随机波中船舶非线性运动及倾覆概率研究

Because of many shipwrecks in recent years, the second generation intact stability criteria are under development by International Organization(IMO) considering seakeeping and ship maneuverability, which has caused wide concern of the industrial world and academic world about shipbuilding. The following researches are planning to be carried out for ship motion in random waves, considering multi degree of freedom coupling. ① numerical simulation of random nonlinear ship motion: the large amplitude nonlinear ship motions are simulated, considering instantaneous wet surface; ②ship model experiment: model experiment is planned to be conducted, under several representative random sea states; ③ probability calculation: the FPK equation of ship stochastic motion is established, the probability density function of motion is calculated by path integral method and probability density evolution method; ④ the exceedance probability and influence of parameters: like the significant wave height, peak period, heading angle, navigational speed, green water, combined wind and wave and so on. This research can reveal the mechanical mechanism of large amplitude rolling and capsizing for ship sailing in random waves.

由于海难事故频发,目前国际海事组织正在联合世界范围内船舶工业界与学术界的研究力量，考虑耐波和操纵性能，着手制定第二代完整稳性规范。本项目拟针对船舶在随机波中的运动，考虑船舶多自由度耦合，开展以下研究：①船舶随机非线性运动数值模拟：根据瞬时湿表面求解船舶横摇、垂荡、纵摇的回复力和波浪入射力，模拟船舶的大幅非线性运动；②船模实验：选择若干具有代表性的随机海况进行模型实验，并将数值模拟和模型实验结果进行对比分析；③概率计算：建立船舶随机运动的FPK方程，采用改进的路径积分法和改进的概率密度演化方法预报考虑多自由度耦合效应的横摇运动概率分布函数，并将两种方法得到的结果与数值模拟和模型实验结果进行对比；④求解超越概率并分析参数影响：如有义波高、峰值周期、航向、航速、甲板上浪、风浪联合作用等。该研究可揭示船舶在随机波中航行时，发生大幅横摇甚至倾覆的力学机理。

因波浪均具有随机性，大幅随机波中的船舶运动属多自由度耦合的强非线性随机振动问题，试验发现其响应呈重尾分布，不再满足正态分布，对考虑参数激励和多自由度耦合的船舶运动问题进行预报是一个富有挑战性的课题。针对船舶在随机波中的运动，开展了以下研究:①随机非线性运动数值模拟：提出了一种基于多项式和傅里叶展开的波浪中横摇回复力臂拟合方法，可根据瞬时湿表面求解船舶横摇、垂荡、纵摇的回复力和波浪入射力，提高船舶大幅非线性运动计算效率；②横摇运动概率预报：依据数值模拟方法所采用的运动微分方程，建立船舶随机运动FPK方程，为提高计算精度，方程含有五次非线性项，因此对随机平均法进行了改进，可准确且高效地预报含参数激励及强迫激励的横摇运动概率，采用蒙特卡洛方法对其进行了验证；③分析有义波高、峰值周期、航向、航速、风浪联合作用等对横摇的影响，可为船舶安全航行提供参考；④分析减少浮体摇摆运动的措施，提出超稳定浮式海洋结构物概念。研究得出的重要结论有：①基于多项式和傅里叶展开的波浪中横摇回复力臂拟合方法可以相当准确地还原真实的复原力臂曲面，横摇运动预报结果与模型实验结果非常接近，可为非线性横摇运动的解析分析提供更为准确的方程系数；②非线性横摇运动峰值的概率分布并不服从某一种特定的概率分布规律，有时接近瑞利分布，有时接近威布尔分布，采用改进的随机平均法能够预报出与蒙特卡洛法非常接近的横摇峰值概率分布；③当遭遇谱峰值接近横摇固有频率两倍时，易发生参数横摇现象，水线面附近型线变化比较大的集装箱船更易发生，风、流的存在会增加发生大幅横摇的概率，不同船型的大幅横摇规律有所不同；④安装舭龙骨、减摇鳍等装置，可在很大程度上削减大型集装箱船的横摇响应幅值，但不能从根本上消除非线性横摇现象，从最大程度减小浮体摇摆运动的思路，提出一种超稳定浮式海洋结构物概念，在对安全性要求极高的海洋浮式核电装备领域有很好的应用前景。

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