纵浪和斜浪中船舶非线性运动特性研究

论文摘要

船舶航行遭遇到风急浪高的恶劣天气时,为了避免横向大面积承受风浪载荷,普遍都会选择调整航向,保持在纵浪或斜浪航行状态;系泊船舶和顺应式海洋结构物在波浪作用下也会最终稳定在纵浪状态。但是,目前的大量实验资料和海难事故的统计发现,在纵浪和斜浪中航行的船舶会发生大幅横摇运动,存在倾覆危险;系泊船舶和顺应式海洋结构物在纵浪中也会发生多种不同形式的运动,极有可能导致结构的失效和系缆的断裂。本文旨在研究纵浪和斜浪中航行船舶的参激横摇运动问题以及系泊油轮在纵浪中的动力特性和系缆张力的变化特性。主要研究内容和结论如下:考虑波面形状引起的船舶初稳性高的变化,假设升沉和纵摇满足准静力平衡,提出了纵浪和斜浪中初稳性高波动项的计算方法。建立了船舶纵浪中的参数激励和斜浪中的参强激励横摇运动微分方程。应用多尺度方法求出了规则纵浪和斜浪中船舶横摇主参数共振的近似解析解,并分析了运动稳定性。采用摄动法和Floquet理论,求出了不同参数激励幅值和强迫激励幅值下的分岔曲面,确定了发生参数激励大幅横摇和船舶倾覆的航行参数。应用随机平均法和FPK方程,求出了随机纵浪中船舶的随机横摇幅值的概率密度函数。进行了随机和规则海浪中船舶运动的仿真研究。数值仿真和解析分析结果表明:在纵浪和斜浪中,当遭遇频率接近船舶横摇固有频率的两倍,波长和船长接近,波高超过某一阈值的时候,船舶会发生主参数共振,产生大幅横摇甚至倾覆;在斜浪中,船舶发生的是参强激励横摇运动,遭遇频率接近横摇固有频率时,还会激起横摇主共振,同样会产生大幅横摇甚至倾覆。为了避免海难事故的发生,可以通过改变航速和航向,改变船波遭遇频率和参、强激励幅值,使其远离共振区域。考虑系缆张力的分段非线性特性,建立了系泊铰接塔-油轮系统在纵浪中两自由度分析模型。采用莫里森方程和势流理论分别计算了铰接塔和油轮的波浪载荷。采用数值仿真的方法求解了高度为88.4m的铰接塔和10万吨级油轮的运动响应和系缆动张力,得到了以波浪频率与铰接塔摆动固有频率之比为分岔参数的分岔图,分析了不同系统和环境参数对系统运动和缆绳张力的影响。数值仿真结果表明:系统在某些波浪频率范围内出现亚谐运动,发生倍周期分岔;在规则波激励下,非线性系泊系统仍可能发生低频慢漂运动,对应的缆绳张力较大;增大波浪激励幅值或者减小系统阻尼,都可能使低频慢漂区域变大;增大风流力会使亚谐运动和低频慢漂区域向高频的方向移动并逐渐消失。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的意义
• 1.2 船舶参数激励运动的研究进展
• 1.3 系泊油轮波浪中运动的研究进展
• 1.4 纵浪中船舶运动与倾覆研究的关键动力学问题
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 非线性动力学和随机动力学研究方法
• 2.1 参数激励运动
• 2.2 非线性动力学方程的求解及稳定性分析方法
• 2.2.1 多尺度方法介绍
• 2.2.2 周期系统的富劳魁特（Floquet）理论
• 2.3 非线性随机动力学研究方法
• 2.3.1 Markov过程
• 2.3.2 FPK方程
• 2.3.3 FPK方程的解法
• 2.4 本章小结
• 第三章 规则纵浪中船舶参数激励横摇运动分析
• 3.1 纵浪中船舶参数激励横摇运动分析模型
• 3.1.1 船舶运动坐标系
• 3.1.2 纵浪中船舶参数激励横摇运动方程
• 3.1.3 渔政船技术参数
• 3.2 参数激励项的计算
• 3.3 规则纵浪中船舶的参数激励横摇运动求解
• 3.3.1 规则纵浪中非线性参激运动的近似解析解
• 3.3.2 平凡解稳定域与不稳定域
• 3.3.3 周期解的稳定性分析
• 3.3.4 波浪参数和航速对渔政船参数激励横摇的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 随机纵浪中船舶参数激励横摇运动分析
• 4.1 随机纵浪中船舶参数激励项的计算
• 4.2 随机纵浪中船舶运动的数值模拟
• 4.2.1 不同航速下船舶运动的数值模拟结果
• 4.2.2 不同特征波长下船舶运动的数值模拟结果
• 4.2.3 不同有义波高下船舶运动的数值模拟结果
• 4.3 随机参数激励船舶横摇运动分析
• 4.3.1 随机参数激励横摇运动的概率密度函数求解
• 4.3.2 不同航速下船舶随机运动的分析结果
• 4.3.3 不同特征波长下船舶随机运动分析结果
• 4.3.4 不同波高下船舶随机运动分析结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 规则斜浪中船舶参强激励横摇运动分析
• 5.1 斜浪中船舶参强激励横摇运动方程
• 5.2 参数激励项和强迫激励项的计算
• 5.3 船舶参强激励横摇运动近似解析解及其稳定域分析
• 5.3.1 规则斜浪中船舶运动的近似解析解
• 5.3.2 解析解的稳定域分析
• 5.4 规则斜浪中船舶参强激励横摇运动计算分析
• 5.4.1 波浪参数对斜浪中船舶主参数共振横摇的影响
• 5.4.2 航速和航向对斜浪中船舶横摇的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 随机斜浪中船舶参强激励横摇运动分析
• 6.1 随机斜浪中船舶强迫激励项和参数激励项的计算
• 6.2 随机斜浪中船舶运动的数值模拟
• 6.3 航速、航向和随机波参数对船舶横摇的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 纵浪中系泊油轮运动及系缆动张力分析
• 7.1 铰接塔-油轮系统分析模型
• 7.1.1 铰接塔-油轮系统的坐标系
• 7.1.2 铰接塔-油轮系统的耦合运动方程
• 7.2 铰接塔-油轮系统受力分析
• 7.2.1 铰接塔受力分析
• 7.2.2 油轮受力分析
• 7.3 铰接塔-油轮系统运动计算分析
• 7.3.1 铰接塔-油轮系统技术参数
• 7.3.2 动力学参数及环境载荷计算结果
• 7.3.3 铰接塔和油轮的运动及缆绳张力计算结果
• 7.4 环境载荷对系统运动及缆绳张力的影响
• 7.4.1 波浪激励频率对系统运动及缆绳张力的影响
• 7.4.2 波浪激励幅值对系统运动及缆绳张力的影响
• 7.4.3 风流力对系统运动及缆绳张力的影响
• 7.4.4 系统阻尼对系统运动及缆绳张力的影响
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 工作总结
• 8.2 论文创新点
• 8.3 对未来工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文和科研情况说明
• 致谢