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原文传递风浪中大型集装箱船横摇稳定性及航行安全性研究

论文题名：	风浪中大型集装箱船横摇稳定性及航行安全性研究
关键词：	集装箱船;风浪荷载;非线性横摇;船舶适航性
摘要：	随着集装箱船的大型化以及集装箱船运输在国际海运中所占比重的逐渐提高，集装箱船受到越来越多的关注，集装箱船的横摇稳性与航行安全性也成为船舶设计和使用人员最为关心的问题之一。集装箱船在航行时一般容易发生迎浪中的参数横摇、横浪中的大幅谐摇，造成过度运动和过度加速度，从而容易引起装载货物的损坏和丢失，严重时会发生船舶倾覆的灾难性事故，造成巨大的人员与财产损失。与此同时，第二代完整稳定规范要求以现代船舶力学的最新研究成果为手段，从物理现象入手，深入研究稳性失效的机理。　　本研究主要内容包括：⑴船舶的大幅非线性横摇运动本质上可描述为一个非线性动力系统，为了分析船舶的非线性横摇运动特征，首先要确定船舶的非线性因素。船舶横摇时的非线性因素主要来自于非线性恢复力矩和非线性阻尼力矩，论文分别采用数据最小二乘拟合与开展静水中的横摇衰减试验来分别确定非线性恢复力矩和阻尼力矩系数，建立横浪中单自由度运动方程。运用多尺度方法近似求解了船舶在正横规则波中的横摇近似解析解，并进行了数值验证。同时，定性分析了两种非线性因素即非线性恢复力和非线性阻尼力对横摇稳态解的影响。⑵考虑到船舶实际航行中的海况条件，研究了两类系统下船舶非线性横摇稳定性的研究方法，分别为确定性系统和随机性系统。对于确定性系统，本文采用 Melnikov函数方法，通过求解函数的一阶简单零点得到混沌阈值。对于随机性系统，推导了随机Melnikov均方准则和相空间转移率的计算公式。⑶对于像大型集装箱船这种水线面以上有巨大受风面积的船舶而言，风载的影响不能忽略。文中分析比较了计算风载荷系数的三种不同方法：CFD数值模拟、NK规范法和Isherwood经验公式，并将风载模型加入到非线性横摇动力系统中，此时横摇系统由对称系统转变为非对称系统。对于风载与规格海浪联合作用的情况，计算了系统Melnikov函数的简单零点以确定混沌阈值，并以最大李雅普诺夫指数作为数值验证，此外观察了波浪激励大于系统阈值时系统稳定域逐步破损的过程，这表明横摇系统已经失稳，倾覆即将发生。通过对风浪联合作用时系统稳定性的分析，定量评估了风载对于系统非对称程度和稳定性的影响。⑷由于船舶航行的实际海洋环境是不规则波，所以有必要对非对称随机横摇系统进行稳定性分析。论文根据随机 Melnikov均方准则推导了随机系统下的相流函数和相空间转移率，以相空间转移率作为船舶稳性损失的度量。针对非对称系统下轨道参数方程难以解析求解的困难，文中求解离散时间解，并通过离散时间傅里叶变换确定出横摇系统在风载与随机海浪作用下的临界激励阈值曲线。对于随机情形，从概率的角度出发采用倾覆概率云图的方式完成了数值验证工作，证明了随机 Melnikov函数方法在研究非对称随机动力系统稳定性时的有效性，并将云图结果进一步用于航行于特定航线的集装箱船横摇倾覆概率的计算。⑸追踪第二代完整稳性规范研究制定的最新进展，最后从二代稳性和过度加速度的角度对集装箱船的航行安全性做了一些基本的研究工作。分别从船上作业人员和装载货物的角度讨论了安全因子、准则（criteria）和标准（standard）；研究了集装箱船的过度横摇运动和发生条件；针对非线性系统，采用数值模拟的方法，按照集装箱船过度加速度的衡准公式进行了衡准评估；最后，对集装箱船的航行操作指导（ operational guidance）进行了一些基本分析与总结。
作者：	刘亚冲
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	胡安康
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文