縱浪上船舶的動穩(wěn)性研究

曹　靜（長江水利委員會水文局,武漢　430010）

縱浪上船舶的動穩(wěn)性研究

曹靜
（長江水利委員會水文局,武漢430010）

摘要：船舶在正常的航行時如果遇到了大風(fēng)導(dǎo)致海浪過高的這種惡劣天氣，船舶會把航向調(diào)整，使其在縱浪或者斜浪的狀態(tài)上航行，避免船舶的橫向受到大面積的風(fēng)浪侵襲。船舶在波浪中的航行，穩(wěn)定性是受到多方面因素影響的。最主要的影響就是船舶航行的安全性，穩(wěn)定性不好的船舶往往會使人員造成傷亡、財產(chǎn)造成損失。目前我國對很多的船長都進(jìn)行了船舶動穩(wěn)性的調(diào)查，多數(shù)的船長都提出，大多數(shù)的船舶穩(wěn)定性事故都是由于駕駛?cè)藛T缺乏船舶縱浪行駛動穩(wěn)性的認(rèn)識，導(dǎo)致了最終事故的發(fā)生。研究船舶在縱浪上的動穩(wěn)性，可以提高船舶航行的安全系數(shù)，減少人員的傷亡和財產(chǎn)的損失。本文從船舶縱浪航行的動穩(wěn)性入手，研究出船舶的阻尼、波浪的中心頻率和隨機(jī)參數(shù)激勵幅值對船舶在縱浪上航行動穩(wěn)性的影響。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)縱浪；船舶橫搖；傾覆；動穩(wěn)性

船舶的動穩(wěn)性研究一直是船舶行業(yè)中重要而且復(fù)雜的問題。船舶動穩(wěn)性是船舶安全航行的基本保證，也是船舶在進(jìn)行檢驗的一個重要內(nèi)容。船舶在縱浪中航行時，船體始終處于波峰和波谷的交替段，隨著船體在水中時間的延長，船舶的動穩(wěn)性也隨時間而改變，由于船舶動穩(wěn)性經(jīng)過周期性的變化而促使橫搖運(yùn)動的產(chǎn)生，令船舶在縱浪中航行動穩(wěn)性失控和船舶傾覆。縱浪船舶參數(shù)激勵橫搖運(yùn)動的動穩(wěn)性，影響了船舶航行的安全性，大量學(xué)者都對這一問題做出了研究。

1　船舶在縱浪中發(fā)生參數(shù)激勵橫搖動穩(wěn)性的研究

縱浪航行是所有船舶最為常見的航行狀態(tài)，縱浪航行方法是根據(jù)傳統(tǒng)的線性理論，由于船舶縱浪航行是不會受到橫向的干擾，所以在這種情況下，產(chǎn)生橫搖運(yùn)動的幅值基本不可能會產(chǎn)生。在很多年以前就有人用船模做過類似的實驗，在當(dāng)時的實驗中，當(dāng)事人發(fā)現(xiàn)在船舶縱搖時如果頻率超過了橫搖頻率的兩倍，那及時船是在縱浪中行駛，也有可能會導(dǎo)致船舶橫搖。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是傳統(tǒng)的線性理論無法解釋的，現(xiàn)在對于這一現(xiàn)象的看法普遍是：船舶在縱浪航行時，最初的穩(wěn)定性會隨著時間的變化而發(fā)生改變，這種改變會促使船舶發(fā)生橫搖運(yùn)動。

為了證實這種現(xiàn)象，那首先就要建立一個縱浪航行激勵橫搖產(chǎn)生的理想化模型，這個模型的建立首先要對船舶的航行做一個假設(shè)：

（1）船舶左右弦在傳播整體上是一種對稱的模式；

（2）船舶縱浪上進(jìn)行平常速度的航行；

（3）船舶在行駛時，總的排水量去近似值中的常數(shù)；

（4）忽略其他阻尼，僅考慮船舶縱搖、升沉對于橫搖的影響；

（5）縱浪行駛所以船舶縱搖和升沉的次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比橫搖多，在進(jìn)行橫搖研究時，假設(shè)縱搖和升沉是處于一種標(biāo)準(zhǔn)的平衡狀態(tài)；

（6）船舶在航行時，水流會給船體增加的橫搖力有兩個方面組成，第一個是假設(shè)的入射波壓力，第二點(diǎn)是由于船體本身的運(yùn)動所產(chǎn)生的。這一點(diǎn)包含在船體阻尼中，不考慮進(jìn)入到繞射波的影響。

根據(jù)上述幾個點(diǎn)來建立船舶縱浪航行的理想化模型。

在船舶縱浪航行的穩(wěn)定性研究上，不單單是理想化模型的建立來推導(dǎo)結(jié)果，我國一位學(xué)者在國外的運(yùn)動方程式基礎(chǔ)上，建立了縱浪安全池的研究，得出了橫搖、縱搖、升沉這三個數(shù)據(jù)影響船舶穩(wěn)定性的研究。考慮這三個數(shù)據(jù)會發(fā)生耦合作用，在船舶阻尼的記憶基礎(chǔ)上，建立了三維非線性時域運(yùn)動方程，并對方程進(jìn)行了求解，分析了船舶穩(wěn)定性。

九十年代有人應(yīng)用Liapunov理論，研究了船舶在規(guī)則波浪中的動穩(wěn)性，并且用攝動理論，得出了船舶的運(yùn)動響應(yīng)。分析出了最大橫搖角度和波浪的要素對船舶動穩(wěn)性變化曲線的影響。

船舶實際在海中航行時，受到的波浪都具有隨機(jī)性，所以船舶在實際的海中行駛時產(chǎn)生大幅度的橫搖運(yùn)動是一種非線性的隨機(jī)問題，而且船舶在隨機(jī)的縱浪中會由于參數(shù)的共振導(dǎo)致船舶發(fā)生不穩(wěn)定橫搖，最終導(dǎo)致船舶的傾覆。雖然采用一些非線性的動力學(xué)研究方法能夠研究出船舶在波浪中的傾覆問題，但是要更好的掌握船舶橫搖、縱搖的規(guī)律和特點(diǎn)，這樣才能更好的避免傾覆現(xiàn)象的產(chǎn)生，為船舶的出行提供更加可靠的措施。

2　研究中船舶在縱浪行駛影響動穩(wěn)性的成果

對傳播在波浪中行駛大幅度橫搖運(yùn)動對穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析，結(jié)合阻尼、非線性的力矩系數(shù)，對船舶搖動的影響進(jìn)行了分析。

研究了船舶在規(guī)則縱浪中橫搖運(yùn)動的穩(wěn)定性，得出了規(guī)則縱浪中穩(wěn)定區(qū)域與不穩(wěn)定區(qū)域的分布，分析參數(shù)，以取值的方法提高船舶在縱浪上橫搖運(yùn)動的穩(wěn)定性。

對于船舶在縱浪中的動穩(wěn)性，要用多尺度法對整個船舶在縱浪中主參數(shù)的共振響應(yīng)進(jìn)行分析，然后解出答案。分析了各參數(shù)對橫搖運(yùn)動穩(wěn)定性的影響。

在分析船舶的動穩(wěn)定性時，傳統(tǒng)的分析方法是將波浪激勵轉(zhuǎn)化為白噪聲，但是白噪聲模型與船舶實際的激勵情況差距甚遠(yuǎn)，所以要建立符合船舶實際運(yùn)行情況的模型，從而得出符合實際情況的結(jié)果。

3　結(jié)束語

統(tǒng)計我國實際的船舶運(yùn)行狀況，很多船舶的縱搖與橫搖固有頻率的比值接近二時，會發(fā)生參數(shù)激勵主共振，縱浪上船舶動穩(wěn)性的主要影響因素是參數(shù)激勵，這種理解讓我們對傳播的傾覆有了新的認(rèn)識，參數(shù)激勵的主要決定因素是由：船舶航行的速度、波幅、波長、船舶重心的位置還有船體的形狀組成的。參數(shù)激勵和非線性分析中所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，是正常的線性分析中所不存在的。這樣的研究結(jié)果會對船舶縱浪行駛的動穩(wěn)性進(jìn)一步研究提供更加重要的參考信息，實現(xiàn)本次研究的價值。導(dǎo)致船舶傾覆的參數(shù)激勵只要是兩種方式。第一種是船舶在很大的角度橫搖時突然進(jìn)入了混沌運(yùn)動，這種運(yùn)動的失衡突然是船舶失去了穩(wěn)定性，造成了船舶傾覆。第二種是船舶進(jìn)行的小角度的橫搖，突然平穩(wěn)基礎(chǔ)了原有的橫搖狀況，導(dǎo)致船舶失去穩(wěn)定性而造成了船舶的傾覆。總的來說，第一種參數(shù)激勵有比較明顯的征兆，但是第二種屬于無先兆的傾覆，對于船舶來說有更大的危險性。船舶中的貨物移動時可以對船舶的初始傾斜造成一定的影響。這種傾斜會給船舶在縱浪行駛過程中造成非常大的影響，甚至?xí)?dǎo)致船舶在非常小的參數(shù)激勵下產(chǎn)生傾覆的事故。

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