漁船水上運動特性研究【畢業(yè)作品】

漁船水上運動特性研究專業(yè)：船舶與海洋工程目錄 5 5 51.3sesam軟件的簡介說明 61.4課題研究背景、內(nèi)容 7 7 71.5本課題的主要研究內(nèi)容 9 2.2基本方程及邊界條件 2.3線形波浪理論 2.4斯托克斯波理論 2.4.1斯托克斯三階波 2.4.2斯托克斯五階波 2.5.1隨機波浪波面高度的分布特性 2.5.2隨機波浪的譜特性 2.6船舶在波浪上的運動理論基礎(chǔ) 2.7波浪載荷的研究綜述 2.8波浪的長期預(yù)報 三船模參數(shù)計算 3.1.1主尺度及主要參數(shù) 3.1.2裝載工況 3.1.3波浪散布圖的選取 3.2波浪誘導(dǎo)載荷參數(shù) 四全船有限元模型的建立 4.1船體外表面模型（PanelModel） 4.2質(zhì)量模型 4.3水動力分析計算 4．4本章小結(jié) 五數(shù)據(jù)分析結(jié)果 5.1六個自由度剛體運動情況 5.1.1在有外龍骨下的六個自由度的運動情況 5.1.2在無外龍骨下的六個自由度運動的情況 5.1.3有無外龍骨的比較 2 參考文獻(xiàn) 3本科畢業(yè)論文摘要用挪威船級社SESAM軟件HYDRO程序結(jié)合工作海域的波浪散布圖，使用POSTRESP程序輸出不同裝載工況下的不同波浪入射角時的有無外龍骨對整船操縱與搖擺的性能的影響。[關(guān)鍵詞]8米寬魷釣漁船；波浪誘導(dǎo)載荷；外龍骨4本科畢業(yè)論文摘要Waterperformancestudyoffishingboatsf5船舶運動與波浪載荷的準(zhǔn)確預(yù)報是進行合理的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。在給定了船舶型值的結(jié)構(gòu)強度而又經(jīng)濟實用的船體。所以船舶結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計水平的進步與波浪載荷理論的不斷發(fā)展與完善是密不可分的。船舶在海上經(jīng)歷六個自由度的剛體運動:縱蕩、橫蕩、垂蕩、縱搖、橫搖和首搖。在這些運動過程中，船舶波浪載荷將以垂向、橫向的剪力(彎矩)以及扭矩的形式作用于船體。在船舶的結(jié)構(gòu)分析中，最初的步驟是確定船體的靜水和波浪誘導(dǎo)載荷。船體將在其運營期中承受這兩種載荷的極端情況，這將導(dǎo)致船體可能的疲勞及破損，這正是我們所關(guān)心的問題。船舶的設(shè)計載荷被定義為船舶運營期間一定概率水平下的載荷。為了得到這些設(shè)計載荷，波浪環(huán)境被離散為各種固定的海況。船舶的統(tǒng)計特性，如船速、浪向角以及波浪干擾力由短期值整合而成。以極值表示的結(jié)果表現(xiàn)為響應(yīng)峰值的分布。對于疲勞問題，此結(jié)果將表現(xiàn)為基于船舶遭受的載荷周期數(shù)目，以及相關(guān)的應(yīng)力幅值的累積損傷。對于頻域方法，載荷的預(yù)報涉及響應(yīng)幅度算子的確定。給定波浪頻譜，根據(jù)響應(yīng)幅度算子可以確定船體的運動響船體在海浪中六個自由度的運動均是相對于其在隨船平動坐標(biāo)系中的靜平衡位置而言般水動力及波浪載荷的計算均先以中縱剖面一側(cè)的船體為研究對象，然后利用對稱關(guān)系得到橫搖和首搖)兩組互不禍合的運動來分別討論。6擁有極其豐富的水運資源，這為發(fā)展我國船舶工業(yè)提供了有利條件。合特定航行區(qū)域的波浪散布圖，采用三維勢流理論對有外龍骨的漁船進行船體運動響應(yīng)計合特定航行區(qū)域波浪散布圖，采用三維勢流理論在頻域內(nèi)對漁船進行隨機波浪載荷長期預(yù)報，并與相應(yīng)規(guī)范計算值進行比較，為合理選取波浪誘導(dǎo)載荷提供依據(jù)。度計算、疲勞強度計算方面的研究工作。結(jié)構(gòu)強度計算方面，隨著計算機軟件、硬件能力的結(jié)構(gòu)強度計算方法的不斷進展對外載荷計算提出了更高的要求。當(dāng)采用梁理論評估船體疲勞和極限強度設(shè)計中使用，而在船體結(jié)構(gòu)直接設(shè)計計算中，整船有限元分析使水動壓力成船體表面波動壓力和波浪誘導(dǎo)的剖面剪力彎矩是在強度計算中要考慮的最重要的外載荷?；诖?，尋求合理而實用的船舶運動、波浪載荷和水動壓力預(yù)報方法對船舶工程的發(fā)展具有重要意義。本文擬在這方面做一些工作。SESAM是挪威船級社（DNV）針對海洋平臺、船舶等海上結(jié)構(gòu)物開發(fā)的一個大型有限元靜力與動力分析程序及顯示計算結(jié)果的后處理器等四個部分。其中GENIE模塊用于建模，Hydrod模塊主要進行水動力計算,它是基于三維頻率的船舶運動和波浪載荷預(yù)報模塊，解決荷可以轉(zhuǎn)換為有限元進行結(jié)構(gòu)分析。準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時間；計算船舶波浪載荷程序可計算并可直接傳遞到結(jié)構(gòu)有限元模型上；結(jié)構(gòu)分析程序可解決各種結(jié)構(gòu)在個種類型載荷下的應(yīng)力示計算結(jié)果，而且提供了用語作最終評估的程序。該系統(tǒng)在不同程序模塊之間的數(shù)據(jù)自動傳7遞是通過界面文件實現(xiàn)，使數(shù)據(jù)傳遞非常靈活而有效。的選取應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的受力特性分別選取不同的有限元類型。由于整船結(jié)構(gòu)有限元模型需工數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及計算機計時。小型遠(yuǎn)洋漁船的穩(wěn)性安全，是漁船設(shè)計中首先必須考慮的一個重要問題。設(shè)計人員通常在漁船魚艙底部設(shè)置固體或液體壓載來降低漁船空船的重心高度，以達(dá)到漁船穩(wěn)性安全的目了漁船的艙容，而且壓載效果也不一定最佳。通過在小型遠(yuǎn)洋漁船上設(shè)置箱形外龍骨，并在又可減少漁船在大風(fēng)浪中的橫搖擺幅，改善漁民的生產(chǎn)作業(yè)條件，還能省出本該由壓載物占用的艙容，以裝載更多的燃油或淡水，有效的提高漁船的經(jīng)濟性能。采用線性隨機波浪理論：線性隨機波浪理論假定波浪是有多個波系疊加而相互不引起干簡諧波疊加而成的不規(guī)則波系.頻域三維匯源理論：船舶在規(guī)則波中運動的流體動力問題的關(guān)鍵是求解流場中的速度勢，包括入射波的貢獻(xiàn)、物體存在和運動對流場擾動的貢獻(xiàn)以及相互之間的耦合作用。(1）多普勒效應(yīng)（2）流場速度勢分解（3）船舶運動方程。隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，全船有限元分析技術(shù)使船體總強度分析有了革命性的突的實際變形與應(yīng)力。采用全船有限元分析法和波浪載荷的直接計算可以進一步提高計算結(jié)果8在漁船上外龍骨的橫剖面形式主要選用矩形或方形的鑄造件或鋼板焊接件（內(nèi)設(shè)生鐵塊）板焊接件（內(nèi)澆混凝土）三種?？v剖面形式主要選用等高式，有些拖網(wǎng)漁船因需要設(shè)置為長度L，寬度B和高度H，在漁船上外龍骨的長度L設(shè)計應(yīng)盡可能地貫通全船，高度H一漁船外龍骨的形式以選用鑄造式橫剖面方、矩形或焊接式橫剖面方、矩形為好。鑄造式外龍骨在一艘長約50m的漁船上，至少會有一個端接頭，端接頭設(shè)計結(jié)構(gòu)形式必須合理，焊接工藝必須規(guī)范。焊接式外龍骨在每道肋位處其內(nèi)必須設(shè)有橫向加強板右、底板須三面連續(xù)焊。外龍骨內(nèi)若設(shè)置生鐵塊，生鐵塊的形狀必須規(guī)則，排列縫隙宜??；若設(shè)置鐵砂，選用的鐵砂粒直徑宜小為好，以增加鐵砂比重；若設(shè)置混凝土，為方便維修，混凝土中的水泥比例不宜過大。在設(shè)置上述壓載物時，壓載物的上表面與船底K行板間須留有3~5mm的空隙，以保證船底K行板與外龍骨側(cè)板間的焊接質(zhì)量。本文主要運用了挪威船級社(DNV)的SESAM(SuperElemerntStructureAnalysisModules)軟件系統(tǒng)對8m寬魷釣漁船整船建立有限元模型，以外龍骨為變量，對其進行了波浪統(tǒng)計預(yù)報，確定設(shè)計波，計算船體應(yīng)力分布。主要內(nèi)容有：(1)整理8m寬魷釣漁船的圖紙和資料，分析其結(jié)構(gòu)特點，利用SESAM型導(dǎo)入SESAM軟件系統(tǒng)中。(2)利用挪威船級社(DNV)的SESAM軟件系統(tǒng)的波浪載荷分析與響應(yīng)計算子模塊WADAM，計算全船在一系列規(guī)則波上的流體動力載荷，包括動壓力在濕表面上的分布及其六個自由度的運動特性，形成載荷傳遞函數(shù)。軟件系統(tǒng)的進行計算結(jié)果統(tǒng)計處理的交互式圖形后處理器POSTRESP,對計算結(jié)果進行統(tǒng)計處理和預(yù)報。通過長期預(yù)報，確定設(shè)計波。構(gòu)分析的子模塊SESTRA對全船結(jié)構(gòu)進行計算求解。(5)利用挪威船級社(DNV)的SESAM軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器PREPOST和有限元分析圖形處理器，對其結(jié)果以圖形方式顯示出來，分析全船或局部有限元模型及其運動分布狀況。9在實際海況中，船舶運動受到諸多因素的影響，嚴(yán)重的搖蕩運動不僅會影響船舶的運計耐波性能良好的船舶提供可靠的依據(jù)。在船舶耐波性的適居性、實際使用性、生命力的三特征值、加速度特征值、運動速度和加速度的極值、甲板淹濕、砰擊和砰擊負(fù)荷、波浪誘導(dǎo)船舶安全性和運營經(jīng)濟性具有十分重要的意義。和船舶運動研究息息相關(guān)的一個研究領(lǐng)域是船舶在波浪中的載荷研究，船舶在波浪上的運動理論是研究波浪載荷的理論基礎(chǔ)之一。進行船舶結(jié)構(gòu)分析時，首先要確定作用在船體上結(jié)構(gòu)研究中非常重要的一個問題。對船舶設(shè)計者來說，提供一種合理的、接近實際情況的預(yù)報工具是非常必要的。在船舶運動和載荷預(yù)報領(lǐng)域，雖然基于頻域和概率的線性切片理論已經(jīng)取得了巨大成功，但是仍有首尾砰擊等問題便是明顯的例子。由于忽略了非線性載荷，在某些種類船型的載荷計算中，尼，預(yù)測運動的幅值也將不準(zhǔn)確。本文根據(jù)船舶在波浪上的運動理論，運用SESAM計算了船體在波浪中的線性運動響應(yīng)，（1）計算8米寬魷釣漁船在不同波浪入射角狀態(tài)下的六個自由度上運動的頻率響應(yīng)曲線；（2）計算8米寬魷釣漁船在規(guī)則波中的垂向波浪剪力和垂向波浪彎矩頻率響應(yīng)曲線，然后選渤海海浪譜，計算8米寬魷釣漁船在不同海況下的運動響應(yīng)譜。（3）最后分析計算得出8米寬魷釣漁船在有無外龍骨的情況下對漁船的操縱與搖擺的性能理論基礎(chǔ)。波浪理論也已得到廣泛的研究，主要有線性理論和非線性理論，線性波浪理論(Airy波)是假定波浪振幅足夠小，這樣就可以基本忽略非線性項而得到速度勢的近似解。駐波理論、流函數(shù)波理論等。以下主要介紹作為基礎(chǔ)的線性波浪理論和本論文重點應(yīng)用的Stokes五階波理論和隨機波浪譜。如圖2-01表示一在海底平坦、光滑、靜水深度為d的海域向前傳播的波浪。設(shè)波浪兩個相鄰波峰經(jīng)過一特定點的時間間隔T稱為波浪的周期。設(shè)c為波浪的傳播速度，ZX波浪周期T-L/Cd▽2Φ2+2應(yīng)滿足Laplace1、海域底部的運動邊界條件在海底上的流體質(zhì)點不能超過固體邊界，只能沿著邊界的切線方向運動，即在z=-d處垂直于固體邊界的法向速度為零，即2、自由表面的運動邊界條件由表面的水質(zhì)點的垂直于該表面的速度，等于自由表面在該方向的運動速度。--3、自由表面的動力邊界條件數(shù)。因此把貝努利方程式應(yīng)用到自由表面處，得到自由表面的動力邊界條件為：(δΦ)2]---(δΦ)2]4、波浪的周期性條件:實際情況有一定的出入，但這些假定仍然在各種波浪理論中采用。所以對它們可能產(chǎn)生的從上述可以看出要想精確求解出波浪的速度勢是非常困難的:一是自由表面條件的非線條件僅在自由表面z=η上滿足，而η本身又是未知量，就使得拉普拉斯方程的求解區(qū)域也是可變的。這就是至今還不能建立起一種波浪理論可普遍適用于各種水深、波高和波長的海鑒于對上述各種非線性關(guān)系式求解的困難，必須進一步作出一些假定來簡化這些關(guān)系式，從而建立起幾種確定性的波浪理論以適用于各自特定的海況條件。簡單的波動。滿足線性波浪理論的波動面是水面呈簡諧形式的起伏運動。水質(zhì)點的運動是以平衡位置為圓心的圓周運動，即以圓頻率負(fù)作簡諧振動。假定波幅或波高相對于波長是無限小，因此可以忽略波動自由表面引起的非線性影響，即邊界條件中的乘積項和平方項都可以忽略。并且由于假定波高H足夠小，條件式(2-3)和式(2-4)可近似的在波浪平均位置z=0處滿足。此時自由表面的邊界條件線性化為2然后通過分離變量法得出有限水深的線性波速度勢為─+g2從而得到2負(fù)2這就是線性波的色散關(guān)系。方向的運動速度如下v=─= 水質(zhì)點在水平及垂直方向的運動加速度為xz2H-T22HT2位，在海洋工程設(shè)計中常常采用。這就是所謂的斯托克斯波浪理論。Stokes根據(jù)勢波理論在推演中考慮了波陡的影響，證明波面不再為簡單的余弦形式，而是呈波峰較窄而波谷較寬的接近于擺線的形狀，這是和實際余波的波面頗為相近的。移的近似于圓或橢圓的軌道上運動。波浪運動中伴隨有“質(zhì)量的遷移”的這一情況，也是符合于波浪運動的實際現(xiàn)象的。所謂的Stokes波是用有限個簡單的頻率成比例的余弦波來逼近具有單一周期的規(guī)則的有限振幅波。為解決自由表面邊界條件的非線性問題，假定速度勢可按某一小參量攝動展開: Φ=εΦ+ε2Φ+因為波幅有限，與Φ相關(guān)的其他變量如η等，亦可作相同的小參數(shù)攝動展開:nη都滿足Laplace方程(2-1)及邊界條件;n222n+n困難問題。自由表面總是在靜水面附近。將Φ在自由表面z=η處用Taylor級數(shù)展開為+.n+2將上式代入自由表面邊界條件(2-3)及(2-4)，可得)))]2)]2理合并，得2|1)212122(2kd))]于ε的偏微分方程組:一階: 二階:──η1-11=0──η1-11=022由表面邊界條件(2-26)、(2-27)式可以看出，在Stokes高階波勢的邊界條件中包含根據(jù)以上推導(dǎo)，可得到Stokes三階波的有關(guān)計算結(jié)果13二、色散關(guān)系2三、波面方程四、水質(zhì)點的運動速度和加速度|4(3|4(3水質(zhì)點水平速度v c3水質(zhì)點垂直速度v c3水質(zhì)點的水平加速度TT12x=水質(zhì)點的垂直加速度.12.1-5-52233(π)2(d)（L)33.（L)3f6(kd)]f3|Stokes五階波的推導(dǎo)和三階波完全一樣，近些年來五階波得到越來越多的關(guān)注，其非線性更加顯著。海洋工程的各類規(guī)范經(jīng)常要求用五階波進行設(shè)計。表2.1是Stokes五階波表2-1有關(guān)Stokes五階波計算公式nn=Σn5nnn22pxxxzz3A5A3A5AA1+λ4B+λ5B5B表達(dá)式系數(shù)中的λ是一個比值，且λ=ka，a是須對每一個波確定的達(dá)式如下:4)642)7)64216426424223)6429)66)86424292642424)6421ijiji定。在求得A,B后，λ及kd可由下式確定:ijij1215)H2gT2應(yīng)用上述Stokes五階波理論的計算公式，可以用計算機編寫相應(yīng)的程序，只要輸入水深、波高、周期等基本參數(shù)數(shù)據(jù)，便可得到五階波波長、波的傳播速度、和波面升高等結(jié)果，并可計算出波浪水質(zhì)點的速度、加速度和壓力值。計理論研究海浪現(xiàn)象的理論稱為隨機波浪理論。海底管道立管部分在海洋中所遭遇的海浪一性的變化，因此，海洋中的波浪作為一個隨機過程從長期而言并不具備平穩(wěn)性。但對較短的一段時間來說，可以認(rèn)為波浪是一個平穩(wěn)的隨機過程。此外，觀測證實，波面升高η(t)又歷經(jīng)性保證某一隨機過程的一個具體樣本能代替總體，通過一樣本能推求出隨機過程總體的統(tǒng)計特性。每一短期海況由表征波浪特性的參數(shù)以及該海況出現(xiàn)的頻率來描述。常用的波浪參數(shù)為有義波高Hs和平均跨零周期T。Hs定義為所有波浪中波高最大的三分之一波浪的平Z13T定義為波面升高在相鄰兩次以正斜率跨越零均值線之間Z的平均時間間隔。它是波浪過程的跨零率的倒數(shù)，故有:1Zf0mm0m2余弦波分量疊加而成的，可以假定其振幅、頻率、相位與方向都是隨機量，但為處理簡便，當(dāng)前常僅假定相位是隨機量。海面上某點的升高為η(t)=Σ偽iiiiiiiiii易證明η(t)的均值為0，即E[η(t)]=0。ii222式中σ2(2(t))表示波面高度的方差。η(2-30)(2-31)構(gòu)由它的各組成波所提供的能量來體現(xiàn)。海浪譜從數(shù)學(xué)意義上講就是一個函數(shù)。所謂譜分析對振幅為a的規(guī)則波，單位波面(單位波長*單位波寬)的波浪內(nèi)所具有的波能為n12n或12na2可見波能量與波幅平方成正比。因此把d負(fù)可見波能量與波幅平方成正比。因此把d負(fù)范圍內(nèi)的各子波的2迭加起來，并除以η22η負(fù)顯然函數(shù)S(負(fù))比例于頻率位于間隔η顯然函數(shù)S(負(fù))比例于頻率位于間隔η內(nèi)的各組成波提供的能量。如取η于波頻的分布，故又稱頻譜。η海浪波面高度的方差σ2(=η2(t))也比例于單位波面內(nèi)各組成波的總能量，即η=Σn2η1-21-2a=率。這時，波幅服從Rayleigh分布。由此可計算波浪過程的標(biāo)準(zhǔn)差σ、跨零率f、峰值率η0n，以及不規(guī)則系數(shù)a和帶寬系數(shù)ε分別為:0ση0f0112m0n01mmε=2,目前求海浪譜的主要方法有:(1)利用定點觀測到的波面記錄η(t)，計算波面高度的自相關(guān)函數(shù)，然后經(jīng)Fourier變換求得頻譜.(2)由觀測資料得出波高與周期的聯(lián)合分布函數(shù)，經(jīng)過理論推導(dǎo)，得出能量相對于頻率下面介紹P-M譜:譜有如下的表達(dá)式:24]|式中無因次常數(shù)a=0.0081，上式所示的波譜僅含一個參數(shù)即海面上19.5米高處的風(fēng)aU42-2U2將（2-41）代將負(fù)代入（2-42）可得：0-4P-M譜為經(jīng)驗譜，由于所依據(jù)的資料比較充分，分析方法比較合理，使用也比較方便，因此在海洋工程和船舶工程中得到了廣泛的應(yīng)用。用力的大小;反過來，受力又影響了船體的運動。因此，二者是禍合的，原則上講，船體受動規(guī)律和流體運動規(guī)律都是可以假定的，因而可以將流體運動和船體運動分開處理。本文在研究船舶在波浪上的運動過程中引入如下假定：1)流體假定:假定流體是沒有粘性的理想流體，同時認(rèn)為流體是無旋有勢、均勻不可壓2)剛體假定:假定船體是具有六個自由度的剛體，在外力作用下不變形；3)微幅波假定:假定入射波的波幅A遠(yuǎn)小于波長兄，由此可以認(rèn)為船體在波浪上的搖蕩運動也是相對于平衡位置的小振幅運動，船體運動引起的濕表面積變化量遠(yuǎn)小于其靜浮在靜4)等速直線運動假定:假定波浪引起的船體搖蕩運動參數(shù)隨時間的變化要比船體操縱運動參數(shù)隨時間的變化快得多。如圖2-1所示，本文定義三個右手坐標(biāo)系:于描述波浪；2)參考坐標(biāo)系oxyz。原點o位于船體重心，ox軸與船舶航行方向一致，oz軸豎直向3)隨船平動坐標(biāo)系o'x'y'z'。原點o'位于未擾動的靜水面上，o'x'軸與船舶航行方向一致，o'z'軸豎直向上。在參考坐標(biāo)系中，動坐標(biāo)的原點的位置行(,,)稱為船體相對參考為縱蕩，為橫蕩，為垂蕩。oxyz分別繞x,y,z;軸旋轉(zhuǎn)a,β,Y角度和oxy是ZZ0ZUtx'oxxo'OU0圖2-2顯示了船舶在波浪上運動六種運動模態(tài)：縱蕩、橫蕩、垂蕩、縱搖、橫搖、艏搖。ZZoxpitchrollyox對于航行于海上的船舶而言,波浪載荷（即波浪誘導(dǎo)載荷）是所有船舶載荷中最重要的洋波浪的隨機性、船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及航行工況的多樣性，計算波浪載荷并非易事。一種比較強度。克雷洛夫在1896年發(fā)表的《船舶在波浪上的縱搖新理論及由此運動而產(chǎn)生的應(yīng)力》及1955年Korvin-Kroukovsky提出了處理船舶搖蕩問題的切片理論，后經(jīng)Korvin-Kroukovsky并將最初的迎浪縱向計算推廣到斜浪5個自由度運動的計算。由此產(chǎn)生了很多類似的計算的計算方法、水動力系數(shù)耦合項及尾端修正項的處理、繞射力的確定等，但所得的數(shù)值結(jié)果及慣性力。在相對較低的遭遇頻率或高傅氏數(shù)的情況下，線性切片理論的計算結(jié)果與實際情致的流體靜力和動力的非線性以及大幅度運動可能發(fā)生的砰擊現(xiàn)象。這些非線性計算方法大致分為頻率和時域方法。最具有代表性的頻域非線性方法是基于攝動原理建立的二階理論。此理論中二階項源于激勵波浪的非線性、船舶的非直舷以及非線性的流體動力。采用時域的流體力的計算，考慮了瞬時水下剖面的真實形狀以及水動力系數(shù)隨吃水的變化；Meyerhoff和Schlachter通過模擬不規(guī)則海浪中船舶的航行狀態(tài)求解運動方程，考慮了波浪沖擊力對船舶運動的反饋；Borresen和Tellsgard提出了一種預(yù)報幅度規(guī)則波中迎浪蕩和縱搖耦合運動以及垂向載荷的非線性響應(yīng)方法。在時域中步進求解斜浪中船舶運動微分方程時存在數(shù)值發(fā)散問題。由于船舶在水平面內(nèi)的運舵及船體上流體作用力的計算非常復(fù)雜。目前國際上通用的方法是建立可計及操舵效應(yīng)的船此外，針對經(jīng)典切片理論預(yù)報高速船的運動響應(yīng)效果欠佳，充分考慮高速船的高速細(xì)長理論（二維半理論）應(yīng)運而生。在高速細(xì)長理論中，流場速度勢的控制方程和物面條件仍是論僅適合高航速下的船舶耐波性的預(yù)報。時域問題的完善解法是通過建立初、邊值問題來解決。Finkelstein系統(tǒng)的推導(dǎo)了各種憶項兩部分分別求解，從而將船體的幾何形狀與船舶運動相分離；Ogilvie總結(jié)了上述理論并推廣到有航速情形。目前應(yīng)用時域格林函數(shù)求解非線性問題已經(jīng)取得了很大的進展。林函數(shù)法采用在船體表面布置源的方法確定速度勢，點源速度勢－格林函數(shù)滿足除船體表面以外的所有邊界條件，而流場速度勢可由格林函數(shù)沿船濕表面積分得到。此方法處理無航速船舶及其他海洋結(jié)構(gòu)物的運動和載荷問題非常成功，但對于有航速問題，由于有航速頻域格速假定，利用無航速格林函數(shù)并加上關(guān)于航速的修正項來處理此問題。Rankine源法在近些力問題。Bishop和Price首先運用水彈性力學(xué)方法系統(tǒng)的研究撓性船體在波浪中的動力響應(yīng)問題。將船體模型簡化成一根兩端自由的彈性梁，與經(jīng)典的切片理論結(jié)合，采用結(jié)構(gòu)模態(tài)分析法求解船體在波浪中的動力響應(yīng)。由于在模態(tài)中引入剛體模態(tài)，因而這種方法可以同時得到剛體位移和彈性變形。其后許多學(xué)者將水彈性方法與擴展的切片理論相結(jié)合，用于非線形成了一種適用于在波浪中或水下運動的任意形狀彈性體的三維線性水彈性理論。果，對于弄清載荷的特征及其統(tǒng)計分布規(guī)律，具有重要的意義。但受種種客觀及主觀因素的限制，實船海上試驗結(jié)果不可避免的存在著局限性。為此作為實船海上試驗的補充和完善，知的現(xiàn)象，反映問題的力學(xué)機理和實質(zhì)，對理論計算方法進行改進和完善。分析的方法得到不規(guī)則波中船舶運動或波浪載荷的響應(yīng)譜2的響應(yīng)譜。因為實際頻率為遭遇頻率。，所以輸入波浪譜S()應(yīng)變換為Swo根據(jù)統(tǒng)計時間的長短，對系統(tǒng)響應(yīng)的極值預(yù)報可以分為短期預(yù)報和長期預(yù)報。短期預(yù)報是指統(tǒng)計時間在半小時到數(shù)小時之間。在此期間，假定船舶的裝載、航速、應(yīng)服從Rayleigh分布。該分布只有方差σ2一個參數(shù)，可由響應(yīng)譜S(負(fù))得到，即y2進而可得到船舶運動與波浪載荷短期預(yù)報的各種統(tǒng)計值，包括均值和有義值等。其中，均值為0過程的組合來處理。長期預(yù)報的概率密度函數(shù)可由很多短期的概率密度函數(shù)以其出現(xiàn)概率為在與確定船體總載荷設(shè)計值有關(guān)的問題中，波浪海況的選取或許是最為重要的。確定該傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)導(dǎo)出相應(yīng)的長期分布。目前使用的方法是在所考慮海域內(nèi)選取一個實際波高和波浪周期組合的散射圖譜。這個散射圖譜也可用來進行極限強度和疲勞強度分析。度分析，而世界范圍的組合波譜已經(jīng)被用于統(tǒng)計資料為依據(jù)，并結(jié)合對于波高一些重要修改，以確保最大波峰不在破碎波的極限之外，而且25年一遇的最大的預(yù)計波高波浪周期與波高同樣重要。早期的波浪氣候資料大都不包含對目測波浪周期中誤差的適當(dāng)修使預(yù)報的長期波浪載荷誤差達(dá)到7％。而與用波浪散射圖譜進行預(yù)報的長期波浪載荷相比，表3-18米魷釣漁船的主尺度LOAB△Dd46.81m無外龍骨六種裝載工況穩(wěn)性參數(shù)見表3-2不同海況和每一海況出現(xiàn)概率組成。每一海況常用有義波高和跨零周期表征。經(jīng)過幾十年的此采用了渤海海域的全年波浪散布圖。P使得按它計算出來的船體應(yīng)力能代表實際船體航行過程中的最嚴(yán)重的狀態(tài)。正確的途徑是通過船體在波浪上受力的長期統(tǒng)計預(yù)報，得到在108概率下預(yù)報的船體彎矩、剪力等代表性根據(jù)實踐經(jīng)驗以及研究目的的需要，本文選取以下條件進行計算：波浪入射角是波浪傳播方向與船舶航向間的夾角,并由波浪傳播方向按順時針進行度量。當(dāng)波浪入射角在左右舷0°~15°之間時稱為順浪.波浪入射角在左右舷165°~180°之間時稱為頂浪。順浪和頂浪統(tǒng)稱為縱向?qū)?縱向?qū)酥饕a(chǎn)生縱向運動,它包括縱搖、縱蕩和垂蕩,其中主要是縱搖和垂蕩。波浪入射角在左右舷75°~105°之間時稱為橫浪。橫浪主要產(chǎn)生橫向運動,它包括橫波浪入射角在左右舷105°~165°之間時稱為首斜浪。尾斜浪和首斜浪既產(chǎn)生縱向運動,也產(chǎn)生橫向運動,如圖3-2所示。首尾浪順G斜斜浪浪圖3-2波浪入射角示意圖波頻ω和波長λ之間的關(guān)系按λ=2πg(shù)/ω24.1船體外表面模型（PanelMode去，再由點及線，由線建面，初步完成全船的框架。最后應(yīng)當(dāng)對每一個面建立相應(yīng)的有限元波浪載荷分析子模塊HydroD中再將先前的Genie中的模型轉(zhuǎn)化成FEM格式并導(dǎo)入到水動力程序中進行加載分析和計算。分。對于水線面以上的部分認(rèn)為不受波浪水動壓力。本文采用三維勢流理論計算8米寬魷釣漁船迎浪時運動響應(yīng)。根據(jù)型線圖建立船體外表正方向指向左舷，z正方向向上。panel模型的建立：建立結(jié)構(gòu)有限元模型要應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識對次要構(gòu)件進行簡化處理,而主要構(gòu)件要予以正確表達(dá)。根據(jù)8米寬魷釣漁船母型船的資料，利用型線圖將所需的數(shù)據(jù)讀取，通過SESAM（1）先從8米寬魷釣漁船的型線圖中讀出個站位的三維坐標(biāo)值，并將其通過幾何（Geometry）中的點（Point）功能輸入坐標(biāo)值，再用曲線（curve）功能將他們光順合理的將每個站位的曲線連接起來。（2）利用Elements功能建立圖形的有限元網(wǎng)格的劃分。首先，在每個站位的曲線上對布置網(wǎng)格劃分節(jié)點，再通過Mesh功能將各個站位的網(wǎng)格劃分出來。其次，利用verify、Equivalence功能來對模型進行檢查，消除重復(fù)節(jié)點。在處理網(wǎng)格劃分時往往會產(chǎn)生重復(fù)節(jié)點，這樣的節(jié)點需要檢查并處理，否則析運算。并且，網(wǎng)格劃分好之后，應(yīng)該對網(wǎng)格的質(zhì)量加以評估，如果覺得不甚滿意，則可以（4）定義有限元模型單元的物理特性（Properties）Properties的部分功能就是根據(jù)實際結(jié)構(gòu)和分析程序創(chuàng)建物理特性，并將其應(yīng)用于對一項中選擇materials，然后右擊選擇newmaterials一項，要定義其中的各項屬性首先需要命名，然后再是定義Yield，Density，Young，poission，等等其他的相關(guān)數(shù)據(jù)。之后再定義殼單元屬性，厚度取12mm。具體的方法是在propertie擊然后Newthicknesses建立板厚選項，先命名，然后再點Alloweidt，選擇全船，取板圖4-18米寬有龍骨的魷釣漁船panel模型（5）在定義好了8米寬有龍骨的魷釣漁船panel模型之后，要進行8米寬無龍骨的魷釣漁圖4-28米寬無龍骨的魷釣漁船panel模型量,因此直接計算得到的結(jié)構(gòu)重量總是小于實際的空船重量,重心位置也與空船重心不相符。構(gòu)模型直接計算得到的結(jié)構(gòu)自重與空船重量相符。模型可以與實船的真實重量分布基本一致。眾所周知,外載荷、結(jié)構(gòu)響應(yīng)和強度標(biāo)準(zhǔn)是評定艦船與海洋工程結(jié)構(gòu)物安全的3個相互關(guān)聯(lián)的重要因素。其中,合理的確定載荷是正確評定結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。艦船與海洋程結(jié)構(gòu)所受的波浪載荷,進行了長期的研究,并形成了經(jīng)驗公式、數(shù)值預(yù)報與模型試驗3種技術(shù)手段水動力分析可獲得海洋結(jié)構(gòu)物在波浪中的運動、特征剖面上的載荷和濕表面的水動壓特征剖面上的載荷響應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物的總體強度分析。不同的海洋結(jié)構(gòu)物,所關(guān)注的特征剖面上的載荷響應(yīng)也有所不同。如,關(guān)注“船”形浮體的橫向剖面的剪力、彎矩、扭矩等。濕表面的水動壓力響應(yīng)是艙段與全船有限元分析及其疲勞分析中必不可少的載荷參數(shù)。水動力分析的目的是研究浮體在海浪中的動態(tài)響應(yīng)。海浪是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程,由無限多個頻率不等、方向不同、振幅變化而且相位雜亂的簡諧微幅波疊加而成。浮體在隨機不規(guī)則波中的響應(yīng)譜可由單位波幅波中的響應(yīng)(傳遞函數(shù))和海浪譜來確定。由此可知,浮體在規(guī)則波中響應(yīng)的分析是它在隨機不規(guī)則海浪中響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。水動力分析中,通常假定浮體所處的海洋是均勻、不可壓縮、無粘和無旋的理想流場。因而,流場的速度勢滿足拉普拉斯方程,并滿足流場自由表面和底部條件、浮體物面條件以及初始條件與輻射條件。數(shù)學(xué)求解浮體水動力的困難在于完全滿足上述條件非線性定解問題。為此,人們引入了一定的假定,并作了簡化,形成了水動力分析理論。運用SESAM程序系統(tǒng)中HydroD進行水動力分析。擇，輸入數(shù)據(jù)。如圖4-3、圖4-4、圖4-5所示。查靜水彎矩計算書讀取船舯水線處的吃水，再通過船舯水線處（Z軸方向）的吃水、縱傾和尾傾來定義裝載工況（Loadcondition）。并將所讀取的數(shù)值輸入。如圖4-8所示。通過SESAM建立panel模型，定義六種有外龍骨下的不同的工況和擇正確的波浪方向及頻率、水動力模型、裝載工況和海洋狀況。輸入8米寬魷釣漁船的垂線間長，通過MaximumPrint輸出信息，如圖4-10所示。界面上的窗口就會顯示出做好的模對話框，選定需要計算的工況，點擊“ExecuteWadam”，運行得出波浪載荷預(yù)報結(jié)果。如復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)的模型化技術(shù)是進行全船有限元分析的基礎(chǔ)。本章以8米寬魷釣漁船為研最終的計算結(jié)果能較準(zhǔn)確地反映出實船的重力和慣性力的真實分布，為水動力分析做了奠定，使得能夠較為準(zhǔn)確的反映出8米寬魷釣漁船在有無外龍骨下的六中自由度的長期預(yù)報。圖5-1到圖5-6為船體在不同波浪入射角作用下對不同裝載狀態(tài)的六個自由度剛體運和空載結(jié)冰抵達(dá)基地港（工況56）4.00E+03)圖5-1在不同波浪入射角情況下的垂蕩(HEAVE)4.00E+03)單(圖5-2在不同波浪入射角情況下的橫蕩(SWAY)4.00E+00)單(L圖5-3在不同波浪入射角情況下的橫搖(ROLL)4.00E+03)圖5-4在不同波浪入射角情況下的縱蕩(SURGE)4.00E-01)圖5-5在不同波浪入射角情況下的艏搖(YAW)4.50E-014.50E-014.00E-01)圖5-6在不同波浪入射角情況下的縱搖(PITCH)4.00E+03)圖5-7在不同波浪入射角情況下的垂蕩(HEAVE)4.00E+03)單(圖5-8在不同波浪入射角情況下的橫蕩(SWAY)4.00E+00)單(L圖5-9在不同波浪入射角情況下的橫搖(ROLL)4.00E+03)圖5-10在不同波浪入射角情況下的縱蕩(SURGE)4.00E-01)圖5-11在不同波浪入射角情況下的艏搖(YAW)4.50E-014.50E-014.00E-01)圖5-12在不同波浪入射角情況下的縱搖(PITCH)在LC1工況下的六個自由度比較有無外龍骨對船舶操縱搖擺性能的影響。4.00E+03有外龍骨)圖5-13在垂蕩（heave）運動下的有無外龍骨比較4.50E-014.50E-014.00E-01有外龍骨)單(p圖5-14在縱搖（pitch）運動下的有無外龍骨比較(4.00E+00有外龍骨)單圖5-15在橫搖（roll）運動下的有無外龍骨比較4.00E+03有外龍骨) 圖5-16在縱蕩（surge）運動下的有無外龍骨比較4.00E+03(有外龍骨)單4.00E-01有外龍骨y)圖5-18在艏搖（yaw）運動下的有無外龍骨比較為90°處達(dá)到最大值，之后再逐漸的減少。而縱蕩(SURGE)、縱搖(PITCH)這兩個自由度下的不同裝載工況下船體運動會隨著波浪入射角的增加在波浪入射角為90°處達(dá)到最小值，(2)無論在有無外龍骨的情況下，在垂蕩(HEAVE)、橫蕩(SWAY)、縱蕩(SURGE)、縱搖(PITCH)四種自由度下，裝載工況的不同所產(chǎn)生的運動響應(yīng)變化不大。而對于橫搖(ROLL)、艏搖（YAW）裝載工況變化了，所產(chǎn)生的運動響應(yīng)變化非常大。（3）當(dāng)在固定裝載工況（LC1）下，對于垂蕩(HEAVE)、橫蕩(SWAY)、縱蕩(SURGE)、縱搖(PITCH)四種自由度，無論有無外龍骨，其運動響應(yīng)變化均不大。（4）當(dāng)在固定裝載工況（LC1）下，對于橫搖(ROLL)、艏搖（YAW沒有外龍骨下所產(chǎn)生的運動響應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有外龍骨所產(chǎn)生的運動響應(yīng)。在SESAM程序中用POSTRESP子模塊進行波浪載荷長期預(yù)報。在建立panel模型時，對結(jié)構(gòu)時進行適當(dāng)?shù)暮喕?。本次研究的主要是船體在波浪運動中產(chǎn)生的波浪剪力和波浪彎矩對船體結(jié)構(gòu)強度的影響，因此正確計算和分析船體的波浪誘導(dǎo)載荷預(yù)報是關(guān)鍵。作為船體結(jié)構(gòu)強度的衡準(zhǔn)，需要找到船舶服務(wù)周期內(nèi)(20—25年)所受到的一次最大波載荷的長期預(yù)報來尋求，研究表明，這相當(dāng)于108超越概率水平的波浪載荷極值。壓載狀態(tài)下船體波浪誘導(dǎo)垂直波浪彎矩、垂直波浪剪力在這截面上的傳遞函數(shù)，得到了相應(yīng)本研究以8米魷釣漁船為研究對象，應(yīng)用挪威船級社(DNV)的SESAM軟件系統(tǒng)，進行了全船有限元水動力分析。在完成了建模以及波浪載荷的長期預(yù)報后，應(yīng)用設(shè)計波法確定了波來對比不同入射角情況下的波浪載荷預(yù)報。在有龍骨情況下的六個自由度不同工況運動特性表1：不同裝載工況下橫搖的運動響應(yīng)ROLL00.00E+000.00E+002.71E-038.95E-040.00E+000.00E+003.04E+002.46E+008.60E-015.91E-015.65E-016.05E+002.29E+004.90E+008.93E+003.44E+007.25E+002.58E+004.60E+009.36E+003.30E+002.27E+002.16E+005.54E+003.78E+002.59E+002.47E+005.93E+003.96E+002.72E+002.58E+005.58E+003.81E+002.63E+002.50E+004.65E+009.46E+003.35E+002.32E+002.21E+009.04E+003.48E+007.34E+002.62E+006.12E+002.31E+004.95E+003.07E+002.48E+008.73E-016.01E-015.74E-010.00E+000.00E+002.85E-030.00E+000.00E+000.00E+00表2：不同裝載工況下縱搖的運動響應(yīng)PITCHPITCH3.84E-014.07E-013.67E-013.61E-012.98E-018.42E-0304.08E-014.04E-013.90E-013.63E-013.11E-012.00E-012.22E-024.10E-014.05E-013.89E-013.58E-013.01E-018.81E-034.10E-014.05E-013.89E-013.58E-013.02E-018.64E-034.03E-013.99E-013.86E-013.60E-013.09E-012.01E-012.59E-022.02E-013.82E-024.12E-013.43E-013.04E-013.79E-013.92E-012.98E-012.79E-012.94E-013.08E-013.07E-013.07E-013.58E-013.34E-013.52E-013.63E-013.61E-013.61E-013.87E-013.62E-013.82E-013.93E-013.91E-013.92E-014.01E-013.76E-013.96E-014.08E-014.06E-014.07E-014.06E-013.80E-014.01E-014.13E-014.11E-014.11E-01表3：不同裝載工況下艏搖的運動響應(yīng)YAWYAW00.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+009.63E-027.34E-026.70E-026.58E-023.79E-013.25E-015.58E-012.57E-014.72E-017.17E-013.14E-015.97E-012.38E-018.34E-013.52E-016.87E-012.55E-018.91E-013.70E-017.31E-012.61E-018.71E-013.67E-017.18E-012.71E-012.03E-017.73E-013.36E-016.43E-012.60E-012.10E-012.02E-016.13E-012.76E-015.16E-012.18E-014.18E-013.56E-012.11E-017.96E-027.10E-026.93E-020.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+00表4：不同裝載工況下橫蕩的運動響應(yīng)5.49E-013.20E+034.68E+0303.03E+034.42E+033.21E+034.70E+033.22E+034.70E+034.48E-013.07E+034.49E+033.06E+034.48E+035.59E+035.70E+035.69E+035.96E+035.96E+035.96E+036.42E+036.56E+036.51E+036.87E+036.83E+036.84E+036.74E+036.87E+036.80E+037.21E+037.15E+037.16E+036.45E+036.54E+036.47E+036.89E+036.84E+036.85E+035.64E+035.66E+035.62E+036.01E+035.98E+035.97E+034.46E+034.44E+034.42E+034.72E+034.72E+034.71E+033.06E+033.03E+033.02E+033.22E+033.23E+033.22E+033.33E-012.63E-01表5：不同裝載工況下縱蕩的運動響應(yīng)SURGESURGE06.24E+036.15E+036.22E+036.38E+036.44E+036.43E+036.07E+035.99E+036.05E+036.21E+036.27E+036.26E+035.56E+035.49E+035.55E+035.69E+035.74E+035.73E+034.68E+034.62E+034.67E+034.79E+034.83E+034.82E+033.43E+033.39E+033.42E+033.50E+033.53E+033.53E+037.38E+018.11E+012.43E+013.41E+033.36E+033.40E+033.50E+033.54E+033.53E+034.66E+034.60E+034.65E+034.79E+034.83E+034.83E+035.54E+035.46E+035.52E+035.69E+035.74E+035.73E+036.05E+035.96E+036.03E+036.21E+036.27E+036.26E+036.22E+036.12E+036.20E+036.38E+036.44E+036.43E+03表6：不同裝載工況下垂蕩的運動響應(yīng)HEAVEHEAVE6.52E+0306.46E+036.45E+036.38E+036.59E+036.59E+036.53E+036.45E+036.51E+036.59E+036.65E+036.65E+036.72E+036.65E+036.70E+036.76E+036.83E+036.83E+037.01E+036.97E+037.00E+037.04E+037.10E+037.10E+037.38E+037.36E+037.38E+037.38E+037.43E+037.44E+037.75E+037.76E+037.76E+037.71E+037.76E+037.76E+037.97E+038.01E+037.97E+037.88E+037.91E+037.92E+037.83E+037.87E+037.84E+037.73E+037.76E+037.77E+037.46E+037.47E+037.46E+037.39E+037.44E+037.44E+037.07E+037.05E+037.07E+037.05E+037.10E+037.10E+036.76E+036.72E+036.76E+036.77E+036.83E+036.83E+036.57E+036.52E+036.56E+036.59E+036.65E+036.65E+036.50E+036.45E+036.49E+036.53E+036.59E+036.59E+03在無龍骨情況下的六個自由度不同工況運動特性表7：不同裝載工況下橫搖的運動響應(yīng)ROLLROLL0.00E+002.14E+004.26E+006.33E+008.22E+009.63E+009.71E+008.34E+006.44E+004.33E+002.17E+0000.00E+009.73E-012.00E+003.04E+003.96E+004.61E+004.86E+004.67E+004.05E+003.11E+002.04E+009.94E-010.00E+008.58E-012.53E+003.26E+003.79E+004.00E+003.83E+003.31E+002.57E+008.70E-010.00E+006.07E-012.29E+002.65E+002.79E+002.67E+002.33E+006.16E-010.00E+006.58E-012.04E+002.66E+003.09E+003.26E+003.13E+002.72E+002.09E+006.71E-010.00E+007.21E-012.25E+002.94E+003.42E+003.61E+003.47E+003.01E+002.31E+007.36E-010.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+00表8：不同裝載工況下縱搖的運動響應(yīng)PITCH04.16E-014.06E-014.13E-014.10E-014.07E-014.08E-014.11E-014.01E-014.08E-014.05E-014.02E-014.03E-013.97E-013.88E-013.95E-013.89E-013.86E-013.87E-013.68E-013.62E-013.66E-013.58E-013.55E-013.55E-013.13E-013.10E-013.13E-013.02E-012.98E-012.99E-012.01E-012.48E-028.89E-039.80E-033.04E-012.95E-013.01E-013.07E-013.06E-013.07E-013.65E-013.55E-013.62E-013.61E-013.59E-013.59E-013.95E-013.84E-013.91E-013.91E-013.89E-013.89E-014.10E-013.98E-014.06E-014.06E-014.04E-014.04E-014.15E-014.03E-014.11E-014.11E-014.08E-014.09E-01表9：不同裝載工況下艏搖的運動響應(yīng)YAW00.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+000.00E+006.64E-027.39E-026.96E-026.82E-027.83E-022.78E-014.12E-012.25E-015.33E-012.40E-012.15E-012.24E-012.83E-016.25E-012.59E-012.25E-012.44E-013.21E-016.70E-012.65E-012.28E-012.54E-013.41E-012.01E-016.53E-012.70E-012.43E-012.65E-013.48E-012.04E-015.75E-012.56E-012.40E-012.52E-013.22E-014.52E-012.13E-012.04E-012.