实际积分下限应取为鸭其中c 为倍率系数，最小可取为1 o 。q = j g 2 i 为 由b r a r d 数决定的临界遭遇频率。在固定积分上限为最佳值后，改变倍率系数 得到的运动响应结果如下：计算船型同样为f a l ，航速f r = 0 3 5 ，迎浪状态。 采用阻尼系数计算脉冲响应函数 图4 1 3 不同积分下限垂荡响应图4 1 4 不同积分下限纵摇响应 为了满足艏前无波假定，倍率系数应取大些以避免低频入射波不能较好 符合频域理论基本假设造成的误差。然而计算脉冲响应函数应尽量扩大低频 入射波的范围。综合计算结果可见，倍率系数的大幅增加将导致计算结果偏 离频域解，甚至导致计算结果不收敛。选取倍率系数小于1 0 ，计算结果可见 同样对改善计算结果并不敏感。又由计算结果可见，倍率系数的小幅增加并 不能有效改善计算结果使之趋近于频域结果，因此倍率系数可直接选取1 0 。 f r = 0 5 迎浪状态下计算f a i 的倍率系数和积分上限对运动响应影响结果 对比如下： 4 7 哈尔滨t 程人学硕士学何论文 l | 1 1 1 1 o n f n n n n u ou nl ul z1 j o1 0z vz zu 40 6o 81 otz1 41 6l82 o2 z 儿 1 图4 1 7 不同积分下限垂荡响应图4 1 8 不同积分下限纵摇响应 倍率系数取1 0 ，采用阻尼系数计算积分上限取0 0 5 。 f r = 0 6 6 7 迎浪状态下计算f a | 的倍率系数和积分上限对运动响应影响结 果对比如下： 图4 1 9 无因次垂荡响应图4 2 0 无因次纵摇响应 6 4 2 0 8 6 4 2 o 2 l l l 1 o o 0 n o n ul 2 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 o 2枷： 日u 1 l 哈尔滨工程大学硕十学位论文 x l 几 图4 2 1 无因次垂荡响应图4 2 2 无因次纵摇响应 倍率系数取1 0 ，采用阻尼系数计算积分上限取0 0 5 。 采用阻尼系数计算脉冲响应函数。积分域选取应为倍率系数1 0 ，积分上 限选取0 0 5 。阻尼系数计算脉冲响应函数得出的运动响应结果略好于采用附 加质量计算脉冲响应函数，同时由于积分域上限较小，计算频域辐射力系数 计算量较小。 4 5 2 时域附加质量对计算结果的收敛性影响 由4 3 2 可知，脉冲响应的计算需要考虑时域附加质量的影响。本文中采 用三维面元法在船平均湿表面求解时域附加质量。因此，需要研究不同网格 划分数量导致时域附加质量计算的差异对计算脉冲响应以及最后对计算船舶 运动响应的影响。 以下将对比两个网格划分数量导致的f a l 运动响应差异。网格划分数量 分别为4 0 5 8 、4 7 3 4 矛n 4 9 0 0 个面元，采用阻尼系数计算脉冲响应。 计算运动响应为迎浪状态，航速f r = o 3 5 、f r = o 5 和f r = o 6 6 7 。 4 9 哈尔滨：l ：稃人学硕七学位论文 1 2 1 0 0 ，8 日 芏m6 诗 f 0 4 n2 0 0 图4 2 3f r = 0 3 5 无因次垂荡响应 图4 2 4f r = 0 3 5 无因次纵摇响应 图4 2 5f r = 0 5 无因次垂荡响应 图4 2 6f r = 0 5 无因次纵摇响应 u u oitvij d l 6z u五z仉40 60 81 01 21 41 61 s2 oz 2 几 几 图4 2 7f r = 0 6 6 7 无因次垂荡响应 图4 2 8f r = 0 6 6 7 无因次纵摇响应 通过由三维方法计算得到的时域附加质量计算脉冲响应函数，并计算运 动响应较为稳定。当时域附加质量计算趋于收敛后，计算结果对由计算时域 附加质量网格差异并不敏感。 4 5 3 各种非线性方法迎浪计算结果比较 l 、扩展入射波、静水压力法 o 8 6 4 2 0 8 6 4 z 0 2 l 1 1 1 1 0 n o n o ut王 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 收敛性示意： 计算条件：f r = 0 3 5k l = 1 0 图4 2 9 无因次垂荡响应 运动响应细节： f a i 迎浪运动时历f r = 0 3 5 图4 31 入l = i o 无因次垂荡响应 莽 6 0 0 0 n8 o 0 0 一 啬 f - 0 8 6 5 7 0 0 07 5 0 08 0 0 08 5 帅 f i - es t e p ( 00 1 s s t e p ) 图4 3 0 无因次纵摇响应 6 2 4 06 2 6 2 鲫6 3 0 06 j n o ，柏f i 3 6 06 3 8 06 4 6 4 2 06 4 4 0 t i m es t e p ( 0 0 1 s s t e p ) l o 一 5 毒 。 鋈 一5 l o 图4 3 2 肌= 1 0 无因次纵摇响应 6 2 4 06 2 8 06 3 2 06 3 6 06 4 0 06 4 4 0钟柚6 帅6 2 舯船d 06 3 2 06 3 4 06 3 6 06 3 8 06 4 0 05 4 2 06 4 4 0 t i m estep(001sstep)time s t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 3 3 v l = 1 0 垂荡加速度图4 3 4 九l = 1 o 纵摇加速度 哈尔滨 程人学硕士学位论文 f a i 迎浪运动时历f r = 0 5 6 2 6 00 2 8 06 3 0 06 3 2 06 3 4 0 眈柏韶6 2 6 3 舯6 3 2 06 3 4 0 t i m estep(o01sstep)time s t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 3 5 ) d l = 1 o 无因次垂荡响应 图4 3 6 z l = 1 0 无因次纵摇响应 眈6 06 2 8 06 3 0 06 3 2 06 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 3 7 v l = 1 0 垂荡加速度图4 3 8 z l = 1 0 纵摇加速度 f a i 迎浪运动时历f r = 0 6 6 7 仉4 0 3 n 2 0i _ 砉0 0 f 吨l 6 2 6 06 2 8 06 3 0 06 3 2 04 0b 2 4 06 2 6 06 2 8 06 3 6 3 2 06 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 1sstep)times t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 3 9 肌= 1 o 无因次垂荡响应图4 4 0 v l = i 0 无因次纵摇响应 5 2 哈尔滨一 稗大学硕士学位论文 图4 4 1 x l = i 0 垂荡加速度 2 、陈晓波法 收敛性示意： 计算条件：f r = 0 3 5x l = i 7 图4 4 3 无因次垂荡响应 运动响应细节： f a1 迎浪运动时历f r = 0 3 5 图4 4 2 v l = 1 0 纵摇加速度 1 0 0 8 n 6 0 4 o0 2 _ 啬0 0 f 0 2 - o4 - 06 - 08 图4 4 4 无因次纵摇响应 b 2 8 06 3 0 06 3 2 06 3 o t i m es t e p ( o 0 1 s s t e p ) 图4 4 5 x l = 1 0 无因次垂荡响应图4 4 6 x l = 1 o 无因次纵摇响应 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 6 2 4 0伽6 2 8 06 3 0 06 3 2 06 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 i s s t e p ) 图4 4 7 九l = 1 0 垂荡加速度图4 4 8 v l = 1 0 纵摇加速度 f a1 迎浪运动时历f r = 0 5 眈4 0眈6 06 2 8 06 3 0 06 3 2 06 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 1s s t e p ) 仉6 氆4 。n 2 u 春o o f - 0 2 - 0 , 4 睨4 06 2 6 06 2 帅6 3 6 3 6 3 4 0 t i m es t e t o ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 4 9 v l = 1 0 无因次垂荡响应图4 5 0 v l = i o 无因次纵摇响应 图4 51 m l = 1 o 垂荡加速度 f a1 迎浪运动时历f r = 0 6 6 7 图4 5 2 z l = 1 o 纵摇加速度 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 n t 0 3 n 2 0 1 o 翥 仉o f 吨l 6 2 4 0啦6 2 8 06 3 0 06 3 2 06 3 4 06 2 4 06 2 6 06 2 8 0舶6 3 4 0 t i l es tep(001sstep)tile s t e p l 0 0 1 s s t e p ) 图4 5 3 肌= 1 0 无因次垂荡响应图4 5 4 m l = 1 0 无因次纵摇响应 图4 5 5 肌= 1 0 垂荡加速度 3 、刘应中法 收敛性示意： 计算条件：f r = 0 3 5m l = i 7 g 毫 占 墨 6 2 4 0 6 2 6 0 6 n 帅 0 0 6 3 2 0 6 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 5 5 m l = 1 0 纵摇加速度 图4 5 7 无因次垂荡响应图4 5 8 无因次纵摇响应 运动响应细节： f a l 迎浪运动时历f r = 0 3 5 哈尔滨 稃大学硕+ 学位论文 1 0 m 8 n 6 0 r 4 u 。0 2 n 0 f n 2 n 0 6 - 0 8 - 1 o 6 2 6 2 8 06 3 0 06 3 2 06 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 5 9 v l = 1 0 无因次垂荡响应图4 6 0 l l = i 0 无因次纵摇响应 图4 6 1 l l = i 0 垂荡加速度 f a1 迎浪运动时历f r = 0 5 韶帅6 2 6 06 2 8 06 j 0 06 3 2 0 4 0 t i m es t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 6 2 4 0鸵6 06 2 8 06 3 0 06 3 6 3 帅 t i m es t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 6 2 l l = 1 0 纵摇加速度 6 7 a 06 2 6 2 6 3 0 06 3 2 06 3 4 0 t i m es t e p ( 0 ，o l s s t e p ) 图4 6 3 l l = 1 0 无因次垂荡响应图4 6 4 l l = 1 0 无因次纵摇响应 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 伽6 2 8 00 0 6 3 2 06 3 4 0 t i m es t e 0 ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 6 5 l l = 1 0 垂荡加速度 图4 6 6 l l = 1 0 纵摇加速度 f a 1 迎浪运动时历f r = 0 6 6 7 图4 6 7 肌= 1 o 无因次垂荡响应图4 6 8 l l = 1 0 无因次纵摇响应 言 。 图4 6 9 k l = 1 0 垂荡加速度图4 7 0 肌= 1 0 纵摇加速度 4 、w h e e l e r 法 收敛性示意： 计算条件：f r = 0 3 5l l = i 7 5 7 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 图4 7 1 无因次垂荡响应 运动响应细节： f a l 迎浪运动时历f r = 0 3 5 1 0 0 - 8 n 6 n 4 u 。n 2 _ 啬00 g ：- - 02 n - 06 - 0 8 - 1 0 图4 7 2 无因次纵摇响应 6 2 6 06 2 鼬6 3 0 0 6 3 2 0 8 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 i s s t e p ) 图4 7 3 2 l = 1 0 无因次垂荡响应图4 7 4 v l = 1 0 无因次纵摇响应 露 专 者 6 2 4 06 2 6 06 2 8 06 3 6 3 2 06 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 i s s t e p ) 图4 7 5 v l = 1 o 垂荡加速度图4 7 6 v l = 1 0 纵摇加速度 f a 1 迎浪运动时历f r ：0 5 6 2 4 06 2 6 06 2 8 0 6 3 0 06 3 2 06 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 7 9 l l = 1 0 垂荡加速度 f a1 迎浪运动时历f r = 0 6 6 7 6 2 4 06 2 6 2 4 06 2 6 06 2 8 06 3 0 0 6 3 2 06 3 4 0 t i m es t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 8 0 l l = i 0 纵摇加速度 6 2 8 05 3 0 06 3 2 0 4 06 2 4 00 2 6 06 2 8 08 3 0 0 6 3 2 0 6 3 4 0 t i m es tep(001sstep)time s t e p ( 0 0 1 s s t e p ) 图4 8 1 l l = i 0 无因次垂荡响应图4 8 2 l l = 1 0 无因次纵摇响应 哈尔滨+ l 稗大学硕士学位论文 眩 毫 运 6 2 6 0 6 2 8 0 6 3 0 0 6 3 卸柏 t i n es t e p ( 0 0 1 s s t 印) 图4 8 3 l l = 1 0 垂荡加速度图4 8 4 l l = 1 0 纵摇加速度 不同修j f 方法差异对比： 收敛性示意： 计算条件：f r = 0 5l l = i 0 2 孔= 1 1 5 舯8 59 0蝇l t i m e 5 ) 图4 8 5 无因次垂荡响应 运动响应细节： f a l 迎浪运动时历f r = 0 5 ) l l = i 0 0 4 o 2 u 。 翥o o f 。o 2 _ o _ 图4 8 6 无因次纵摇响应 2 l = 1 1 5 o 4 m2 u 塞o o f - o 2 o 4 图4 8 7 无因次垂荡响应图4 8 8 无因次纵摇响应 6 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图4 8 9 垂荡加速度 4 5 4 斜浪及不规则波运动响应 6 006 0 26 0 66 0 8 6 106 1 26 1 46 1 66 lb b 2 0 t i l e ( s ) 图4 9 0 纵摇加速度 以下为三体船模f a l 斜浪中规则入射波运动时历响应。计算条件为 f r = 0 3 5 ，b e t a = 1 2 0 ，9 0 度。粘性阻尼系数采用第2 章中z h a n g 的理论计算。入 射波压力修正采用扩展入射波压力和静水压力表达式。 浪向角1 2 0 度 收敛性示意： 图4 9 l 肌= 1 o 无因次垂荡响应图4 9 2 l l = 1 0 无因次横摇响应 图4 9 4x l = o 6 无因次垂荡响应 三至巫珂 6 枷6 6 帅6 6 0 06 7 0 0 t i u es t e p ( o o l s s t 2 p ) 图4 9 5m l = o 6 无因横摇响应 e 三至五团 图4 9 6m l = o 6 无因次纵摇响应图4 9 7m l = i 0 无因次垂荡响应 6 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 - - 2e lm20三至豳j亟口 1 l 0 _ 芒 n f n l 一1 - 2 图4 9 8m l = i 0 无因次横摇响应 e 三耍匦珂 图4 9 9m l = i 0 无因次纵摇响应 三互五珂 6 3 0 0h 瑚5 4 0 0 6 伽6 5 0 06 2 5 06 3 6 3 5 06 4 0 06 4 5 06 5 0 0 t i s es tep(oolsstep)times t e p ( o 0 1 s s t e p ) 图4 1 0 0l l = i 7 无因次垂荡响应图4 1 0 1z l = 1 7 无因次横摇响应 三互亚西西口 浪向角9 0 度 5 0m6 3 5 06 06 4 5 0 6 5 t i 肿s t e p ( o o l s s t e p ) 图4 1 0 2 ) 4 l = 1 7 无因次纵摇响应 n8 0 6 o 4 0 2 ：n0 ； 。- 0 2 _ 0 - 0b _ 08 - 1 0 6 姗6 3 5 0 h 6聊曲6 3 5 06 4 0 0荫6 5 0 0 t i s es t e p ( no lsstep)time s t e p ( o 0 l s s t e p ) 图4 1 0 5x l = o 6 无因次纵摇响应 e 三至五固 图4 1 0 6l l = i 0 无因次垂荡响应 e 三至五珂 n 2 o i u f m 0 吨l 6 3 0 0t m& 1 5 082506 3 0 06 3 5 0 6 5 0 0 t i m es tep(oo|sstep)time s t e p ( o o l s s t e p ) 图4 1 0 7 l = 1 0 无因次横摇响应 e 三丕歪团 图4 1 0 8 ) j l = i 0 无因次纵摇响应 e 三薹五团 2 l 1 o “ 耄 o f 吨 - 1 一l - 2 8 3 0 05 3 5 0m6 4 5 0m 6 1 5 0 6 2 5 06 3 0 06 3 5 0 6 4 5 06 6 0 0 t i m es tep(oolsstep)time s t e p ( o o l s s t e p ) 图4 1 0 9 l = 1 7 无因次垂荡响应图4 11 0 ) j l = i 7 无因次横摇响应 ( t a d s ) e ( r a d g s ) 图4 11 2h l 3 = 4 mt z - 6 8 s 谱密度分布图4 11 3h l 3 _ 2 mt z _ 6 8 s 谱密度分布 e 三圃e 三五圃 0 1 0 00 8 0 00 4 0 0 2 0 0 一00 z - 0 0 4 - 0 0 6 - o 0 b 0加帅801 0 0 1 2 01 4 0 t i m e ( s ) o 4 o 3 o 2 一o 罾 ； o ” f - 0i - 02 吨3 o2 0帅6 08 01 0 0i i 柚 t i m e ( s ) 图4 11 4h l 3 = 4 mt z _ 6 8 s 垂荡 图4 11 5h i 3 - 4 mt z = 6 8 s 横摇 6 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e 三玉五妇e 三圃 0 i o 0 憾 0 0 6 0 0 4 薏0 毒0 f 吨呲 - 0 0 4 - 0 0 6 - 0 , 0 8 - - 0 1 0 02 0柏蚰l i i | 0 t i m e ( s ) 图4 1 1 6h l 3 = 4 mt z _ 6 8 s 纵摇 e 三五囹 。4 。3 仉2 童” 喜 “。 _ o1 o 2 0 3 - 0 , 4 ol o o 憾 n n0 4 n0 2 0 - 0 0 2 n 0 4 吨0 6 - 0 惦7 07 5帅 t i m e ( s ) 图4 11 7h l 3 = 4 mt z = 6 8 s 垂荡细节 e 三玉圃 n l o n 呻 n 0 6 00 4 n 睨 00 0 - - 0 0 2 _ o 叫 - - 00 6 - 00 8 龉7 07 5 瞄7 07 5 time(s)time(s) 图4 11 8h u 3 = 4 mt z _ 6 8 s 横摇细节 图4 11 9h l 3 = 4 mt z = 6 8 s 纵摇细节 o 0 4 0 m 舯 f 吨 仉埘 02 0蚰6 01 0 0 1 2 01 4 0 t i m e ( s ) 0 2 0 n t 5 n 1 0 0 0 z 鼍 占0 【m 寸 f_00 ； n 1 0 n 1 5 吨2 0 _ o ，2 5 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 t i m e ( s ) 图4 1 2 0h l 3 = 2 mt z = 6 8 s 垂荡图4 1 2 1h i 3 - 2 mt z _ 6 8 s 横摇 n 0 4 n 0 2 竹0 0 0 f - 0 - 0 0 4 f i 0酾7 07 5舯 t i m e ( s ) l_njiiiiiiiii 一 洲m一 二i二_ 一 例一 j二il 一 j 一 n二ijij r niiii1 一 帆一 n i _ i 卜 一 iiijiii injiiiiiii 一 nijiiiiiii 一 一 川w 一 一 iiii 一 jiil 一 柑一 iii 一 九 一 iijjr ihijiiiil 一 ，肌，一 毗 化 帅 舵 舛 仉 仉 仉 吨 吨 咄 一薯j ) l l 哈尔滨一i ：程人学硕士学位论文 图4 1 2 2h l 3 = 2 mt z = 6 8 s 纵摇图4 1 2 3h l ，3 = 2 mt z _ 6 8 s 垂荡细节 6 0 言o 0 0 o 帕 f - 0 0 2 舒7 0 7 5帅 t i m e ( s ) 6 57 07 5舯 t i m e ( s ) 图4 1 2 4h 1 3 = 2 mt z - 6 8 s 横摇细节图4 1 2 5h l 3 = 2 mt z _ 6 8 s 纵摇细节 4 5 5 浪向及入射波频率对运动响应影响比较 以下为三体船模f a l 在不同入射波长以及相同波长不同浪向下运动响应 结果的比较。 计算条件：f r = 0 3 5 肌= 1 0 1 6 1o u 0 5 童。 - 06 一l0 一1 5 5 l5 45 76 0韶髓 t i m e ( s ) 2 0 1 5 l0 o 5 u s o 0 f - - 0 f i - 1 0 - 1 6 2 ，o 5 i5 45 76 3黼 t i m e ( s ) 图4 1 2 6 垂荡响应图4 1 2 7 横摇响应 0 8 0 6 0 4 0z u 啬00 f - - 02 - 04 m6 - - 0 8 s ih5 76 0g 3 6 9 t i m e ( s ) 图4 1 2 8 纵摇响应 6 7 坫 加 宝 惦 坤 峙 巧 m m 仉 m n 吨 吨 n 吨 吨 叼k一寸li 哈尔滨1 i 程大学硕士学位论文 计算条件：f r = o 3 5 浪向角1 2 0 度 图4 1 2 9 垂荡响应图4 1 3 0 横摇响应 4 6 本章小结 强 髓 。：i 差 ； 毒! 烈 魏 5 15 4 f i 7 6 06 36 6 t i m e ( s ， 图4 1 3 1 纵摇响应 本章的工作提供了一种计算斜浪中三体船高速大幅运动的时域预报方法， 能够计算规则波和不规则入射波作用下三体船的三自由度运动。计算耗费时 间及计算资源较少，使用方便。进一步的工作应集中于计算脉冲响应函数的 修j f 以及时域附加质量和脉冲响应函数计算方法的匹配问题研究。 哈尔滨：l 程大学硕十学何论文 结论 本文的工作提供了三种计算三体船粘性横摇阻尼的方法，以及迎浪或斜 浪中高速三体船大幅运动的时域预报方法，用以计算规则波和不规则入射波 作用下三体船的三自由度运动。通过本文的研究得出以下结论： 1 、现有的基于经验公式预报单体船粘性横摇阻尼的计算方法推广至三体船横 摇阻尼的计算可以实现，但需要辅之以大量试验数据的进一步验证。诸如 不同片体间相互影响对于粘性系数的选取需要进一步研究，以便开展对此 类方法的应用。 2 、基于数值水池的粘性横摇阻尼预报方法展示了其相对传统经验公式预报方 法所具有优越性。本文的结果表明无论对于常规单体船型或三体船型，该 方法均能有效模拟静水横摇衰减的运动时历结果，从而可以不受船型差异 限制的较为准确的计算船舶横摇阻尼。 3 、简化的物面非线性运动预报方法可以基于二维半理论较为成功地将船舶大 幅运动预报拓展至较高航速的三体船型领域。从而为高速三体船这一船型在 较高海况下的耐波性预报提供了一种新的方法。 哈尔滨：i 二程人学硕七学位论文 【2 】 3 【7 8 】 【9 】 【l o 】 参考文献 马山高速船舶运动与波浪载荷计算的二维半理论研究哈尔滨工程 大学博士学位论文，2 0 0 5 段文洋船舶大幅运动非线性水动力研究哈尔滨工程大学博士学位论 文，1 9 9 5 d u a n 彤巧h u d s o nd ，a ，p r i c e 彤gt h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no ft h em o t i o n s o ff a s td i s p l a c e m e n tv e s s e l si nl o n g - c r e s t e dh e a ds e a s t h e3 r di n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c ef o rh i g hp e r f o r m a n c em a r i n ev e h i c l e s ，s h a n g h a i ，2 0 0 0 t h e r o y a li n s t i t u t i o no fn a v a la r c h i t e c t s j w ：z h a n g r o l ld a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so fat r i m a r a nd i s p l a c e m e n t s h i p i n t s h i p b u i l d p r o g r ，4 6 ，n o 4 4 8 ( 1 9 9 9 ) p p 4 4 5 4 7 2 李培勇三体船横摇运动 j 】中国造船2 0 0 3 ，v 0 1 4 4 p 2 4 3 0 c h o u n gm l e e p r e d i c t i o no fm o t i o ns t a b i l i t y , a n dw a v el o a do f s m a l l w a t e r p l a n e - a r e a ，t w i n - h u l ls h i p s s n a m et r a n s a c t i o n s ，v 0 1 8 5 ， 19 7 7 ，p p 9 4 - 13 0 段文洋，贺五洲高速排水型船的运动性能预报【j 】清华大学学报2 0 0 1 ， v 0 1 4 1 ( 1 2 ) ：p 8 2 - 8 5 段文洋，贺五洲高速细长体理论在双体船运动计算中的应用【j 工程 力学2 0 0 1 ，v 0 1 1 9 ，n o 2 ：p 1 3 8 1 4 i 段文洋，马山船舶航行时水动力系数求解二维半理论的稳定算法 j 】船舶力学，2 0 0 4 ，v 0 1 8 ，n o 4 ：p 2 7 3 4 魏跃峰多体船纵向运动预报研究哈尔滨工程大学硕士学位论文， 2 0 0 7 s c h m i t k e ，r t s h i ps w a y , r o l l ，a n dy a wm o t i o ni no b l i q u es e a s ，t r a n s s n a m e v | 0 1 8 6 1 9 7 8 7 0 1 j 1 l j 1 j h 陋 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 12 】h a d d a r a ，m r & c u m m i n g ，d e x p e r i m e n t a li n