[发明专利]减小船舶横摇运动的分析方法

摘要

本发明公开了一种减小船舶横摇运动的分析方法，根据建立船舶的三维仿真图像，计算船舶任意浪下的船舶的瞬时回复力、瞬时波浪入射力，对船舶垂荡、纵摇和横摇三自由度耦合运动微分方程求解计算出横摇角以及计算出船舶横摇概率，得到船舶横摇角小于进水角的概率，从而来判断船舶是否在安全状态下行驶，通过调整船舶的航行状态可获得任意浪向随机波作用下船舶运动的数值仿真结果及横摇角小于进水角的概率，据此可找到横摇角小于进水角概率的最大值对应的航行状态，通过选择航行状态或在设计阶段改变船体型线来减小船舶的横摇运动。本发明计算出横摇角和横摇概率，据此来减小船舶任意浪下的横摇运动。

主权项

1.一种减小船舶横摇运动的分析方法具有如下步骤：步骤1：建立船舶三维仿真图像建立船舶结构的有限元模型，通过对船舶航行水动力进行分析获取：船舶模型的节点坐标信息、船舶质量数据信息、附加质量数据信息、阻尼系数、波浪绕射力以及水动力参数，建立该船舶的三维仿真图像；步骤2：计算船舶的瞬时回复力从船舶模型中获取在动坐标系下的船体点坐标，再将船体动坐标系下的船体点坐标全部转换到随船坐标系下，再转换到大地坐标系下，沿波浪传播方向将经过坐标转换后的船体点划分到多个剖面内，将船舶在波浪传播方向的投影长度L分为n份，每一份为ΔL，计算出每一剖面x_i处的横剖面面积S_i和形心坐标y_i、z_i，则船的排水体积V和浮心在大地坐标系中的坐标(X,Y,Z)如下所示：V=(S12+S2+...+Sn-1+Sn2)·ΔL]]>X=(S12·x1+S2·x2+...+Sn-1·xn-1+Sn2·xn)·ΔL/VY=(S12·y1+S2·y2+...+Sn-1·yn-1+Sn2·yn)·ΔL/VZ=(S12·z1+S2·z2+...+Sn-1·zn-1+Sn2·zn)·ΔL/V]]>将浮心坐标转换到原点在重心的随船坐标系下，得到随船坐标系下的形心坐标(X',Y',Z')，得出垂荡回复力F₃、横摇回复力矩F₄、纵摇回复力矩F₅，则：F₃＝ρVg-G,F₄＝ρVg·X',F₅＝ρVg·Y'其中：ρ为水的密度，g为重力加速度，V为船舶的排水体积，G为船舶的重量；步骤3：计算船舶的瞬时波浪入射力在动坐标系下，将船舶左半部分划分成多个横剖面，每两个横剖面点按一定顺序组合形成三角形，对称得到船舶右半部分的三角形单元，得到船体所有三角形单元，以每个三角形单元为单位进行坐标转换，首先转换到随船坐标系下，接着转换到大地坐标系下，在大地坐标系下根据水面高度对水面附近的三角形单元进行修正，设三角形的中心坐标(x,y,z)，三角形单元的面积为S，则该三角形所受的入射力为：Fd=ρgζacoshk(z+h)coshkhsin(ωt-kxcosψ)·S]]>其中：ρ为水的密度；g为重力加速度；ζ_a为波幅；k为波数；h为水深；ω为波浪圆频率；t为时间；ψ为航向角；再对所有三角形所受的入射力进行积分计算整个船舶所受的波浪入射力；步骤4：根据达朗贝尔原理，采用回复力和波浪入射力的计算方法，在时域内，采用龙格库塔方法数值求解船舶垂荡、纵摇和横摇三自由度耦合运动微分方程，得出横摇回复力矩时程曲线和横摇运动响应时程曲线；步骤5：计算船舶横摇概率密度：将带有随机参数激励和随机强迫激励的横摇运动方程做如下表达：x··4+αx·4+ω2x4(1-γ1W1(t))=γ2W2(t)]]>其中，C₄为临界阻尼的10%，I₄₄为横摇转动惯量，δm₄₄为横摇附加质量；ω为静水中微幅线性横摇的固有频率；W_i(t)为零均值物理高斯白噪声；γ₁表示参数激励噪声强度，利用横摇回复力矩时程和横摇运动响应时程计算参数激励噪声强度γ₁的大小；γ₂表示强迫激励噪声强度，根据波浪谱和波浪力的传递函数计算强迫激励噪声强度γ₂的大小；对上述横摇运动方程采用路径积分方法，计算出横摇角和横摇角速度的联合概率密度函数、横摇角边缘概率密度、横摇角速度边缘概率密度以及横摇角概率分布函数；根据横摇角概率分布函数获取超越概率为5%的船舶横摇角值，即横摇大于该值的概率为5%；步骤6：将步骤5中的横摇角与船舶设定的进水角比较，如果横摇角大于进水角，则调整船舶的航行状态，使横摇角小于进水角，使船舶的横摇概率降低；如果横摇角小于进水角则该船舶为正常航行状态。