船舶耐波性总结2讲解

船舶耐波性总结第一章耐波性概述一、海浪的描述、、。

船舶耐波性是船舶在波浪中运动特性的统称，它包括船舶在波浪中所产生的各种摇荡运动以及由这些运动引起的抨击、飞溅、上浪、失速、螺旋桨飞车和波浪弯矩变化等性能，直接影响船舶在风浪作用下维持正常功能的能力。

二、6个自由度的摇荡运动船舶任意时刻的运动可以分解为在Oxyz坐标系内船舶中心G沿三个坐标轴的直线运动及船体绕三个坐标轴的转动。

而这些运动中又有直线运动和往复运动垂荡对船舶航行影响最大，是研究船舶摇荡运动的主要内容。

船舶摇荡是指船舶在风浪作用下产生的摇荡运动，他们的共同特点是在平衡位置附近做周期性的震荡作用。

产生何种摇荡运动形式取决于船首方向与风浪船舶方向之间的夹角，称为遭遇浪向。

三、动力响应船舶耐波性是船舶在风浪中性能的总的反应，它主要包括船舶摇荡、砰击、上浪、失速、螺旋桨飞车。

剧烈的横摇、纵摇和垂荡对船舶产生一系列有害的影响，甚至引起惨重后果，主要表现在以下三个方面：1）、对适居性的影响；2）、对航行使用性的影响；3）、对安全性的影响；船舶在风浪中产生摇荡运动时，船体本身具有角加速度和线加速度，因此属于非定常运动。

第二章海浪与统计分析2-1 海浪概述风浪的三要素：风速、风时、风区长度。

风浪要素定义：表观波长、表观波幅、表观周期。

充分发展海浪条件：应有足够的风时和风区长度。

海浪分类：风浪、涌浪、近岸浪。

风浪的要素表示方法：统计分析方法。

2-2规则波的特性波面可以用简单的函数表达的波浪称为规则波。

A 0=cos kx -t ξξω（）A k ξξω为波面升高，为波幅，为波数，为波浪圆频率。

在深水条件下，波长T c λ、周期和波速之间存在以下关系 ：≈； 2=1.56T λ； c==1.25T λλ； 2=T πω； 2k=g ω 波浪中水质点的振荡，并没有使水质点向前移动，也没用质量传递。

但是水质点具有速度且有升高，因此波浪具有能量。

余弦波单位波表面积的波浪所具有的能量2A 1E=g 2ρξ2-3不规则波理论基础一、不规则波的基本概念 1、确定性关系和统计关系我们所讨论的不规则波引起的船舶摇荡运动等都是属于统计规律范畴之内的。

2、不规则波叠加原理为了便于问题的讨论，我们假定不规则波是由许多不同波长、不同波幅和随机相位的单元波叠加而成的。

考虑到不规则波的随机性，不规则波的波面升高方程为：An n 0n n n=1=cos k x -t+ξξωε∞∑（）随机相位n ε可以取0到2π间的任意值。

二、随机过程1、随机过程每一个浪高仪的记录代表一个以时间为变量的随机过程t ξ（），它是许多记录中的一个“现实”。

所有浪高仪记录的总体表征了整个海区波浪随时间的变化，称为 “样集”。

2平稳随机过程1）考虑时间12t=t t=t 、等处的统计特性，称为横截样集的统计特性。

2）考虑随时间变化的统计特性，称为沿着样集的统计特性。

3、各态历经性对于平稳随机过程，当样集中每一个现实求得的统计特性都是相等的，而且样集在任一瞬时的所有统计特性等于在足够长时间间隔内单一现实的所有统计特性，满足这样条件的平稳随机过程称为具有各态历经性。

三、随机过程中的概率分布 1、随机性的数字特征1）数学期望 2）自相关函数 3）均方值4）自协方差函数 5）方差2、几种概率分布1）正态分布：2x 2x x-f x -2μσ⎡⎤⎢⎥⎣⎦（）（）2）瑞利分布： 2x -R 2x f x =e R（） 2x R=2σ 瑞利分布的参数R 可由史册中的一个现实估算得到，如果12n x x x ，，…，是由实测量得到的一组幅值，当数目n 很大时，则存在关系n2i i=11R=x n∑3）泊松分布： {}k k-T-T p x=k =e =ek k νλνλ（）！！四、瑞利分布的统计特性如果我们把测量的m 个波幅A ξ按大小排列，超过1n最大波幅A/n ξ的概率为1n， 则有：2A/n21=exp -n 2ξξσ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦A/n ξξ1n 最大波幅的期望值为 1n最大波幅的期望值仅是均方差的函数，具体计算值如下： 平均波幅（n=1） A =1.25ξξσ ； 三一平均波幅（n=3）A/3=2.00ξξσ； 十一平均波幅（n=10） A/10=2.55ξξσ； 百一平均波幅（n=100）A/100=2.99ξξσ2-4谱分析的理论分析一、频域分析和时域分析一般估计风浪和船舶运动这样的平稳随机过程的统计特性主要有两种不同的途径：一是在时间域对随机取样进行分析，称为时域分析法；另一种是通过对随机取样在频域范围内的谱分析，结合瑞利分布的特性，对风浪、船体运动和船体应力等的统计特性进行预报，称为频域分析法。

二、谱密度函数在海浪理论中谱分析的主要功能是：确定波浪运动、确定波浪对物体的响应、模拟波浪的运动。

1、谱密度函数的定义方值等于方差，所以有:2xx1-=S d σωω∞∞⎰（） 谱密度函数是从频率域角度描写随机过程，相关函数则从时间域角度描写随机过程，两者之间存在傅里叶变换关系。

j x x1-R =S e d ωττωω∞∞⎰（）（） 根据单边谱密度的定义，维纳——辛钦公式成为： x x 02S =R cos d ωτωττπ∞⎰（）（） x x 0R =S cos d τωωτω∞⎰（）（） 从能量角度来定义谱密度x S ω（），则谱密度x S ω（）可以写成：2Aix12S =ωξωω∆∆∑（） 谱密度曲线下的面积是单位波面积内波浪总能量的量度，当然是衡量海况严重程度的主要因素。

2、谱密度函数的数字特征1）n 阶谱距：n 阶谱距定义为 n n x 0m =S d ωωω∞⎰（） n=012，，，… 当n=0时，有20x x 0m =S d =ωωσ∞⎰（）当n=2时，有2x 0m =S d ωω∞⎰（）当n=4时，有24x x 0m =S d =ωωσ∞⎰（）2）谱宽参数ε，它表征谱密度的分布范围ε一般情况下，ε介于0和1之间。

如果ξσ代表符合瑞利分布的风浪标准差，则考虑谱宽影响的风浪标准差为1ξσA/3ξ当0.4ε<时，可以不考虑谱宽的影响，而直接应用瑞利分布的理论结果。

2-5风浪的谱密度公式1、P-M 谱 54A B S =exp -)ξωωω（）（ 2、ITTC 谱单参数谱：524W/30.78 3.12S =exp -ξωωξω（）（） 双参数谱2W/3454411173691S =exp -T T ξξωωω（）（） 3、JONSWAP 谱由风速和风程表示的谱公式:2()42exp[]2()5()=exp{ 1.25}p pp g S ωωσωξωαωγωω--⎛⎫- ⎪⎝⎭由波高和波浪周期表示的谱公式:22(0.159Tp 1)2exp[]W/32454p p 1948()=319.34{-}3.3T T S ωσξξωωω--（）4、方向谱: S =S D ωθωωθ（，）（）（，）2-6线性系统的响应关系一、线性系统与线性变换二、频率响应法与脉冲响应法 三、频率响应函数与频率转换横摇的频率响应函数: ()A AY =φξφωξ船上的遭遇周期:e T =C-V cos λβ2-7 风级和浪级风速的大小从0到12分成13级的蒲福风级；风级与风速的关系一般习惯把海况从0到9分为10级。

第三章 船舶横摇目前，要当运动的研究大致从以下两个方面着手3-1由现行理论确定横摇频率响应函数一、船舶在波浪上的运动特点 1、 表观重力质点A 所受的合力R 其方向垂直于波面，合力沿着波面的法线方向，此合力R 称为表观重力。

波面上任何位置的质点的表观重力沿着波面的法向方向。

2、 有效波倾0m 0m =K sin t=sin t φααωαω 3、 相对横摇角和绝对横摇角r =+φφα二、横摇的受力分析1、基于单纯横摇方程的受力假定 1）、遭遇浪向角β=90°，即波峰线平行于船体中线面； 2）、船宽远小于波长； 3）、 横摇角较小，等体积倾斜，初稳性公式仍适用； 4）、入射波流场不受船体存在的影响2、横摇中所受力矩1）、复原力矩: M()=-Dh φφ2）、阻尼力矩有如下形式：摩擦阻尼：由水的粘性摩擦产生，与角速度的 平方成比例。

所占比重较小，可以忽略。

兴波阻尼：船体运动形成水平面波浪，消耗本身能量而产生，与角速度的一次方成比例。

旋涡阻尼：船体弯曲部分附近形成旋涡，损失部分能量而产生，与角速度平方成比例。

横摇阻尼是角速度的函数，一般表示为M =-2N -W φφφφ（） 大角度横摇 M =-W φφφ（）； 小角度横摇 M =-2N φφ（）3）、惯性力矩 xx xx xx M =-I +J =-I φφφ'（）（） 4）、波浪扰动力矩三、横摇微分方程解及频率响应函数横摇最终方程：积分求解可得：横摇角为定义放大因数：横摇幅值与有效波倾之比。

即：对放大因素的讨论：四、横摇的谐摇状态及临界状态谐摇：波浪周期TB等于船横摇固有周期Tθ 称为谐摇.谐摇区：从放大因数曲线知，不仅在谐摇(∧θ=1 )，放大因数很大，而且在∧θ=1 附近的一定范围内也是相当大的，通常称0.7＜∧θ＜1.3的范围为谐摇区.船舶在不规则波中的横摇，根据叠加原理，相当于遭受一系列波长的单元规则波的作用，因此与单一规则波的作用有很大区别，规则波中的谐摇和谐摇区的概念在这里就不再适了谱密度曲线的划分3—2 由模型试验确定横摇频率响应函数一、横摇模型试验的相似关系1、几何相似2、运动相似3、动力相似3—3 横摇水动力系数的确定一、横摇惯性矩1、惯性半径法2、加藤公式3、杜爱尔公式4、附加惯性矩二、横摇固有周期计算1、船舶在静水中的有阻尼横摇固有周期:代入杜爱尔公式可得：结论：1）、提高初稳性高可提高固有周期，从而提高舒适性2）、两艘相近的船舶，横摇角近似与固有周期的平方成反比：三、横摇阻尼系数阻尼是影响横摇的重要因素，准确的计算阻尼力矩系数是估算横摇的重要前提，但是由于横摇时候船体附近流场的复杂性及水粘性的影响，阻尼的理论计算是相当困难的。

目前可靠的方法是模型试验，工程上常采用经验公式计算。

3—4 非线性横摇横摇角的确定：C1：波浪对横摇的影响C2：船型和舭龙骨相对尺度对阻尼的影响C3：B/d对阻尼的影响规范查下图得C1：3—5 横摇减摇装置1、舭龙骨2、 减摇鳍3、减摇水舱第四章 船舶纵摇和垂荡4—1船舶在波浪中的一般运动方程式基本假定1、假定船舶是一刚体，忽略弹性变形2、不考虑水的粘性和可压缩性3、假定作用在船体上的是微幅规则波4、假定船舶摇荡的幅值是微小的，可做线性问题处理，即可叠加。

4—2纵摇和垂荡的耦合运动计算受力分析 1、流体静力 2、兴波阻力 3、附加惯性力4—3纵摇和垂荡运动的工程分析一、固有周期计算2T θπ=纵摇固有周期：T θ=垂荡固有周期：T θ=结论：纵摇与垂荡的固有周期是相近的 二、不规则波顶浪航行时纵向区域划分： 1、亚临界区域 2、临界区域 3、超临界区域4—4斜浪中船舶摇荡 遭遇周期0T C VC S θλβ=-第五章 船舶的耐波性设计和实船试验5—1 主尺度对耐波性的影响船长：影响纵摇和垂荡船宽：影响稳性和横摇吃水：影响横摇、纵摇、垂荡与此同时，初稳性高、船型系数、干舷和舷弧也有一定的影响 5—2 船舶形状对耐波性的影响船舶型线静稳性曲线形状球鼻艏5—3耐波性指标1、单项指标：船体的运动幅值、横摇运动周期、绝对加速度、相对波面运动波浪中的失速2、综合指标：作业时间百分比、期望航速百分比5—4耐波性实船试验的组织和实施1、选择适当测试海域和时间2、编写试验大纲3、测量仪表的准备和调试4、试验5、分析。