[發(fā)明專利]一種船舶垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的快速預(yù)報(bào)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011116064.X
• 申請(qǐng)日: 2020-10-19
• 公開（公告）號(hào): CN112307419B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 焦甲龍;黃松興
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/13
• 分類號(hào): G06F17/13;G06F17/15
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 黃媛君

本發(fā)明公開了一種船舶垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的快速預(yù)報(bào)方法，包括如下步驟：獲得船舶在規(guī)則波中的垂蕩運(yùn)動(dòng)微分方程和縱搖運(yùn)動(dòng)微分方程，測(cè)量船舶的船型參數(shù)以及航行工況參數(shù)；根據(jù)垂蕩運(yùn)動(dòng)微分方程和縱搖運(yùn)動(dòng)微分方程，以及船型參數(shù)和工況參數(shù)，獲得船舶重心處垂蕩運(yùn)動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)、船舶縱搖運(yùn)動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，船舶任意橫剖面處的垂蕩運(yùn)動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)以及船舶任意橫剖面處的垂向加速度的頻率響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶垂向運(yùn)動(dòng)的快速預(yù)報(bào)。本發(fā)明的船舶垂向運(yùn)動(dòng)的快速預(yù)報(bào)方法，避免了船體幾何建模、水動(dòng)力網(wǎng)格劃分、水動(dòng)力計(jì)算分析等復(fù)雜步驟，大幅節(jié)省了計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源。本發(fā)明涉及船舶技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及船舶技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種船舶垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的快速預(yù)報(bào)方法。

背景技術(shù)

船舶在其整個(gè)壽命期內(nèi)都是在海上停泊或航行作業(yè)的，海面上70％以上時(shí)間都存在海浪，船舶大部分時(shí)間都是處于波浪的作用之中。在空間直角坐標(biāo)系中，船舶六自由度運(yùn)動(dòng)包括三個(gè)方向的平動(dòng)(縱蕩、橫蕩、垂蕩)和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)(橫搖、縱搖、艏搖)，其中縱搖和垂蕩對(duì)于船舶垂向運(yùn)動(dòng)性能的影響最大。

劇烈的船舶垂向運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致船舶的航行性能變差，并威脅船舶的安全性、設(shè)備的使用性和人員的適居性。例如，劇烈的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致船上人員和設(shè)備的工作能力下降，并可引起艏艉部砰擊和甲板上浪現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致總體或局部結(jié)構(gòu)損傷失效與破壞。劇烈的垂向運(yùn)動(dòng)也可引起船舶的波浪增阻與失速、螺旋槳飛車等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致主機(jī)工況惡化，并對(duì)船舶操縱性帶來(lái)困難甚至失控。因此，預(yù)報(bào)與評(píng)估船舶在波浪中的垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是十分重要的。

船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方法主要包括理論方法和試驗(yàn)方法，理論方法一般采用勢(shì)流理論或粘流理論。這些理論方法主要可分類為二維理論與三維理論、線性理論與非線性理論、頻域理論與時(shí)域理論、理想流體假設(shè)與粘性流體假設(shè)、剛體理論與彈性體理論等。采用上述理論方法雖可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，但是涉及到求解任意幾何形狀的船體與自由面及波浪相互作用等復(fù)雜問(wèn)題，具有計(jì)算方法復(fù)雜、計(jì)算工作量大、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。此外，在船舶概念設(shè)計(jì)階段，一般需要計(jì)算多個(gè)甚至大量備選船型的耐波性，且往往難以確定用于理論計(jì)算所需的全部船型參數(shù)和數(shù)據(jù)，這就使得常規(guī)的理論計(jì)算難以應(yīng)用于船舶的概念設(shè)計(jì)階段。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供了一種船舶垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的快速預(yù)報(bào)方法，僅根據(jù)船型和計(jì)算工況的基本參數(shù)，即可快速預(yù)報(bào)船舶的垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種船舶垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的快速預(yù)報(bào)方法，包括如下步驟：

獲得船舶在規(guī)則波中的垂蕩運(yùn)動(dòng)微分方程和縱搖運(yùn)動(dòng)微分方程，測(cè)量船舶的船型參數(shù)以及航行工況參數(shù)；

根據(jù)垂蕩運(yùn)動(dòng)微分方程和縱搖運(yùn)動(dòng)微分方程，以及船型參數(shù)和工況參數(shù)，獲得船舶重心處垂蕩運(yùn)動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)、船舶縱搖運(yùn)動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，船舶任意橫剖面處的垂蕩運(yùn)動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)以及船舶任意橫剖面處的垂向加速度的頻率響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶垂向運(yùn)動(dòng)的快速預(yù)報(bào)。

進(jìn)一步地，所述垂蕩運(yùn)動(dòng)微分方程和縱搖運(yùn)動(dòng)微分方程可分別表述為如下公式：

其中a為規(guī)則波波幅、k為波數(shù)、ω為波浪圓頻率、t為時(shí)間變量、A為阻尼系數(shù)、B＝B₀C_b，B₀為船舶型寬、C_b為船舶方形系數(shù)、T為船舶吃水、w為船舶重心位置處垂蕩、θ為船舶縱搖、F為波浪激勵(lì)力、G為波浪激勵(lì)力矩，波浪遭遇頻率ω_e的表達(dá)式為：

ω_e＝ω-kV cosβ＝αω (3)

其中V為船舶航速、β為浪向角，系數(shù)α可表達(dá)為：

其中L為船長(zhǎng)，傅汝德數(shù)Fn的計(jì)算公式為：