[发明专利]一种船舶横摇运动响应的快速预报方法

说明书

本发明公开了一种船舶横摇运动响应的快速预报方法，包括如下步骤：将复杂的船体结构简化为两种不同宽度B、相同吃水深度T的长方体的组合体，并沿纵向连接布置并保证两长方体的中纵剖面重合；获得船舶的船型参数和计算工况参数；获得单位波幅的规则波诱导的船舶横摇响应的运动微分方程；根据单位波幅的规则波诱导的船舶横摇响应的运动微分方程，以及船型参数和计算工况参数，获得船舶横摇运动的频率响应函数，实现船舶横摇运动响应的快速预报。本发明可快速预报出船舶的横摇运动响应，适用于船舶概念设计和初步设计阶段。本发明涉及船舶运动预报技术领域。

技术领域

本发明涉及船舶运动预报技术领域，特别涉及一种船舶横摇运动响应的快速预报方法。

背景技术

船舶在其整个服役寿命期内都是在海上停泊或航行作业的，海面上70％以上时间都存在海浪，船舶大部分时间都是处于波浪的作用之中。在空间坐标系中，船舶六自由度运动包括三个方向的平动(纵荡、横荡、垂荡)和三个方向的转动(横摇、纵摇、艏摇)。船舶在海上最容易发生横摇运动且其摇摆幅度较大，横摇对于船舶的航行与安全、船员生活与工作有严重影响。横摇不仅可引起船舶稳性降低，剧烈的横摇还可能使舱内货物发生移动，进而引起船体倾斜甚至翻船，恶劣海况下船舶剧烈摇荡引起的海难事故时有发生。此外，大幅横摇也会影响人员的活动能力与舒适性，0°至4°范围的横摇角对人的活动影响很小，4°至10°范围内人的活动能力将大幅下降，10°以上人的活动会很困难。因此，船舶耐波性中研究船舶横摇运动响应是十分必要的。

船舶运动预报方法主要包括理论方法和试验方法。理论方法一般采用势流理论或粘流理论。势流理论方法主要可分类为二维理论与三维理论、线性理论与非线性理论、频域理论与时域理论、刚体理论与弹性体理论等。粘流理论一般采用通过求解RANS方程的CFD技术模拟船舶的运动与受力。采用上述理论方法虽可准确预报船舶在波浪中的运动响应，但是涉及到求解任意几何型线船体与自由面相互作用等复杂问题，具有计算方法复杂、计算工作量大、花费时间长等缺点。此外，在船舶概念设计阶段，一般需要计算多个备选船型的耐波性，且往往难以确定用于理论计算所需的全部船型参数和数据，这就使得理论计算难以广泛地应用于船舶的概念设计阶段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种船舶横摇运动响应的快速预报方法，仅根据船型和计算工况的主要参数信息，例如船长、型宽、吃水深度、水线面系数、航速、浪向角等，以及简单经验公式即可快速预报出船舶的横摇运动响应，适用于船舶概念设计和初步设计阶段。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种船舶横摇运动响应的快速预报方法，包括如下步骤：

将复杂的船体结构简化为两种不同宽度B、相同吃水深度T的长方体的组合体，并沿纵向连接布置并保证两长方体的中纵剖面重合；

获得船舶的船型参数和计算工况参数；获得单位波幅的规则波诱导的船舶横摇响应的运动微分方程；

根据单位波幅的规则波诱导的船舶横摇响应的运动微分方程，以及船型参数和计算工况参数，获得船舶横摇运动的频率响应函数，实现船舶横摇运动响应的快速预报。

进一步地，单位波幅的规则波诱导的船舶横摇响应的运动微分方程可表达为：

其中为横摇角、T_N为横摇固有周期，C₄₄为恢复力矩系数，B₄₄为横摇水动力阻尼系数，M为波浪激励力矩；

根据公式(1)可计算获得船舶横摇运动的频率响应函数如下：

其中|M|为波浪激励力矩M的模或幅值，ω为波浪圆频率，ω_e为波浪遭遇频率。

进一步地，恢复力矩系数为：