基于非线性力学分叉分析和时域数值模拟的船舶随浪中骑浪横甩发生机理研究

Ship surf-riding and broaching in following and quartering seas are very important stability failure mode with strong nonlinearity and high possibility of capsizing. Nowadays model experiment, nonlinear dynamic analysis and time domain numerical simulation are three major methods on surf-riding and broaching research. However, the model used in nonlinear dynamic analysis is still lack of accuracy. Meanwhile it’s necessary to take more factors into account in the time domain numerical model. .In this research, the method combining nonlinear dynamic theories and time domain numerical simulation techniques is proposed to reveal the mechanism of surf-riding and broaching.Firstly, a 6-DOF nonlinear numerical model for the simulation of surf-riding and broaching in quartering seas is proposed. The model is used for simulating ship stable surf-riding, broaching after surf-riding, capsizing and periodic motions. Then, the models for nonlinear dynamic analysis is simplified from the 6-DOF nonlinear numerical model considering the influence of surge force in wave, rudder and propeller emersion and seakeeping motion.Through nonlinear dynamic analysis, the boundaries between periodic motion and surf-riding and broaching can be predicted. Meanwhile model experiments including captive model tests and free running tests in following and quartering seas are conducted to improve and validate the numerical model. This research builds a solid foundation for the research on surf-riding and broaching criteria and benefits the design of high speed ship.

船舶在尾追浪下的骑浪横甩运动是一种重要的波浪中完整稳性失效模式，是造成船舶倾覆的重要原因。目前对骑浪横甩的研究分为实验研究、非线性力学分叉研究和时域数值模拟研究三种，而非线性力学分析系统模型的不准确性和当前时域数值模型中考虑因素不足是当前骑浪横甩研究面临的主要难点。 本课题采用非线性力学分析和时域数值模拟相结合的方法，揭示骑浪横甩运动发生机理。首先建立适用于尾随浪下骑浪横甩运动模拟的六自由度非线性时域数值模型并进行数值模拟；然后通过分析纵荡力变化、桨舵出水和耐波性运动等因素的影响范围，对模型进行简化，得到相应的非线性力学模型，对骑浪横甩的发生界限进行预报，最终建立基于非线性力学分叉分析和时域数值模拟相结合的骑浪横甩发生界限分步骤界定方法。同时开展约束模和自航模实验研究，对上述模型和方法进行验证。本研究全面深入探索骑浪横甩运动发生和造成倾覆的机理，为骑浪横甩衡准研究及高速船安全设计奠定基础。

船舶在尾随浪下的骑浪横甩运动是一种重要的波浪中完整稳性失效模式，是造成船舶倾覆的重要原因。目前对骑浪横甩的研究分为实验研究、非线性力学分叉研究和时域数值模拟研究三种，而非线性力学分析系统模型的不准确性和当前时域数值模型中考虑因素不足是当前骑浪横甩研究面临的主要难点。本课题采用非线性力学分析和时域数值模拟相结合的方法，结合实验研究，将前期开发的六自由度非线性船舶运动数值模型进行了改进，加入了舵出水、波浪中螺旋桨推力变化、纵荡力绕射修正和波浪增阻等计算模块，分析了各因素对骑浪横甩的影响；开发了适用于IMO新一代完整稳性规范指南的骑浪横甩直接计算软件一套，对若干船舶开展了长峰不规则波中的骑浪横甩发生概率预报和统计分析工作；基于时域数值模型、通过简化形成骑浪横甩的非线性力学模型，通过对这些模型的分析，明确运动系统中各奇点的性态，探讨了骑浪与横甩运动发生与系统异宿分叉点之间的内在联系，计算了不同条件下骑浪与横甩运动的界限；开展了随浪下的自航模实验，确定不同波长、航速和浪向角下骑浪横甩运动发生的界限，分析其发生机理，验证了数值模型的有效性；与合作单位中国船舶工业集团公司第七〇八研究所合作，向IMO提出了修正的波浪纵荡力预报模型。本研究全面深入探索骑浪横甩运动发生和造成倾覆的机理，并进一步确定其发生的界限，为更加科学合理的制定骑浪横甩衡准规范提供了坚实的理论基础。