[发明专利]一种基于随机风场和海浪的船舶倾覆风险测试方法

说明书

本发明属于船舶倾覆仿真测试技术领域，具体涉及一种基于随机风场和海浪的船舶倾覆风险测试方法。本发明采用改进的随机风场和海浪的同频叠加模拟算法，该方法在选取频率区间时，将随机风与海浪同时考虑，忽略低频与高频，集中选取风谱与海浪谱的同频部分。为得到具有随机性的风和海浪模拟结果，在选取离散点时，采用两次随机过程选取离散区间与离散点，从而使算法输出具有随机性与准确性的模拟结果。本发明采用改进的恢复力臂计算模型，将时间与侧倾角引入恢复力臂的计算，使恢复力臂值随时间与侧倾角变化，大幅度提高力臂的精确度，从而精确计算船舶发生倾覆的时间。

技术领域

本发明属于船舶倾覆仿真测试技术领域，具体涉及一种基于随机风场和海浪的船舶倾覆风险测试方法。

背景技术

船舶倾覆过程的三维可视化仿真首先需要船舶航行的环境信息以及船体自身具有的属性信息。其中，环境信息指的是船舶实际航行时所处于的风级，风力的大小直接影响海浪的汹涌程度。船体的自身属性包括实际的航行速度以及船体的吃水等，这些数值对船体是否发生倾覆运动都是重要的影响因素。其次，根据输入的风级进行第一步随机风和海浪的同频叠加模拟，实现对船舶的正常航行产生扰动效果。进一步计算船舶所接受的所有力，包括发动机提供的推力、外部扰动力总和、海水产生的阻力以及倾覆力等，倾覆力矩的值是船舶运动状态的分水岭。现有方法对随机风和海浪的同步模拟存在的周期性问题，且恢复力臂的计算精确度不够，船舶发生倾覆的时间问题计算不精确的问题。

Paulling计算了纵向规则波中的扶正臂曲线，并根据实验对其进行了验证。虽然他能够推导出一种用于计算稳心高度的分析方法但是对于扶正臂，却无法获得类似的分析模型

黄衍顺等人使用ITTC推荐的海浪谱与Davenport频谱来计算倾覆概率，计算出船舶在不稳定海域内发生大幅滚动的概率，进一步得到船舶在零航速的漂浮过程中的倾覆概率，但该方法只考虑了海浪力臂对船只倾覆的影响。

田超等人在船舶控制与倾覆模型这方面进行了研究，采用MMG数学模型，在OpenGL环境下建立了船舶的三维动态操纵仿真系统。此系统中包括了风和浪以及湍流的效果模拟，使得模拟其作用于船体的效果，但该方法中对于风浪的模拟采用了周期性模拟，没有现实中的随机性。

Mahfouz等人提出了一种新的鲁棒性方法，用于识别描述船船横摇运动的方程中的参数，该方法对于确定在未知激励作用下船舶的非线性阻尼和恢复参数的计算方面效果显著。

Dash等人建立了船舶横摇运动的数学模型，利用随机响应面法(SRSM)将模型系数的不确定性传播到全尺度仿真结果中。把这一方法与标准蒙特卡罗模拟技术相比较，此方法具有更高的计算效率，但该方法中对恢复力臂的计算不够精确，没有针对时间进行动态计算。

Palmquist M.给出了规则波中的中心高度GM的系统数值计算，使用时域模拟来计算不规则海洋中的GM光谱和统计数据。这些模拟表明GM的随机过程是非线性的，表现出低频过程。但是GM的这种缓慢变化的部分降低了大的最小峰值的绝对值，产生了偏斜的分布。

李子富提出了一种新的船舶波浪大倾角稳定性计算方法。当使用该方法进行计算时，只需要知道船舶的类型值表和外部干扰因子，并且可以相对快速地计算每一个大倾角状态的稳性力臂值，但该方法没有考虑瞬时的随机风浪，其实际应用效果会受到影响。

Neves和Rodriguez提出了一个更严格的滚动恢复臂三阶分析模型。通过考虑升沉、滚转和俯仰的恢复模式来考虑完整的三阶耦合数学模型。使用这种新模型的数值模拟与对应于头海中的横梁船尾过度运动的实验结果进行了比较。结果表明，此增强模型相对于二阶模型是更加接近实验结果。然而，该模型的缺点是其显著的复杂性和几个基于几何的系数的计算。

发明内容

本发明的目的在于提供采用改进的随机风场和海浪的同频叠加模拟算法，将时间与侧倾角引入恢复力臂的计算，使恢复力臂值随时间与侧倾角变化，大幅度提高力臂计算精确度的一种基于随机风场和海浪的船舶倾覆风险测试方法。