船舶在波浪中.doc

船舶在波浪中
的运动

学号：M93520070
姓名：赖建中

纲要
• 简介
• 操纵数学模式
• 运动数学模式

纵移（Surge）、横移（Sway）、上升下潜（Heave）、横摇（Roll）、纵摇（Pitch）、偏摇（Yaw）

简介
• 船舶在海上行进时的反应是一个非常复杂的非线性现象，因为不只有波浪作用力，同时船本身也有一个前进的动力存在。
• 规则波 单方向不规则波 多方向不规则波
操纵数学模式
• 使用日本MMG( Mathematical Modeling Group)流力模式。
• 船舶、螺桨、舵单独性能为基础再加上三者的扰动效应。
• 只考虑船舶纵移(surge)、横移(sway)、平摆(yaw)、横摇(roll)。

坐标系
• 空间固定坐标
• 船体固定坐标
• 船体固定坐标与水面平行。
• 地球公转与自转效应忽略。

运动方程式
• 如果将 定在船体重心 上

• 不考虑起伏(heave)、纵摇(pitch)

• 角速度

• 重心速度相对于空间固定坐标的转换

• 重心速度相对于水的速度转换成相对于地球的速度。
船舶-流体力与力矩，附加质量和黏滞度影响
• 流体力系数可视为只与船舶之瞬间运动状态有关，此即所谓的准定态(quasi-steady)处理方式。
• 考虑横摇运动

：重心移动速度
：纵移附加质量
：横移附加质量
：平摆附加质量惯性矩
：横摇附加质量惯性矩
、、、：由于船舶平面运动所引起之阻力增加系数
：船舶直进阻力
、：线性流体阻尼力系数
、：线性流体阻尼力矩系数
：无因次非线性流体阻尼力
：无因次非线性流体阻尼力矩
：横摇运动所引起的横移力
：横摇运动所引起的平摆力矩
：横摇阻尼力矩
：船体流体横移力作用点与重心的垂直距离

：船体流体横移力作用点与水面的垂直距离
螺桨-螺桨力与力矩，螺叶数目和展开面积比影响
螺桨在四个象限中之推力与扭力可表示为下：

其中为推力减少系数，为螺桨附加极惯性矩(added polar moment of inertia)。
舵-舵力与力矩，舵形和有效入流速度及攻角影响

：舵之阻力减少系数
：舵之额外横向力与横向力之比值
：横向力作用点的坐标
：额外横向力作用点的坐标
：横向力作用点的坐标
：额外横向力作用点的坐标
：舵角
：舵的正向作用力(normal force)
主机-类型
• 低速柴油机之扭矩特性

其中为主机扭矩极限。
• 蒸汽涡轮机转速与扭矩关系

：主机马力
：主机产生之马力
其中下标表示常用输出。
运动数学模式
• 运用薄片理论(Strip theory)作为数值模式的基础。
• 应用来分析船体在规则波下运动的方法，假设受力行为为线性，可以合理精确的计算出受力行为。
坐标系
• O-XYZ空间固定坐标系；而o-xyz为固定于船体之移动坐标系。

边界条件
• Laplace Eq.

• Linearizied Free Surface Condition

• Bottom Condition

• Radiation Condition

• Kinematic Boundary Condition

• 流体质点在表面的法向速度即船体对应速度。
运动方程式
• 细长船体对称，所以纵移(surge) 先可忽略。

• 为船体附加质量(added mass)
• 为船体流体动力阻尼(damping)
• 为船体恢复力(restoring force)
• 为船体激荡力(exciting force)