船舶耐波性-ch1_绪论课件

1、CH 1 绪 论Introduction to Ship Seakeeping 船舶工程学院 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 风浪作用下的船舶 摇荡运动（oscillating motion）; 摇荡运动之动态效应： 速度、加速度、晕船； 增阻（increase of resistance）与失速（speed loss）；飞溅（spray）、甲板上浪（Green Water）;

2、 首底砰击（Slamming）； 舱液晃荡（sloshing）；等。3 概述Summarizings船舶在波浪上航行时，产生直观的摇荡运动（ie. 6-DOF Motion）：沿坐标轴的线位移绕坐标轴的角位移纵荡 (surge)横荡 (sway)垂荡 (heave)横摇 (roll)纵摇 (pitch)首摇 (yaw) 线位移 角位移 船舶在波浪上的摇荡运动4 概述Summarizings 显著的纵摇与升沉 剧烈的横摇运动 剧烈的摇荡运动影响： 航行安全性、作业使用性、人员适居性、5 概述Summarizings 船舶摇荡运动衍生： 以下常见的耐波性事件（动态效应）：甲板上浪 (green w

3、ater)、淹湿（submergence)首底砰击（slam)、螺旋桨出水（propeller emergence）加速度（ acceleration ）甲板上浪首底砰击甲板淹湿6 概述Summarizings摇荡运动与耐波性事件: 对作战与作业使用性产生不利影响航母甲板起降处的垂向速度、加速度对舰载机起降不利7 概述Summarizings舰载机起飞事故8 概述Summarizings船舶耐波性： 船舶抵御风浪的综合能力；船舶总体性能之一。 摇荡运动： 影响航行安全、 增加航行阻力，影响航行速度增阻、失速； 衍生运动： 人员晕船、降低工作效率； 影响使用作业及其效率； 飞溅与冲击：损毁船体结

4、构； 甲板上浪：损毁甲板结构、舱室进水使船体倾覆； 首底砰击：损毁船体结构；影响首底声纳； 螺旋桨出水：影响航速、损害主机系统飞车；9 概述Summarizings 迎浪航行？ 首斜浪航行？ 横浪航行？ 尾斜浪航行？ 随浪航行？哪个浪向上的航行更安全？ 船舶在波浪上航行时的异常运动现象10 概述Summarizings纯稳性损失（loss of pure stability)参数共振（parametric resonance)急转横甩（broaching-to) 航海实践表明：随浪航行易于发生：large amplitude heeling in following seasbroaching

5、11 概述SummarizingsA typical example of broaching behaviour12 概述Summarizings非线性大幅横摇或横倾（ large amplitude rolling or heeling in head waves)进一步的研究表明：船舶迎浪航行也有可能发生：大开口集装箱船在迎浪中的非线性横摇依然是研究热点问题13 概述Summarizings 波浪: 为平台主体主要的诱导载荷。有两种时间尺度: 数秒量级的快速波动，产生瞬态载荷，其典型周期为5-25s。不 同频率波的叠加形成低频慢漂和高频振荡。 小时量级的缓慢变化，改变波浪的有义波高与特征

6、周期。 风: 不仅诱发波浪，对平台主体也产生影响。有两种时间尺度: 小时量级的缓慢变化，改变海面风区的统计特征; 数秒至数分钟量级的快速变化，改变风区风速，其典型周期为 1s-几分钟。 流:为平台尤其是附属的细长结构的诱导载荷。 海洋环境载荷风、浪、流 流速随时间的变化比较缓慢。流速的典型周期为小时量级。14 概述Summarizings 海洋结构物设计对运动与受力的考虑 各式海洋结构物对运动与受力的要求侧重不同： 垂荡：钻探作业平台一般要求小于4m。需运动补偿提高作业效率。 横摇：起重船、需操作加工设备的浮式平台。 纵摇：需操作加工设备的浮式平台。 风、浪、流漂移力和风、浪漂移运动： 系泊平

7、台（锚链破断）; 立管平台（立管系统挠性）; DP系统、拖曳系统（平均和缓变波漂力）。等 15 概述Summarizings船舶常规作业耐波性衡准 (NORDFORSK,1987) 项目商船军船 小快艇横摇（RMS值）6.04.04.0首柱垂向加速度（RMS值）0.275g(L100m)0.05g(L330m)0.275g0.65g桥楼垂向加速度（RMS值）0.15g0.2g0.275g砰击（概率）0.03(L100m)0.01(L330m)0.030.03上浪（概率）0.050.050.05 船舶耐波性衡准16 概述Summarizings 耐波性综合指标 任务作业率：任务作业率 =风浪中能

8、够完成作业的时间静水中能够完成作业的时间100% 年均可作业天数：基于长期海况统计下的一年内可作业天数 可使用的海情级别：正常安全作业的海清级别17 概述Summarizings 理论计算：广泛用于船舶运动及其水动力 载荷与效应的理论分析。 基本理论：势流理论、Morision模型等。 应用前提：需得到验证。 模型试验：对理论上不易解释和分析的新问题与非常规现象目前仍 主要依靠模型试验。 存在不足：粘性效应为主的试验结果换算有困难甚至不准； 深水系泊材料与边界条件的相似关系； 环境模拟有限风浪、流速。 实物试验：有必要的补充与实证测试。 船舶耐波性研究手段理论分析 & 模型试验！18 概述Su

9、mmarizings 大尺度浮体：势流理论、自由面和物面条件的线性与非线性、时域与频域面元方法（panel method） 小尺度与细长构件：粘流理论、Morison模型、细长体理论基于CFD的数值模拟、切片方法 模型试验：海洋环境（风、浪、流）的物理模拟水动力与载荷效应测试分析及其换算预报方法精细流场无接触测量与成像技术 适用的理论、方法与手段19 概述Summarizings浮体运动方程ma=F定解条件流场描述边界条件初始条件运动量描述流体作用力波浪力水动力回复力运动方程求解基准坐标系线位移角位移有效性验证理论方法船舶运动的理论解决方案20 概述Summarizings 船舶耐波性课程体系

10、船舶摇荡运动运动方程建立运动稳态解运动特性分析船舶减摇技术学习重点： 风浪的描述； 船舶摇荡运动的基本概念； 船舶单自由度横摇分析方法； 船舶横摇、纵摇和升沉运动基本特性； 船舶减摇技术一般知识21 1.2 船舶摇荡运动特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 船舶在波浪上的运动，特指围绕平衡位置所作的摇荡运动。 建立一个满足右手规则的直角坐标系oxyz，原点o位于船体质心处，oxy平面平行于静水面，ox轴指向设定的首部，oz 轴铅垂向上。则船体的摇荡运动可以分解成以下6个方向上的运动：1.船舶在波浪上的运动 纵荡(surge

11、）沿x轴的振荡运动 横荡(sway) 沿y轴的振荡运动 垂荡(heave) 沿z轴的振荡运动 横摇(roll) 绕x轴的振荡运动 纵摇(pitch) 绕y轴的振荡运动 首摇(yaw) 绕z轴的振荡运动线位移角位移22 1.2 船舶摇荡运动特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 在推进器作用下的船舶直线航行运动。 船舶的航行运动 在方向舵作用下的船舶机动与直线航行运动。 船舶的操纵运动 在风浪作用下，船舶在直线航行运动基础上叠加的振荡运动。 船舶的摇荡运动注意: 在船舶摇荡运动研究及工程领域,假设船舶无推进装置与舵,仅赋予船舶

12、恒速直航。在船舶摇荡问题中，仅计及波浪-船体相互作用力，不计推进器推力与舵力）。 关于船舶运动:23 1.2 船舶摇荡运动特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 固定坐标系 : 固定于海面某一点； 参考坐标系 : 随浮体航速u直线平移； 动坐标系 : 固联于浮体随浮体一起摇荡运动。1）坐标系：浮体运动与坐标系2.坐标系与船体运动量的描述 确定船体运动，需要用到以下三个坐标系: 24 1.2 船舶摇荡运动特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 线位移： 动系

13、原点在参考系中的位置坐标； 角位移： 动系绕参考系各坐标轴的转动角度 (以右手规则判断角度的正负）.2） 船体运动：浮体运动与坐标系 以参考系为基准，考察动系相对参考系的运动位置和姿态角度：25 1.2 船舶摇荡运动特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating MotionPitch and Heave Motion of Ship Model in Reqular Headseas26 1.2 船舶摇荡运动特征要素 Characteristic Factors of Ship Oscillating Motion 研究表明，在微幅波的作用下，

14、船舶运动为简谐运动，即表达为： 或其中： 船舶某种形式的摇荡，t时刻离开平衡位置的位移 船舶离开平衡位置的最大位移摇荡的振幅 船舶摇荡的圆频率 周期 t=0时的船舶相位初相位3.船舶摇荡运动及其要素船舶输入微幅波输出 摇荡运动要素27 1.3 船舶运动及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics1.船舶摇荡运动的基本特征 运动随机：随机不规则风浪下的船体运动表现为随机。 运动耦合：船体几何的不对称导致船体运动的耦合。 横向运动：横荡、横摇、首摇； 纵向运动：纵荡、升沉、纵摇。 2.本课程研究的基本假设 各方向下的运动是相互独立的； 波浪为微幅

15、波； 船体运动为微幅运动。 运动的耦合性也与航向有关28 1.3 船舶运动及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics3.船舶运动方程的建立 波 浪船体阻 尼 船舶在波浪上的振荡运动类似于一物体在弹簧上的强迫振荡运动： 物体质量； 由绝对位移引起的弹簧恢复力 由绝对速度引起的阻尼力于是，物体运动方程：29 船舶在波浪上运动时，波面起伏： 因水面起伏形成对船体的垂向恢复力 即，波浪扰动力： 船体在水中的相对运动，受到的阻尼力： 船体的垂向恢复力： 船体垂向非定常运动受到的惯性阻力： 1.3 船舶运动及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics 对于船舶升沉运动：于是，船体升沉运动方程： 垂荡运动30 1.3 船舶运动及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics 类似地，各方向上的船体运动方程可以表达成：纵荡：横荡：垂荡：横摇：纵摇：首摇：31 1.3 船舶运动及其受力分析 Analysis of Ship Motion and Hydrodynamics4.船体受到的流体作用力 流体静力：恢复力 流体动力： 波浪扰动力 附加质量（附加转动惯量）