第四章船舶纵摇与-垂荡.ppt

第四章第四章 船舶船舶纵摇纵摇与垂与垂荡荡 4.1 船舶在船舶在规则规则迎浪中垂迎浪中垂荡荡的与的与纵摇纵摇1.4.1 船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇进退横摇、横荡、首摇纵摇、垂荡横向运动纵向运动船舶运动纵向运动特点：1。考虑波浪曲率影响2。耦合运动大3。运动幅值小，适用线性理论4。阻尼力矩大，阻尼的粘性成分小，主要是线性兴波阻尼。2.船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇一、简化计算所作的假定：1.船舶航速等于0，遭遇浪向角为180，迎浪状态。2.不考虑垂荡和纵摇的耦合影响。3.基于傅汝德克雷洛夫假定：船体存在对波浪没有影响，是一个虚拟表面，波浪可以自由穿透。4.以有效波面来代替水表面波面。有效波面是某一吃水d m处的次波面，可表达为下式：d m有效波面处吃水，可取 d md，d为船舶吃水。为该剖面面积系数 3.5.船体作船体作为为细长细长体体，对对各个横剖面做各个横剖面做2元元问题处问题处理，即理，即平面流假平面流假设设流流动动只有只有沿切片平面内流沿切片平面内流动动，与横剖面切片垂直，与横剖面切片垂直方向没有流方向没有流动动。一、一、简简化化计计算所作的假定：算所作的假定：船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇4.船体切片近似船体切片近似船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇5.船体切片近似船体切片近似对每一切片来讲，流动是二维的，相当于无限长柱体在流场中的绕流问题。6.船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇二、垂荡的主干扰力和纵摇的主干扰力矩1.垂荡的主干扰力 根据假定，垂荡的主干扰力等于船体在波面下的浮力与平静水线下的浮力差。微元体7.二、垂荡的主干扰力和纵摇的主干扰力矩1.垂荡的主干扰力如上所示，将微元体沿船长积分可垂荡主干扰力。其中：水线面面积修正系数船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇8.2.纵摇的主干扰力矩二、垂荡的主干扰力和纵摇的主干扰力矩 将上图微元体的垂荡干扰力的主要部分对Gyb轴取矩，然后沿船长积分：其中：水线面积过船重心横轴的惯性矩修正系数船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇9.三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解1.垂荡运动方程及解运动方程：其中：整理船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇10.三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解1.垂荡运动方程及解运动方程解为：其中：垂荡放大因数可记为船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇11.三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解2.纵摇运动方程及解运动方程：其中：整理船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇12.三、垂荡与纵摇的运动微分方程及解2.纵摇运动方程及解运动方程解为：其中：纵摇放大因数可记为船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇13.船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇四、船舶在规则迎浪中垂荡与纵摇的运动特点1.同横摇相比，纵摇与垂荡运动一般比较小，所以线性假设是合理的。2.波长与船长比（/L）对纵摇和垂荡影响很大。放大因数的峰值发生在1/L 2.5范围内，以及波浪扰动力矩频率等于运动的固有频率（共振）。/L对垂荡、纵摇的影响14.船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇四、船舶在规则迎浪中垂荡与纵摇的运动特点3.因为船尾形状不对称，故船在迎浪航行时发生垂荡和纵摇的耦合影响，上述推导内容只是定性分析。4.船速对船舶迎浪航行的垂荡和纵摇运动影响很大。航速对垂荡与纵摇运动的影响如图：15.第三章第三章 船舶在不船舶在不规则规则波中的波中的摇荡摇荡 4.2 船舶在不船舶在不规则规则波中的垂波中的垂荡荡和和纵摇纵摇16.船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇1。船舶在不。船舶在不规则迎浪中的垂迎浪中的垂荡与与纵摇其中：其中：垂垂荡运运动谱 纵摇运运动谱17.1 1。船舶在不。船舶在不规则规则迎浪中的垂迎浪中的垂荡荡与与纵摇纵摇18.例题已知:1/3=4m；V=6.37M/S 由模型试验迎浪纵摇频率响应函数，求：试用ITTC单参数谱计算纵摇角统计值。海浪谱遭遇频率频率响应函数纵摇运动谱19.纵摇角统计值计算纵摇角统计值：三一纵摇角方差修正零阶矩二阶矩四阶矩十一纵摇角纵摇平均周期谱宽参数例题20.2。船舶在不。船舶在不规则迎浪中的迎浪中的纵摇特点特点a、不、不规则波中的船舶波中的船舶纵摇平均周期平均周期 由于由于纵摇阻尼比阻尼比较大，使大，使频率响率响应函数的峰函数的峰值不突出，在不突出，在较宽的的频率范率范围内平内平缓变化，同化，同时波浪波浪频率也是在一个率也是在一个较宽的的频率范率范围内内变化，船化，船的的纵摇响响应与波浪的各个与波浪的各个频率的率的单元波的大小分元波的大小分布有关。布有关。计算表明算表明：船舶在不船舶在不规则波中的波中的纵摇平均周期接平均周期接 近于不近于不规则波的平均周期。波的平均周期。船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇21.2。船舶在不。船舶在不规则迎浪中的迎浪中的纵摇特点特点b、船速、船速对纵摇的影响的影响船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇遭遇海浪谱纵摇频率响应函数22.2。船舶在不。船舶在不规则迎浪中的迎浪中的纵摇特点特点b、船速、船速对纵摇的影响的影响 条件如下：某船在条件如下：某船在8级风下，完全下，完全发展的波展的波浪中迎浪前浪中迎浪前进。航速。航速为0、18kn、36kn时该船的船的纵摇能能谱曲曲线如上如上所示，所示，该船船纵摇固有固有频率率为1.3s-1。船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇23.2。船舶在不。船舶在不规则迎浪中的迎浪中的纵摇特点特点b、船速、船速对纵摇的影响（的影响（续）船速船速为0时，曲，曲线的峰的峰值对应频率偏离率偏离纵摇的固有的固有频率率较远。原因是低。原因是低频波幅波幅较大，并非共大，并非共振原因。航速增大峰振原因。航速增大峰值移向中移向中频区，随着航速增区，随着航速增大其峰大其峰值趋向固有向固有频率。但是航速增大到一定程率。但是航速增大到一定程度，峰度，峰值变得越来越平坦且出得越来越平坦且出现在固有在固有频率更高率更高的地方，的地方，纵摇运运动又会减小。又会减小。结论：船舶在不船舶在不规则波浪中迎浪航行波浪中迎浪航行时，有一最，有一最佳速度范佳速度范围，使，使纵摇较小。小。船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇24.3.谐摇谐摇状状态态与与临临界状界状态态n当遭遇周期等于纵摇固有周期或垂荡固有周期将发生谐摇。n对于纵摇和垂荡，规则波对波浪扰动力的大小与波长、船长比有很大关系，而且航速影响也很显著。因此，纵向运动是随航速、波长船长比及调谐调谐因数因数（遭遇周期）而变化的。船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇25.船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇当波长一定时，随着航速增加：遭遇周期减小。当航速一定时，随着波长增加；遭遇周期增加。3.谐摇谐摇状状态态与与临临界状界状态态1。谐摇状状态船舶以航速 V 顶浪航行遭遇周期航速波长26.船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇3.谐摇谐摇状状态态与与临临界状界状态态2 2。影响。影响纵向运向运动的因素的因素 固有周期固有周期Te=TTe=TZ为谐振振 航速影响航速影响u 零速零速时，运，运动较小小频响的峰响的峰值偏向低偏向低频区域；区域；u V ,运运动增加，增加，频响峰响峰值向高向高频区移区移动 波波长/船船长=/L 影响影响大大1/L2.527./L是影响是影响纵摇的重要因素的重要因素。/L越小，越小，纵摇越越缓和。和。/L ，纵摇幅幅值不会太大，即不会太大，即使使发生生谐摇也是如此。也是如此。/L 1时，无，无论是否是否发生生谐摇，纵摇都是都是严重的。重的。航速越高，航速越高，纵摇越越严重重 调谐因数大于因数大于1.2，任何情况下，任何情况下纵摇幅幅值都不大。都不大。规则波中的纵摇试验分析例例28.规则波中的垂荡试验分析例例/L是重要因素是重要因素 固有周期相固有周期相对次要次要 航速高，运航速高，运动剧烈烈29.3.谐摇谐摇状状态态与与临临界状界状态态n当船以一定的航速在不规则波中顶浪前进时，根据叠加原理，它相当遭遇一系列波长变化的规则波的作用，这时有关谐摇的概念不再适用了。以下用临界状态说明迎浪航行于不规则波中船舶的摇荡情况。船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇30.n最大能量最大能量单单元波元波：对应谱对应谱密度曲密度曲线线峰点的峰点的单单元波，在不元波，在不规则规则波中波中含有最大的能量，称含有最大的能量，称为为最大能量最大能量单单元波元波 。最大能量最大能量 40 40 w/3w/3 n最大有最大有义单义单元波元波：波：波长长超超过过一定一定范范围围的波，它在整个的波，它在整个单单元波中占元波中占有很小的比例，所有波有很小的比例，所有波长长大于最大于最大有大有义单义单元波的能量占元波的能量占总总能量的能量的5%5%船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇最大有义 60 w/33.谐摇谐摇状状态态与与临临界状界状态态31.谱密度划分 (1)(1)主成分波主成分波 波波长长等于船等于船长长的的单单元波和最大能量元波和最大能量单单元波元波之之间间的的单单元波称元波称为为主成分波。它主成分波。它对纵对纵向运向运动动起起着主要的作用。着主要的作用。(2)(2)有有义义成分波成分波 波波长长等于等于3 34 4船船长长的的单单元波与最大有元波与最大有义义波波之之间间的的单单元被，称元被，称为为有有义义成分被。在有成分被。在有义义成成分波区分波区间间之外的之外的单单元波元波对对 船舶的船舶的纵纵向运向运动动不不产产生明生明显显的影响的影响船舶的船舶的纵纵向运向运动动即取界决于即取界决于风风浪能量的大小，也取浪能量的大小，也取决于决于规则规则波中波中顶顶浪航行浪航行时时的的风风浪浪谱谱密度与密度与频频率响率响应应函数之函数之间间的关系的关系船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇根据根据组成不成不规则波的各波的各单元波元波对纵向运向运动的作用，我的作用，我们对风浪浪谱密度作如下划分密度作如下划分32.以某一航速航行的船舶，当以某一航速航行的船舶，当谐摇谐摇波波长长小于小于3 34 4船船长时长时，则则定定义该义该船舶船舶处处于于亚临亚临界区。界区。为了扩大亚临界区域的范围，应减小纵摇和垂荡的固有周期。(1)亚临界区域界区域船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇33.当船舶的谐摇波长位于成分波区间时，这时波浪给予船舶较多的能量、因而产生激烈的运动，称为临界区域 在在临界区域内，船舶的界区域内，船舶的纵摇和垂和垂荡都是十分都是十分严重的，甚至出重的，甚至出现严重的砰重的砰击和上浪，使和上浪，使驾驶者不得不被迫减速。者不得不被迫减速。对于快速船有砰于快速船有砰击限制航速和上浪限制航速，限制航速和上浪限制航速，艘新艘新设计的船，耍的船，耍选择适当的干舷高度，使适当的干舷高度，使临界区域内的上浪限制航速大于砰界区域内的上浪限制航速大于砰击限制航速。限制航速。一般一般说来，砰来，砰击是决定是决定风浪中快速船舶速度的主要因素。浪中快速船舶速度的主要因素。(2)临界区域界区域船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇34.(2)临临界区域界区域n所有的船舶都有可能处在临界状态，产生严重的纵向运动。n为了改善临界区域的纵摇特性，增加阻尼是一项重要的措施。例如采用V型剖面、方尾、减纵摇鳍等都可以提供较大的纵摇阻尼，改善纵摇性能。船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇35.当当谐摇谐摇波波长长大于大于最大有最大有义义时时，称，称为为超超临临界区域，超界区域，超临临界界区域相当中速区域相当中速货货船在微小波中航行，或者快艇船在微小波中航行，或者快艇顶顶着小等海着小等海浪的航行情况，船舶浪的航行情况，船舶纵纵向运向运动动十分十分缓缓和。和。在一般情况下，难以提供足够的航速，使船舶达到超临界区域。(3)超超临界区域界区域船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇36.介于介于亚临界区域与界区域与临界区域之界区域之间称称为亚临界界过渡区域渡区域介于介于临界区域与超界区域与超临界区域之界区域之间称称为超超临界界过渡区域渡区域(4).过渡区域船舶在不船舶在不规则波中的垂波中的垂荡与与纵摇临界状态与航速关系37.某万吨某万吨级货级货船，船船，船长长L=143.16mL=143.16m，纵摇纵摇和垂和垂荡荡的固有周期的固有周期为为 以航速以航速v=17kn=8.74m/s v=17kn=8.74m/s，在在 三一平均波高三一平均波高w/3 w/3=4 m 4 m 的的风风浪中迎浪航行，浪中迎浪航行，试试判断其判断其临临界状界状态态。例题解解:已知已知:=145m最大能量最大能量 40 w/3=160m;主成分波区主成分波区间 143.16160m 最大有最大有义有有义成分波区成分波区间:110240 m 故故:船舶在船舶在临界区域航行界区域航行,纵摇是是严重的。重的。如果如果航速降航速降为10kn,则谐摇波长=111m;最大有最大有义 60 w/3=240 m谐摇波波长船舶船舶处于于亚临界区域航行界区域航行 如果是船舶在超如果是船舶在超临界区域航行界区域航行,将将=240m,TZ=T=6.1 S 代入代入=20m/s=39kn则进入超入超临界区的航速界区的航速一般一般货船船难以以达到达到这样的高速的高速v=17kn=8.74m/s38.第四章第四章4.3 船舶垂荡和纵摇的水动力系数39.船舶在静水中的垂荡和纵摇前提假定垂荡与纵摇是微幅的产生阻尼为线性兴波阻尼40.船舶垂荡和纵摇的水动力系数 -船舶在静水中垂荡运动1。受力分析其中：41.-船舶在静水中垂荡运动2。求解垂荡运动方程整理船舶垂荡和纵摇的水动力系数42.一、船舶在静水中垂荡运动2。求解垂荡运动方程解得：其中：船舶垂荡和纵摇的水动力系数43.3。垂荡固有周期的近似计算一、船舶在静水中垂荡运动 由于垂荡运动阻尼较大，不能把静水有阻尼垂荡周期近似为垂荡固有周期。近似认为：船舶垂荡和纵摇的水动力系数44.-船舶在静水中纵摇运动1。受力分析其中：船舶垂荡和纵摇的水动力系数45.2。求解纵摇运动方程 -船舶在静水中纵摇运动整理其中：船舶垂荡和纵摇的水动力系数46.纵摇自由衰减曲线47.2。求解纵摇运动方程 -船舶在静水中纵摇运动解得：其中：船舶垂荡和纵摇的水动力系数48.-船舶在静水中纵摇运动3。纵摇固有周期的计算近似计算：结论：船舶在静水中垂荡运动和纵摇运动的固有周期很接近。船舶垂荡和纵摇的水动力系数定义式：49.-惯惯性矩性矩船舶垂荡和纵摇的水动力系数50.4.4 航向航向、航速航速对对船舶船舶摇荡摇荡运运动动的影的影响响第四章第四章 船舶船舶纵摇与垂与垂荡51.Encounter Frequency遭遇频率概念CrestVVWave directionV=遭遇频率=波浪频率V =船速=浪向角4.4 航向、航速航向、航速对船舶船舶摇荡的影响的影响迎浪顺浪尾横浪正横浪52.一、航速、航向对波浪干扰力（矩）频率的影响航向、航速对船舶摇荡的影响53.航向、航速对船舶横荡的影响一、航速、航向对波浪干扰力（矩）频率的影响1。斜浪中的遭遇周期：2。航速、航向改变了遭遇周期，影响摇荡。作用于船上的周期不是波的真实周期而应该是遭遇周期。54.一、航速、航向对波浪干扰力（矩）频率的影响遭遇周期无限大，船舶长期静止在波浪上。航向、航速对船舶横荡的影响3.对纵摇和垂荡的影响 实际波浪周期大多都大于船的纵摇和垂荡固有周期。顺浪则增 大 波 的 遭 遇 周 期，而纵 摇和 垂荡不 太 大 迎浪时可能产生共振，因此要考虑在迎浪时控制好航速避免共振。9055.二、航向角对波浪干扰力（矩）大小的影响1。对垂荡和纵摇的影响。如图所示，存在浪向角，通过船纵剖面的波长为：指出：在计算波浪扰动力时必须用1代替真实波长。但是史密斯修正仍使用值。航向、航速对船舶横荡的影响56.二、航向角对波浪干扰力（矩）大小的影响2。对横摇运动的影响。如图所示，存在浪向角，通过船横剖面的波长为：最大波倾角：指出：计算横摇干扰力时用最大波倾角代替真实波倾角。航向、航速对船舶横摇的影响57.二、航速、航向对波浪干扰力（矩）频率的影响2。对横摇运动的影响。将横浪中的放大因数用于斜浪中的计算，必须满足：（1）（2）由上可知，斜浪中线性放大因数如下所示：航向、航速对船舶横摇的影响58.使船舶产生谐摇的航速和遭遇浪向的配合斜浪横摇共振条件例题59.思考思考题题1.何何谓谓史密斯效史密斯效应应？2.在求横在求横摇摇波浪波浪扰动扰动力中力中为为什么要什么要引入有引入有 效波效波倾倾的概念？的概念？3.如何如何设设法避开船舶在波浪中的共法避开船舶在波浪中的共振？振？4.为为什么在求垂什么在求垂荡荡和和纵摇扰动纵摇扰动力和力和力矩中要考力矩中要考虑虑波浪的波浪的纵纵向形状？向形状？60.