船舶耐波性課件

1、一、耐波性定義 是指船舶在風(fēng)浪中遭受外力干擾產(chǎn)生各種搖擺運(yùn)動以及砰擊、上浪、失速等情況下，仍能維持一定航速在水面安全航行的性能。 船舶在波浪中的運(yùn)動是不可避免的，問題在于如何防止船舶在波浪中發(fā)生過大的運(yùn)動，保證船舷安全和維持其使用功能不受損害，這是船舶設(shè)計中要考慮的重要課題。,第一章 耐波性概述,1、固定坐標(biāo)系O0 x0y0z0 2、運(yùn)動坐標(biāo)系GXYZ 3、半固定坐標(biāo)系Oxyz,二、坐標(biāo)系,船舶任意時刻的運(yùn)動可以分解為在Oxyz，坐標(biāo)系內(nèi)船舶重心G沿三個坐標(biāo)軸的直線運(yùn)動及船體繞三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動。,在這些運(yùn)動中又有單向運(yùn)動和往復(fù)運(yùn)動之分，因此共有12種運(yùn)動形式，如圖1-2所示。在造船界中習(xí)慣采用

2、的名稱見表1-1。,船舶搖蕩運(yùn)動主要研究由波浪干擾引起的船舶往復(fù)運(yùn)動，其中橫搖、縱搖和垂蕩對船舶航行影響最大，是研究船舶搖蕩運(yùn)動的主要內(nèi)容。,船舶搖蕩是指船舶在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生的搖蕩運(yùn)動，它們的共同特點(diǎn)是在平衡位置附近作周期性的振蕩運(yùn)動。 產(chǎn)生何種搖蕩運(yùn)動形式取決于船首向與風(fēng)浪傳播方向之間的夾角，稱為道遇浪向。 所謂首向是船舶首尾線指向船首的方向，即在Gxyz坐標(biāo)系中X軸的方向。當(dāng)首向與風(fēng)浪傳播方向相一致時，遭遇浪向為零度，如圖1-3所示。,三、船舶搖蕩,1、船舶搖蕩 其中運(yùn)動顯著而影響嚴(yán)重的是橫搖、縱搖和垂蕩。 2、砰擊 由于嚴(yán)重的縱擺和垂蕩，船體與風(fēng)浪之間產(chǎn)生猛烈的局部沖擊現(xiàn)象稱為砰擊。 砰

3、擊多發(fā)生在船首部。砰擊發(fā)生時首柱底端或船底露出水面，然后在極短的時間內(nèi)以較大的速度落入水中而發(fā)生猛烈的撞擊。,四、耐波性主要內(nèi)容,3、上浪 船舷在風(fēng)浪中劇烈搖蕩時風(fēng)浪涌上甲板的現(xiàn)象稱為上浪。上浪時船首常常埋入風(fēng)浪中，海水淹沒首部甲板邊緣，甲板上水。上浪主要是由嚴(yán)重的縱搖和垂蕩引起的。 4、失速 它包括風(fēng)浪失速和主動減速。 風(fēng)浪失速是指推進(jìn)動力裝置功率調(diào)定后，由于劇烈的搖蕩，船舶在風(fēng)浪中較靜水中航行時航速的降低值。,主動減速是指船舶在風(fēng)浪中航行，為了減小風(fēng)浪對船舷的不利影響，主動調(diào)低主機(jī)功率，使航速比靜水中速度下降的數(shù)值。 5螺旋槳飛車 船舶在風(fēng)浪中航行時，部分螺旋槳葉露出水面，轉(zhuǎn)速劇增，并伴有

4、強(qiáng)烈振動的現(xiàn)象稱為螺旋槳飛車。,環(huán)境條件與耐波性之間的關(guān)系,自1953年丹尼斯等引入線性迭加原理和科文-克勞科夫斯基提出切片理論以來，現(xiàn)代耐波性理論迅速發(fā)展。船舶性能的優(yōu)劣，主要看它在實(shí)際海洋環(huán)境中的性能。過去，船舶的設(shè)計師們對船舶性能的研究多側(cè)重在船舶在靜水中的性能，特別是靜水中航行的快速性。但是，大量事實(shí)表明，一艘在靜水中航行性能優(yōu)良的船舶，在波浪上的航行性能并不一定是優(yōu)良的，船舶耐波性的優(yōu)劣直接關(guān)系到船舶的適居性、航行使用性和安全性。,五、研究耐波性的必要性,因此，研究船舶在波浪上的航行性能愈來愈引起人們的重視，船舶耐波性的好壞已成為衡量現(xiàn)代化船舶航行性能的重要衡準(zhǔn)之一。 船舶耐波性本質(zhì)

5、上是指船舶在給定的環(huán)境條件下規(guī)定時間內(nèi)完成任務(wù)的能力，它是船舶應(yīng)具有的一種能力，這種能力通過設(shè)計而賦予，通過使用者的正確使用而發(fā)揮作用。因此，必須充分意識到船舶的耐波性能首先是設(shè)計出來的，一艘具有良好耐波性的船舶是設(shè)計者的職責(zé)及水平的體現(xiàn)。,船舶耐波性和船舶搖蕩顯然不是一回事。 但是船舶搖蕩是耐波性的主要內(nèi)容，耐波性所涉及的其他內(nèi)容主要是由船舶搖蕩引起的，因此估計船舶搖蕩是評定耐波性最基本的條件。 根據(jù)船舶搖蕩可以定量地計算出保抨擊、上浪、飛車等性能。一般來說，船舶搖蕩較緩和，則耐波性也較優(yōu)良。,六、耐波性與船舶搖蕩,1、對適居性的影響 船舶為了完成一定的任務(wù)，必須給乘員提供一個合適的環(huán)境，使

6、他們能有效地進(jìn)行工作。乘員的工作能力受兩種運(yùn)動特性的影響，即加速度和橫擺幅值。 加速度引起人們暈船。一般來說，發(fā)生暈船的頻率隨加速度增加而平行增加。最大的加速度發(fā)生在船尾或船首，主要是縱搖和垂蕩產(chǎn)生的。 橫據(jù)角影響人的運(yùn)動能力。,七、搖蕩運(yùn)動的影響,2、對航行使用性的影響 船員利用船上的全部設(shè)備，在預(yù)定的海洋條件下完成其規(guī)定使命的能力稱為航行使用性。劇烈的搖蕩對航行使用性產(chǎn)生極為不利的影響。 由于縱擺和垂蕩，使船舶造成失速，主機(jī)功率得不到充分利用。 嚴(yán)重的抨擊使船首部結(jié)構(gòu)損壞，船體顫振。 上浪使甲板機(jī)械損壞，給船員造成惡劣的工作條件。,3、對安全性的影響 當(dāng)激烈的運(yùn)動損壞了船舶的主要部件，如主

7、機(jī)、螺旋槳、舵及導(dǎo)航設(shè)備等以后，船可能失去控制而造成嚴(yán)重后果。 大角度橫搖可能使艙室進(jìn)水、貨物移動，由于這些原因造成的海難事件是經(jīng)常發(fā)生的。 橫搖降低了船舶的抗風(fēng)能力，在風(fēng)和浪的作用下，船舶出現(xiàn)了很大的橫搖角,船舶耐波性由許多基本的耐波性因素所決定，通常包括六自由度的運(yùn)動以及諸如甲板上浪、螺旋槳出水、船首砰擊等耐波性事件和暈船率等。由于影響船舶耐波性的因素較多，各種耐波性因素的作用程度是不一樣的，而且根據(jù)某些基本的耐波性因素本身是很難判定一個船舶或一個新的船舶設(shè)計是否具有良好的耐波性。對船舶耐波性的影響，不是單因素的影響，而是所有因素共同作用的結(jié)果。,八、耐波性的影響因素,海浪主要指表層海水受

8、外力影響而發(fā)生的起伏現(xiàn)象。引起海浪的原因是很多的： 例如，由風(fēng)引起的風(fēng)浪，由日月引力引起的潮波，由地震引起的海嘯以及船行波等。 在海上分布最廣、出現(xiàn)頻率最多、對航行影響最大的是由風(fēng)興起的風(fēng)浪。,第二章 海浪與統(tǒng)計分析,2-1 海浪概述,1、風(fēng)浪的產(chǎn)生 籠罩在海洋上的空氣流動的結(jié)果，使海面所受的壓力發(fā)生變化。同時由于水面與空氣的相對運(yùn)動，在他們之間有摩擦力存在，使水表面承受切應(yīng)力。 正是由于大氣壓力的變化與切應(yīng)力的存在，使平靜的水面發(fā)生局部變形。重力使變形的水面有向原來平衡位置運(yùn)動的趨勢，慣性力又有使變形繼續(xù)下去的趨勢，從而水面不斷地起伏、形成風(fēng)浪。,2、風(fēng)浪要素 1）風(fēng)速 2）風(fēng)時 3）風(fēng)區(qū)長

9、度 風(fēng)速越大，風(fēng)時越久，風(fēng)區(qū)長度越長，海水從風(fēng)那里獲得的能量越多，風(fēng)浪要素越大。 在一定風(fēng)速作用下，風(fēng)在相當(dāng)大的風(fēng)區(qū)海面上吹了足夠長的時間以后，風(fēng)浪要素達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的風(fēng)浪，稱為充分發(fā)展風(fēng)浪。,3、海浪的分類 (1)風(fēng)浪 它是在風(fēng)直接作用下產(chǎn)生的，表面看來極不規(guī)則的海浪，也叫不規(guī)則波，是船舶航行中最經(jīng)常遇到的一種海浪。 (2)涌浪 它是由其他風(fēng)區(qū)傳來的波，或由于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力急劇下降，風(fēng)向改變或風(fēng)平息之后形成的海浪。涌的形態(tài)和排列比較規(guī)則，波及的區(qū)域也比較大。 (3)近岸浪 當(dāng)水深小于波長的1/2時，在海岸與淺灘附近所形成的波浪。,波面可以用簡單函數(shù)表達(dá)的波浪稱為規(guī)則波。規(guī)則波不僅能近似表示涌，面

10、且也是研究不規(guī)則波的基礎(chǔ)。,2-2 規(guī)則波的特性,水質(zhì)點(diǎn)的軌圓運(yùn)動,波內(nèi)壓力場的流體動壓力的分布,在深水中，由波浪引起的壓力變化與軌圓半徑的變化具有相同的規(guī)律即隨著水深的增加，壓力變化以指數(shù)規(guī)律衰減，這種現(xiàn)象通常稱為史密斯效應(yīng)。,一、不規(guī)則波基本概念 1、確定性的數(shù)量關(guān)系 2、統(tǒng)計關(guān)系 在所有可能出現(xiàn)的波高中，不同大小的波高占總數(shù)的比例是一個比較穩(wěn)定的值。 我們只要掌握經(jīng)過大量試驗所表現(xiàn)出的統(tǒng)計規(guī)律，就從總體上掌握了不規(guī)則波的特性。對于不規(guī)則波所引起的船舶運(yùn)動及其他特性也是如此。,2-3 不規(guī)則波的理論基礎(chǔ),2、不規(guī)則波的疊加原理 疊加思想是處理不規(guī)則波的基本思想。,1）長峰波（二因次不規(guī)則波

11、） 2）短峰波（三因次不規(guī)則波）,二、隨機(jī)過程 1、正態(tài)分布 風(fēng)浪波面升高的瞬時值滿足正態(tài)分布的概率密度表達(dá)式，其形式為,根據(jù)正態(tài)分布的特點(diǎn)可知：若認(rèn)為波浪是正態(tài)的，則由波浪所引起的船體運(yùn)動、船體應(yīng)力、航行中螺旋槳推力與轉(zhuǎn)矩的變化等，所有這些過程的瞬時值都是正態(tài)分布的。,2、瑞利分布 瞬時值服從正態(tài)分布的平穩(wěn)隨機(jī)過程，其幅值(或包絡(luò))服從瑞利分布。 因此，風(fēng)浪的波幅值、搖蕩幅值和應(yīng)力幅恒等都服從瑞利分布。,3、泊松分布 船舶砰擊和甲板上浪服從泊松分布，它們是計數(shù)的隨機(jī)過程，表示事件發(fā)生的次數(shù)。在海上船體發(fā)生砰擊是隨機(jī)的，有時一艘船會以不同程度連續(xù)砰擊，然后再在一個相當(dāng)長的時間內(nèi)無砰擊發(fā)生，以后

12、又突然發(fā)生一嚴(yán)重砰擊。,2-4 風(fēng)級和浪級,1、為了實(shí)用上的方便，通常根據(jù)風(fēng)對海面物體的影響程度定出風(fēng)的等級，習(xí)慣上采用按風(fēng)速的大小從0到12分成13級的蒲福(Beaufort)風(fēng)級，其要點(diǎn)見表2-9。 2、國際氣象會議規(guī)定，以海面以上高度10m處的風(fēng)速作為確定蒲福風(fēng)級的標(biāo)準(zhǔn)。 3、風(fēng)級和風(fēng)速按以下近似關(guān)系確定：,4、風(fēng)浪等級,5、海況等級,風(fēng)作用于海面不僅產(chǎn)生不同尺度的風(fēng)浪，同時也使海面的外貌發(fā)生變化，例如出現(xiàn)浪花、飛沫等現(xiàn)象。 海面的外部特征取決于風(fēng)速和風(fēng)時，也和風(fēng)區(qū)特點(diǎn)有很大關(guān)系，受到海岸、島嶼、水探等因素的影響。在風(fēng)宣接或間接作用下的海面所呈現(xiàn)的外貌稱為海況。一般習(xí)慣把海況從0到9共分

13、成10級，其要點(diǎn)見表2-12。,3-1 船舶在波浪中的一般運(yùn)動方程式 1、船舶在波浪中的受力 重力，在船舶運(yùn)動過程中，其大小、方向和作用點(diǎn)是不變的； 船體本身的慣性力； 浮力，在船舶運(yùn)動過程中是變化的；,第三章 船舶運(yùn)動方程式與耐波性設(shè)計,由船舶搖蕩運(yùn)動(船動水不動)而產(chǎn)生的輻射流體動力； 波浪擾動力，包括不受船體擾動的入射波的變動水壓力形成的流體動力，波浪遇到船體產(chǎn)生繞射流體動力； 流體粘性力，除了橫搖運(yùn)動，一般不予考慮。,2、基本假定 假定船舶是一個剛體，忽略它的彈性變形 不考慮水的粘性和可壓縮性。 假定作用在船體上的是微幅規(guī)則波?？梢詰?yīng)用線性理論(微幅波理論) ； 假定船舶搖蕩的幅值是微

14、小的，除了大角度的橫搖之外，船舶在波浪中的受力和運(yùn)動都可以作為線性問題處理，因而可以應(yīng)用疊加原理。,3、運(yùn)動方程式,1、船長 船長主要影響縱搖和垂蕩。 增加船長對縱搖和垂蕩都是有利的。船長較小的船難免發(fā)生較大的縱搖和垂蕩。 設(shè)計中船長的選擇涉及許多因素，例如，船長增加使船的回轉(zhuǎn)性變壞、鋼材重量增加、造價提高等。通常在船長選取時以靜水阻力的峰谷關(guān)系和總布置為主，適當(dāng)考慮耐波性和其他性能的要求。,3-2 船舶主尺度對耐波性的影響,2、船寬 從性能上講，船寬主要影響穩(wěn)性和橫搖，對縱搖和垂蕩的影響不大。一般來說，船寬減小，使初穩(wěn)性下降而對橫搖有利，船體的砰擊也有改善。 船寬對橫搖固有周期的影響不及重心

15、高度敏感，而且在一定排水量之下，船寬減小必將使方形系數(shù)增加，船舶前進(jìn)阻力可能增加。 因此，在設(shè)計中，很少用改變船寬的方法來改進(jìn)船舶的橫搖性能。,3、吃水 隨著吃水的增加，波浪對橫搖的擾動力矩略為下降，橫搖趨于緩和。 對于中小型船，由于船長受到限制，不可避免地要發(fā)生較大的縱搖和垂蕩。如果平均吃水減小，縱搖和垂蕩的固有周期下降，即使諧搖，也是在較小的波浪中發(fā)生，縱搖和垂蕩也不會太大。,從船舶砰擊的角度來看，要求吃水大些，因為船舶砰擊常發(fā)生在空載和壓載航行狀態(tài)，尤其對具有尾傾而吃水較小的船更是如此。吃水深，能夠減少砰擊的頻率和砰擊的強(qiáng)度。 即使僅從耐波性角度考慮，對吃水的要求也是矛盾的，因此需要全面

16、均衡、決定吃水的大小。,4、初穩(wěn)性高 1）初穩(wěn)性高是船舶安全的重要衡準(zhǔn)，同時也是橫搖的重要參數(shù)，它影咱橫搖固有周期，減小初穩(wěn)性高時，橫搖固有周期增加，橫搖緩和，幅值減小。 2）須注意，在任何情況下都必須保證初穩(wěn)性高具有適當(dāng)?shù)臄?shù)值。如果初穩(wěn)性高過小，不僅降低了船的抗風(fēng)能力，而且在順浪中，當(dāng)波峰位于船中時，有可能喪失穩(wěn)性而傾覆。,3）改變初穩(wěn)性高最有效的方法是改變重心位置。 4）重心提高，初穩(wěn)性高下降，橫搖固有周期顯著增加。 5）對于因重心過低而使橫搖固有周期過小的船，在設(shè)計中可以來取一些措施加以改善。,5、船型系數(shù) 1）方形系數(shù)增加，通常橫搖阻尼隨之增加，而對縱搖和垂蕩不利，失速和砰擊增加。在設(shè)

17、計中，主要由快速性和排水量的要求選取。 2）橫搖阻尼隨船中橫剖面系數(shù)增加而增加。為了改善橫搖性能，通常保持方形系數(shù)不變、采用較大的CM，適當(dāng)減小棱形系數(shù)，這樣對快速性略有好處。,3）水線面系數(shù)增加，能減小波浪對橫搖的擾動力矩，橫據(jù)有所改進(jìn)，同時縱接和垂蕩也略有改進(jìn)。 4） 減小棱形系數(shù)能減小砰擊壓力和失速。某些試驗表明：在CP0.75時船在風(fēng)浪中失速是嚴(yán)重的。 5）船長對排水量比增加，對搖蕩影響不大，但失速可以改善。,6、干舷和舷弧 1）富裕的干舷和舷弧能顯著地改善上浪和濺浪。 2）舷弧可以增加首尾部的儲備浮力，對改善縱搖、垂蕩和上浪是有利的。小型船舶舷弧可以大些，高干舷的大船可以小些，以利于

18、操縱。 3）增加干舷和舷弧，使上層建筑增高，從而導(dǎo)致重心的提高，使初穩(wěn)性下降，同時大傾角穩(wěn)性得到改善，但增加了船舶受風(fēng)面積。,1、船舶型線 船舶型線與快速性、耐波性、穩(wěn)性、操縱性、布置、容積及施工工藝都有密切關(guān)系，在設(shè)計中須權(quán)衡輕重，分清主次。 由于問題的復(fù)雜性，同一個因素在不同的條件下可能得到不同的結(jié)果，因此在考慮時必須慎重。,3-3 船舶形狀對耐波性的影響,1）橫剖面形狀 大型船舶：以靜水中的快速性為主。 中型船舶：主要是首部型線的選擇。 低速貨船：前體以采用V形為宜。 小型船舶：耐波性是型線設(shè)計的主要內(nèi)容。 2）首部形狀 3）尾部形狀：巡洋艦尾為宜。 4）水線面形狀,2、靜穩(wěn)性曲線的形狀

19、 具有適當(dāng)初穩(wěn)性高的S形靜穩(wěn)性曲線對橫搖有利。在橫搖幅值比較小時，因為它具有較小的初穩(wěn)性高而使橫搖和緩。為了使船具有S形的靜穩(wěn)性曲線，通常把船舶設(shè)計成剩余干舷船。,3、球鼻首 球鼻首對減小靜水阻力是非常成功的，但是在風(fēng)浪中的性能并沒有顯示出優(yōu)越性。,4、其他因素 經(jīng)驗表明：在同一初穩(wěn)性高的情況下，重心離浮心越近，橫搖幅值越小。在設(shè)計中最好壓低重心，升高浮心，縮小兩者的距離。對于客船和漁船在艙底加固定壓裁并減輕上層建筑的重量，以壓低重心；對于方形系數(shù)較小的船可以采用V形剖面以提高浮心。 增加縱向慣性矩對縱搖和船體受力都是不利的，為此應(yīng)盡量把重量集中到中部。重量集中對減緩船舶抨擊也有好處。,5、注

20、意事項 1）就船舶設(shè)計而論，都是在一定條件下改變有關(guān)尺度和要素的。一個尺度的變化必然引起其他尺度的變化，以滿足給定的條件，所以各種尺度的變化都不是獨(dú)立的。 例如，當(dāng)排水量保持不變時，方形系數(shù)的變化必然引起主尺度的變化，對耐波性可能產(chǎn)生各種不同的影響。,2）耐波性要求往往和其他性能要求相矛盾，因面必須分清主次，盡先滿足主要性能的要求，然后再考慮次要性能的要求。例如，在橫搖和穩(wěn)性發(fā)生矛盾時，應(yīng)在滿足穩(wěn)性要求的前提下考慮橫描；海洋鉆井船應(yīng)把搖蕩作為主要的要求來考慮等。 3）各種要素對耐波性詣性能的影響往往是矛盾的。例如，增加方形系數(shù)使橫據(jù)有所改善，但失速和砰擊增加，因此要全面權(quán)衡利弊，作出選擇。,耐

21、波性指標(biāo)受很多因素的影響，不僅與海洋環(huán)境條件有關(guān)，也因船舶任務(wù)不同而不同，目前尚沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 船舶而波性指標(biāo)可以分成兩大類：一類是單項指標(biāo)，即針對耐波性中某一性能的指標(biāo)；另一類是綜合指標(biāo)，即對感興趣的若干耐波性指標(biāo)的綜合評價。 在耐波性評價中，選用哪一種指標(biāo)應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求和船舶的工作任務(wù)來決定。,3-4 耐波性衡準(zhǔn),1、船體的絕對運(yùn)動幅值 它一般包括橫搖角、縱搖角、垂蕩、甲板上某點(diǎn)的垂直位移和船底某點(diǎn)的垂直位移。 橫搖角、縱搖角和垂蕩與船員的舒適性、各種儀器設(shè)備能否正常運(yùn)行有關(guān)，橫搖角過大直接影響船舶的安全。 甲板上某點(diǎn)垂直位移的大小對于具有艦載機(jī)能力的船舶是一個重要指標(biāo)，關(guān)系到飛機(jī)的起降安全。,（一）耐波性單項指標(biāo),2、橫搖運(yùn)動周期 為了避免船舶與常遭遇的波浪發(fā)生橫搖諧搖，有時對橫搖固有用期提出限制要求。 例如，我國東海一帶常遇到的海浪波長在50-60m左右，相應(yīng)的波浪周期在6s左右，因此，經(jīng)常在這一帶航行船舶的橫搖固有周期最好避開這一數(shù)值。,3、絕對加速度 它主要包括垂向加速度和暈船率。 垂向加速度的大小與垂向慣性力成正比，過大的慣性力有可能損傷設(shè)備、降低系統(tǒng)的效能、影響飛機(jī)起降。 暈船主要取決于運(yùn)動加速度和運(yùn)動周期，隨著垂向加速度的增加，暈船率顯著增加。,4、相對波面運(yùn)動 由船體相對波面運(yùn)動產(chǎn)生的耐波性指標(biāo)包括船首底部砰擊頻率、軍用艦船聲納罩出水頻