船舶耐波性总结2讲解

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。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。二、6个自由度的摇荡运动船舶摇荡运动主要研究有波浪干扰引起的船舶往

2、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，因此属于非定常运动。第二章海浪

3、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。g=gcos（kx-t）A0g为波面升高，g为波幅，k为波数，为波浪圆频率。A在深水条件下，波长九、周期T和波速c之间存在以下关系：T=九0.8：九；九=1.56T2；c=1.25九；=；kg；k=gTTxg波浪中水质点的振荡，并没有使水质点向前移动，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

4、表面积的波浪所具有的能量E=pgg22A2- 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：g=乞gcos（kx-wt+）随机相位可以取0到2兀间的任意值。Ann0nnnn=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（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”。

5、2平稳随机过程1）考虑时间t=t、t=t等处的统计特性，称为横截样集的统计特性。122）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2、几种概率分布1）正态分布：x)=expx-卩)22Q2x2xx22）瑞利分布：f（x）=HrR=2Q；瑞利分布的参数R可由史册中的一个现实估算得到，如果x

6、,x，x是12n由实测量得到的一组幅值，当数目n很大时，则存在关系R1另R=厶x2nii=13）泊松分布：px=k=e-vtvT=e-九k！k！四、瑞利分布的统计特性如果我们把测量的m个波幅g按大小排列，超过1最大波幅g的概率为AnA/ng=*21nnQA/ng则有：1Id=expI-A/nnL2q1-最大波幅的期望值为n丄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=1.25q；Ag三一平均波幅（n=3）g=2.00q；A/3g十一平均波幅（n=10）g=2.55q；A/10g百一平均波幅（n=100）g=2.9如A/100g2- 4谱分析的理论分析一、频域分析和

7、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:C2=J-8S()dx1谱密度函数是从频率域角度描写随机过程，相关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(C=JsS()ejidx-8x1根据单边谱密度的定义，维纳辛钦公式成为：2

8、S()=J8R(T)COSdTR(t)=J8S()cosdX兀oXX0X从能量角度来定义谱密度S(),则谱密度S()可以写成：1Yg2XXS()=2xA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=J8nS()dn=0,l,2，n0当n=0时，有m=J8S()00Xd=C2X当n=2时，有m=J8S()20X当n=4时，有m=J8S()40Xdd=C2X2)谱宽参数,它表征谱密度的分布范围一般情况下，5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O=1-丄82，三一波

9、幅为:訂V2gJ=2.0(1-282)mo当80.4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691)1、P-M谱s(w)=exp(-旦):&5&42、ITTC谱单参数谱：SX3)=0：78exp(-半:35g234W/3)双参数谱s”(3#173気exp(T4351T43413、JONSWAP谱由风速和风程表示的谱公式:CIg2S(3)=-exp-1.25gexp35)p2(o3)2由波高和波浪周期表示的谱公式:r2S(3)=319.34W/-gT435(T3)4pp4、方向谱：S(3,0)=S(3)D(3,0)19483.3exp0159_3Tp1)X

10、2o22-6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：Y（3）=仲A船上的遭遇周期：T=e九C-Vcos卩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=1.6F3,一般习惯把海况从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践性理论假定删酬间恒足繼性系氟締运就可以用常累数的线懈分方程加屆比岳月林加療埋，这窣准不规则it中OO的主娶问題是确定欖摒瀕執H应甬数。非鶴性理诛肖横揺用比较大时俵征犠播运动的徹分方程的系数不讯見常数，船舶不能再看曉是时间恆定的繼性系仏上述的处

11、加原理不再适用晶须釆用另外的处理方法，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a=Kasint=asintm0mQ3、相对横摇角和绝对横摇角=+ar二、横摇的受力分析1、基于单纯横摇方程的受力假定1) 、遭遇浪向角B=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()=-Dh2) 、

12、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()=_2N-W|*大角度横摇m()=-WI；小角度横摇M()=-2N3) 、惯性力矩M()=-(I+J)XXXXXX4) 、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：0十2沖+曲0三cr斗廟nwf积分求解可得：横摇角为定义放大因数：横摇幅值与有效波倾之比。即:吝二aTrtRn放丈闵数与横鶴频率响

13、应函奴之间有着巒叨的关栗根据式佗再门右氐出%比由上武看出，放尢因数的变化规律就代表了频率响应函敬的变化规律.对放大因素的讨论：u当血=（三）二（芫）=0吋物理解釋：波浪很长.初穩性高很大.横摇固有周期很小横摇角等十波面角-图示=P波逐流2）当时才産bl。_巧审一一180物理解釋：船处在很短的波浪上.不会发生横揺当山日=丄Mt#J“2R空辰Lcdi=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（人8=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0.7VA8V1.3的范围为谐摇区.船舶在不规则波中

14、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im.朗恥蹴零于耿腿单元歸醜的瞅稣啲单就为主撕况它大黠当于披竝3也与50jM丽单碱谢魁播艇主要作肌mm.最大歆雌訓切区间的单元漏为钗蚪礼wm軌觀鶴不产生腔般飙亚临畀区域当船舶谐揺波长小于辽倍船宽时船舶不会发生很大的横插務为亚临畀区域耳它相当于周期很小的船在大城浪中的情说，对于一般的驅舶是很难做列谜一点的如图3-12所存;。临畀区域。当横摇的谐摇吱隹位予卞成分波区间之内时这时煙册产生跟严亟的横摇.称为临界汽城在删臧当讎讎就大于默有加Ot删蹴飜

15、当帥席为腓界区九-勰豁跚脱于般购界髓札械畿軌瞬团韻IU就卄申经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、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J=牛K爲尸2、加藤公式I密_斗仏Gi.iocsi-3俘7.20+3、杜爱尔公式韶即+44、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爭+3詡C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

16、，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：C1：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C1：1、舭龙骨2、减摇鳍3、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析一、固有周期计算T二2：IyY+Jyy0DH纵摇固有周期：叮2.8jqd垂荡固有周期：叮2&qd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