船舶耐波性-ch5-船舶在不规则波中的摇荡运动

CH5船舶在不规则波中的摇荡运动OscillatingMotionofaShipinIrregularWaves哈尔滨工程大学船舶工程学院丁勇2010年3月LECTURENOTES：ShipSeakeepingLECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves2CH5.船舶在不规则波中的摇荡运动OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves5.1谱分析5.2船舶在不规则波中的升沉和纵摇5.3船舶在不规则波中的线性横摇本章内容：LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves3引言IntroductionOscillatingMotionofaShipinSeasOscillatingMotionofFullScaleShipsinSeas(A)OscillatingMotionofaShipModelinReqularHeadseasOscillatingMotionofaShipModelinIrreqularHeadseasOscillatingMotionofaCVinSeas(B)LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves4Kn/引言IntroductiontDhDhNJJesin2)(0船舶在规则波中的运动amplitude-frequencyrespones横摇（解）——稳态运动)cos()(tta幅频响应222204)1(1eaK相频响应2112tg船舶单自由度横摇运动方程——强迫运动tnnesin2022或运动响应LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves5引言Introduction船舶在规则波中的运动特性：横摇：垂荡和纵摇：与横摇比，纵摇要小得多（线性假设更合适些）。首尾不对称，纵摇与垂荡同时发生，但相位不同。运动大小主要取决于λ/L，谐摇区λ/L=1-2.5。航速对运动影响很大，一般随航速增大而增大。与其它方向相比，横摇角度较大。减小横摇的途径：增大横摇阻尼，增大横摇固有周期以远离波浪谐摇区。一般地，随航速增大而减小。问题：一般地，实用船舶的横摇、纵摇幅值的大小？LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves6引言IntroductionDRtDhDhNJJesin2)(0运动响应的力学机理分析流场速度势：：绕射力起主要作用；：粘性阻尼力与回复力起主要作用；：惯性力起主要作用。relativeimportanceofcomponentforces其中：入射势，绕射势，辐射势IRDI流体作用力LLL结论：一定尺度的物体，在不同尺度的波浪上受到不同成份力的作用，导致运动幅值的不同或变化。LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves7引言Introduction影响运动响应的船体因素影响运动的船体因素：相对频率横摇阻尼主尺度——与波浪尺度的匹配排水量初稳性高质量分布船型附体固有频率JJDhn问题：1.影响转动惯量的因素？2.影响初稳性高的因素？n/幅频响应222204)1(1eaK相频响应2112tg考察阻尼LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves8引言Introduction船舶在不规则波中的运动及其响应不规则波，即具有各态历经的平稳的随机海浪对于主风向明显的长峰不规则波，可以认为是由无数个不同波幅、不同频率和随机初相位的单元规则波线性叠加组成的，即不规则波，也可以运用波能谱予以描述：;Re)cos()()(1)(11jtiajjjjajjjjjettt;21)(ajSdSggEjaj)(2102LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves9引言Introduction船舶在波浪上运动的动力学系统)(tDhNJJ2)(船舶输入波浪输出)(t横摇规则波不规则波100sinsin2)(iiieetDhtDhDhNJJ为线性常微分方程船舶在波浪上的运动方程线性动力学系统1)(jtiajjet)(iW线性输入线性输出tiaeiWt)()(22224)1()(KiWtiaet)(1)()(jtiajjjeiWtLECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves10引言IntroductionajajjajjajjajjiWEiWiWEiWE2222222)(}{)(})({})({对于不规则波中的传播运动，运动输出为现考察的方差，设其均值为零。则船舶运动的输出与输入的传递关系11)()(jtiajjjtiajjjeiWetajjajiW)(根据方差与能量密度函数的关系，得知，在整个频带上有02202)()()(dSiWdSLECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves11若通过理论计算或船模试验获得，则利用第二章（海浪）中的适用的海浪谱，即可预报给定船舶在指定海浪中航行时的运动谱，继而利用统计方法，获得船舶运动的统计值。引言Introduction2)(iW以上关系表明：对于随机波浪上船舶运动这一线性动力系统，当输入平稳的随机海浪谱，系统输出的为运动谱，该运动谱等于海浪谱乘于系统频率响应函数的模的平方。亦即)(S02202)()()(dSiWdS)(S)(iW)()()(2SiWS)(S)(SLECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves12已知和，求。引言Introduction)(iW)(S应用)(S已知和，求。)(iW)(S)(S已知和，求。)(iW)(S)(SLECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves135.1船舶在不规则波中的升沉和纵摇HeaveandPitchofaShipinIrreqularWaves)()()(;)()()(22SiWSSiWSzz)()()()()()(22eezzSiWSSiWS当有航速时，需要把波能谱转换为遭遇频率的函数。船舶正迎浪航行时，遭遇频率为。于是)(Se)(eSVge2gVdde21（能量不变）计算方法与过程根据以下关系，计算船舶在不规则波中的升沉与纵摇：dSdSee)()(gVSSe21)()(025.1~ma03/12)~(ma010/155.2)~(ma平均摇幅有义横摇最大横摇LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves14纵摇周期规则波中纵摇周期等于波浪扰动的遭遇周期；不规则波中纵摇周期接近于波浪的平均周期。5.1船舶在不规则波中的升沉和纵摇HeaveandPitchofaShipinIrreqularWaves船舶在不规则波中的运动特性航速影响（算例：L=108m,D=2135t，n5=1.3Hz)LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves155.2船舶在不规则波中的线性横摇LinearRollofaShipinIrreqularWavesgiWaaa20)(但应以有效波倾角代替波幅作为波浪的输入，即aagk20dSmnn)(0计算方法与过程船舶在正横浪上航行时，)()(SSe)()()(2224SiWgS025.1~ma03/12)~(ma010/155.2)~(ma平均摇幅有义横摇最大横摇LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves165.2船舶在不规则波中的线性横摇LinearRollofaShipinIrreqularWaves船舶在不规则波中的运动特性横摇周期规则波中的横摇周期等于波浪的扰动周期；不规则波中横摇周期接近于船的固有周期。（算例：n4=0.78Hz）共振现象不规则中不常出现规则波中的共振现象。LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves175.3船舶耐波性计算CalculationofShipSeakeeping耐波性理论综述对船舶运动及其水动力的理论预报研究，主要归类于①频域理论及其方法——自由面条件与物面条件的线性、非线性——二维或三维的控制方程、自由面条件、物面条件——有航速、无航速②时域理论及其方法——自由面条件与物面条件的线性、非线性——二维或三维的控制方程、自由面条件、物面条件——有航速、无航速LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves185.3船舶耐波性计算CalculationofShipSeakeeping实用方法_二维切片法至今，具有实用价值的方法主要是基于频域理论的二维切片法：普通切片法（Tasai,1969)：六自由度运动预报，考虑了航速，但附加质量与阻尼系数不满足Timman&Newman的对称关系。合理切片法（Ogilvie,1969)：方程中的附加质量与阻尼系数均满足Timman&Newman的对称关系。新切片法（Tasai，1969）、STF法(Salvesen,Tuck&Faltinsen,1970)：考虑船体对入射波流场的影响，引入了绕射势。LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves195.3船舶耐波性计算CalculationofShipSeakeeping适用性：微幅波中的微幅稳态运动；船体细长；船首无明显外飘；航速低。理论上的缺陷：没有考虑各切片剖面间体动力的相互干扰。有效性：①垂荡与纵摇阻尼系数——高频端吻合较好，低频端吻合很差；②横摇与横荡的耦合运动——有明显的耦合差异；③横摇附加质量及阻尼系数——难于预报准确；④航速——在Fr=0.0-0.4（甚至放宽至0.57）内纵向运动吻合良好。⑤长宽比——大于2.5时，高频段纵向运动与附加质量良好，低频段较差。LECTURENOTES：OscillatingMotionofaShipinIrreqularWaves205.3船舶耐波性计算CalculationofShipSeakeeping其它预报