1、船舶耐波性總結第一章耐波性概述一、海浪的描述、。船舶耐波性是船舶在波浪中運動特性的統稱， 它包括船舶在波浪中所產生的 各種搖蕩運動以及由這些運動引起的抨擊、飛濺、上浪、失速、螺旋槳飛車和波 浪彎矩變化等性能，直接影響船舶在風浪作用下維持正常功能的能力。二、6個自由度的搖蕩運動船舶任意時刻的運動可以分解為在 Oxyz坐標系內船舶中心G沿三個坐標軸 的直線運動及船體繞三個坐標軸的轉動。 而這些運動中又有直線運動和往復運動之分，共有12種運動形式，如下表所示坐標軸轉動直線單向運動往復運動單向運動往復運動x橫傾橫搖前進或后退縱蕩y縱傾r縱搖橫漂橫蕩z回轉首搖上浮或下沉垂蕩船舶搖蕩運動主要研究有波浪干擾

2、引起的船舶往復運動， 其中橫搖、縱搖和 垂蕩對船舶航行影響最大，是研究船舶搖蕩運動的主要內容。船舶搖蕩是指船舶 在風浪作用下產生的搖蕩運動，他們的共同特點是在平衡位置附近做周期性的震蕩作用。產生何種搖蕩運動形式取決于船首方向與風浪船舶方向之間的夾角，稱為遭遇浪向。三、動力響應船舶耐波性是船舶在風浪中性能的總的反應，它主要包括船舶搖蕩、砰擊、 上浪、失速、螺旋槳飛車。劇烈的橫搖、縱搖和垂蕩對船舶產生一系列有害的影響，甚至引起慘重后果， 主要表現在以下三個方面：1）、對適居性的影響；2）、對航行使用性的影響；3）、對安全性的影響；船舶在風浪中產生搖蕩運動時，船體本身具有角加速度和線加速度，因此屬

3、于非定常運動。第二章海浪與統計分析2- 1海浪概述風浪的三要素：風速、風時、風區長度。風浪要素定義：表觀波長、表觀波幅、表觀周期。充分發展海浪條件：應有足夠的風時和風區長度。海浪分類：風浪、涌浪、近岸浪。風浪的要素表示方法：統計分析方法。2- 2規則波的特性波面可以用簡單的函數表達的波浪稱為規則波。=a cos(kx°- t)為波面升高，a為波幅，k為波數， 為波浪圓頻率。在深水條件下，波長、周期T和波速c之間存在以下關系T=.o- 08;=1.56T2 ; C=T=125；T 一 kg ；2 k= g波浪中水質點的振蕩，并沒有使水質點向前移動，也沒用質量傳遞。但是水質點具有速度且有

4、升高，因此波浪具有能量。余弦波單位波表面積的波浪所具有 的能量E=g ：22- 3不規則波理論基礎一、不規則波的基本概念1、確定性關系和統計關系我們所討論的不規則波引起的船舶搖蕩運動等都是屬于統計規律范疇之內 的。2、不規則波疊加原理為了便于問題的討論，我們假定不規則波是由許多不同波長、不同波幅和隨 機相位的單元波疊加而成的。考慮到不規則波的隨機性，不規則波的波面升高方 程為：=An COS ( knXo- nt+ n)隨機相位n可以取0到2間的任意值 n=1二、隨機過程1、隨機過程每一個浪高儀的記錄代表一個以時間為變量的隨機過程(t)，它是許多記錄中的一個“現實”。所有浪高儀記錄的總體表征了

5、整個海區波浪隨時間的變化, 稱為“樣集” 02平穩隨機過程1) 考慮時間t=tp t=t2等處的統計特性，稱為橫截樣集的統計特性。2) 考慮隨時間變化的統計特性，稱為沿著樣集的統計特性。3、各態歷經性對于平穩隨機過程，當樣集中每一個現實求得的統計特性都是相等的，而且 樣集在任一瞬時的所有統計特性等于在足夠長時間間隔內單一現實的所有統計 特性，滿足這樣條件的平穩隨機過程稱為具有各態歷經性。三、隨機過程中的概率分布1、隨機性的數字特征1）2）3）4）5）數學期望 自相關函數 均方值 自協方差函數 方差2、幾種概率分布1）正態分布：f ( x)=exp ( x- x)片x2）瑞利分布:22x - -

6、R- f ( x)=e RR瑞利分布的參數R可由史冊中的一個現實估算得到，如果Xi,X2,Xn是由實測量得到的一組幅值，當數目n很大時，則存在關系R=1 nn i=12Xi3）泊松分布：p x=k=e(T )k=ek!四、瑞利分布的統計特性如果我們把測量的m個波幅A按大小排列,超過-最大波幅nA/n的概率為1n則有：1=exp n12A/n22A/n = ' 2ln n丄最大波幅的期望值為n1丄最大波幅的期望值僅是均方差的函數，具體計算值如下:n平均波幅(n=1)a =1.25;平均波幅(n=3)A/3 =2.00;1一平均波幅（n=10）a/io =2.55；百一平均波幅（n=100

7、）a/ioo =2.992-4譜分析的理論分析一、頻域分析和時域分析一般估計風浪和船舶運動這樣的平穩隨機過程的統計特性主要有兩種不同的途徑：一是在時間域對隨機取樣進行分析， 稱為時域分析法；另一種是通過對 隨機取樣在頻域范圍內的譜分析， 結合瑞利分布的特性，對風浪、船體運動和船 體應力等的統計特性進行預報，稱為頻域分析法。二、譜密度函數在海浪理論中譜分析的主要功能是：確定波浪運動、確定波浪對物體的響應、 模擬波浪的運動。1、譜密度函數的定義方值等于方差，所以有：s()d譜密度函數是從頻率域角度描寫隨機過程，相關函數則從時間域角度描寫隨機過程，兩者之間存在傅里葉變換關系。Rx( )= S( )e

8、j d根據單邊譜密度的定義，維納一一辛欽公式成為：2Sx( ) = - 0 Rx( )cos dRx( )=0 Sx( )cos d從能量角度來定義譜密度Sx()，則譜密度Sx()可以寫成:2Ai)=譜密度曲線下的面積是單位波面積內波浪總能量的量度，當然是衡量海況嚴重程度的主要因素。2、譜密度函數的數字特征1) n階譜距：n階譜距定義為mn=0 nS/ ) dn=0，,2,當 n=0 時，有 m0= ° Sx( ) d當 n=2 時，有 m2= S( ) d0當 n=4 時，有 m4= 0 Sx( ) d2)譜寬參數&，它表征譜密度的分布范圍般情況下，&介于0和1之間

9、。如果 代表符合瑞利分布的風浪標準差,則考慮譜寬影響的風浪標準差為三一波幅為:A/3 =2.0當 0.4時，可以不考慮譜寬的影響，而直接應用瑞利分布的理論結果2- 5風浪的譜密度公式1、P-M譜 s( )=exp(-耳)2、ITTC譜單參數譜：S( ) = 2 exp (- M12 4)W/3雙參數譜s()=2173 w/3exp (691 )44丿 T13、JONSWAF譜由風速和風程表示的譜公式：2S ()= exp1.254expp(2(由波高和波浪周期表示的譜公式：2S ()=319.344w/3_T p1948(Tpexp嚴3(0.1592Tp 1) 2 24、方向譜：S ( ，)=

10、S (2-6線性系統的響應關系一、線性系統與線性變換二、頻率響應法與脈沖響應法三、頻率響應函數與頻率轉換 橫搖的頻率響應函數：Y船上的遭遇周期：Te =C-V cos2-7風級和浪級風速的大小從0到12分成13級的蒲福風級；風級與風速的關系U=1.63 F3,一般習慣把海況從0到9分為10級。第三章船舶橫搖目前，要當運動的研究大致從以下兩個方面著手(1) 線性理論鍛定船怕是時聞恒定89線性系統點播運動可以用常親載的線性徹分方程表示屆比帝用 中構總用推的主宴間題是確定橫揺頻宰腌應酉數(2) 非線性理論當fit播角比較大時點征橫播運助的徵分方程的系裁不再是制乩酣舶不能再看曲是時間 恒定的線性系覽,

11、上述的疊加累理不再適用必頻采用另外的處理方崔3- 1由現行理論確定橫搖頻率響應函數一、船舶在波浪上的運動特點1、表觀重力質點A所受的合力R其方向垂直于波面，合力沿著波面的法線方向，此 合力R稱為表觀重力。波面上任何位置的質點的表觀重力沿著波面的法向方 向。2、有效波傾m=K os in t= m°si n t3、相對橫搖角和絕對橫搖角=r +二、橫搖的受力分析1、基于單純橫搖方程的受力假定1) 、遭遇浪向角B =90°,即波峰線平行于船體中線面；2) 、船寬遠小于波長；3) 、橫搖角較小，等體積傾斜，初穩性公式仍適用；4) 、入射波流場不受船體存在的影響2、橫搖中所受力矩1

12、) 、復原力矩：M( )=-Dh2) 、阻尼力矩有如下形式：摩擦阻尼：由水的粘性摩擦產生，與角速度的平方成比例。所占比重較小，可以忽略。興波阻尼：船體運動形成水平面波浪，消耗本身能量而產生，與角速度的 一次方成比例。旋渦阻尼：船體彎曲部分附近形成旋渦，損失部分能量而產生，與角速度 平方成比例。橫搖阻尼是角速度的函數，一般表示為M ( )=-2N '-W | I'大角度橫搖M ( )=-W | | ；小角度橫搖M ( )=-2N '3) 、慣性力矩M ()=- ( I xx +J xx )=-I4) 、波浪擾動力矩、橫搖微分方程解及頻率響應函數橫搖取終方程：0+2+ 皿0

13、 二 wjsinw/定義放大因數：橫搖幅值與有效波傾之比。即:敬大因敬與橫播荻率響應函數之間有看巒切的艾系根據武（2-9門有由上茨看出放犬因數的變代規律就代表了頻率響應函散的變牝規律,對放大因素的討論:< 1 > 當.“=（£）=（比）時：物理解釋：波浪很長初穩性高很大.橫揺因 右周期很小*橫揺角等于波血角3< 2K o 0 世白 a. A 1 8 0 Q四、橫搖的諧搖狀態及臨界狀態諧搖：波浪周期TB等于船橫搖固有周期TB稱為諧搖.諧搖區：從放大因數曲線知， 不僅在諧搖（人9 =1），放大因數很大，而且 在A 9 =1附近的一定范圍內也是相當大 的，通常稱0.7VA

14、 9V 1.3的范圍為 諧搖區船舶在不規則波中的橫搖，根據疊加原理，相當于遭受一系列波長的單元規 則波的作用，因此與單一規則波的作用有很大區別， 規則波中的諧搖和諧搖區的 概念在這里就不再適了 譜密度曲線的劃分©主哎分論 飆曲密精于聶大能1單元液淞蒯8D%酗的單元液為主敲 我佗大黠當于臟讎30爲與跖復船斬賁朋離健壬要作此<m 訛 哉大有文耕與zb區砒單元篩埔文站也 mm 單殲對sm不產生腔繃軌亞臨界區域”當船sn諧雇波長小于2倍船寬時 船舶不會發生很大旳橫厠，稱為亞臨捍區城中它相當于周 期很小的船住大処浪中 的悄況，對于一般的8&舶是很雄做 鋤這一點的如圖3-12所示*

15、1畀區域“當橫搖的諧摑ffitKi位于主威分波區問 之內時這時船舶產生最嚴直的橫？8*稱溝臨界區域* A© mu.當翹讎離大和烯熾也時鳥戕訓當軟禮林躺縮 區九-翹歸鰥就于翳躺駆或中抄瞬辭脫緬鯛su戢廿柩 隸朋聘辭性翔施姬3唄麻3 2由模型試驗確定橫搖頻率響應函數一、橫搖模型試驗的相似關系1、幾何相似2、運動相似3、動力相似3 3 橫搖水動力系數的確定一、橫搖慣性矩1、慣性半徑法l = -<K）aJT2、加藤公式（辛）"心皿（7）俘卜闇3、杜愛爾公式匚卷® +毎）4、附加慣性矩二、橫搖固有周期計算1、船舶在靜水中的有阻尼橫搖 *0 + 2皿+國申C固有周期:代

16、入杜愛爾公式可得:結論：1）、提高初穩性高可提高固有周期，從而提高舒適性2）、兩艘相近的船舶，橫搖角近似與固有周期的平方成反比:61晳丁皿、工01= E和三、橫搖阻尼系數圈3-15橫嘉1E臧曲或圖3-1S橫揺消滅曲找阻尼是影響橫搖的重要因素，準確的計算阻尼力矩系數是估算橫搖的重要前 提，但是由于橫搖時候船體附近流場的復雜性及水粘性的影響，阻尼的理論計算是相當困難的。目前可靠的方法是模型試驗，工程上常采用經驗公式計算。3 4非線性橫搖橫搖角的確定：= 37.50 0?216 + Zg/iC1:波浪對橫搖的影響C2:船型和舭龍骨相對尺度對阻尼的影響C3: B/d對阻尼的影響規范查下圖得C1:35橫搖減搖裝置1、舭龍骨2、減搖鰭3、減搖水艙第四章 船舶縱搖和垂蕩4 1船舶在波浪中的一般運動方程式基本假定1、假定船舶是一剛體，忽略彈性變形2、不考慮水的粘性和可壓縮性3、假定作用在船體上的是微幅規則波4、假定船舶搖蕩的幅值是微小的，可做線性問題處理，即可疊加4 2縱搖和垂蕩的耦合運動計算受力分析1、流體靜力2、興波阻力3、附加慣性力4 3縱搖和垂蕩運動的工程分析一、固有周期計算2縱搖固有周期：T 2.8,Cvpd垂蕩固有周期：VPd結論：縱搖與垂蕩的固有周期是相近的 二、不規則波頂浪航行時縱向區域劃分:1、亞臨界區域2、臨界區域3、超臨界區域