船舶骑浪横甩及纯稳性丧失状态非线性动力学特性研究

【摘要】：国际海事组织(IMO)颁布的第二代完整稳性规范中,提出了船舶的五种失稳模式,本文研究第二代完整稳性规范中的两种失稳模式:骑浪/横甩和纯稳性丧失。船舶海上失事分析表明,骑浪/横甩及纯稳性丧失是诱发船舶倾覆或大幅运动的重要原因,本文将非线性动力学方法与船舶动力学的方法相结合,研究船舶两种失稳模式的非线性动力特性,分析两种失稳模式发生的条件,揭示船舶运动失稳的机理,具有重要理论意义与工程意义。针对骑浪运动,建立船舶纵浪航行的纵荡运动方程来描述骑浪运动。以ITTC A2渔船为例,分别采用梅林科夫方法和龙格库塔方法求解纵荡运动方程,得到骑浪临界值,给出梅林科夫函数阈值图。在数值计算中分别绘制船舶骑浪时和未骑浪时的时历曲线和运动相图,并分析其非线性特性。以螺旋桨转速为分岔参数建立船舶骑浪运动分岔图,分析了船舶骑浪失稳条件。针对横甩运动模式,以响应型操纵性公式建立描述横甩运动的船舶艏摇运动方程,采用多尺度法求得近似解析解和稳定域,数值计算2倍频和1.5倍频条件下船舶运动特性,计算船舶艏摇运动随波高变化的分岔图,分析船舶发生横甩失稳的临界条件。针对纯稳性丧失模式:建立描述纯稳性丧失模式的横摇运动方程。采用数值方法计算船舶在波浪中的恢复力臂函数,并将其拟合成为多项式的形式代入方程中,考虑波长分别为1.5倍和1倍船长,通过龙格库塔方法求解横摇运动方程,分析运动的时间历程响应和船舶横摇运动的相图特性,绘制船舶横摇运动随航速变化的分岔图,给出船舶发生纯稳性丧失的航速范围。本文基于非线性动力学的方法,研究了船舶骑浪横甩和纯稳性丧失的条件,得到了骑浪横甩和纯稳性丧失的分岔特性,给出了船舶发生骑浪和横甩的临界参数,提出了一定海洋环境下纯稳性丧失的航速范围。本文较全面的研究了IMO提出两种失稳模式的非线性动力特性,为第二代稳性规范的进一步完善修订具有参考价值。