風(fēng)浪中大型集裝箱船橫搖穩(wěn)定性及航行安全性研究.pdf

1、隨著集裝箱船的大型化以及集裝箱船運輸在國際海運中所占比重的逐漸提高，集裝箱船受到越來越多的關(guān)注，集裝箱船的橫搖穩(wěn)性與航行安全性也成為船舶設(shè)計和使用人員最為關(guān)心的問題之一。集裝箱船在航行時一般容易發(fā)生迎浪中的參數(shù)橫搖、橫浪中的大幅諧搖，造成過度運動和過度加速度，從而容易引起裝載貨物的損壞和丟失，嚴(yán)重時會發(fā)生船舶傾覆的災(zāi)難性事故，造成巨大的人員與財產(chǎn)損失。與此同時，第二代完整穩(wěn)定規(guī)范要求以現(xiàn)代船舶力學(xué)的最新研究成果為手段，從物理現(xiàn)象入手，深

2、入研究穩(wěn)性失效的機理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴船舶的大幅非線性橫搖運動本質(zhì)上可描述為一個非線性動力系統(tǒng)，為了分析船舶的非線性橫搖運動特征，首先要確定船舶的非線性因素。船舶橫搖時的非線性因素主要來自于非線性恢復(fù)力矩和非線性阻尼力矩，論文分別采用數(shù)據(jù)最小二乘擬合與開展靜水中的橫搖衰減試驗來分別確定非線性恢復(fù)力矩和阻尼力矩系數(shù)，建立橫浪中單自由度運動方程。運用多尺度方法近似求解了船舶在正橫規(guī)則波中的橫搖近似解析解，并進(jìn)行了數(shù)值驗證。

3、同時，定性分析了兩種非線性因素即非線性恢復(fù)力和非線性阻尼力對橫搖穩(wěn)態(tài)解的影響。⑵考慮到船舶實際航行中的海況條件，研究了兩類系統(tǒng)下船舶非線性橫搖穩(wěn)定性的研究方法，分別為確定性系統(tǒng)和隨機性系統(tǒng)。對于確定性系統(tǒng)，本文采用 Melnikov函數(shù)方法，通過求解函數(shù)的一階簡單零點得到混沌閾值。對于隨機性系統(tǒng)，推導(dǎo)了隨機Melnikov均方準(zhǔn)則和相空間轉(zhuǎn)移率的計算公式。⑶對于像大型集裝箱船這種水線面以上有巨大受風(fēng)面積的船舶而言，風(fēng)載的影響不能忽略。文

4、中分析比較了計算風(fēng)載荷系數(shù)的三種不同方法：CFD數(shù)值模擬、NK規(guī)范法和Isherwood經(jīng)驗公式，并將風(fēng)載模型加入到非線性橫搖動力系統(tǒng)中，此時橫搖系統(tǒng)由對稱系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍ΨQ系統(tǒng)。對于風(fēng)載與規(guī)格海浪聯(lián)合作用的情況，計算了系統(tǒng)Melnikov函數(shù)的簡單零點以確定混沌閾值，并以最大李雅普諾夫指數(shù)作為數(shù)值驗證，此外觀察了波浪激勵大于系統(tǒng)閾值時系統(tǒng)穩(wěn)定域逐步破損的過程，這表明橫搖系統(tǒng)已經(jīng)失穩(wěn)，傾覆即將發(fā)生。通過對風(fēng)浪聯(lián)合作用時系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，定

5、量評估了風(fēng)載對于系統(tǒng)非對稱程度和穩(wěn)定性的影響。⑷由于船舶航行的實際海洋環(huán)境是不規(guī)則波，所以有必要對非對稱隨機橫搖系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。論文根據(jù)隨機 Melnikov均方準(zhǔn)則推導(dǎo)了隨機系統(tǒng)下的相流函數(shù)和相空間轉(zhuǎn)移率，以相空間轉(zhuǎn)移率作為船舶穩(wěn)性損失的度量。針對非對稱系統(tǒng)下軌道參數(shù)方程難以解析求解的困難，文中求解離散時間解，并通過離散時間傅里葉變換確定出橫搖系統(tǒng)在風(fēng)載與隨機海浪作用下的臨界激勵閾值曲線。對于隨機情形，從概率的角度出發(fā)采用傾覆概率

6、云圖的方式完成了數(shù)值驗證工作，證明了隨機 Melnikov函數(shù)方法在研究非對稱隨機動力系統(tǒng)穩(wěn)定性時的有效性，并將云圖結(jié)果進(jìn)一步用于航行于特定航線的集裝箱船橫搖傾覆概率的計算。⑸追蹤第二代完整穩(wěn)性規(guī)范研究制定的最新進(jìn)展，最后從二代穩(wěn)性和過度加速度的角度對集裝箱船的航行安全性做了一些基本的研究工作。分別從船上作業(yè)人員和裝載貨物的角度討論了安全因子、準(zhǔn)則（criteria）和標(biāo)準(zhǔn)（standard）；研究了集裝箱船的過度橫搖運動和發(fā)生條件；針