斜浪中船舶运动动力特性及倾覆机理研究

船舶在斜浪中航行时，外部施加的波浪力、风力等强迫扰动力矩和船舶自身横摇回复力矩系数波动这一参数激励往往联合作用于船舶的横摇运动，在横摇运动主共振区附近，各自由度之间都存在强烈的耦合效应。为了确定船舶在风浪中最安全的航速和航向，设计出性能更优良的船型，有必要综合考虑操纵性和耐波性，研究斜浪中的船舶在多种航速和航向组合时，在参数激励和强迫激励联合作用下的横摇运动及其稳定性。对此，拟采用刚体动力学和流体力学方法建立船舶六自由度耦合运动方程，数值求解六自由度耦合运动方程，分析波浪参数对船舶运动及横摇稳性的影响，采用非线性动力学理论分析规则斜浪中船舶非线性横摇运动的分岔和混沌现象，确定运动的稳定域；将数值计算结果、理论分析结果与模型试验结果进行比较分析。该研究可揭示船舶在斜浪航行时，发生大幅横摇和倾覆的力学机理。

本项目研究了斜浪中船舶的运动特性及倾覆机理，完成了申请时所提出的研究任务。在数值仿真方面：综合考虑操纵性和耐波性，建立了船舶六自由度耦合运动方程；横摇、纵摇和垂荡运动的回复力（力矩）根据瞬时船、波相对位置积分求解；分别编制了数值求解六自由度和三自由度（横摇、纵摇、垂荡）耦合运动的软件，输入船体型线、重量重心、波浪参数、螺旋桨和舵参数、航向航速等即可求解出六自由度或三自由度耦合运动时历。在实验研究方面：本项目于2012年3月，在中国船舶研究中心开展了斜浪中船模摇摆运动实验，这也是国内外首次开展的斜浪中参数激励横摇实验研究；实验发现，在斜浪中也会发生大幅参数激励横摇运动；实验结果与数值模拟结果对比发现，考虑船、波瞬时相对位置对回复力（力矩）的影响得到的结果与实验结果吻合较好，反之则与实验结果相差很大。在进行耦合运动数值仿真时，发现初始的船、波相对位置，对数值计算的稳定横摇幅值影响较大。实验值一般比较接近数值计算的最大值。由于经费所限，未对这一影响因素进行深入的实验研究。在理论分析方面：根据数值方法拟合出横摇回复力的表达式，采用多尺度方法求解出运动微分方程的近似解析解，分析了解的稳定性；根据floquent理论求解出参强激励横摇运动的稳定域，并分析了系统运动的分岔；结果显示，解析解与数值解和实验结果吻合较好。在数值仿真、实验研究、理论分析的基础上，采用安全盆理论，分析了船舶初始横摇角和横摇角速度对横摇运动的影响。发现与线性耦合运动相比，考虑回复力非线性耦合的系统，安全盆的形状基本没有变化，但是后者的稳定运动幅值比前者要大很多，更接近实验结果。此外，本项目还分析了船舶的航速、航向、波高、波长对船舶运动的影响。发现当遭遇频率接近船舶横摇固有频率时，横浪和斜浪中都会发生比较大幅的横摇，横摇运动频率等于遭遇频率；当遭遇频率接近横摇固有频率的两倍时，纵浪和斜浪中可能发生大幅的参数激励横摇运动，此时横摇频率等于遭遇频率的1/2；当波高增大时，参数激励横摇幅值可能呈现先增大后减小的趋势；当相对波长和船长接近时，更易引发斜浪中的参数激励横摇运动。因实验是在2012年4月份完成，因此已发表的论文均为数值模拟研究的成果。共发表了3篇国际会议论文；5篇国内会议论文；一篇被《船舶力学》录用。关于实验研究和理论分析成果有4篇论文在审。此外，完成一套船舶全浪向非线性耦合运动仿真软件的编制。