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原文传递随机海况下海洋结构物慢漂极端响应和稳性研究

论文题名：	随机海况下海洋结构物慢漂极端响应和稳性研究
关键词：	海洋结构物;慢漂极端响应;边际概率密度值;随机海况
摘要：	在随机载荷作用下海洋结构物响应概率密度曲线端部区域内的值被称为极端响应值(extreme responses)，人们在设计中常常要遇到的一类问题是如何才能精确预报海洋结构物慢漂纵荡运动的极端响应。如果海洋结构物在横摇自由度上的极端响应超过一临界值，海洋结构物就会丧失稳性而倾覆。上述的极端响应和倾覆行为可统称为海洋结构物的极端行为(extreme behavior)，本文研究用几种不同的方法来分析海洋结构物的上述极端行为。为了研究随机激励下海洋结构物的慢漂极端响应和倾覆行为，需要对海洋结构物进行动力分析。在对海洋结构物进行动力分析时，海洋结构物的附加质量、海洋结构物所受的阻尼和复原力、以及海洋结构物所受的单位波幅的波浪激励力(或力矩)都是可用一些成熟的商用水动力软件来计算的，这样就可建立海洋结构物运动的非线性随机微分方程，本文的主要工作就是要研究这些非线性随机微分方程的有效解法。在对海洋结构物进行动力分析时，人们常常采用数值仿真的方法一即对海洋结构物的运动微分方程进行数值积分，并对求得的各响应历经做统计处理。这在原理上是十分简明的，执行起来也很方便，而且由此得出的响应概率密度曲线中部绝大部分范围内的值也是很精确的。数值仿真的上述优越性使有些研究人员在分析海洋结构物的极端行为时也采用它，本文对这一做法做出了反思。首先，在研究中把仿真的效率与仿真预报的慢漂极端响应的精度这两个问题统筹起来考虑，用一个顺应式近海结构物实例说明了仿真预报的海洋结构物慢漂极端响应的精度是不高的。为提高慢漂极端响应预报的精度，人们会想将仿真的次数增加。我们在研究中首次用实例向人们展示：当慢漂极端响应的精度提高到一定程度后，再继续增加仿真的次数就几乎不起作用了，而此时的慢漂极端响应值的精度还并未达到令人满意的程度。为了克服数值仿真的这一局限性，我们因而有必要研究用其它方法来预报海洋结构物在随机载荷作用下的慢漂极端响应。对数值仿真分析海洋结构物(特别是船舶)的稳性的表现做了定量的研究。给定一个激励力频率和一个激励力幅值，取不同的船舶初始横摇角和初始横摇角速度，发现此时用数值仿真研究船舶倾覆的瞬态行为(transientbehavior)的效率是极为低下的。研究了当运动的初始条件被固定，用数值仿真分析激励力频率和激励力幅值变化时的船舶倾覆行为的表现，发现用数值仿真在这些控制参数变化时研究船舶的倾覆行为时的效率也是低下的。综合以上分析的结果表明：除非运动的初始条件和海洋结构物系统的控制参数被详尽地研究，否则根据数值仿真的结果一般是难以对海洋结构物的稳性下结论的。因而有必要研究用其他的方法来理性地分析海洋结构物的稳性。接下来，研究了用路径积分法分析受随机激励的海洋结构物的慢漂极端响应时的表现，在用路径积分法求解海洋结构物运动的非线性随机微分方程时，先是由原始运动方程导出控制海洋结构物响应概率密度的Fokker-Plank-Kolmogorov方程，然后再数值求解Fokker-Plank-Kolmogorov方程得出海洋结构物响应的联合概率密度，进而可得出海洋结构物位移响应的边际概率密度(marginal probability densities)。路径积分法是建立在马尔科夫扩散过程理论和数值插值程序的基础之上的，所以首先系统地研究了马尔科大扩散过程理论，也对用于进行路径积分的各种数值插值程序进行了对比研究分析，并重点研究了一种高效的数值插值程序一高斯.勒让德插值程序。从基于高斯.勒让德积分规则的路径积分法被开发出来以后用该方法所处理的问题还只限于弱非线性的情况。本文的作者成功地用基于高斯.勒让德积分规则的路径积分法来处理了一个强非线性随机振荡问题，发现在非线性很强的情况下极端响应的预报精度也是很高的。接下来用路径积分法分析了一受随机激励的海洋结构物的慢漂极端响应，为便于比较，采用了曾用数值仿真分析过的同一海洋结构物实例，即一个近海顺应式结构物的慢漂纵荡运动。首先，在结构物的系统方程有解析解的特殊情况下，比较了路径积分解和数值仿真解的精度，比较了数值仿真5100次和路径积分运行25次各自预报得到的该海洋结构物的慢漂位移极端响应的边际概率密度值，发现在预报随机激励下海洋结构物的慢漂极端响应时，用路径积分法预报得到的结果比用数值仿真预报得到的结果精度要高得多。同时发现路径积分法预报结构物慢漂极端响应的效率比数值仿真预报的效率要高。接下来，在结构物的系统方程无解析解的一般情况下，以路径积分法获得了此近海顺应式结构物的慢漂极端响应的精确预报。我们看到，采用路径积分法的另一大优点是该海洋结构物的慢漂极端响应的超越概率可被连带获得，而且在计算机程序运行时几乎不需要额外的时间。在用路径积分法求海洋结构物的慢漂极端响应时，海洋结构物慢漂响应的初始概率密度是由研究者自己选取的，初始概率密度选取的好坏对路径积分法运行的时间是有很大影响的。为找到一条优选初始概率密度的高效的途径来进一步提高路径积分法的效率，本文提出了一种复合路径积分法，其思想是先用少量的数值仿真并结合正态分布的3σ原则来粗估一个初始概率密度，这样得到的初始概率密度与最终结果就会很接近，然后将得到的初始概率密度带入路径积分法的源程序中运行，就可节省路径积分的次数。我们在结构物的系统方程有解析解的特殊情况下，比较了复合路径积分法和原路径积分法的效率和精度，证明了复合路径积分法的精确性和高效性。接下来，在结构物的系统方程无解析解的一般情况下，我们用复合路径积分法来计算了一系泊漂浮圆柱体的慢漂极端响应。本文的研究显示：在有合适的商用水动力软件配合的前提下，路径积分法可为船舶和海洋工程师们提供一强有力的工具来预报系泊海洋结构物在随机激励下慢漂振荡的极端响应。最后研究了用已有的迈尔尼可夫法分析受随机激励的海洋结构物(船舶)的稳性时的表现。迈尔尼科夫法并不直接求解船舶横摇运动的微分方程，取而代之的是，迈尔尼科夫法专注于研究系统的质的方面的行为(或者更精确地说，质的方面不同的行为间的转变)。在研究中我们用人们已验证了的迈尔尼可夫衡准来分析了一艘驳船的动态稳性。为此首先计算了本船横摇运动微分方程中有关的各水动力参数，接下来把有关的各水动力参数无因次化，然后我们根据已有的迈尔尼科夫衡准公式计算了驳船为克服临界波浪激励力矩值而需要的非线性阻尼值。发现迈尔尼科大衡准公式将临界横摇激励力矩与船舶阻尼值联系了起来，这使得设计者可以根据临界横摇激励力矩值来调整船舶的阻尼值，例如增大舭龙骨尺寸，或调整船舶的其它主要参数。这一点在船舶初始设计阶段设计需要反复循环时显得尤为重要。同时比较了用数值仿真在激励力幅值控制参数变化时研究船舶的倾覆行为时的效率，发现迈尔尼科大分析比数值仿真既具有效率上的优越性，又具有易下结论的优越性。接着用迈尔尼科夫法分析了带初始横倾的船舶的倾覆行为，给定一个横倾量值，利用随机迈尔尼科夫均方值分析得出了对应于不同阻尼值的临界波浪激励力矩值。同时也比较了在船舶的横摇初始条件变化时用数值仿真研究船舶的倾覆行为的效率。发现在船舶初始设计阶段用迈尔尼科夫法分析带初始横倾的船舶的倾覆行为是高效的。综合我们的研究结果，我们认为在船舶初始设计阶段，在有合适的商用水动力软件配合的前提下，迈尔尼可夫法可被用作为一个分析船舶动态稳性的高效的辅助工具。
作者：	王迎光
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	谭家华
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文