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原文传递船舶在不规则波中横摇运动的参激振动研究

论文题名：	船舶在不规则波中横摇运动的参激振动研究
关键词：	船舶振动;参激振动;参数横摇;不规则波;航行速度
摘要：	海运作为现代世界大宗货物的重要运输形式，其安全一直备受关注。船舶在波浪中横摇运动的参激振动现象，会导致大幅度的参数横摇。参激振动所导致的大幅度横摇运动会带来结构破坏、集装箱落水与破坏、主机失效等等问题，甚至会导致船舶倾复，从而威胁到人员、货物和船舶航行的安全。因而，研究船舶参数横摇对于提高船舶航行安全具有重要意义。　　参激振动是由系统内参数随时间不断变化而引起的振动现象。船舶在波浪中运动时，稳性高随时间不断变化，从而导致船舶横摇运动发生参激振动现象。船舶在波浪中横摇运动的参激振动现象又叫做参数横摇，是船舶失稳的重要形式，其运动具有显著的非线性和随机性特征。　　因为船舶在实际海况中航行时所遭遇的参数横摇是随机激励下的参激振动现象，因而，基于不规则波的相关研究可以帮助更好地认识和理解船舶在实际海况中发生参数横摇时的运动情况和内在机理。学者已经通过拖曳水池实验证实了船舶在不规则波下参数横摇现象的存在性。虽然已经有学者从不规则波的角度研究了船舶横摇运动的参激振动现象，然而，对这一现象的相关理论还不足以很好地揭示其内在机理。对不规则波下参数横摇的相关研究还有待进一步发展。　　本文对船舶在波浪中横摇运动的参激振动现象展开了研究，主要的研究工作如下：　　1、实现了不规则波下横摇参激振动的解析研究和 Ince-Strutt稳性图绘制　　推导了船舶在不规则波中的横摇参激振动方程，并绘制了船舶在不规则波中横摇参激振动的Ince-Strutt稳性图，实现了不规则波下参数横摇的解析预测。对比了规则波与不规则波下稳性图的差异，指出了基于不规则波研究的重要性。分析了阻尼、相位和谱峰周期等变量对稳性图形态的影响。基于稳性图研究了船舶设计变量对横摇参激振动的影响。　　2、提出研究不规则波下的船舶横摇参激振动的概率方法　　对于概率方法的研究，提出了两种概率指标：基于大角度横摇幅值的“危险概率指标”（severity probability index，SPI）；基于大角度横摇幅值及其持续时间的“条件危险概率指标”（Conditional Severity Probability Index，CSPI）。通过SPI寻找最危险的典型工况，此典型工况发生参激运动的概率较大。并基于此典型工况进行了针对参数横摇的概率设计。通过 CSPI，可将参数横摇持续时间和横摇幅值两个因素结合起来，对船舶在不规则波下参数横摇进行更全面的概率评估。　　3、实现了船舶横摇参激振动的敏感性分析　　主要从两个角度对参激横摇运动进行了敏感性分析：基于试验设计的敏感性分析和基于非线性方程的敏感性分析。基于试验设计的敏感性分析抛开了具体的船型参数，基于水动力参数的估算公式，考察了参数横摇对基本船型变量（船长、船宽、吃水和方形系数等）和航速的敏感度。基于非线性方程的敏感性分析，考虑了运动方程的非线性项，基于具体的船舶算例，使水动力参数按百分比变化，对参数横摇进行敏感性分析。对比了规则波与不规则波下参数横摇敏感性的异同。并重点分析了不规则波下参数横摇对船舶设计变量的敏感度。研究了初始运动状态对不规则波下参数横摇概率分析的影响。　　4、规则波下参数横摇的控制方法研究　　通过二维分岔图和庞加莱图研究了控制变量（初稳性高、初始横摇状态、航速和航行加速度等）对参数横摇的影响。并在此基础上研究了规则波下参数横摇的控制方法，以期为航行中的船舶提供操纵建议。
作者：	张晓
专业：	船舶与海洋工程
导师：	杨和振
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文