（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船型对波浪中船舶倾覆概率的影响.pdf

摘要 摘要 本文综述了决定船舶抗倾覆能力的因素主要有两方面 其一为外界 因素 即外界的环境条件 例如自然界中的风和浪 其一为内部因素 即船舶自身的船型及结构 关系到船舶自身的稳性特征 分析认为 外 界风浪因素不能人为控制 但是合理的选择船型参数是船舶设计者所能 办到的 本文采用m e l n i k o v 函数方法与相空间流量率理论以及数学统计方法 相结合预报船舟n 在随机波浪中的倾覆概率 通过对两艘有代表性的在航 船船型进行倾覆概率预报比较 研究船型对船舶倾覆概率的影响 本文采用排水量相近而船型不同的u 型船和v 型船的两种船型 从 船舶设计角度看 历来都有u 型 v 型船优劣的争论 但极少涉及其对 在波浪中倾覆概率影响 本文首次对此进行了深入研究 卣接用数学统 计的方法求得m e l n i k o v 函数脉动部分的方差 计算得出相空间流量率 从而预报u 型船 v 型船的倾覆概率 比较了相同海况f 两船的倾覆 概率和临界波高 研究了船型改变对船舶在波浪中倾覆概率的影响 得 出了从抗倾覆能力角度讲 v 型船优于u 型船的结论 关键词 船舶倾覆 m e l n i k o v 船璎 非线性 横摇 华南理上人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea b i l i t yo fr e s i s t i n gs h i pc a p s i z ei sm a i n l yd e c i d e db yt w oa s p e c t s o n t h eo n eh a n d t h ee x t e r i o rf a c t o rt h a ti st h ee n v i r o n m e n t f o re x a m p l e t h e w i n da n dw a v ei nt h en a t u r e o nt h eo t h e rh a n d t h ei n h e r e n tf a c t o rt h a ti s t h es h a p ea n ds t r u c t u r eo fs h i p w h i c hi sr e l a t e dt ot h es t a b i l i t yf e a t u r eo f s h i p a l t h o u g ht h er a n d o mw i n da n dw a v ec a n t c o n t r o l l e db yp e o p l e t h e s u i t a b l es h i pp a r a m e t e r sa n ds h i ps t y l ec a nb es e l e c t e db ys h i pd e s i g n e r s i nt h i s t h e s i s t h e m e l n i k o vf u n c t i o na n d p h a s e s p a c et r a n s p o r t t e c h n i q u e s a sw e l la sm a t h e m a t i cs t a t i s t i cm e t h o da r ea p p l i e dt op r e d i c t s h i pc a p s i z ei nr a n d o mw a v e s t h ee f f e c t so fs h i ps h a p eo ns h i pc a p s i z ea r e s t u d i e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h ec a p s i z ep r o b a b i l i t yo ft w or e p r e s e n t a t i v e s h a p e du s i n gs h i p s f r o mt h ev i e wo fs h i pd e s i g n t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fu s h a p e ds h i pa n dvs h a p e ds h i ph a v eb e e nd i s p u t e df o rm a n yy e a r s b u tt h e e f f e c t so fs h i ps h a p eo nc a p s i z eh a v es e l d o mb e e ns t u d i e d t h et w os h i p s w h i c hh a v es i m i l a rd i s p l a c e m e n to n l yd i f f e r e n ti ns h i ps h a p ea r ec h o s et o c o m p a r e o n ei sus h a p e ds h i p a n dt h eo t h e ri svs h a p e ds h i p t h ev a r i a n c e o ft h e o s c i l l a t o r yp a r t s o fm e l n i k o vf u n c t i o ni s s t r a i g h t c a l c u l a t e db y m a t h e m a t i cs t a t i s t i cm e t h o d t h e nt h er a t eo fp h a s es p a c ef l u xi s g a i n e d t h u s t h ec a p s i z ep r o b a b i l i t yo ft h eus h a p e ds h i pa n dvs h a p e ds h i pa r e p r e d i c t e d i no r d e rt or e s e a r c ho nt h ee f f e c to fs h i ps t y l eo ns h i pc a p s i z e t h e c a p s i z ep r o b a b i l i t y a n dc r i t i c a lw a v eh e i g h to ft h et w os h i p si s c o m p a r e da t t h es a m es e as t a t e t h ec o n c l u s i o ni st h evs h a p e ds h i pi s s u p e r i o rt ot h ev s h a p e ds h i pf r o mt h ev i e wo fr e s i s t i n gc a p s i z e k e yw o r d s s h i pc a p s i z e m e l n i k o v s h i ps h a p e n o n l i n e a r r o l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容 外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品 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后果由本人承担 作者签名 孙司木日期 耐年莎月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完伞了解学校有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留并向国家有关部fj 或机构送交论文的复印件和 电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采 用影印 缩印或扫捕等复制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在 年解密后适用本授权书 本学位论义属于 不保密甙 请在以上相应方框内打 日期 彬年g 月bf 1 日期 年6 月 f 口 芊 虱许 一 幻孚 名 钎 签 签 者 师 怍 导 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的意义和目的 船舶安全性是船舶在风浪中航行以保证人们生命财j 安全应具有的 极为重要的性能 长期以来 人们对船舶安全进行了深入的研究 取得 卓有成效的成果 为保证船舶安全起到了重要的作用 制定了一系列的 重要规范 诸如 稳性规范 然而 遭受覆没之灾的海难事故时有发生 而这些船舶都是完全符合 规范 要求的 一u 见现行规范还存在不完整 之处 换句话说 现有的船舶稳性衡准 无沦是从理论观j j 还足从实践 的观点来衡量 都还不够完善 船舶稳性是指船舶在外力作用消除后恢复其原平衡位置的性能 也 就是船舶抵抗外力 风 浪 牵引力 搁浅等 作用而不倾覆的能力 这是 保证船舶航行安全和人们生命财产安全极为重要的性能 船舶稳性按常 规分为完整稳性和破舱稳性 每项中又分为初稳性和大倾角稳性 完整 稳性是指船舶在没有破舱情况时的稳性 破舱稳性是指船舶在一舱或几 舱破损进水情况下的稳件 初稳性是船舶在外力作用下 横倾角不超过 1 0 时的小角度稳性 大倾角稳性是船舶在外力作用下 横倾角超过1 0 时的船舶稳性 造船史中自 不少著名的例证说明 船舶原理 中的某些问题都是在 发生了重大海难之后才着手研究的 风浪中的船舶稳性也不例外 它是 2 0 世纪5 0 年代初由于频繁地发生渔船和运输船舶的翻沉事件才 以研 讨 尽管在所有的海事船舶的统计中 倾覆的船舶所占比例不大偿q1 0 但是船舶的倾覆却是一种非常重人的海难 通常都伴随着船冉n 的沉没及 人员的伤亡 而7 0 以上的倾覆船舶是在恶烈的气象 巨浪和狂风条件 下出现翻船而造成海损事故 可见 再没有比只检验平静海况下的船舶 稳性更荒诞的事了 严酷的现实逼使人们不得不注意按海损的统汁资料 进行分析 并详尽的研究海损的具体情况 模拟翻船的过程等等 以求 有效地窥避风险 在关于船舶安全性的众多课题中 船舶倾覆机理及倾覆概率预报又 尤其重要 波浪中船舶的倾覆是一个相当复杂的问题 主要表现红外载 荷的随机性和船舶大幅横摇的非线性 船舶人幅横摇的非线性又包括 华南理工大学硕上学位论文 非线性恢复力 非线性阻尼力 多自由度的1 f 线性耦合和严酷风浪条件 的非线件扰动等 外载荷的随机性导致了不能用确定性的方法来描述 而且运动还是强非线性的 不属于萨态分布 凼此不能用常规谱分析方 法处理 所有这些困难 致使研究进展十分缓慢 造成人们对船舶倾覆 机理至今还没有完全理解 为了确保船舶具有足够的抗倾覆能力 各困 规范仅对船舶静稳件曲线的某些特性作了些限制 如 初稳性高度 稳 性曲线特征f 包括最大静稳件力臂 最大静稳性力臂对应角 稳性曲线消失 角 静稳性曲线下的面积 气象衡准f 横风横浪联合作用下的动稳性要求 以及专用船的附加要求 这是皋丁静力学理论制定的稳性规范 在某些情 况下符合客观实际 可是 这种做法的不足是很明显的 它主要建立在 实验数据基础卜而缺少理论支持 况且 静稳性曲线描述的是船舶的静 态特性 无法描述和船舶倾覆直接有关的动态特件 船舶在其使用寿命 巾绝大部分时间是在波浪汹涌的海浪中运行 而不是静止于风平浪静的 港湾之中 而海洋波浪最本质的特征即为随机性 因此在随机意义下研 究船舶在波浪中的倾覆问题更有价值 作用于船舶的外载荷的随机性决 定了船舶倾覆事件也是一个具有一定概率的随机事什 如何准确的预报 该随机市什的概率是一个亟待解决的问题 决定船舶抗倾覆能力的因素丰要有两方面 其一为外界因素 即外 界的环境条件 例如自然界巾的风和浪 其一二为内部因素 即船舶自身 的船型及结构 关系剑船舶自身的稳性特征 外界风浪因素不能为人所 控制 但是合理的选择船型参数是船舶设计者所能办到的 本文正是研 究不同船型对船舶倾覆概率的影响 希望为船舶设计人员选择船型方面 提供参考 以及为制定更加合理的稳性规范提供依据 1 2 船舶的安全性 1 2 1 船舶的安全性研究回顾 切水卜工程建筑物 包括船舶在内 无论是没计 建造和使用 都应该有效地满足特定的要求 安全性足首要要求 而动态中的稳定性 又具有极其重大的意义 这止是造船工作者对此课题表现出浓厚兴趣的 原因 人们对船舶稳性的认识是有一个历史的过程的 就海上航fj 来说 最早称其为耐帆力f s a i l c a r r y i n gf o r c e 这是帆船时代的产物 后来才称 为船舶稳性 s t a b i l i t vo fs h i p 这其f a 也付出了不少血的教训与代价 2 第章绪论 船舶稳性是指船舶在外力作用消除后恢复其原平衡位置的性能 也 就是船舶抵抗外力f 风 浪 牵引力 搁浅等 作用而不倾覆的能力 稳性 是一项保证人们生命财产安全极其重要的性能 多少年来 船舶完整稳 件i u j 题 一直是船舶设计工作者所关心的 但是 围际上统一的稳性限 界或估算方法却很少 在船舶稳性学科的发展中 船舶稳性衡准问题处 于特殊的地位 囚为它足估量船舶稳性是否充分的手段 而现有的船舶 稳性衡准 无论从理论和实践观点衡量 都还不够完善 显然 这是由 于船舶稳性问题所涉及的是 非线性的随机事件 问题复杂 因素众 多 稳性校核是各国船级社法定的规范化行为 各国规范对稳性衡准指 标有着严格规定 对不同船型 不同用途的船舶作了明确的表述 初稳 性以初稳性高度o 或h 作为衡准指标 大倾角稳性则以k i q i f 1 最小 倾覆力臂 风压倾侧力臂 作为衡准指标也称作气象衡准 目前船舶稳性在 近代数学利船舶运动理论以及计算机的配合推动下 较之以往取得了不 小进展 但对一些重要课题 例如船舶的倾覆机理 船舶完整稳性及波 浪中稳性和衡准方式等方面的研究成果 还不能说令人满意 因为完全 符合 规范 要求的船舶 遭受覆没之灾的海难事故时有所闻 尤其是 中 小型船舶更为突出 说明现行规范还存在不完整之处 还有许多课 题等待人们去认识 研究和完善 当船舶航行在风浪严重的海面上 人的生命和财产处于危险状况下 稳性问题显得尤为突出 正因为船舶稳性问题的重要性和复杂性 所以 它至今还足人们不断研究和追求完满解决的课题之一 有关船舶稳性问题的基础 早在1 8 世纪中叶已丌始为人们所掌握 而对丁 稳性概念上的认识还要早 可是直到今天义于 船舶稳性理论 还不能说已经完善了 回顾船舶稳 阵的发展历史 人致叫 归纳为三个方 面的问题 一 对常规船舶在静水中的稳性问题的研究 二 对运动巾的船舶有关大倾角横摇及其稳性问题的研究 三 船舶稳性衡准问题的研究 第一方面的问题 足假定船舶稳性可通过其几何形状和质量分布决 定 以船舶在静水中横倾时的重量l j 浮力构成的力矩作为衡量稳性的标 准 这种解释船舶稳性的概念已经使用很长时间了 1 7 4 6 年 法国人p 蒲 盖尔 p i e r eb o u g u e r 首先讨论了稳性的意义 他导得的稳性理论主要方法 是将稳心半径定义为水线面惯性矩i 与浸水体积v 的比值 1 7 9 8 午英国 人g 阿特武得 g e o r g ea t w o o d 导出了更精确的计算恢复力矩臂的有名 的g 阿特武得公式 1 8 5 0 年c 莫希里 c a n o nm o s e l e v l 创立了 动态 华南理工大学硕士学位论文 稳性 理论 他导出了在外力作用下所做功的表达式 并将此功表示为 复原力臂曲线的面积 c 莫希里研究的意义是试图把船舶稳性和横摇运 动联系起来 但这一理论应用至今进展不大 1 8 6 1 年f k 巴恩兹 r f k b a r n e s 发表了计算稳性交叉曲线的数学方式以及一些计算方法的 说明 开创了理论应用于实践的可能性 1 9 0 4 年a 绍罩班蒂 a s o r i b a n t i 导出了直舷船g z 值的表达式 突出了从零或负的初稳心高度所带米的问 题 随后在这方面的研究工作 有的是为了修正 有的是为了建立现有 理论的应用技术 如c w 普岁哈斯卡 p r o h a s k a c w 1 9 4 7 年 o 格 里姆f gr i m o 1 9 5 2 年1 k 文得尔 w e n d e l k 1 9 5 4 年 j e 凯尔 文 k e r w i n j e 1 9 9 5 年 j r 包林格 p a u l i n e j r 1 9 5 9 年 和其 他许多人所论述的关于风浪中船舶复原力矩的变化对船舶稳性的影响等 问题 第 方而的问题是与第一方面的问题同时展丌的 目的在于阐明船 舶大幅横摇运动时船舶的稳性 而不是考虑运动本身的稳性 1 8 6 1 年 w 傅汝得f w f r o u d e 略去了阻尼效应 假定船宽和吃水比波长小得多 因而船舶的存存对波型没有影响 导出了在规则横波中的横摇运动方程 式 1 8 7 4 年他又采用试验的方法得出了最佳阻尼 导出了减摇效应的表 达式 1 8 9 6 年和1 8 9 8 年a h 克雷洛夫针对船舶摇摆理论发表了更加 明了的论述之后 船舶横摇理论便在人们熟知的傅汝得一克雷济夫假定 基础上进一步发展了 g c 曼宁f g c m a n n i n g 在1 9 3 9 年提出了波 浪周期问题 把航速和波浪方向的影响包括进去了 1 9 5 2 年o g r i m 首 先证明了非线性谐摇的影响 1 9 5 3 年w j p i e r s o n 和m d e n i s 发表了 船舶在彳i 规则波浪巾运动的统计方法 这篇具有创见的沦文为深入探索 船舶运动开辟了新的领域 随后吸引许多学者都致力于这方面的研究 1 9 5 7 年a n 沃兹聂辛斯基和a 费尔绍夫提出了横摇运动统计的资料 分析以及o 格罩姆运用随机过程去探讨非线性的船舶横摇问题之后 统 计分析方法便被广泛的采用了 第二方面的研究课题目的在于建立船舶的稳性衡准 确定一个最低 的安全稳度值 制定这种规范或建议性规则的必要性是不言而喻的 随着 航运业的发展 历史上第1 次给出 商船稳性标准 的大概是a 丹尼 a d e n n y 在1 8 8 7 年建议的 1 9 1 3 年l 朋加明 l b e n j a m i n 分析了营 运中稳性有效的船舶和凶稳性不足而遭海难的船舶后 得出结论 稳性 标准不足静稳定臂 而是动稳定矩臂在横倾角为3 0 和6 0 时 应不小 于0 0 5 和0 2 米 后来l 朋加明又扩充了他的标准值 并建议了最小的 动稳性曲线及与其相应的静稳性曲线图 1 9 2 5 年b l 波兹求宁也发表 4 第一章绪论 了最小稳定高度公式 1 9 3 2 年i c 尼杰麦尔f i c n i e d e r m a i r 指出当 船舶损伤之后及任 舱淹水时初稳定高度皆为正值 他给出的最小稳定 高度 1 9 3 2 年c h 勃拉哥维辛斯基 s u b l a g o v e s h c c h e n s k y 和e 别 洛蒂脱f e p i e r o t t e t 表达的形式最为突出 足以船舶的静稳性曲线图上的 最大的力臂作为衡准 最值得一提的是1 9 3 8 年i 雷霍拉f i r a h o l a 在 他的博士论文中提出了完整的指导实践的检验最小船舶稳性的建议 它 对订立切实可行的稳件衡准很有价值 i 雷霍拉论文建立了不朽的功绩 在完整稳性方面丌创了一个有意义的里程碑 随后成为许多国家船舶稳 性标准的基础 包括1 9 6 8 年i m c o 所公靠的标准 1 9 7 4 年公约 归纳起 来 在选择稳性标准时历史上明显的分为以下几个趋向 第 种趋向足以某种初稳性高度g m 或干舷值作为标准 其优点是 可以利用简单的计算式 如t 安得尔松 b l 波兹求宁 i c 尼杰 麦尔 w 达里曼以及美国的船舶设计稳件规则等 此种标准的不确定件 是明显的 它不能确定在动力作用下的稳性储备以及当船舶虽然具有相 当大的初稳定高度值 而当十舷低时可能呈现稳性 线范围很小 1 竽在 发牛倾覆的危险性 第二种趋向是以静稳性曲线图的要素为标准 其物理特征是在发生 危险条件下静力作用的临界力矩值 但是实际最危险的倾覆通常是在动 力作用情况下发生 这种趋向的衡准有如 a 丹尼 c h 勃托哥维辛 斯墓等 第二种趋向是以动稳性f f i 线图为标准 如l 朋加朋 e 别洛蒂脱 i 雷霍拉等 认为以动稳性曲线图为准是最合理的 但是要指出的是拟 建立标准应考虑一系列动力作用的综合情况 按此原则 如今已制定了 大量的官方稳性标准 并将波浪对稳性的影响逐步反映到衡准当中 一个时期以米船舶稳性衡准基本上是统计资料及经验为基础的产 物 多以1 9 3 8 年i r a h o l a 在他的博士论文中提出的检验最小船舶稳性问 题建议的结论为基础 或加以修改或加以补充 现行的大多数标准都是 以和复原力臂作对比的倾覆力臂的计算为基础的衡准 即应用理论方法 的衡准 越来越多的被人们所采纳 并已成为主体方式 如前苏联 东 欧 日本 巾国等以及1 9 8 3 年政府问海事协商组织建议案都采用了这种 方式 但发展至今船舶稳性的衡准方法及内容尚不完善和充分 所涉及 非线性的随机事件 问题复杂 因素众多 船舶在运动中波浪稳性在 现行规范中没有反映 或者以隐蔽形式计入波浪影响 并不能反映存波浪 状态下船舶稳件特征 随着基础理论研究的进展和计算流体力学f c f d l 技术的开发 以船舶运动理论为基础的船舶波浪稳性的研究已成为困内 华南理t 大学硕上学位论文 外造船界研究前沿和热点 伴随着船舶倾覆机理的研究越来越深入 尤 其是非线性动力学理论的应用 使船舶稳性的研究进入一个活跃的阶段 逐渐使船舶稳性衡准步入成熟期 随着计算流体力学 c f d 技术开发 使 船舶在波浪中稳性的研究有了更颦实的基础和工具 开本曾以船舶在风 及波浪中的倾覆为对象 进行了横风 横浪中漂浮时的倾覆 随浪航行 时的倾覆 尾斜浪航行时的倾覆等 系列试验研究 试图从船舶倾覆的 众多原因中找出其机理 得出倾覆现象的解释 英国开展了许多有关完 整稳性的研究 克拉平格r k r a p p i n g e r 和库雷 k u r e 认为需要用现代化的 于段来评定极度海况中船舶的安全性 例如危险分析等 安尼尔 莫拉 尔提议采用环境危险模型作为评定船舶在设计过程中完整稳性的一种可 行方法 并建议尽量利用现有的稳性理论和统计技术 来辅助设计程序 1 9 9 9 年9 月在中国上海召丌了第2 1 届幽际i t t c 会议 稳性特别委员 会 在会上作了稳性专题报告 指出现行衡准在确保常规船舶在没有任 何破损或前进速率的情况卜的足够稳性方面取得了成功 现已成为i m o 完整稳性公约的一部分 研究倾覆的目的就是确保船舶的安伞件 把它 与有关安全的船舶几何 操纵特性联系起来 未来稳性研究的重点将是 船舶运动中的波浪稳性汕题 并用于船舶稳性衡准的实践中去 2 1 2 2 船舶稳性学科研究的进展 长期以来 人们不断探讨 总结和研究船舶稳性的理论和衡准方法 但围际上关于船舶稳性的专题研究会议起步较晚 第一次船舶与海洋结 构物稳性问题幽际会议丁1 9 7 5 年召丌 随后幽际i t t c 会议成立 稳性 特别委员会 船舶稳性学科的研究取得了很大进展 以船舶在静水中的 稳性曲线为基础 再配以横摇角和横风力矩而形成完整稳性的气象衡准 理论及方法已1 f 常成熟 得到广泛应用 船舶在波浪上的稳性也取得了 重要进展 1 船舶在波浪上的稳性已成为研究的热点和前沿 决定船舶稳性的因素有一 其一为外界因素 即外界的环境条件 例如a 然界中的风和浪 其一二为内部因素 即船舶自身的抗倾覆能力 也就是船舶自身的稳性特征 作为外部囚素的波浪也能改变船舶自身的 抗倾覆能力 当船舶在随浪中航行时 由于船波遭遇j 割期长 波面彤状 对船体复原特钲的影响更为显著 然而当前世界上大多数航海罔家在衡 第一章绪论 量船舶的横稳性时 都是以它在静水中的稳性曲线为基础的 随着对海 难事故的统计和观察 以及近年米对波浪巾船舶稳性的深入研究 船舶 在随浪中的稳性丧失己逐步得到重视 因为在完整船舶的海难枣件中竞 有一半发生在随浪或尾随浪航行状态 所以有些研究者建议 以船舶在 随浪中的稳性特征用米作为衡量船舶稳性的衡准或者作为稳性衡准的补 充 1 9 9 9 年9 月在韩国和中国上海召开了第2 1 届国际i t t c 会议 稳 性特别委员会 存会上做了稳性专题的报告 对现阶段及过去十年里围 际l 稳性方面的研究工作作了介绍 报告指出早期的研究工作丰要集中 在横浪 横风时的谐摇运动 这导致了1 9 8 5 年i m or e s o l u t i o na 5 6 2 的 应用 即众所周知的气象衡准 浚衡准在确保常规船舶在没有任何破损 或前进速率的情况下的足够稳性方面已经取得了成功 现已成为i m o 完 整稳性公约的一部分 为了获得在船舶倾覆的真j 下特性上的洞察力 试 验程序包括由无线电控制的船模自由航行在丌放水域 南自然风产生的 波浪中和模型水池的人造波中 相比较的研究包括在h s v a 和s r i 做的 些试验 研究结果清楚的显示 满足1 m o 衡准的船舶倾覆手要是发生 在随浪和舷侧运动中 而不足发牛在横浪巾 在过去的4 0 年中 船在随 浪航行时的稳性已为讷 多学者所研究 研究工作可分为两个阶段 第一 阶段足讨沦船在规则波上随浪航行时的稳 降问题 第 阶段是讨论船在 不规则波上随浪航行时的稳性问题 船在不规则波卜 随浪航行时稳性研 究开始于7 0 年代中期 v i n j e 丁1 9 7 6 年提出了一个拥有弱横摇阻尼的船 在一维不规则波上随浪航行时的稳性判别公式 黄鼎良于1 9 8 0 年提出了 船在这种情况下的均方渐进稳定概念及其判别公式 一些学者进行了船 模试验和数值模拟计算 划 二维不规则波上随浪航行船舶的稳性检验 大连理t 大学建议了二种计算方法 其实质是检验船在该航行状念下的 横摇运动的稳定性 鉴于我国现行的稳性衡准 不论是军船还是民船1 也 是以船舶在静水巾的稳性曲线为基础 再配以横摇角和横风力矩而形成 的气象衡准 而对于随浪情况 这种衡准可能就照顾 f i 到 为此 曹振 海在七五预研课题的基础卜提出了随浪稳性的核算方法 它是作为船舶 稳性的补充要求而提出来的 但是提出一种在原理卜和实用上都是科学 的 合理的衡准方法则是非常困难的事 还需作很大的努力 2 倾覆机理的研究及实验 船舶在随浪中存住着i 种危险 一是船舶骑在波峰上会凶纯稳性丧 7 华南理工大学硕士学位论文 失而引起倾覆 二是当船舶遭遇的波浪频率和船本身的横摇频奄夏接近时 即谐摇 而引起倾覆 三是船舶几乎与波速相同的速度航行 处在波浪的 下坡段上将加速向处于冲浪状态 此时极易产牛横向急转而导致倾覆 研 究倾覆的目的就是确保船舶的安全性 把它与有关安全的船舶几何 操 纵特性联系起来 随着划安全性强调的增加 这个目的变得更为重要 倾覆是船舶在波浪中极限行为的小机率事件 为了有助于理解这一复杂 现象 在描述倾覆方式和基于模型试验与数字模拟的交互影响方面已经 做出了努力 研究在实际的波浪状况下采用将比例模型和廿线性系统的 动态理论联系起来的方法 这导致了对丁 倾覆过程特性的理解和洞察力 的改善 随着数字和数学模拟复杂性的增加 在工程上有呵能足够准确 的预测船舶在说明范围内抵抗倾覆的能力 目前已经达到了结合数学和 物理模型测试能够提供强有力的预测技术的阶段 国际上还需要采取一 致的努力以评价目前可用的数学和试验方法 及用于将评估抵抗倾覆的 安全性作为首要问题的没计标准技术和指导 1 t t c 已经通过建立关于船 舶稳性的专门委员会对此做出了肯定的回应 稳性特别委员会 最后 在淡到技术方面时指出 完整船舶极限 j 为的预报需要一个途径 其中 包括适航性和操纵性模型的结合 得出结论的复杂程度使得发展用于特 定模式的预测工具成为必要 3 理论研究及方法 纵观近百年来 船舶基础理论研究已取得了很大进展 特别在船舶 流体力学和工程力学 船舶结构力学1 方面的新理沦 新技术的研究开发令 人瞩目 就船舶流体力学向言 采用计算流体力学 c f d 技术开发m 的船 舶流体力学计算方法和程序已成为指导船舶水动力性能的有效工具 水 动力性能设汁的势流力法已趋向成熟 进入使用阶段 在船舶兴波阻力 计算 波浪载荷计算及运动预报 船舶操纵性的横向运动等方面给出令 人满意的结果 但浚方法也儿乎达到了其能力极限 由于计算设备的发 展 船舶流体力学中的粘性方法已成为世界船舶界的研究热点 该方法 尚在发展和完善之中 它属于高科技前沿的研究领域 成果较为突出的 有代表性的流派有 日本东京大学m i y a t a 教授 瑞典哥德堡科技大学 l a r s s o n 教授 美国衣阿华大学p a t e l 教授等领导的各自研究小组 八f 年代末 九 年代初 f i 本 法国 德国 意大利等围已纷纷立研究小 组 我国研究院所及有关人专院校已取得初步成果 形成了群雄并起的 局面 掀起了船舶粘性流体理论和计算研究的热潮 这就使得船舶波浪 第 章绪论 稳性的研究与c f d 和船舶运动学的研究紧密结合起来成为可能 使船舶 稳性学科的研究和发展进入了一个崭新的阶段 1 2 3 4 1 2 3 船舶稳性学科研究的方向 随着现代科技的发展 新型理论及实验设施的引入 船舶稳性研究 也m 现了分支 现今船舶稳性研究的主要进展与方向大致有 1 继续利用传统的稳性理论加以修正或变换研究 多以修正船舶稳 性衡准为目标 在这个方向上企图导出有决定性的随机修正 但如不从 动态运动考虑 结果将价值不大 2 探讨船舶在随浪和尾斜浪运动时 对稳性的影响因素 企图给出 恢复力臂减额的公式 使稳性衡准公式化 3 将稳性概念和船舶运动方程式联系起来 以便确定m 在定常和随 机条件下运动巾船舶稳性的方法 即已进入非线性理论方法 现在普遍 认为这是最佳的方法 4 继续探讨船舶倾覆机理 5 继续试验再现船舶的倾覆过程 1 3 船舶倾覆概率预报的研究现状 船舶倾覆的原凶很多 如风力超过设计标准 甲板卜 浪 舱内进水 货物倒塌等 就其物理特性来说 船舶的倾覆机理更为复杂 其主要原 凶是实际海况的随机波浪现象 船舶1 f 线性运动中随机波浪载荷下船舶 的运动稳定性和复杂动力学响应 随机波浪载荷下船舶的倾覆概率等问 题的模拟和研究比较困难 有普遍意义的研究成果尚少 目前人们所能 做到的仪是对静稳一降曲线的某些特a f 作一些补充和限制 这种做法主要 建立在试验数据的基础上而缺少理论支持 随着人们对船舶航行安全的重视 各种新的研究方法不断涌现 特 别是迅速发展的非线性动力系统理论提供了新的理论和方法 近年来人 们对波浪中船舶稳性和倾覆机理 非线性复原力矩和阻尼以及不同运动 之间的非线性耦合共同作用下船舶非线性复杂动力学响应 船舶参数与 船舶非线性运动响应之间的内存联系等方面的研究取得 可喜的成果 为船舶倾覆机理的进一步研究提供了借鉴 通过对一些船舶倾覆事故的 分析及关于船舶倾覆事故的模拟试验 发现船舶发生倾覆事故人多在船舶 处于随浪及尾斜浪航行状态 从进行的大量的模拟试验及数值计算分析 9 华南理上大学硕十学位论文 成果看山 f 1 前有关船舶倾覆机理的研究主要集中丁下列i 种模式 即 纯稳性丧失 参数共振和骤转 为了准确的预报船舶在随机波浪巾的倾覆概率 人们首先对船舶大 幅横摇运动作了大量研究 这些研究主要包括对船舶大幅横摇运动模型 的讨论以及对横摇非线件运动方程的求解 船舶横摇运动包含丰富的复 杂非线性和混沌 划 横摇运动的非线性动力学模型 利用微分动力系统 理论 分岔理论和混沌理论的多种方法来研究横摇运动 已经取得了很 人的进展 为了描述船舶人幅横摇运动 学者们建立了从有六个自由度 的运动模型到只有一个自由度的运动模型 s p y r o u f a l z a r a n o u m e d a 及 v a s s a l o s 等研究了多个自由度的运动模型 为了实际运用方便 人们期望 简化运动模型的自由度个数 o g i l v i e 1 9 6 4 研究得出一个典型的自由度非 线性横摇运动模型 5 船舶大幅横摇运动足一个强非线性问题 当前对于强1 f 线性系统的 求解主要有定性和定量两种方法 在定性方法中 对于强非线性拟保守 系统 有极限环法 对于片面非自治系统 目前一种广泛应用的经典方 法是由p o i n c a r e 所创屯 其后b i r k h o f f l e v i s o n 等又作了发展的 变换 方法 用定性理论来判断系统周期解的存在性 数目及稳定件 自然是 必要的 但是对于工程应用而言却又是不够的 冈此需要用定量的方法 米研究1 f 线性问题 为了得到船舶大幅横摇运动的定性或定最特性 许多学者作了相关 工作 w r i g h t 和m a r s h f i e l d 1 9 7 9 研究了正弦扰动f 有偏无偏的几种方 法 谐波平衡法 正规摄动法 平均法等 n a y f e h 和k h d e i r 1 9 8 6 1 9 8 7 采用多蕈尺度法以推广摄动法 问题足这些方法仅适用于弱非线一阵系统 而船舶人幅横摇运动是 个强非线性现象 v i r g i n 1 9 8 7 1 9 8 9 用局部分析和数值模拟的方法研究横摇运动系统 的p o i n c a r e 相图 提出了船舶运动中的混沌动力学理论1 6 l t o m p s o n 1 9 8 9 a b 用数值模拟方法分析规则波作用下船舶的倾覆 在混沌 动力学中奇怪吸引子和分形概念的基础上 提出了安全池和安全池破损 的概念i 安全池是在相甲而上研究非线性运动特征的一种有效方法 其基术概念是 船舶横摇时历过程在相空间中的轨迹 由丁初始条件小 同而导致不同状态 表现在相空间图上 小同区域起始的轨迹将可能导致 收敛于一点一一所谓吸引子 或发散至无穷 那些收敛于有限吸引子的 起始区域的集合便称为安全池 这种方法强调船舶运动的初始运动状态 对船舶倾覆的影响 但是 它不能直接得出船舶在波浪中的倾覆概率 为了进行船舶倾覆的概率预报 人们首先想到用线性系统巾得到成 1 0 第一章绪论 功应用的谱分析方法 希望把这种方法应用到非线件系统的分析中来 v a s s i l o p o l o s f l 9 7 1 1 在预报船舶非线性横摇时 线性化方程代替非线性方 程 从而用谱分析的方法进行统计计算 一般认为这种方法只适用十 阻尼非线性项的情形 对大幅横摇 不仅阻尼项包含非线性 特别强1 线性出现在扶正力矩项上 这时 即使扰动是稳态的 各态历经的 输 出也不一定是稳态 各态历经的 无法简单地推广谱分析方法对大幅非 线性横摇进行预报 r o b e r t s 1 9 8 2 利用随机平均法 预报随机波浪作用下船舶的倾覆概 率 该方法从m a r k o v 过程理论出发 求解f o k k e r p 1 a n k 方程得到横摇角 的概率密度函数 然而 其方法仅适用于中等幅度的运动 只有对宽带 或白噪声输入才成功 对窄带扰动难于得到合理的结果 近年来 沈栋 等 2 0 0 0 利用n e k r a s o v 引入的形状滤波器模型 排除了白噪声输入的限 制 c a i 等f 1 9 9 4 和r o b e r t s 等 2 0 0 0 把总系统能量作为m a r k o v 过程 提 出 首次通过 的概念 采用统计平均方法 通过统计船舶倾覆前的时 间k 短 米预报船舶倾覆的概率 作为研究船舶倾覆的一种观点 从非线性动力系统稳定性的角度来研 究船舶在波浪中的倾覆机理 已经引起了船舶科学工作者的广泛重视 根 据非线性动力学理论 除了局部分岔外 全局分岔也是导致系统稳定性丧 失的途径之 迄今为止 m e n l i k o v 方法是研究确定性动力系统全局稳 定性的一种相当行之有效的方法 它通过构造系统的m e l n i k o v 函数求解 该函数的一阶零点来确定系统失稳时系统参数的闽值 m e l n i k o v 方法简 单易行 而且还有可能解析求解 因此得到广泛使用 近年来 越来越多的学者运用m e l n i k o v 函数与相空间流量率理论相 结合预报船舶倾覆概率 v i r g i n 1 9 8 7 1 指出 船舶在倾覆之前通常要经历 一个混沌运动阶段 而m e l n i k o v 函数方法是预报混沌的 种有效方法 由丁系统的随机性尢法直接求解m e l n i k o v 函数的一阶零点 这是传统 m e l n i k o v 方法在随机领域中应用时的最人难点 w i g g i n s f l 9 9 0 1 9 9 2 提m 相窄问流量率 p h a s e s p a c ef l u xr a t e 理论 指出相空m 转移率能够通 过系统的m e l n i k o v 函数计算得出 f a l z a r a n o 1 9 9 2 1 等应用m e l n i k o v 雨数 研究船舶横摇运动的同宿分翁和异宿分俞 9 1 t r o e s c h 等应用相窄问转移 率求得了导致船舶倾覆运动的外载荷强度的阈值 1 0 f r e y 给出了相空间 转移率与m e l n i k o v 函数的关系 并推导了弱非线性系统的相流函数的解 析表达式 从而将求m e l n i k o v 函数零点的问题转化为确定相流函数零点 成功地绕丌了求m e l n i k o v 函数零t i 这 难题 存此基础卜创立了随机 m e l n i k o v 方法 j i a n g 1 9 9 6 2 0 0 0 等运用相空间流量率预报船舶倾覆 华南理工大学硕十学位论文 1 1 1 2 l 唐友刚等利用虚拟船型参数研究了m e l n i k o v 函数的均值部分 认为其与船型参数有关 对相空间流量率影响很大 l 1 4 当前研究的不足之处 预报船舶在随机波浪中的倾覆概率 牵涉冈素相当广泛且复杂 当 前研究主要有以下一些不足 1 为了简化计算 人多学者都将横摇运动模型的水动力参数作某些 简化 他f f j 大多将扰动力取为某 常数 然而 一般来讲 水动力系数 是关丁二频率的函数 简单的将扰动力取为常数显然与实际相差甚远 此 外大多数横摇运动模型都没有考虑时域记忆函数的影响 有的还没有考 虑非线性横摇阻尼 2 利用求觯微分方程方法f 如安全池方法 预报船舶倾覆概率的方法 都不能直接预报船舶倾覆概率 而只能从某一侧而f 如安全池面积 来进行 预报 此外 计算求解过程相当复杂 往往求解周期长 对计算机硬件 要求高 3 利用m e l n i k o v 函数预报船舶倾覆概率 能够通过相空问流量率 直接预报船舶倾覆概率 但是 在分析m e l n i k o v 函数统计特性时 学者 们氽图用谱分析的方法来分析船舶大幅横摇这一强非线性i u j 题 而谱分 析方法主要用于线性领域 因此 从机理卜讲尚有不妥之处 4 月前研究主要集中在如何预报胎舶倾覆概率 而刈如何合理选择 船型确保船舶在波浪中有足够的抗倾覆能力讨沦较少 特别是从船舶设 计角度看 j 力来都有u 型 v 型船优劣的争论 但极少涉及其对波浪中 倾覆概率影响 或者说安全性的讨论 即从船型参数出发研究其对船舶 倾覆概率的影响 研究尚少 1 5 本文的主要内容及创新之处 1 5 1 本文的主要内容 本文利片jm e l n i k o v 函数方法 相空间流量率理论与统计方法相结合 对两艘有代表性的在航船型进行倾覆概率预报比较 研究船型参数改变 对船舶倾覆概率的影响 船型资料均取材于j 州市渔政局币在使用的两 艘排水量十分相近但船型卅i 同的渔政船 其中 艘为u 型剖面普通船型 旧船 满载排水量5 6 0 吨 另一艘是v 刑折角型船 新船 满载排水最 为5 7 0 吨 本文主要通过对此两艘船进行倾覆概率预报比较 分析船型 1 2 第一章绪论 的改变对倾覆概率的影响 本文主要包括以f 几个部分 1 船舶大幅横摇运动模型 丰要建立随机波浪中船舶非线性横摇运动模型 本文采用考虑记忆 函数及非线性横摇阻尼的横摇运动模型 该部分还将介绍运动模型中部 分参数的求解过程 确定新 l h 两船横摇运动相关参数 并作适当比较 2 m e l n i k o v 函数方法 主要介绍系统动力学相火理论 引入m e l n i k o v 函数力 法 推导船舶 大i 悄横摇运动系统的m e l n i k o v 函数表达式 并分析m e l n i k o v 函数统计特 性 该部分还对新 旧两船的m e l n i k o v 函数均值部分和脉动部分作相关 比较 3 船型对倾覆概率的影响 主要介绍相空间流量率理论 用数学统计的方法求得m e l n i k o v 函数 脉动部分的方差 计算得出相空间流量率 从而预报新 u 两船的倾覆 概率 比较相同海况下 两船的倾覆概率 临界波高 研究船型参数改 变 对倾覆概率的影响 1 5 2 本文的创新之处 1 运用数学统计的方法与m e l n i k o v 函数方法 相空间流量牢理论 相结合 预报船舶在波浪中的倾覆概率 在目前研究中 求取m e l n i k o v 函数脉动部分的方差时 都是通过谱分析方法求得的 笔者认为 船舶 横摇运动是一个强非线性运动 不能用谱分析方法分析其运动特性 我 们将扬弃这种作法 而直接通过数学统计的方法求得m e l n i k o v 函数脉动 部分的方差 从而进行倾覆概率预报 2 本文将船型要素的改变与船舶倾覆概率结合起来研究 目前还没 有相关的探讨 目前侧重丁研究船舶倾覆概率预报方法 而船型参数多 为虚拟的 直接选取实际存航船型出发研究船型对船舶倾覆的影响还相 当少见 3 本研究率先从船舶波浪中航行的安个性的角度讨沦u 型 v 型船 优劣问题 从船舶设计角度看 j 力来都有u 型 v 型船优劣的争论 但 极少涉及其对波浪中倾覆概率影响 或者说安全性的讨论 华南理工大学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章介绍了论文的意义和目的 综述了船舶稳性与船舶倾覆概率预 报的研究现状 并且指出了当前研究的不足之处 最后简要的介绍了本 文的主要内容以及创新之处 1 4 第二章船舶人幅横摇运动模型 2 1 引言 第二章船舶大幅横摇运动模型 波浪中船舶运动包括6 个运动自由度 即沿三个垂直轴方向的移动 及绕三个轴的转动 通常是取船舶惯性主轴作为三个垂直相交的坐标轴 并取船舶重心为坐标原点 为了描述船舶的运动 将采用随船运动的直 角坐标系 如图2 1 所示 图2 1船舶运动举标系 f i g 2 1r e f e r e n c ef r a m es y s t e mo fr o l lm o t i o n 图中 x 1 一纵荡 x 2 一横荡 x 3 一垂荡 x 4 一横摇 x 5