规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动模拟与特性分析

采用MMG分离模型的思路,在船舶六自由度操纵性运动方程中叠加波浪垂荡力和纵摇力矩,构成波浪中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合动力学模型,用来模拟规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动特性。其中的波浪力由切片法计算,船舶航向保持采用PD控制模式。采用耦合动力学模型计算了某船在规则波中保持航向时的垂荡、纵摇运动,并与试验结果进行了比较。两者的幅频曲线形式上基本一致,间接证明了耦合动力学模型的有效性。进而采用该模型计算了该船在不同浪向角和航速下保持航向稳定的垂荡、纵摇运动,以垂荡、纵摇等值极坐标曲线形式表征了船舶规则波浪中操纵与垂荡、纵摇的耦合运动特性。     

船舶横摇与纵摇运动的非线性耦合方程

以欧拉角描述船舶的摇摆运动,考虑规则波浪力及船舶受定常力矩的情形,将水动力展为Ｔａｙｌｏｒ级数,利用欧拉动力学方程推导出船舶横摇与纵摇二自由度耦合的非线性运动方程,为船舶内共振运动响应动力行为分析奠定基础。     

开敞水域半潜船初稳性高度限值的确定

利用横摇与垂荡两个自由度的船舶运动方程模拟半潜船在船长等于波长、遭遇频率为2倍横摇频率情形下的非线性横摇情况.研究发现,零航速的半潜船在理论上也能发生参数横摇.针对这一发现,基于参数横摇第一层薄弱衡准要求,提出开敞水域半潜船初稳性高度限值的判别式,并进行案例计算.结果表明,该判别式简便合理.     

有浪条件下舰载机弹射起飞建模研究

有浪条件下,航空母舰的摇摆会影响舰载机的安全起飞.对有浪条件下舰载机弹射起飞过程受力、运动情况进行了分析.采用柔性起落架来实现航空母舰与舰载机之间的干涉,建立了模块化的仿真系统并研究了中等海况下航空母舰的摇摆对舰载机弹射起飞的影响.仿真结果表明,中等海况下纵摇是导致下沉的主要因素,最大下沉量可达15 m;横摇导致最大下沉约0.2m;垂荡导致最大下沉约1m;横摇会导致明显的横侧向运动;纵摇、横摇、垂荡均会导致起落架最大载荷显著增大.     

基于小波理论的舰船非线性横摇运动特性分析

探索采用小波分析方法研究船舶在波浪中非线性摇摆运动的动力学特性．对在几种不同的典型波浪参数情况下，得到的船舶在波浪中非线性摇摆的响应，进行小波变换．利用小波变换所特有的时频窗，可以同时在时域和频域中研究船舶横摇响应的模图和相图．通过分析所得模图和相图的典型特征，得到舰船非线性横摇幅值和频率等动力学特性．且小波变换适应不同频率的窗口特性具有更好的分辨率，可以获得更多的横摇运动响应特性信息．研究表明，小波分析在非线性横摇运动动力学特性分析的研究中是可行的，可以加强对船舶横摇非线性复杂动力学特性的分析能力．     

传统Spar平台垂荡-纵摇耦合内共振响应

本文中研究规则波浪下经典Spar平台垂荡-纵摇耦合运动内共振动力特性．考虑垂荡频率与纵摇频率的2：1的内共振关系,在无系泊状态下建立了平台非线性耦合运动微分方程．应用MOSES软件建立了平台模型,计算了不同波浪周期下的一阶波浪激励力．采用多尺度方法求解垂荡-纵摇耦合运动响应的定常解并进行数值验证．计算结果表明,当波浪频率接近垂荡固有频率且波高达到某一极限时,平台垂荡运动的能量达到饱和;当波高继续增加时,垂荡能量开始向纵摇运动转移,导致平台发生大幅纵摇运动．     

应用路径积分法求解船舶横摇倾覆概率

通过对船舶非线性横摇运动进行分析,建立了船舶横摇运动的非线性微分方程.以路径积分法(PIS)为基础,在时间域内求解相应的二维Fokker-Planck方程,得到随时间演变的船舶横摇运动的转移概率密度.运用首次通过理论,求得船舶倾覆前时间的概率分布.研究了外部激励、横摇阻尼和非线性复原力矩对船舶横摇运动转移概率密度与首次通过时间的影响.研究结果表明,PIS能用于预测船舶首次通过时间概率分布,从而为船舶设计和稳性衡准提供相关的参考.
     

基于MLP方法的船舶大幅横摇近似解析解

具有一定精度的近似解析解可以将船舶横摇运动特征直接与船体参数相联系,便于分析船体参数对横摇运动及稳定性的影响.文中考虑阻尼力矩和恢复力矩的非线性建立了船舶在规则波中的横摇运动方程;为了克服弱非线性的局限性,采用改进的Lindstedt-Poincare(MLP)方法对横摇运动方程进行摄动求解,经细致推导得到精确至二阶的解析解(静水中)和精确至一阶的解析解(波浪中).最后对一目标船分别采用MLP和数值算法进行求解,验证了近似解析解的正确性.     

锚泊运动数学模型

为进一步研究锚泊安全问题，即走锚和搁浅，运用流体力学和船舶运动学理论，在锚泊船平面运动方程基础上，建立了5个自由度的锚泊运动数学模型，该锚泊运动数学模型包括纵荡、横荡、垂荡、首摇、纵摇运动，并且考虑了各运动之间的耦合关系，该数学模型突破了以往锚泊运动数学模型的局限性，使该锚泊运动数学模型更趋完善．     

浮式液化天然气系统液体装载船体的耦合响应

开发了一套分析浮式液化天然气(FLNG)系统中船体运动与液舱晃荡耦合响应的数值模拟程序.该程序基于频域势流理论获得船体的频域水动力系数,并根据脉冲响应理论(IRF)实现船体运动的时域计算;基于势流理论采用边界元法进行液舱晃荡的时域预报;通过迭代计算实现运动与晃荡响应的耦合预报.开展模型试验研究固体、液体装载船体在波浪中的运动响应.结合数值计算结果和试验结果研究晃荡和船体运动的耦合机理,讨论了不同液舱布置形式下的耦合响应变化.结果表明:液舱晃荡会显著改变船体的横荡、横摇运动响应,对垂荡运动影响较小;改变液舱宽度可以减小横摇运动引起的晃荡幅值,而横荡激励的晃荡响应主要与晃荡固有频率有关;液舱垂向位置变化仅改变与横摇模态的耦合响应,与横荡运动的耦合作用不变.     

非线性动态轧制过程下冷轧机参激振动特性

同时考虑轧制过程中非线性动态轧制力和辊面振纹导致的非线性参激刚度的影响,建立了非线性动态轧制过程下冷轧机参激振动动力学方程.应用多尺度法求解了轧机发生1/2亚谐共振时的幅频特性方程,得到了阻尼、参激刚度对系统亚谐共振的影响规律,并运用奇异性理论讨论了轧机在非自治情况下分岔特性.最后通过采用轧机实际参数进行数值仿真,得到系统各参数对幅频特性以及分岔和混沌特性的影响规律,发现系统参激刚度的变化会使轧机出现了周期运动和混沌等多种不同的运动形态,为进一步抑制轧机振动提供了理论参考.     

双船联合举升多体协同作业系统横摇稳性评估

基于ADAMS平台,构建特定场景双船联合举升多体协同作业系统虚拟样机,对新型一体化拆解作业双船联合举升过程中待拆除组块横摇稳性进行预测与评估。构建了该系统拓扑模型,使用几何参数描述系统中上部组块横摇运动特征;通过虚拟样机仿真探究了双船不同耦合运动情况时上部组块最危险失稳状态,并分析了上部组块重心至连接点连线垂直距离与水平距离比值对横摇角度的影响规律。结果表明:物理模型试验数据驱动的虚拟样机技术可以有效评估该系统运动特征,与几何拓扑模型得到的上部组块横摇失稳角度理论公式计算结果吻合;双船同相位横摇与反相位垂荡耦合运动时对上部组块横摇稳性影响最大;待拆除上部组块横摇失稳时的极限纵横比可以作为复杂多体系统横摇稳性评估参数,为实际工程方案选择提供参考。     

波浪中载液船舶运动的时域模拟

基于势流理论,采用切片法和脉冲响应函数方法实现船体时域运动,同时采用黏性流理论模拟计算舱内液体的非线性晃荡,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程. 该方法考虑了波浪、船体、液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和黏性流理论,具有较高的计算效率. 研究结果表明：通过数值模拟计算和模型实验,数值模拟计算能够清晰显现液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动响应曲线与模型实验结果吻合良好.     

船舶参数激励横摇运动研究综述

为避免参数激励导致船舶出现不稳定横摇,提出有效抑制参数横摇的方法.分析参数激励引起的大幅横摇运动的动力特性,从船舶非线性耦合运动、横浪运动、纵浪上参数激励运动和波浪上参数与波浪联合激励运动方面,对目前研究现状及取得的主要成果进行综述,对船舶参数激励横摇运动及其倾覆机理的研究前景进行展望.     

STF切片理论的实用数值计算方法改进

根据STF切片理论,建立船舶在斜浪规则波下直航运动的五个自由度耦合方程,并考虑航速及球鼻艏对水动力系数的影响加以修正.此外,针对原计算公式中横摇阻尼系数项不考虑流体黏性的问题,引入Ikeda半经验公式对该项进行非线性修正,采用辛普森积分法和四阶龙格-库塔微分法分别对船舶水动力系数和各自由度随时间历程的变化进行数值计算.以Wigley系列船型和某教学实习船为例,将水动力系数、波浪扰动力及力矩和各自由度运动幅值与相关试验值、其他文献结果以及商业软件数值仿真结果对比.结果表明,经过非线性修正后,横摇运动响应结果与商业软件数值仿真结果更加逼近,其他自由度的运动响应结果与对应的试验值和其他文献结果也都较为吻合,证明了本文计算方法的可行性,且具有一定的实用价值.     

船舶横摇非线性阻尼系数识别

根据自由横摇曲线估算船舶横摇非线性阻尼系数,用于预报船舶海浪中的运动．提出了能量衰减函数的概念,并由实际能量衰减函数与估算能量衰减函数之间的方差最小来确定非线性阻尼系数．由船模的自由横摇试验曲线,分别估算了平方阻尼模型及立方阻尼模型的非线性阻尼系数,并与试验数据进行了比较.结果表明,在考虑了试验测量误差的情况之下,计算结果同试验结果很接近,可用于预报实船非线性横摇运动．该方法不需要事先确定阻尼的准确形式,并且可以满足大角度横摇回复力矩强非线性的要求．     

滚装重荷载应急卸载过程的浮基多体系统动力学分析

在救灾和战争等非常情况下，利用中小型近海滚装渡轮或改装后的渔轮渡海输送重荷载，具有可征用船只的数量多和装卸载不依赖吊装设备等优点。在缺乏港口屏蔽的海浪环境中，重荷载进行滚动卸载，必须考虑波浪对船的作用和重荷载与船的相互作用。通过对船在波浪中所受表观重力和表观浮力的分析，导出波浪作用力矩的计算公式。运用浮基多体系统动力学方法，建立波浪－浮基－重荷载系统的动力学方程。使用标准的龙格－库塔四阶方法进行数值积分求解。考虑海况、船型和重荷载在船上运动参数等因素，计算了各工况下的横摇运动响应。进而给出了重荷载安全快速卸载的驾驶操作要求及相关运动规律。     

基于小波变换理论的船舶横摇运动分析与预测

为获得横摇运动在不同时间尺度下的演变规律,提出基于小波变换(WT)理论进行船舶横摇运动非线性时间序列分析与预测的方法.通过小波变换对横摇运动时间序列进行多分辨率分析(MRA),将原序列分解为多个相对简单的准周期信号,对信号的趋势项、周期项和随机项进行分离,并采用人工神经网络(ANN)模型对上述准周期信号进行预报和集成.仿真结果表明:该方法有效提高了预报长度,并可获得较高建模及预报精度.     

基于能量耦合的船舶起重机消摆控制

为了解决船舶起重机在外部海浪干扰下负载摆动幅度大、小车定位精度不高、抗干扰能力差的问题,通过非线性能量耦合方法,应用欧拉-拉格朗日方程对带有船舶横摇以及船低沉降的船舶起重机进行动力学建模,然后构造了一种复合型误差信号来增强小车运动特性以及船舶载荷摆动的耦合关系并将动力学模型转化.在此基础上设计控制器,并进行了基于李雅普诺夫(Lyapunov)方法的稳定性证明和仿真模拟实验.验证了该方法在复杂情况下的可行性,实现船舶起重器系统在平衡点的渐进稳定性.可见所提的控制方法具有良好的控制性能、适应性和鲁棒性.对于运输过程中摆角抑制、系统定位和效率提高具有良好的效果.