不同航态下船舶运动规律仿真研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第１期　舰船科学技术　Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．１　２００６年２月　ＳＨＩＰ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｆｅｂ．，２００６　文章编号：１６７２—７６４９（２００６）０１—００３２—０５　不同航态下船舶运动规律仿真研究　马　洁　，韩蕴韬　，李国斌　（１　北京机械ｘ－，＿ｌｋ学院计算机及自动化系，北京１０００８５；２．哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨１５０００１；　３．中国船舶重工集团公司，北京１００８６１）　摘　要：　主要根据波浪叠加理论，采用ＩＴＴＣ单参数标准海浪谱对随机海浪作用下船舶线性横摇、纵摇运动进　行建模和仿真研究，探讨不同船型、各种航态（不同海况、不同航速、不同航向）下船舶横摇和纵摇运动规律，为进一步　研究船舶的减摇预报与控制打下基础。　关键词：　不同航态；船舶横摇；纵摇运动；建模和仿真　中图分类号：　Ｕ６６１．３２；ＴＰ３９１．９　文献标识码：　Ａ　Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　ａ　ｓｈｉｐ’ｓ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｓａｉｌｉｎｇ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ　ＭＡ　Ｊｉｅ　一，ＨＡＮ　Ｙｕｎ—ｔａｏ　，ＬＩ　Ｇｕｏ．　ｂｉｎ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００８５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈａｒｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｃｈｉｎａ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｙｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　００８６　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｐｐｌｉｅｓ　ＩＴＴＣ　ｓｉｎｇｌｅ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｃｅａｎ　ｗａｖｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｒｏｌ１．　ｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｉｔｃｈｉｎｇ　ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｈｉｐｓ　ｕｎｄｅｒ　ｒａｎｄｏｍ　ｏｃｅａｎ　ｗａｖｅｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｉｔ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｈｉｐ　ｔｙｐｅｓ　ａｎｄ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｓａｉｌｉｎｇ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｓｈｉｐ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｓｈｉｐ　ｓｐｅｅｄ，ａｎｄ　ｓｅａ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐｓ’ｒｏｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｉｔｃｈｉｎｇ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ａ　ｇｏｏｄ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｂｒｉｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ａｎｔｉ—ｒｏｌｌｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｅｘｔ　ｓｔｅｐ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｖａｒｉｏｕｓ　ｓａｉｌｉｎｇ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ；ｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ；ｐｉｔｃｈｉｎｇ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ａｎａ１．　ｙｓｉｓ　０　弓ｌ　言　先，必须对船舶在不同船型、　航态（不同海况、不　同航速、不同航向）下呈现出的运动规律进行研究。　船舶在波浪中受到风、浪和流的作用产生六个自　本文根据波浪叠加理论，采用ＩＴＴＣ单参数标准海浪　由度的运动，即横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡、垂荡。　谱对随机海浪作用下的船舶线性横摇、纵摇运动进行　在恶劣海况下，横摇和纵摇对船舶运动的影响最大。　建模和仿真研究，得到了船舶运动规律若干结论。　激烈横摇导致船舶海损甚至倾覆沉没的事故时有发　生。为了抑制横摇，船舶上通常都装有减横摇装置，　１　船舶摇荡运动的建模与仿真　如舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱等，即通过采用不同的减　１．１　波倾角仿真　摇控制策略来提高船舶的适航性，但对于纵摇目前还　在研究船舶运动时，需要研究反映波浪扰动力矩　没有有效的抑制方法，通常是应用预报技术使船舶避　的波倾角信号。　开危险时段，减少事故的发生。　随机海浪作用于船舶的横摇有效波倾角实用仿　为了进一步研究船舶的减摇预报与控制技术，首　真模型为　收稿日期：２００５—１１—１０　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　马　洁，等：不同航态下船舶运动规律仿真研究　・３３・　％（‘）＝∑ＯｌＯｅｉ（‘）＝　［　］＝【一０ｎ。　一ｌｎ　］【：　】＋【　］“，　１。　“。　（妻ｉ詈　＝１。ｓ（　＋８　））Ｋｅｓｉ　。　（１）　随机海浪作用下，船舶的纵摇有效波倾角实用仿　真模型为　扯（ｆ）＝∑　州（ｆ）＝　（至ｉ＝１警２　。ｓ（　＋８　））　ｓｉ　。　（２）　１．２船舶横摇运动模型与仿真　如果船舶的横摇运动角度较小，则可以应用线性　横摇理论来分析船舶的横摇运动。按照牛顿第二定　律，用船舶横摇过程中的某一瞬时位置来分析船体的　受力情况，如图１，在建立横摇运动微分方程时，假定　重心Ｇ在载重水线面匕。　角加速度０，　为船舶质量绕Ｇｘ　轴的转动惯量，△　为船舶横摇附加转动惯量，Ｎ　为船舶横摇阻尼系数，　力矩。按照Ｃｏｎｏｌｌｙ理论，则有船体线性横摇运动微　分方程：　露．　．（Ｊ。＋ＡＪ　）０（ｔ）＋２Ｎ　０（ｔ）＋ＤｈＯ（ｔ）＝Ｍ　，　Ｍ口＝ＡＪ　＋２Ｎ口　＋Ｄｈａ　。　：　：　，㈩　式中：∞　为船舶的横摇固有角频率，∞２　＝　；　。为船舶的横摇阻尼因子，　＝　。　由式（３）传递函数，只要知道海浪的横摇波倾角　。　（ｔ）函数式（１），即可求得船舶运动的横摇运动横　摇角０（ｔ）及其横摇运动曲线。由式（３）传递函数，可　得到船舶线性横摇运动系统状态方程和输出方程为　式中：　，　为状态变量；输入信号为Ｕ＝　（ｔ）；输出　信粤为Ｙ＝　（￡）；　口２＝１，　口Ｉ　＝２　∞　，口０＝∞：；　６Ｉ＝２　∞　，６：＝—ｔｏ　￣６。＝∞２　ｏＡＪｏ，；　：＝６：＝　Ｄｈ；　卢　＝　：　・一　）；　＿００　＿０１　∞：一　∞：（１一　Ｄｈ　１１一∞：　。　利用上述船舶横摇模型，将海浪仿真输出　（ｔ）　作为输入，求解上述状态方程和输出方程，便可得到　船舶的楷挥信号　佰直的程序框图如图２所示　输入有关参数：船长、船宽　吃水、排水、　航速、航向、海况仿真频段、额率增量等　求各仿真频段谐波波倾角的初相角　求遭遇频率和备仿真频段的波谱　求船舶海上航行的遭遇波倾角　求解船舶横摇运动状态方程和　输出方程得到船舶横摇运动信号　结　束　图２船舶的横摇运动仿真程序框图　根据图２船舶横摇运动仿真框图，应用ＭＡＴＬＡＢ　软件进行编程仿真，即可求得不同海况、船型、航速、　航向角下的横摇运动仿真曲线。　１．３船舶纵摇运动模型与仿真　与建立船舶横摇模型的分析方法相类似，用船舶　纵摇过程中某一瞬间位置来分析船体的受力情况，如　图３所示。　图３船舶的纵摇运动受力分析　维普资讯 http://www.cqvip.com ・３４・　舰船科学技术　第２８卷　２　１　５　１　０．５　Ｏ　（Ｊ　＋ＡＪ　）咖（ｔ）＋２Ｎ　咖（ｔ）＋Ｄ＾咖（ｔ）＝Ｍ　，　Ｍ　＝ＡＪ　＋２Ｎ　ｉｘ如＋Ｄｈａ如。　一０．５　—１　～式中：Ｊ　为船舶的纵摇转动惯量；ＡＪ　为船舶的纵摇　１．５　－性中心高；Ⅳ　为船舶的纵摇阻尼系数；Ｍ　为船舶的　：等　：　输入信号为“＝Ｏｌ　（ｔ），输出信号为Ｙ＝咖（ｔ）。　１　２　５　２　高海情下船舶运动规律研究　舶和小型船舶在高海情下的不同表现。通过长峰波　作用在船上的横摇力矩进行分析，对其在高海情（５　×１　ｎ４　扫　＿４　４＿●　　Ｌ　０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　时间／ｓ　图４　５级海情。小船。航速１８　ｋｎ。遭遇角３Ｏ。横摇力矩　２　０　ｔ００　２００　３００　４００　５００　６００　时问／ｓ　图５　５级海情，小船，航速１８　ｋｎ，遭遇角９Ｏ。横摇力矩　×１０　一　一　一　０　０　一　５　０　５　１　０　１００　劬　２００　３００　拍　４００　５００　砷　蚰　６００　∞　∞　时间／ｓ∞　　０　∞　∞　∞　图６　５级海情，小船，航速１８　ｋｎ，遭遇角１２０。横摇力矩　ＩＩＪＪＩＩｉ　Ｉ山．　ＩＪＩｌＪＩＪＩ‘“　Ｉ１－Ｊｊ　．　山ＩＩｌＩ　ＪＪ，ｔｌｂ　Ｉ９呷『『Ｉ『　门ｌ１Ｔ＂　Ｈ　Ｉ’－１ｆ　－　１１ｌ＿１Ｉｌ　＂　Ｕ　ｌＵＵ　２ＯＯ　ｊＬＨ】４００　５００　６００　时间／ｓ　图７　５级海情，小船，航速１８　ｋｎ，遭遇角１６５。横摇力矩　（２）顶浪和首斜浪之间区域（０。一４５。）为纵摇、　垂荡运动幅值最大区域，如图８—１１所示。　（３）横浪和尾斜浪之问区域（９０。～１４５。）为横摇　运动幅值最大区域，如图１２—１５所示。　（４）纵摇角速度和横摇角速度的变化规律与纵　摇和横摇运动趋势相同。即前者在顶浪和首斜浪之　２５　２０　１５　蠢１０　Ｉ．　ｒ＿Ｔ　５　梁　皂　Ｏ　５　１Ｏ　幽　　。Ｉ　１　一１５　｛　０　１ＯＯ　２００　３００　４００　５００　６００　时问／ｓ　图８　５级海况，小船，航速１８　ｋｎ，遭遇角Ｏ。纵摇角　１　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　马　洁，等：不同航态下船舶运动规律仿真研究　・３５・　２　２，　一　５　０　５　Ｏ　５　Ｏ　５　０　５　０　５　Ｉ　ｆ　Ｉ蝴　　Ｊ　１　０　１００　２００　３ｏｏ　４０Ｏ　５００　６００　时间／ｓ　图９　５级海况，小船，航速１８　ｋｎ，遭遇角１５。纵摇角　２５　２Ｏ　１５　１０　垂　５　磊０　舭Ｉ　．Ｉ　５　ｌ　ＷＷ　１　～１０　１　—１５　０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　时间／ｓ　图１Ｏ　５级海况，小船，航速１８　ｋｎ，遭遇角３Ｏ。纵摇角　时问／ｓ　图１１　５级海况，小船，航速１８　ｋｎ，遭遇角４５。纵摇角　２Ｏ　１５　１Ｏ　●　…Ｊ　＿．　１…　．　．－．一　：　嚣　蜒０　差一ｓ　１０　…　叫　嘲１　－●　　＝…＝　＝　ｆ：　　—１５　—２０　０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　时间／ｓ　图ｌ２　５级海情，小船，航速１８　ｋｎ，遭遇角９Ｏ。横摇角　间区域（０。一４５。）为幅值最大区域；后者在横浪和尾　斜浪之间区域（９０。～１４５。）为幅值最大区域。　２．２不同航速与船舶摇摆的关系　在相同有义波高、相同遭遇角条件下，作用在船　舶上的海浪横摇力矩随航速的增大而减小，如图１６　ｌ９昕示　１５　１０　船　５　蟪　０　舞　韶一５　惭　．Ｉ　＿　懈　裥　嘲　４　—１０　－１５　０　１００　２００　３００　４００　５ｏｏ　６Ｏ０　时间／ｓ　图１３　５级海情，小船。航速１８　ｋｎ，遭遇角１０５。横摇角　８　６　４　蜒０　耋一　一４　—６　—８　０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　时间／ｓ　图１４　５级海情，小船，航速ｌ８　ｋｎ，遭遇角１２０。横摇角　３　２　啦！　鞋　０　翠　察一１　２　—３　０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　时间／ｓ　图１５　５级海情，小船，航速１８　ｋｎ，遭遇角１５０。横摇角　蓁Ｉ÷蜘　一＇Ｌ一一一Ｊ…Ｉ—Ｊ　ｉ．Ｊ　０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　２．３不同海情与船舶摇摆的关系　在相同航速、相同遭遇角条件下，作用在船舶上　的海浪横摇力矩随有义波高的不同而不同。有义波　高越大横摇力矩也越大，如图２Ｏ～２３所示。　２．４不同船型与船舶摇摆的关系　船舶的质量越大（即排水量增大），摇摆周期就　会增长，摆幅也就会减小，这是众所周知的客观规律。　维普资讯 http://www.cqvip.com ・３６・　×：ｔＯ　舰船科学技术　０　×１０６　第２８卷　担　雅　４　３　２。０　６　５　４　３　２　１　０长　难　Ｌｌ　＾　帮　撰　囊　；　×１０‘　担　豫　帮　毒　囊　０　ｔ：ＯＯ　２００　３００　４００　５００　６ｏ０　时问／ｓ　图１８　６级海况，大船，航速２４　ｋｎ，遭遇角３Ｏ。横摇力矩　×１０‘　３　２　耋　萎。　羹一　－－＿●　耋一ｚ　一３　—４　０　ｌｏｏ　２００　３００　４００　５００　６００　时间／ｓ　图１９　６级海况，大船，航速３Ｏ　ｋｎ，遭遇角３Ｏ。横摇力矩　×ｌ０６　Ｉ．　ｌ　吲卿　融　表１是一些船舶摇摆周期的统计数值，由此可以看出　这一规律。　袭１　船舶摇摆周期的统计数值　排水量／ｔ　Ｔ　Ｂ，ｓ　５００　１　０００　６～９　ｌ　０００—５　０００　９　ｌ３　５　０００—１０　０００　１３～１５　１０　０００—３Ｏ　０００　１６～２Ｏ　３０　０００—５Ｏ　０００　２０—２８３　ｓ　４　３　２　１　羹。　Ｈ　　『舢　ｌ１Ｈ　６　Ｉ　矾　撰一１　赢一２　—３　ｒ…　…　…ｒ…‘　…’１　耋４…．Ｉ　　专…　０…　…Ｊ　５　×１０６　４　３　婺ｚ　１　裴０　疆一１　碓一２　—３　＂－４　０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　时闻＾　图２３　５级海情，大船。航速１８　ｋｎ，遭遇角１５０。横摇力矩　３　结　语　●　本文对大、小型船舶在高海情下、不同航速、不同　航向的横摇角、横摇力矩、纵摇角和纵摇力矩进行仿　真研究，得到了船舶运动规律若干结论，这些结论完　全符合船舶耐波性理论。根据船舶运动规律，就可以　针对不同航态，采取不同的预报或减摇策略，从而达　到船舶适航性要求。　参考文献：　［１］　朱军，舰船静力学［Ｍ］．长沙：国防科技大学出版社，２００２．　［２］　盛振邦，刘应中．船舶原理（上、下册）［Ｍ］．上海：上海　交通大学出版社，２００３．　［３］　李积德．船舶耐波性［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院　出版社，１９９２．　［４］　盛骤，驸式千，潘承毅．概率论与数理统计（第二版）　［Ｍ］．北京：高等教育出版社。１９８９．　作者简介：　马洁（１９６５一），女，副教授，在职博士生，主要研　究方向为非绒性系统的预报与控制。