船舶纵浪航行非线性随机运动响应预报方法研究

【摘要】：船舶在波浪中的运动响应及其控制一直是船舶工程领域的前沿和热点课题,它对于保证船舶在航行状态的安全具有非常重要的意义。船舶在波浪中的运动响应与船舶的稳性及是否发生倾覆密切相关。到目前为止,已经针对船舶在横风横浪中的稳性取得了大量而深入的研究成果。但是,通过对大量船舶海难事故的统计与分析,即使船舶的设计生产过程完全满足国内和国际的稳性规范和标准,在纵浪或斜浪中航行的船舶也可能会发生大幅度的横摇运动,甚至导致倾覆事故的发生。随着第二代完整稳性的提出,船舶纵浪中航行的动力特性研究与控制,已经成为世界范围内的研究热点。本文基于第二代完整稳性衡准,主要采用非线性随机动力学的方法研究船舶的参数横摇运动和骑浪横甩运动,研究船舶在随机波浪中的参数横摇运动的概率密度函数和极值分布,研究如何减小船舶的参数横摇运动,通过船模试验验证舵减摇对减小参数横摇的有效性,以及不同参数对舵减摇的影响,同时研究不同的减摇鳍控制方式对参数横摇的影响,以及波群和畸形波作用下船舶的参数横摇运动。本文的研究工作,揭示了船舶不同失效模式产生的机理,提出了可行的控制船舶运动的方法。本文研究对于保证船舶波浪中的航行安全,提高船舶的设计水平和设计衡准,具有重要的理论意义和工程价值。本文主要研究内容和结论如下:(1)随机波浪作用下的船舶参数横摇运动概率密度研究。建立船舶参数横摇运动微分方程,利用随机平均法研究参数横摇运动响应的稳态概率密度函数。开发可以计算船舶参数横摇运动的概率密度函数的计算程序。研究结果表明在随机波浪作用下,迎浪比随浪更容易激发大幅参数激励横摇运动,艏斜浪相比于尾斜浪更加危险。随着航向角的增加,波浪强迫激励是发生大角度横摇的主要原因。特征波长一定,随着航速增加,横摇角超过某一角度的范围变小。(2)改进的PID减摇鳍控制系统研究。减摇鳍可以有效地降低船舶的横摇,但关于减摇鳍控制方式对减摇效果的影响的研究很少。由此,本文基于神经网络算法优化传统的减摇鳍PID控制系统,开发SIMULINK仿真计算程序,研究改进的减摇鳍控制系统以适应船舶的非线性环境载荷及非线性参数横摇运动。研究结果表明,对于船舶非线性参数横摇运动,改进的PID控制系统要优于传统的PID控制系统,在随机波浪中表现良好,可以使船舶的横摇角度变小,提高了减摇鳍的减摇效果。(3)特殊波列作用下的船舶参数横摇运动研究,包括随机波群和畸形波作用下的船舶参数横摇运动研究。船舶参数横摇运动是一个缓慢生成过程,受波浪有效作用时长影响。因此,研究舰船在波群中的参数横摇十分重要。用群高和群长特性参数来表征随机波群的高度特征和长度特征。本研究开发了随机波群作用下的船舶参数横摇模拟计算系统,可以用于评估波群参数对参数横摇的影响。研究表明,群长参数增加,随机波浪包含更多的连续高波,相对群高参数,群长参数对参数横摇影响更明显。采用相位角调制法模拟了畸形波,研究畸形波下的单自由度船舶参数横摇运动。研究结果表明,采用相位调制法可以在相应的时间上模拟出畸形波,虽然波高会显著增大,但是对于航行中的船舶,其波浪力和遭遇频率相关,所以对于畸形波而言,其最大横摇角对于正常波列下的横摇角有升高,但是并不一定发生在波高最大的时刻。(4)建立船舶在随机纵浪中的一自由度纵荡运动方程,采用随机梅林科夫解析方法求解船舶的骑浪概率,同时进行参数敏感性分析。通过计算分析,骑浪概率随着有义波高的增加而增加,随着波浪特征周期的增大而减小,随着螺旋桨转速的增大而增大。减小骑浪概率的有效措施为降低螺旋桨转速,进而降低船舶的速度使船速尽可能远离波速范围。(5)基于累积艏摇原理,建立随机波浪中船舶横甩运动模型,通过船舶单自由度艏摇运动响应方程来模拟船舶的艏摇运动,采用随机平均法求解艏摇运动的稳态概率密度函数及概率分布函数。研究不同参数对船舶横甩运动的影响,研究结果表明:横甩运动随着有义波高的增加而增加,随着特征周期的增加而增加。(6)参数横摇的舵减摇分析模型试验研究。模型试验是研究船舶水动力耐波性和操纵性能的重要手段,本文基于模型试验,验证舵减摇效果,同时研究相关参数对舵减摇效果的影响,其中包括:舵控制参数、舵减摇模块开启的时刻、最大舵角、航速以及载荷参数如波长等,为船舶舵减摇提供依据和参考。研究表明,随着航速的增加,船舶在静水中的横摇阻尼系数随之增大。当遭遇频率与横摇固有频率的比值在等于2附近时,船舶在迎浪的情况下,发生了大幅横摇,观测到了参数横摇现象。船舶发生大幅参数横摇运动时,开启舵减摇模块,可以减小船舶的参数横摇运动。同时,在船舶参数横摇运动发生的初期,开启舵减摇模块,同时使舵的转角和控制参数尽可能的大,可以得到更好的减摇效果。