船舶耐波性-ch1_緒論課件

1、CH 1 緒 論Introduction to Ship Seakeeping 船舶工程學(xué)院 丁 勇 教授2010年3月LECTURE NOTES： Ship Seakeeping 1.1 概述 SummarizingsOscillating Motion of Full Scale Ships in Seas2 概述Summarizings 風(fēng)浪作用下的船舶 搖蕩運動（oscillating motion）; 搖蕩運動之動態(tài)效應(yīng)： 速度、加速度、暈船； 增阻（increase of resistance）與失速（speed loss）；飛濺（spray）、甲板上浪（Green Water）;

2、 首底砰擊（Slamming）； 艙液晃蕩（sloshing）；等。3 概述Summarizings船舶在波浪上航行時，產(chǎn)生直觀的搖蕩運動（ie. 6-DOF Motion）：沿坐標(biāo)軸的線位移繞坐標(biāo)軸的角位移縱蕩 (surge)橫蕩 (sway)垂蕩 (heave)橫搖 (roll)縱搖 (pitch)首搖 (yaw) 線位移 角位移 船舶在波浪上的搖蕩運動4 概述Summarizings 顯著的縱搖與升沉 劇烈的橫搖運動 劇烈的搖蕩運動影響： 航行安全性、作業(yè)使用性、人員適居性、5 概述Summarizings 船舶搖蕩運動衍生： 以下常見的耐波性事件（動態(tài)效應(yīng)）：甲板上浪 (green w

3、ater)、淹濕（submergence)首底砰擊（slam)、螺旋槳出水（propeller emergence）加速度（ acceleration ）甲板上浪首底砰擊甲板淹濕6 概述Summarizings搖蕩運動與耐波性事件: 對作戰(zhàn)與作業(yè)使用性產(chǎn)生不利影響航母甲板起降處的垂向速度、加速度對艦載機起降不利7 概述Summarizings艦載機起飛事故8 概述Summarizings船舶耐波性： 船舶抵御風(fēng)浪的綜合能力；船舶總體性能之一。 搖蕩運動： 影響航行安全、 增加航行阻力，影響航行速度增阻、失速； 衍生運動： 人員暈船、降低工作效率； 影響使用作業(yè)及其效率； 飛濺與沖擊：損毀船體結(jié)

4、構(gòu)； 甲板上浪：損毀甲板結(jié)構(gòu)、艙室進(jìn)水使船體傾覆； 首底砰擊：損毀船體結(jié)構(gòu)；影響首底聲納； 螺旋槳出水：影響航速、損害主機系統(tǒng)飛車；9 概述Summarizings 迎浪航行？ 首斜浪航行？ 橫浪航行？ 尾斜浪航行？ 隨浪航行？哪個浪向上的航行更安全？ 船舶在波浪上航行時的異常運動現(xiàn)象10 概述Summarizings純穩(wěn)性損失（loss of pure stability)參數(shù)共振（parametric resonance)急轉(zhuǎn)橫甩（broaching-to) 航海實踐表明：隨浪航行易于發(fā)生：large amplitude heeling in following seasbroaching

5、11 概述SummarizingsA typical example of broaching behaviour12 概述Summarizings非線性大幅橫搖或橫傾（ large amplitude rolling or heeling in head waves)進(jìn)一步的研究表明：船舶迎浪航行也有可能發(fā)生：大開口集裝箱船在迎浪中的非線性橫搖依然是研究熱點問題13 概述Summarizings 波浪: 為平臺主體主要的誘導(dǎo)載荷。有兩種時間尺度: 數(shù)秒量級的快速波動，產(chǎn)生瞬態(tài)載荷，其典型周期為5-25s。不 同頻率波的疊加形成低頻慢漂和高頻振蕩。 小時量級的緩慢變化，改變波浪的有義波高與特征

6、周期。 風(fēng): 不僅誘發(fā)波浪，對平臺主體也產(chǎn)生影響。有兩種時間尺度: 小時量級的緩慢變化，改變海面風(fēng)區(qū)的統(tǒng)計特征; 數(shù)秒至數(shù)分鐘量級的快速變化，改變風(fēng)區(qū)風(fēng)速，其典型周期為 1s-幾分鐘。 流:為平臺尤其是附屬的細(xì)長結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)載荷。 海洋環(huán)境載荷風(fēng)、浪、流 流速隨時間的變化比較緩慢。流速的典型周期為小時量級。14 概述Summarizings 海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計對運動與受力的考慮 各式海洋結(jié)構(gòu)物對運動與受力的要求側(cè)重不同： 垂蕩：鉆探作業(yè)平臺一般要求小于4m。需運動補償提高作業(yè)效率。 橫搖：起重船、需操作加工設(shè)備的浮式平臺。 縱搖：需操作加工設(shè)備的浮式平臺。 風(fēng)、浪、流漂移力和風(fēng)、浪漂移運動： 系泊平

7、臺（錨鏈破斷）; 立管平臺（立管系統(tǒng)撓性）; DP系統(tǒng)、拖曳系統(tǒng)（平均和緩變波漂力）。等 15 概述Summarizings船舶常規(guī)作業(yè)耐波性衡準(zhǔn) (NORDFORSK,1987) 項目商船軍船 小快艇橫搖（RMS值）6.04.04.0首柱垂向加速度（RMS值）0.275g(L100m)0.05g(L330m)0.275g0.65g橋樓垂向加速度（RMS值）0.15g0.2g0.275g砰擊（概率）0.03(L100m)0.01(L330m)0.030.03上浪（概率）0.050.050.05 船舶耐波性衡準(zhǔn)16 概述Summarizings 耐波性綜合指標(biāo) 任務(wù)作業(yè)率：任務(wù)作業(yè)率 =風(fēng)浪中能

8、夠完成作業(yè)的時間靜水中能夠完成作業(yè)的時間100% 年均可作業(yè)天數(shù)：基于長期海況統(tǒng)計下的一年內(nèi)可作業(yè)天數(shù) 可使用的海情級別：正常安全作業(yè)的海清級別17 概述Summarizings 理論計算：廣泛用于船舶運動及其水動力 載荷與效應(yīng)的理論分析。 基本理論：勢流理論、Morision模型等。 應(yīng)用前提：需得到驗證。 模型試驗：對理論上不易解釋和分析的新問題與非常規(guī)現(xiàn)象目前仍 主要依靠模型試驗。 存在不足：粘性效應(yīng)為主的試驗結(jié)果換算有困難甚至不準(zhǔn)； 深水系泊材料與邊界條件的相似關(guān)系； 環(huán)境模擬有限風(fēng)浪、流速。 實物試驗：有必要的補充與實證測試。 船舶耐波性研究手段理論分析 & 模型試驗！18 概述Su

9、mmarizings 大尺度浮體：勢流理論、自由面和物面條件的線性與非線性、時域與頻域面元方法（panel method） 小尺度與細(xì)長構(gòu)件：粘流理論、Morison模型、細(xì)長體理論基于CFD的數(shù)值模擬、切片方法 模型試驗：海洋環(huán)境（風(fēng)、浪、流）的物理模擬水動力與載荷效應(yīng)測試分析及其換算預(yù)報方法精細(xì)流場無接觸測量與成像技術(shù) 適用的理論、方法與手段19 概述Summarizings浮體運動方程ma=F定解條件流場描述邊界條件初始條件運動量描述流體作用力波浪力水動力回復(fù)力運動方程求解基準(zhǔn)坐標(biāo)系線位移角位移有效性驗證理論方法船舶運動的理論解決方案20 概述Summarizings 船舶耐波性課程體系

10、船舶搖蕩運動運動方程建立運動穩(wěn)態(tài)解運動特性分析船舶減搖技術(shù)學(xué)習(xí)重點： 風(fēng)浪的描述； 船舶搖蕩運動的基本概念； 船舶單自由度橫搖分析方法； 船舶橫搖、縱搖和升沉運動基本特性； 船舶減搖技術(shù)一般知識21 1.2 船舶搖蕩運動特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 船舶在波浪上的運動，特指圍繞平衡位置所作的搖蕩運動。 建立一個滿足右手規(guī)則的直角坐標(biāo)系oxyz，原點o位于船體質(zhì)心處，oxy平面平行于靜水面，ox軸指向設(shè)定的首部，oz 軸鉛垂向上。則船體的搖蕩運動可以分解成以下6個方向上的運動：1.船舶在波浪上的運動 縱蕩(surge

11、）沿x軸的振蕩運動 橫蕩(sway) 沿y軸的振蕩運動 垂蕩(heave) 沿z軸的振蕩運動 橫搖(roll) 繞x軸的振蕩運動 縱搖(pitch) 繞y軸的振蕩運動 首搖(yaw) 繞z軸的振蕩運動線位移角位移22 1.2 船舶搖蕩運動特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 在推進(jìn)器作用下的船舶直線航行運動。 船舶的航行運動 在方向舵作用下的船舶機動與直線航行運動。 船舶的操縱運動 在風(fēng)浪作用下，船舶在直線航行運動基礎(chǔ)上疊加的振蕩運動。 船舶的搖蕩運動注意: 在船舶搖蕩運動研究及工程領(lǐng)域,假設(shè)船舶無推進(jìn)裝置與舵,僅賦予船舶

12、恒速直航。在船舶搖蕩問題中，僅計及波浪-船體相互作用力，不計推進(jìn)器推力與舵力）。 關(guān)于船舶運動:23 1.2 船舶搖蕩運動特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 固定坐標(biāo)系 : 固定于海面某一點； 參考坐標(biāo)系 : 隨浮體航速u直線平移； 動坐標(biāo)系 : 固聯(lián)于浮體隨浮體一起搖蕩運動。1）坐標(biāo)系：浮體運動與坐標(biāo)系2.坐標(biāo)系與船體運動量的描述 確定船體運動，需要用到以下三個坐標(biāo)系: 24 1.2 船舶搖蕩運動特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 線位移： 動系

13、原點在參考系中的位置坐標(biāo)； 角位移： 動系繞參考系各坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動角度 (以右手規(guī)則判斷角度的正負(fù)）.2） 船體運動：浮體運動與坐標(biāo)系 以參考系為基準(zhǔn)，考察動系相對參考系的運動位置和姿態(tài)角度：25 1.2 船舶搖蕩運動特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating MotionPitch and Heave Motion of Ship Model in Reqular Headseas26 1.2 船舶搖蕩運動特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 研究表明，在微幅波的作用下，

14、船舶運動為簡諧運動，即表達(dá)為： 或其中： 船舶某種形式的搖蕩，t時刻離開平衡位置的位移 船舶離開平衡位置的最大位移搖蕩的振幅 船舶搖蕩的圓頻率 周期 t=0時的船舶相位初相位3.船舶搖蕩運動及其要素船舶輸入微幅波輸出 搖蕩運動要素27 1.3 船舶運動及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics1.船舶搖蕩運動的基本特征 運動隨機：隨機不規(guī)則風(fēng)浪下的船體運動表現(xiàn)為隨機。 運動耦合：船體幾何的不對稱導(dǎo)致船體運動的耦合。 橫向運動：橫蕩、橫搖、首搖； 縱向運動：縱蕩、升沉、縱搖。 2.本課程研究的基本假設(shè) 各方向下的運動是相互獨立的； 波浪為微幅

15、波； 船體運動為微幅運動。 運動的耦合性也與航向有關(guān)28 1.3 船舶運動及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics3.船舶運動方程的建立 波 浪船體阻 尼 船舶在波浪上的振蕩運動類似于一物體在彈簧上的強迫振蕩運動： 物體質(zhì)量； 由絕對位移引起的彈簧恢復(fù)力 由絕對速度引起的阻尼力于是，物體運動方程：29 船舶在波浪上運動時，波面起伏： 因水面起伏形成對船體的垂向恢復(fù)力 即，波浪擾動力： 船體在水中的相對運動，受到的阻尼力： 船體的垂向恢復(fù)力： 船體垂向非定常運動受到的慣性阻力： 1.3 船舶運動及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics 對于船舶升沉運動：于是，船體升沉運動方程： 垂蕩運動30 1.3 船舶運動及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics 類似地，各方向上的船體運動方程可以表達(dá)成：縱蕩：橫蕩：垂蕩：橫搖：縱搖：首搖：31 1.3 船舶運動及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics4.船體受到的流體作用力 流體靜力：恢復(fù)力 流體動力： 波浪擾動力 附加質(zhì)量（附加轉(zhuǎn)動慣量）