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 2
ρξ
2-3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
：2
x 2
x x-f x -2μσ⎡⎤⎢⎥⎣⎦
（）（）
2）瑞利分布： 2
x -R 2x f x =e R
（） 2
x 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n
2i i=11R=x n
∑
3）泊松分布： {}k k
-T
-T p x=k =e =e
k 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
1
n
最大波幅A/n ξ的概率为1
n
， 则有：
2A/n
2
1
=exp -n 2ξ
ξσ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦
A/n ξξ
1
n 最大波幅的期望值为 1
n
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=2.99ξξσ
2-4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:
2
x
x1
-=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：2
Ai
x
1
2S =
ω
ξωω
∆∆∑（） 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 0
m =S d ωωω∞
⎰（） n=012，
，，… 当n=0时，有20x x 0m =S d =ωωσ∞
⎰（）
当n=2时，有2x 0
m =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1
ξσ
A/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 -ξωω
ξω（）（） 双参数谱2
W/34544
11173691S =exp -T T ξξωωω
（）（） 3、JONSWAP 谱
由风速和风程表示的谱公式:
2
()
4
2
exp[]
2()5()=exp{ 1.25}p p
p g S ωωσω
ξωαωγωω--
⎛⎫- ⎪
⎝⎭
由波高和波浪周期表示的谱公式:
2
2
(0.159Tp 1)2exp[]W/32454
p 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 A
Y =φξφωξ
船上的遭遇周期:e T =C-V cos λ
β
2-7 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 φφ
2）、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。