非线性波浪载荷的频域预报方法

非线性波浪载荷的频域预报方法

在对船舶的早期非线性运动和波浪负荷的研究中，只考虑了波浪源对船体的诱导干扰力（froud-krylov效应），而不考虑船体的存在和运动场对海洋的影响。随后人们开始致力于船舶摇荡流体动力理论的建立,试图通过速度势线性边值问题的建立和求解,把船舶的存在和运动对入射波流场的流体动力影响考虑进去,从而更加合理地描述船舶运动。这一时期贡献最大的当属Haskind,他提出在线性理论范围内将流场中的扰动速度势分解成绕射速度势和辐射速度势,两者的线性迭加即为流场中总的扰动势。直到目前这仍然是处理摇荡问题中线性扰动势的经典方法。早期的这些工作基本上是纯理论研究,无论是窄船假定或圆柱体,都与实际船舶的形状相去甚远,故无法将之运用于实际工程中。对无航速船舶的流体动力和运动研究相对较多,如FaltinsenandMichelsen、ChangandPien、Garrison、刘应中和缪国平等对分布奇点法的研究。另外人们更多的是利用时域来研究有航速问题。Newman、黄德波等对时域Green函数德计算方法作了深入研究,使得三维时域问题德数值计算成为可能。20世纪五十年代,船舶耐波性的研究取得了两个突破性进展:一是频谱分析方法的引入;二是切片理论(StripTheory)在船舶摇荡问题中的应用。由于切片理论的实用性,以及与实验结果的吻合程度,为工程实际问题的研究和解决提供了现实的手段,故该理论得到了广泛的应用。以上述理论为基础,对自由面非线性因素德研究也取得了进展。Kim、KringandSclavounos将二阶自由面效应加以考虑;Huang在考虑静水恢复力和Froude-Krylov力及物面非线性德基础上,引入了WeakScatterer假设,将自由面非线性德贡献也考虑了进去,其中包括碎波和砰击等强非线性效应。随着高速电子计算机的出现和迅猛发展,更精确的船舶运动理论也迅速发展起来。逐渐由二维理论发展到三维理论、由频域发展到时域、由线性假设发展到非线性处理。但实际海浪中船舶运动有复杂的非线性现象,特别是恶劣海况下船舶运动幅度较大,由于底部砰击、外部砰击和甲板上浪等因素的影响,导致船舶运动、特别是波浪载荷呈现明显的非线性。基于以上因素,本文拟采用三维时域方法对大幅波浪中船舶的非线性运动和波浪载荷响应进行研究,为实船非线性运动和波浪载荷预报进行探索。1数学建模1.1x轴指向船首取随船前进的右手直角坐标系oxyz。z轴通过船的重心,垂直向上,原点在静水面上,x轴指向船首。用ηk(k=1,2,,6)表示船舶离开平衡位置的位移,即6自由度运动。如图1:1.2非线性船体力的影响1.2.1立即准备的食物1.2.2静水恢复1.2.3船舶运动与波浪载荷幅值的短期响应不规则波的波面升高ζ作为一个均值为零的平稳随机过程,它的一个“现实”可以由一组各自幅值、频率和随机相位的规则子波相迭加而得到。即:式中,ζi、ζai、ωi、k0i分别是第i子波的波面升高、波幅、遭遇频率和波数,εi是在[0,2π]均匀分布的随即相位。船舶运动与波浪载荷幅值的短期响应服从Rayleigh分布。该分布可由响应谱Sy(ω)得到,即1.2.4远程攻击模型采用动量砰击理论计算砰击力fp其中,1.3非线性海洋运动方程质量矩阵:附加质量:阻尼系数:恢复力系数:则垂荡和纵摇耦合运动方程:横荡、横摇和首摇耦合运动方程为:1.4方程色散本文有限元分析模块采用有限体积法进行方程的离散,结果如下2真系统模型根据上述理论模型分析,所建立的船舶运动与波浪载荷仿真系统模型框图如图2所示。系统主要包括三个模块:基础模块:主要用以计算时域船舶运动、波浪载荷和船体压力分布;第二模块用以砰击计算;第三模块进行有限元分析。3模型验证结果针对建立的数学模型,采用依据特征船舶建立的缩尺船模对系统模型进行了验证,船模试验平台参见图3,模拟界面参见图4。验证结果如图5:从图5模型验证结果可以看出,船舶升沉运动、横摇运动以及垂向弯矩的试验结果与数值模拟结果除初始阶段有一定的偏差外,在历时1.5s后,所建立的数学模型与缩尺船模试验结果在以上三个方面都有很高的吻合度,证明了所开发的非线性运动和波浪载荷预报系统模型的可行性与正确性,系统预报精度符合工程预报要求。4船舶波浪响应仿真环境采用以上建立的数学模型,针对真实环境下的船舶大幅波浪响应运动和载荷响应进行了仿真。仿真环境:船速10节。船舶运动响应和载荷时历曲线见图6、图7。5缩尺船模对比实验本文通过三维、时域方法对波浪中船舶非线性运