计及操纵性效应的船舶运动与波浪载荷计算

论文摘要

合理得到船舶在波浪中的稳态运动响应是波浪载荷预报的基础。然而在时域中采用数值方法求解斜浪中的船舶六自由度运动响应时,由于水平方向上不存在回复力,横荡和首摇运动将随着时间的增加产生发散,导致整个计算过程无法进行下去。针对此种问题,本文基于三维势流理论,将操纵性效应计入现有的船舶运动方程,以消除斜浪中船舶运动的发散成分。为此,文中具体在如下几个方面进行了探讨。首先,根据船舶在波浪中的操纵运动理论,研究由于操舵所引起的船体上各种流体力的变化,将舵力、舵效以及操舵和波浪在船体上产生的流体力的耦合关系归纳成随时间变化的函数表达式。其次,在线性条件下,根据船体受力的平衡,将舵力的函数表达式以系数矩阵的形式计入新的平衡关系式,建立规则波中的计及操纵性效应的船舶运动方程式。船舶运动方程的数值解法采用四阶Runge-Kutta法以及Hamming法,并用Visual FORTRAN语言编制计算程序,同时在时域内对该方程进行求解。最后,在上述工作的基础之上,以一条集装箱船为例,计算了线性条件下该船在不同波浪条件下的六自由度运动响应。同时为验证所编制的程序的正确性,将计算结果与三维方法的频域计算结果及商业软件的计算结果进行了比较分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 研究现状综述
• 1.2.1 船舶在波浪中运动理论的研究综述
• 1.2.2 船舶操纵性的发展概况
• 1.2.3 船舶水平运动发散问题的研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 船舶运动与波浪载荷计算的三维时域方法
• 2.1 概述
• 2.2 船舶运动计算的三维时域方法
• 2.2.1 非定常扰动势的定解条件
• 2.2.2 流场速度势的分解及其定解条件
• 2.2.3 非定常扰动势求解的源汇分布法
• 2.2.4 三维水动力系数和绕射势的求解
• 2.3 作用在船舶上的流体载荷
• 2.3.1 流体静力载荷与流体静力系数
• 2.3.2 流体动力载荷
• 2.4 船舶运动方程的建立与求解
• 2.5 船体表面压力和剖面波浪载荷
• 2.6 本章小结
• 第3章 计及操纵性效应的船舶运动计算
• 3.1 概述
• 3.2 舵力的表达
• 3.2.1 单独舵的水动力
• 3.2.2 PID自动舵模型上的舵力表达
• 3.3 计及操纵性效应的船舶运动方程
• 3.3.1 自动舵效应的系数矩阵表达式
• 3.3.2 规则波中计及操纵性效应的船舶运动方程
• 3.3.3 船体表面压力和剖面波浪载荷
• 3.4 计及操纵性效应的船舶水平运动稳定性研究
• 3.4.1 船舶运动稳定性概述
• 3.4.2 计入自动舵影响的船舶航向稳定性
• 3.5 求解常微分方程组初值问题的数值方法
• 3.6 计算机实现
• 3.7 本章小结
• 第4章 实船计算分析
• 4.1 概述
• 4.2 FLOKSTRA集装箱船计算分析
• 4.3 与原始程序计算结果对比分析
• 4.3.1 与未计操舵工况对比分析
• 4.3.2 与频域计算结果对比分析
• 4.4 与商业软件计算结果对比分析
• 4.5 滤波分析
• 4.6 舵角变化与运动响应时历比较分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢