船舶操纵性与耐波性 第二篇 船舶耐波性邱磊 qiu-lei01@船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件第十章 船舶耐波性绪论10.1 研究的内容和目 的 10.2 研究的方法船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件海况(expected sea states)船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件砰击(slamming)船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件甲板上浪(deck wetness, green water)船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件适航性耐波性摇荡运动砰击上浪（埋首 ）失速螺旋桨飞车波浪失速 、主动失 速纵摇、垂荡风浪中的稳性波浪弯矩（强度）疲劳（耐久性）船舶耐波性绪论船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件 耐波性——船舶在风浪中遭受外力干扰所产生 的各种摇荡运动及砰击、上浪、失速和螺旋桨 飞车的情况下，仍然能保持一定航速，在水面 安全航行的性能适航性——船舶有足够的耐波性，在稳性、船 体结构、各种设备以及燃料给养等方面符合航 行法规要求，保持安全航行的性能船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件坐标系v1.空间固定坐标系O1 § 它是固定在地球上的直角坐标系，在O1平面与 静水面重合,O1 轴铅垂向上为正，见图10-1，该 坐标系用来描述海浪。
图10- 1船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件坐标系v2.动坐标系Gxbybzb § 或称联船坐标系，它是以船舶重心G 为原点固定于 船体上的右手直角坐标系，如图10-2 所示 § 为了研究问题方便，在平衡状态，假定重心G 在静 水面上， xb 轴在中线面内，平行于基面，指向船 首为正xb 、yb 和zb 轴可近似认为是船体三个惯性 主轴图10-2船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件坐标系v3. 坐标系Oxyz § 以船速V随船一起运动，但不随船转动的直角坐标 系，见图10-1 Oxy 平面位于静水面上，Ox 正向 与航速V同向在平衡状态，坐标系原点O 与运动 坐标系原点G重合图10-1船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件坐标系v3. 坐标系Oxyz§ 该坐标系用来描述 六自由度摇荡运动 船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件v船舶的6种摇荡运动(如图10-3 所示) 船舶任意时刻的运动可以分解为船舶重心G § 沿Ox轴的直线运动称为纵荡(surge)，以x(t)表示; § 沿Oy 轴的直线运动称为横荡(sway)，以y(t)表示; § 沿Oz 轴的直线运动称为垂荡(heave)，以z(t)表示; § 船体绕Gxb 轴的转动称为横摇(roll)，以θ(t) 表示; § 绕Gyb 轴的转动称为纵摇(pitch)，以(t) 表示; § 绕Gzb轴的转动称为首摇(yaw)，以(t)表示。
v六种运动中，由于横摇、纵摇和垂荡对船舶航行性能 影响最大，是我们研究的主要对象船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件耐波性对航行性能的影响v1.对舒适性的影响 § 乘员的工作能力受两种运动特性的影响，即加速度和横摇 幅值 § 加速度引起人们晕船人的前庭系统，特别是内耳腔对线 加速度和角加速度特别敏感，超过一定的剌激就要引起晕 船图10-4 是由实测得到的某些船的基本关系一般说来 ，发生晕船的可能性随加速度增加而增加最大的加速度 发生在船尾或船首，主要是纵摇和垂荡产生的某些渔船 在激烈的海面上船首加速度可达到1个重力加速度一般当 加速度超过重力加速度的0.2倍时，晕船就加剧了 § 横摇角影响人的运动能力，大致可以分为三个区域:在0-4· 范围内对人的活动没有影响;在4-10·范围内使人的运动能力 明显下降;10· 以上使乘员吃饭、睡觉及在船上走动都发生 困难船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件耐波性对航行性能的影响§ 船员利用船上的全部设备，在预定的海洋条件下完成其规定 使命的能力称为航行性激列的摇荡以及摇荡引起的其他性 能对航行使用性产生极为不利的影响 § 由于纵摇与垂荡，使船舶造成失速，主机功率得不到充分利 用。
严重的砰击使船首部的结构损坏，使船体发生颤振在 压载航行时，驾驶人员主动减速主要是避免首部的严重砰击 高速船在波涛汹涌海面上的航速常常是由砰击频度所决定 的，称为砰击限制航速 § 上浪使甲板机械损坏，船舶稳性下降，给船员造成恶劣的工 作条件满载船舶主动减速的重要原因是考虑上浪频度，称 为上浪降制航速 § 螺旋桨飞车使主轴受到极大的扭转振动，主机突然加速和减 速，使主机部件损坏，推进效率降低 § 过大的摇荡使披琅负荷加大，可能损坏船体结构，甚至断裂 § 大的波浪加上激烈的摇荡，给船舶操纵带来困难，使船舶难 于维持或改变航向船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件耐波性对航行性能的影响§ 当激烈的运动损坏了船舶的主要部件，如主机、螺旋桨、 舵和导航设备等后，船可能失去控制而造成惨重后果 § 大角度横摇可能使舱室进水，货物移动，由于这些原因造 成的海难事件是经常发生的 § 横摇降低了船舶的抗风能力，在风和浪的作用下，船舶出 现很大的动倾角故各国稳性规范规定，在计算最小倾覆 力矩时要考虑横摇的影响 v研究船舶耐波性的目的在于: § (1)了解船舶摇荡运动的规律及其影响因素; § (2) 掌握各种摇荡运动的预报方法; § (3) 寻找避免或减轻摇荡运动的方法。
船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件10-2 研究方法v 研究船舶耐波性的基本方法有两种:理论法和试验法 v 理论法 § 列出和解出各种不同形式的船舶在规则波上的运动微分方 程，根据方程的解来预报各种运动特性 § 船舶耐波性理论的发展 • 欧拉、泊桑等人关于船舶横摇的论文 • 傅汝德(Froude，1861年)的横摇理论，克雷洛夫(Krylov ，1896年)的纵摇理论，成为从19世纪末，直到本世纪40 年代关于船舶摇荡研究的理论基础 • 20世纪40年代起，哈斯金特(Haskind)开始应用流体动力 学中求解边值问题的方法，建立了船舶摇荡的流体动力 学理论差不多与此同时，海夫洛克(Havelock)、厄塞 尔(Ursell)和格里姆(Grim) 等人也进行了类似的工作船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件10-2 研究方法§ 船舶耐波性理论的发展 • 到20世纪50年代，船舶在波浪上运动的研究在两个方面 取得了突破性的进展 • 第一个进展是谱分析法的引入1953 年圣·丹尼斯 (St.Denis) 和皮尔逊(Pierson) 将处理噪声的理论应用 到船舶在不规则波中的运动中来，提出了不规则海浪中 船舶运动计算的理论方法。
该理论将船舶在不规则波浪 中运动的问题分成两个部分:一部分是研究船舶在规则波 中的运动问题;另一部分是研究船舶在不规则波中的预报 问题在这个突破性的发展基础上，船舶在规则波上运 动理论有了迅速的发展 • 第二个进展是切片理论在船舶摇荡问题中的应用1955 年科文一克劳科夫斯基(Korrin-Kroukovsky)提出了根据 切片理论计算船舶的垂荡与纵摇运动，成为理论计算船 舶纵向运动的起点船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件10-2 研究方法§ 船舶耐波性理论的发展 • 现在可以认为切片理论用于对垂荡和纵摇问题的计算在 实用上是有效的，误差不大目前已广泛采用此方法预 报船舶在波浪中的纵向运动特性 • 此外，也有人提出用切片理论来求斜波中船的横摇、横 荡和首摇但这方面的计算结果较之纵向运动的计算结 果距实用尚差距较大，因此有待于今后进一步研究 v试验法 § 试验有助于观察海浪和船舶运动现象，寻求内在的规律性 ，验证理论计算结果特别是在本学科范围 § 内尚存在许多目前理论上还不能解答或尚不能给出满意的 结果的问题，必须靠试验来解决例如船舶横摇阻尼系数 还只能靠试验来确定船海系：邱磊《船舶操纵性与耐波性》课件10-2 研究方法v 试验法 § 试验设备和技术也有重大的进展。
50 年代开始各国纷纷建 立耐波性试验研究的试验水池，其中著名的有，美国海军 舰船发展中心(DTNSRDC)的耐波性水池，荷三船模试验池 (NSMB) 的耐波性水池，我国702所的耐波性水池近代由 于近海工程的发展，这些水池又逐渐发展为与海洋工程结 构试验结合的大型试验室在建造试验池的同时，也发展 了有关的试验研究分析技术由于耐波性研究的是船舶的 运动状态，因此在测量分析技术上与一般的船模阻力推进 等试验不同，必须测量处理动态的量目前世界上一些重 要船模试验池差不多都发展了各种波浪上测试分析技术 v 此外，研究船舶耐波性还有经验方法它是经过多次统计观察 而总结起来的经验虽不完全可靠，但可作为研究船舶运动问 题时很有价值的参考资料。