随浪中船舶骑浪横甩非线性运动特性及骑浪概率研究

【摘要】：静稳性衡准由于其自身局限性无法衡量船舶在波浪中的稳性,因此国际海事组织(以下简称IMO)致力于制定第二代完整稳性衡准,包括骑浪/横甩、纯稳性丧失、过度加速度等。本文基于此背景,对船舶在随浪中骑浪横甩失稳模式进行研究。本文将骑浪横甩分为两个阶段进行研究:第一阶段为船舶周期性运动转化为骑浪状态,第二阶段为船舶骑浪状态失稳发生横甩。建立纵荡单自由度运动方程研究第一阶段,采用Melnikov方法和龙格库塔数值方法确定发生骑浪运动的临界船速。通过相平面图,分析随着船速增加,船舶从周期运动到骑浪运动的转变机理。基于MMG理论,建立纵荡-横荡-艏摇-横摇四自由操纵性方程,并加入舵自动控制方程。将数值模拟结果与试验结果进行对比,并研究了初始位置和复原力臂对船舶运动响应的影响。给定初始条件,采用牛顿迭代法求解骑浪平衡点,并分析平衡点的稳定性。采用随机Melnikov方法和蒙特卡罗方法研究随机波中的船舶骑浪概率。解析方法将随机波浪中船舶的骑浪问题处理为小扰动下的哈密顿系统,随机波浪激励处理为高斯随机过程,采用随机Melnikov方法求解随机波浪激励下的骑浪概率。数值方法通过四阶龙格库塔法求解船舶在随机波中纵荡响应。采用谐波叠加法生成随机波面升高,通过对每个简谐波的相位求偏导,得到船所在位置的波浪瞬时频率与瞬时波数,以此求出波浪的瞬时速度。通过蒙特卡洛法对大量的响应样本进行统计,得到随机海况下船舶骑浪的发生概率,以验证解析方法的正确性。对船舶在随机波浪中骑浪运动的概率进行敏感性分析,分别研究波浪参数(特征波高与特征波长)与船舶航行参数(船速与航向角)对骑浪概率的影响。