船舶稳性理论研究的方法及进展

进行了详细综述。最后指出了还需深入研究的几个问题 。 关键词 : 船舶 ; 稳性理论 中图分类号 : U66 文献标识码 : A
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引 言
船舶稳性研究是船舶行业中一个非常重要、 非常复杂的课题。它是船舶最重要的性能之一, 是船舶
安全航行的基本保障 , 也是船舶检验的主要内容之一, 其重要性显而易见。不少国家投入了大量的科研 资金和科研人员积极展开这一领域的研究, 以推动船舶稳性的研究进展。然而 , 船舶稳性研究又是相当 复杂的。由于实际船舶航行于两种流体之间的界面上 , 并且船舶稳性涉及环境条件、 船舶技术条件和操 作要素等许多因素, 故而稳性的改善可能又会导致船舶其它性能的恶化。因此这一方面研究虽有几百 年的历史 , 至今还没有形成一个理论上成熟的综合考虑船型要素、 环境条件和倾覆机理等因素的稳性衡 准。目前 , 船舶完整稳性研究方法主要包括: 理论研究、 模型试验和数值模拟。本文着重对稳性理论研 究的方法作一综述。
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波浪中稳性理论研究
许多情况下 , 船舶稳性是指船舶在静水中的稳性, 波浪的影响只是为提高船舶在静水中的稳性而间
接考虑的。然而 , 许多翻船事故的记录分析表明: 在随浪或尾斜浪中 , 船舶受到不大的风极易发生倾覆, 对于小船尤其如此。在 Wendel[ 1] 的倡导下 , 造船界在 20 世纪 60 年代中期对波浪中的船舶稳性问题进 行了很多分析。而 Kempf 早在 30 年代就指出了船舶在随浪或尾斜浪中航行时, 波峰处于船中时稳性 会减小, 波谷处于船中时稳性会增加这一现象。 受到船舶倾覆事故的启发 , Wendel 指出了当船舶遭受一个波长和速度与其一样的随浪作用时 , 波 峰在船中时船舶复原力矩损失相当大这一现象, 并给出了复原力矩损失量的计算方法。 之后 , Arndt 和 Roden 考虑了波浪中水质点轨圆运动影响的 Smith 效应对 Wendel 的计算方法进行 修正 , 从而使计算结果更加接近于试验结果。 Paulling 等人进一步发展了这种计算方法 , 并推导了一组 计算公式。 Kure 和 Bang 研究了斜浪中的稳性问题 , 他们把斜浪影响分成两个分量 : 一个分量按随浪来计 算, 另一分量则看成船舶左右舷引起的压力差 , 从而可以归结为一个波浪扰动力矩。 M art in 和 Kuo [ 4] 应用李雅普诺夫处理动力系统稳定性的方法提出了用直接法来处理横浪 横风中 波 和随浪航行时船舶稳性的思想。 孔祥金和曹振海 [ 5] 应用摄动法提出了一种尾斜浪中复原力计算的新方法, 对四艘处于各种船 论算法的正确性。 林焰和邢殿录等人 应用 L iapunov 理论 , 研究了船舶在规则波浪运动的稳性 ; 利用摄动理论, 求解 出船舶运动响应 ; 并讨论了船舶横摇与垂荡运动频率、 最大横摇角和波浪要素对稳性曲线 GZ 的影响 , 以 及流体动压力对稳性曲线的修正, 从而给随浪中船舶稳性的计算提供了一种方法。 刘家新和蔡岭梅 [ 7] 研究了突加横风及规则波作用下的非线性横摇运动, 应用李雅普诺夫函数和实 用稳定性理论, 进行方程的稳定性的讨论。将导出的 GZ max 对应的 m 作为衡准船舶安全性的指标 , 进 行船模试验验证了此稳性衡准方法的可靠性和实用性。 董艳秋, 纪凯等人[ 8] 应用瞬时湿表面变化的时域分析法, 研究了波浪中的船舶横摇稳性。给出了 船舶在波浪中横摇稳性的计算方法以及波浪中稳性衡准的初步建议。
船舶稳性理论研究的方法及进展
张文斌 , 姚震球 , 蒋志勇
摘 1 1 2
( 1. 华东船舶工业学院 船舶与土木工程系 , 江苏 镇江 212003; 2. 华东船舶工业学院 科技处 , 江苏 镇江 212003)
要 : 分 别对早期稳性理论、 波浪中的稳性理论和随机风浪中 的稳性理论 作了简述 , 对船舶 横摇运动
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相对位置的船舶进行了大量的计算。最后, 用一艘船模作了尾斜浪中半约束船模的稳性试验 , 证实了理
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随机风浪中稳性理论研究
由于海洋环境条件, 特别是波浪 , 其最显著的特点就是随机性。在自然界里 , 波浪的出现是无法准 确预测的。因此 , 它是典型的随机事件。只有应用研究随机现象的方法 , 即概率论的方法对其进行研 究, 当然这方面研究也是结合船舶横摇运动进行的。 1953 年 Denis 和 P ierson 开创了船舶随机稳性方面的研究。他们把不规则的波浪看作一个随机 过程。利用响应函数来表示船舶在海浪上的运动 , 从而把概率统计方法引进了船舶运动的研究。
第 16 卷第 1 期 2002 年 02 月
华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报 ( 自然科学版 ) Journal of East China Shipbuilding Inst itute( N atural Sciences Edition)
Vol 16 No 1 Feb. 2002
文章编号 : 1006- 1088( 2002) 01- 07- 05
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第1期
张文斌等 : ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ舶稳性理论研究的方法及进展
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之后, 这方面展开了大量的研究。Hasselm an 和 Vassilpoulos 介绍了随机扰动力矩下如何处理非线 性系统的问题。 Kast ner 应用了 H asselman 和 Vassilpoulos 提供的方法, 研究了横摇运动相位平面的轨 迹。De. Jong 试图利用 FPK 方程解决这一问题 , 并且用超越频率来确定稳性。Dorin 等人[ 10] 提出了各 种造成船舶倾覆的因素如何依一定的概率组合在一起 , 造成可能的倾覆事故, 从而确定船舶可能出现的 危险的概率。Kast ner[ 11] 提出了用假设检验的方法来确定船舶是否会倾覆 , 并且指出了长期和短期衡 准的区别。 Vossers, Korvin Kroukovsky 和越智和夫等人 [ 12] 应用线性理论对随机波浪中的船舶稳性进行研究。 随着非线性 动力学 的发展 , 许 多学者 应用非 线性理 论进 行这 方面 的研 究。英 国的 Roberts 利用 M arkov 过程和随机平均法研究了不规则波浪中船舶非线性横摇的随机理论 , 他 [ 14] 还研究了确定船舶 稳性的横摇运动概率模型。加拿大的 Haddara[ 15] 应用功率谱研究非线性横摇运动。沈栋和黄祥鹿[ 16] 运用 安全池破损( Safe basin crosion) 理论研究了由两个正弦波组成的波群和随机波作用下的船舶倾 覆问题。Nekrasov [ 17] 通过对其文中提供的方法的应用 , 研究了船舶非线性横摇运动的稳定性 , 讨论了 随机风浪激励下的船舶倾覆的基本机理。Y. I. Nechaev [ 18] 基于统计试验 ( Mont e Carlo) 方法、 Fokker Plank Colmogorov 方程和力矩法等方法考虑了船舶在极端海况下的稳性的概率分析问题。
收稿日期 : 2001 - 09- 06 基金项目 : 船舶行业基金项目( 院编 960106) 作者简介 : 张文斌 ( 1979 - ) , 男 , 江西乐安人 , 华东船舶工业学院硕士研究生。
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华东船舶工 业学院学报 ( 自然科学版 )
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范的基础。 由于船舶稳性研究的实用意义在于制定稳性衡准 , 在早期, 稳性衡准主要应用初稳性高作为船舶稳 性的量度, 根据船舶大小, 认为初稳性高在 0. 2~ 0. 6 m 之间稳性就足够了 , 这是一种纯粹凭经验的方 法。 1887 年 , Denny 第一次提出了一条标准的稳性力臂曲线, 以此作为稳性的衡准。后来, Benjamin 通 过对大量安全航行的船舶进行比较后提出了用动稳性力臂曲线作为稳性衡准。 1939 年 Rahola[ 2] 根据 大量失事船舶资料的统计结果提出了基于船舶静水中的实际复原力臂曲线下面积的稳性估计及稳性界 限, 他第一次比较全面地、 科学地将实船经验统计方法应用于船舶稳性的研究之中, 他的成果对后来国 际海事组织( IM O) 稳性规范的制定具有重要作用。
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早期稳性理论研究
最早的稳性理论研究工作主要是由 Bouguer, Atw ood 和 Moseley 等开创的。他们的研究属于最古
老的稳性概念。这一概念认为船舶稳性可以由船舶的几何形状和重量分布决定 , 即 : 船舶的稳性取决于 船舶在静水中的复原力臂曲线的形状。这一概念是建立在若干失事和非失事船舶的统计数据基础上而 严格假定的, 这些假定是 : 浮力保持不变 ; 任何形式的能量增加或损失可以忽略 ; 所有形式的扰动均是有 势的、 定常的; 耦合力和其他流体动力可以忽略。 18 世纪是造船发展史上具有重要意义的时期。法国人 Bouguer 首次提出了稳心的概念, 并定义 了稳心半径和初稳性高的概念。 稳心半径 r 定义为: r = I T / , 式中 I T , 分别为横向惯性矩和排水 体积。 初稳性高 GM 定义为: GM = z B + r - z G , 式中 z B , z G 分别为浮心和重心的垂向坐标。 Boug uer 的 研究确立了船舶稳性中初稳性的研究。 Atw ood 用出水和入水楔形体积构成的容积转移力矩来更加精确 地计算船舶的复原力臂。 他提出的复原力臂的公式为 : GZ = v g 1 g 2 / - ( z G - z B ) sin , 式中 v 为入水 或出水楔形的容积 , g 1 g 2 为容积转移力臂。 之后, Reverend Moseley 提出了 动稳性 的概念, 这一概念考 虑的是倾覆力矩所作的功与船舶复原力矩所作的功相平衡 , 它是我国、 前苏联和日本等国使用的稳性规
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船舶横摇运动
早期有许多研究人员从事于确定船舶横摇运动的工作 , 虽然他们的最初目的并非为了研究船舶稳 性, 但从后来的发展来看 , 船舶横摇运动与其稳性有着密切的关系。通过对横摇运动的研究, 可以确定 船舶倾覆的条件。在这方面最早做出贡献是 Euler, F roude 和 Krylov 等人。 Euler 提出了静水中不计阻尼的船舶横摇运动方程式。 Froude 基于以下假定推导出了规则横浪上 船舶横摇运动方程式 : 船宽和吃水与波长相比是小量; 船舶运动不改变波浪的形状; 不考虑 阻尼的作用。后来他又采用最佳经验阻尼公式在横摇运动方程中引进了阻尼作用。Krylov 提出了著 名的 Froude Krylov[ 9] ( 傅汝德- 克雷洛夫 ) 假设。这个假设认为: 船体表面水压力分布不受船舶运动的 影响, 浮力近似于在不受扰动的波浪中的值。 Krylov 在这一假设的基础上进一步发展了横摇运动理 论, 他的无阻尼横摇方程比 Froude 的多了一项。 随着波浪中船舶稳性的研究, 船舶横摇运动方程也得到了进一步的研究。 Grim 将波浪上船舶复原 力矩的变化引入了船舶横摇运动方程式 : I + ( GM + GM cos t ) = 0, 式中 GM 为初稳性高的 变化幅值, 为波浪频率。 这一方程称为 M at hieu 型方程 , 通过对这一方程的求解可以划出船舶运动的 不稳定区域。 接着 , 他 又建立了这种横摇运动方程式 的更一般的形式 : I + GZ ( ) = M , 式中 GZ ( ) 为复原力臂 , M 为扰动力矩。 Odabasi 和 kuo 等人提出了不解横摇运动方程而直接由方程式来 判断稳定性的方法, 其理论基础是 L yapunov 方法 , 这一理论曾经运用于自动控制科学领域。 前面的研究方法基本上是利用线性模型来模拟船舶横摇运动, 理论结果与实际相差甚远。许多学 者考虑采用非线性模型对船舶在海浪中的横摇运动进行研究。非线性因素主要分为两种 : 一种是由大 幅横摇运动引起的非线性 ; 另一种是由不同运动形式耦合产生的非线性。本文着重介绍大幅非线性横 摇。 Nayfeh 和 Sanchez[ 19] 研究了规则横浪中的船舶阻尼力矩和复原力矩的非线性, 并对在不同的波倾 和遭遇频率下, 具有和不具有定常横倾角船舶横摇运动的稳定性和复杂动力学响应问题进行了研究。 徐德嘉和周庆根 [ 20] 研究了全面计及复原力矩、 阻尼力矩和附加惯性矩三种力矩非线性的单自由度 横摇模型 , 利用 T aylor 级数展开和横摇激振试验方法确定非线性横摇精确模型 , 并通过船舶强制横摇 试验对非线性横摇运动方程的水动力系数进行了辨识。 林焰、 纪卓尚[ 21] 从船舶稳定性角度出发, 研究了船舶在波浪中的横摇运动及其稳性, 建立了单自由 度的非线性横摇运动方程。 邢殿录和蔡琰先 [ 22] 描述了船舶在突风及规则波作用下的非线性横摇运动方程, 讨论了当波浪周期