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原文传递船舶在波浪中的大幅横摇运动及其运动稳定性研究

论文题名：	船舶在波浪中的大幅横摇运动及其运动稳定性研究
关键词：	船舶横摇;非线性动力学;运动稳定性;分岔控制器
摘要：	船舶的航行安全性是船舶设计和使用人员最为关注的问题之一，为了揭示船舶在波浪中倾覆的力学机理，保障船舶的航行安全性，本文采用非线性动力学方法分析了船舶在波浪中的非线性横摇运动及其运动稳定性，提出了提高船舶在波浪中运动稳定性的措施。本文的主要工作和成果有：　　总结了船舶大幅横摇运动中存在的非线性因素及其不同表达式的优缺点，分析了非线性系数的计算方法，针对恢复力矩项，提出了一种快速获得非线性恢复力矩系数的公式法。在此基础上，建立了船舶在正横规则波作用下的非线性横摇运动方程。　　采用多尺度法研究了船舶在波浪中发生主共振、超谐共振和亚谐共振时的非线性横摇运动，给出上述共振情况下的近似解析解，利用久期项条件分析其幅频响应特性。采用数值方法验证了近似解析解的有效性。　　应用时历图、相图、庞加莱截面图等多种混沌识别方法对船舶在波浪中横摇运动的稳定性进行了判断，分析比较了各种方法的优缺点，指出分岔和混沌是导致船舶倾覆的重要原因之一。为了避免对船舶的运动状态作出错误的评估，论文采用了一种高效的Lyapunov指数算法计算了船舶非线性横摇运动系统的Lyapunov指数，并利用该方法精确确定出了船舶横摇运动出现混沌态时的外激励阈值。　　采用Melnikov方法对船舶横摇运动稳定域作了解析预测。针对传统计算Melnikov函数解析方法的不足，提出了一种计算Melnikov函数的数值积分方法，并利用该数值积分方法计算了非线性项较为复杂、无法采用解析方法计算的船舶非线性横摇运动系统产生不稳定横摇运动的波浪力阈值，采用安全池法对数值积分法的计算结果进行了验证。　　为了提高船舶在正横规则波中横摇运动的稳定性，作者根据分岔理论设计了多种分岔控制器，通过分析，给出了各分岔控制器控制参数取值的建议，通过引入本文所设计的分岔控制器，可以消除或延缓分岔的产生，以提高船舶横摇运动的稳定性。　　利用Lyapunov指数法对船舶在纵浪中发生参数激励横摇运动的稳定性进行了分析，得到了船舶在纵浪中航行时的安全域与不安全域。为了提高船舶在纵浪中横摇运动的稳定性，作者设计一分岔控制器，通过数值仿真表明，本文所设计的分岔控制器在适当的控制策略下可以提高船舶在纵浪中的横摇运动稳定性。　　采应用马尔科夫扩散过程理论分析了船舶在随机横浪中横摇运动概率响应，提出了采用有限差分法结合超松弛迭代法计算船舶非线性随机横摇系统所对应的FPK方程。针对马尔科夫扩散过程方法需要将波浪外激励简化为白噪声这一不足，提出将波浪激励近似处理为有界噪声的方法，并利用随机Melnikov方法得到了船舶在随机纵浪中的全局稳定性。对于船舶在随机纵浪中的横摇运动，提出将随机参数激励项考虑为一窄带随机过程，推导得出了该非线性随机动力学系统的最大Lyapunov指数和稳态概率密度的表达式，由此得出了船舶在随机纵浪中的稳定性。
作者：	胡开业
专业：	流体力学
导师：	李积德
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文