船舶随浪稳性与航行安全性研究（可编辑）.doc

船舶随浪稳性与航行安全性研究 驯缎煳 分类号:密级:??:编号:工学硕士学位论文船舶随浪稳性与航行安全性研究邱敏芝硕士研究生::指导教师 李积德教授:学位级别 工学硕士学科、专业: 船舶与海洋结构物设计制造:船舶工程学院所在单位年月论文提交日期:年月论文答辩日期:学位授予单位: 哈尔滨工程大学哈尔滨秤大学硕学能论文摘 要船舶在随浪上航行时,极易遭遇航向失控、大幅横倾甚至倾覆等航行安全性事故,丽稳性的损失是船舶随浪航行发生航行事故的主要原因之一本文对船舶随浪稳性及航行安全性进行了研究,试图探讨并寻求合理可行的船舶随浪稳性预报方法和航行安全性评估方法作者参照船舶操纵性六自由度运动方程,建立了船舶在随浪上的摇荡运动方程,其中计及了惯性力、阻尼力、流体静力和波浪主干扰力力在此基础上,在定义的坐标系下分别相继解算船舶隧浪运动姿态、给定波面上的船一波相对位置和船体波形水线、任意倾浮姿态下的船体浮心和浮力作耀线,继面根据重力佟耀线和浮力你用线获得船舶的恢复力臂以静水和随浪上的船舶恢复力臂的差异变化,考察分析船舶的随浪稳性特征作者就某算例船在规则随浪上的稳性及其损失进行了计算研究,考虑分析了算例船在若干典型波长、波高和浪向下的随浪稳性及其基本变化规律。

为充分认识船舶随浪航行安全性的影响因素,作者在船模试验水池中分别进行了船蒡鑫随浪航行波浪力船体转首力矩、随浪船舶舵时水动力和船舶随浪自航等船模试验研究,分析了船舶随浪航行运动的基本特点和影响随浪航行安全性的有关客观因素在随浪稳性和船模随浪试验研究的基础上,作者根据影响船舶随浪航行安全性的各类具有不同层次和关联关系的因素,采用模糊综合评估法对本文算例船进行了随浪航行安全性评估,得到了一些对船舶设计、研究和使用具有参考意义的结论关键词:船舷;隧浪稳性;航行安全性;模型试验;模糊综合评彳吉哈尔滨丁程火学硕学位论文??? ● 、,. ..锣,’,、 、?、.’、’. .,.、, ,,’ ,’. ;;螂;洲如嬲致是确;哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担作者签字:叠丝堇日期:: 年月日哈尔滨程大学硕十学位论文 ;;第.章 绪论。

本文的目的和意义海上航行安全性是船舶毳珏究、设计、建造和使用人员共同关注的一个重要问题基于航行安全性经验,人们驾船航海首选的航向通常是迎浪航行,但当目标航向与浪向不一致时,或者需要作机动航行及特殊航行作业时,也常常遭遇旁浪、尾斜浪及随浪上的航行工况,这样的航行工况具有危及船舶安全的风险船舶在随浪含尾斜浪上航行时,当巧遇船舶及其航速、航蠢和风浪环境等因素的某种缀合时,船舶极易发生航向失控、急速横甩、大幅横倾甚至倾覆的极端险情,危及船舶的航行安全性年,一艘尾机型罂千吨级远洋货轮从湛江载运吨散装滑石去虽本翊崎,该船东出大隅海峡遭遇到尾斜浪,发生大幅左倾,横卧海面后不久沉没于海底蹿】这样的海难事故在国内外的航海历史上层出不穷,年年均有不幸的记载已有的研究表明,船舶在尾斜浪及随浪上发生航行失控和倾覆是一个极为复杂的力学现象,目前对此现象的解释有多种观点,如纯稳性损失、波浪转首力矩大于舵控力矩、舵效降低、参数激振等强,僵至今尚未有有效可行的研究方法和彻底明晰的研究结论基于这样的研究背景和工程实际需求,本文试图开展船舶随浪稳性与航行安全性的研究,探讨并寻求合理霹行的船舶随浪稳性预报方法和航行安全性评估方法,无疑是具有理论和工程意义的。

船舶随浪靛行时的稳性损失和靛向失控,与航行海域的风浪环境浪高、特征周期和船舶的航行工况航向、航速等客观因素有关,各类船舶均有可能遭遇如此险情就我囡自勃海至南海的近海海域及其周边海域而言,全年统计下的平均特征波长为,,而且我国近海受明显的季风影响,海面常呈现西北一东南与东北一西南的斜浪,在这样的海域内南北向或东西向航行,从船长几十米到酉来米的各类型船熊,帮从中小吨位的渔船到数于吨级的货船,在四、五级海况下即有可能遭遇随浪稳性损失与运动失稳而导致可能的倾覆危险近年,大开嗣集装箱船、滚装船以及中小尺度的高速边防艇、海关船、缉私艇不断涌现,随浪上遭遇稳性损失或大幅横倾对于大开口集装箱船和滚装船的航行安全是极为不利的;离速边防艇等中小型船舶在随哈尔滨稃人学硕十学位论文浪上高速航行更易遭遇上述不测险情而远海直至更为开阔的大洋洋面,恶劣天气下的风浪尺度则更加显著,大型船舶随浪航行时也有可能遭遇随浪险情目前,技术上审定船舶航行安全的有关法规主要集中体现于船舶稳性,而稳性规范的审核内容仍然以静水中的稳性为主所以,对随浪稳性的研究,有着显而易见的研究和需求对象船舶在随浪上的稳性与静水中的稳性有着本质区别,随浪上的船舶稳性除与船舶及其操控和风浪等外在客观因素有关外,还与船舶航行动力学有着内在的本质关系。

已有的研究表明:船舶在低频随浪上航行时,波面影响导致船体水线面的变化,波面下的船体排水体积、水线面面积及其绕纵轴的转动惯性矩较静水中的明显减小,可能明显地降低了船舶的横稳性船体固有的静力稳定平衡关系受到随浪扰动的干扰影响,船体恢复力表现出动态的时变性,使船体趋于中性平衡甚至不稳定平衡,此时,当再次受到波浪力或船体恢复力的时变激励,船体将适时地发生横倾,并进一步受到衍生出的惯性力和非线性阻尼力“推波助澜”式的影响,则进一步加剧横倾或横摇,甚至导致倾覆因此,静水中的稳性问题在理论上是一个简单的静力学问题,而随浪稳性则是一个复杂的动力学问题至今,专业学术界对船舶随浪航行产生的种种不能被人为预测和控制的非常态现象,给予了不同的机理解释和解析分析在此背景下开展随浪问题研究,探讨船舶随浪失稳的力学机理,寻求合理有效的船舶随浪稳性预报的解决方案,有着重要的理论及其学术意义国内外研究现状与发展综述人们对船舶随浪稳性损失以及航向失控、大幅横倾和倾覆的关注,首先是从众多海难事故中引起的早在十九世纪中叶,人们在对许多船舶翻沉事故的记录进行分析后认识到,随浪或尾斜浪上航行的船舶在受到不大的风的作用下发生了倾覆,尤其对于尺度对于的小船更是如此。

由此人们开始认识和研究随浪上船舶的稳性问题上世纪的年代,等人通过调查观察和分析研究,指出了船舶在随浪或尾斜浪中航行时的船舶稳性降低的一些直观因素:波峰处于船舯附近时稳性会降低,而波谷处于船舯时则稳性有所提高哈尔溟程大学硕士学位论文年,美国加利福尼亚大学位壳利分校的教授利用集装箱船和货船模型,在旧金山湾进行了随浪、尾斜浪和横浪的试验畸呻,并根据试验研究提怠了随浪中船舶倾覆的三种模式:王纯稳性损失,在随浪航行时,若船速接近波速,船长接近波长,波峰位于船舯附近,则船舶稳性将大大降低;低频共振参数共振,当摇荡的遭遇频率近似等于横摇圈有频率倍时,横摇将以固有频率而非遭遇频率摇荡,而且摇荡幅值远大于以遭遇频率作线性横摇的幅值;急转横甩,在随浪和尾斜浪中航行的船舶突然失去航向稳定性,发生急转,舵效下降,使船舶处于横浪位置,横摇突然变大而使船舶倾覆鸯二次大战结束起,北大嚣洋特别是北海及附近海域、波罗的海东部海域、北美加拿大的巴芬弯、戴维斯海峡和美国东北部海域接连报道了中小型渔船及护渔与护航船舶频繁遭遇随浪倾覆的事故;上个世纪的八十年代初,日本集装箱船尾斜浪倾覆、波兰一护卫舰随浪航向失控发生编队船舶闻严重碰撞等一系列事故,引发了更多的研究人员对随浪稳性等阀题的科学调查与理论研究≯。

目前公开的详细技术报道和研究论文主要集中于集装箱船、渔船等,对此问题做深度研究并取得显著成果的国家主要有日本、波兰、英隧、美国等取得的比较一致的研究见解主要有以下几点口:船舶低频随浪航行,波面影响导致了船体水线面的变化,故任何的随浪航行均发生横稳性损失这类闷题称为纯稳性损失船舶随浪航行,在一定的条件下,船舶可能因受参数共振而产生很大幅度的横摇,甚至导致倾覆,这类问题为参数共振船舶随浪航行,可能受稳性损失、参数激励 和强迫激励 作用,以及随浪上船盾舵效损失的影响,导致船舶航向的不稳定,在连续单方向的波浪力作用下,导致船体打横,容易出现船舶翻沉事故这类溺题称为急转横甩~霉前,基子理论和模型试验的厘内外同类研究工作主要集中于上述几今核心问题,其研究工作信息与研究成果除了零散发表于各个专业学术刊物以外,更能集中发表在每届国际船舶与海洋运载器稳性会议论文集上国际船哈尔滨程大学硕十学位论文一舶与海洋运载器稳性会议’,由国际海事组织主办,自年在英国格拉斯哥,举办首届会议起,至年在巴西里约,举办第九届会议止共举办了九届国际稳性会热内卢议,有关船舶随浪问题以及围绕稳性的航行安全性问题是会议讨论的主要问题之。

与静水中航行的船舶水线相比,随浪上航行的船舶其舷侧水线纵向呈现波状,水线以下的船体排水体积、水线面面积及其绕纵轴的转动惯性矩较静水中的明显减小,船舶的横稳性受到了损失基于上述直观的观察与考虑,上个世纪的六、七十年代,人们即以浮力与重力相等地将船舶“静止地放置于波面上,计算船舶的随浪稳性年,. .田基于这样的认识,不考虑波浪的扰动对船舶浮态的影响,按传统的静力学方法计算波状水线下船体的排水体积形心,并沿解算的浮心位置作垂直于波面的浮力线,计算浮力线与重力线的直线距离作为恢复力臂以考量随浪上航行船舶的完整稳性他们以此估算方法还建议了随浪航行船舶的完整稳性衡准 ,他们把斜浪影研究了斜浪中的船舶稳性问题响分成两个分量:一个分量按随浪来计算,另一分量则看成船舶左右舷引起的压力差,从而可以归结为一个波浪扰动力矩和?应用李雅普诺夫处理动力系统稳定性的方法提出了用直接法来处理横浪一横风中和随浪航行时船舶稳性的思想自上世纪八十年代开始,随着世界海上航运业的发展和繁荣,集装箱船被开始大量投入使用,滚装船和客滚船也开始专业性承运车辆和旅客,船舶的海上航运安全显得极为重要,由此带动了包括船舶随浪稳性在内的有关船舶航行安全性问题的研究。

这个时期,船舶运动性能及其水动力理论与数值预报方法也得到了迅速发展,提供了与当时计算工具相适应的经济实用的计算方法和计算手段,迎合了船舶工程发展的需要人们开始运用较为慎密的船舶运动理论如切片法和船舶操纵运动理论及其水动力数值分析方法,建立船舶随浪航行运动的数学模型,以及现代非线性动力学理论等研究和计算包括完整船和破损船舶的随浪稳性,同时也进行了大量而广泛的船舶随浪稳性模型试验研究,根据事故调查、理论分析、数值计算和模型试验研究,哈尔滨程大学硕十学位论文引用多种评估理论及方法建立船舶随浪航行安全性的评估方法【~【】国内对船舶随浪稳性及航行安全性的理论与试验研究起步较晚有代表性的相关研究工作主要有:林焰和邢殿录等人【应用理论,研究了船舶在规则波浪上的动稳性:利用摄动理论,解算船舶运动响。