船舶基于运动耦合的研究方法综述

船舶基于运动耦合的研究方法综述

曹晓明，王先洲，王支林

（华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074）

摘 要：在研究船舶总体运动时，通常将船舶看做一个整体进行研究，此时船舶具有6个自由度，这些自由度的运动可以分为纵摇、横摇、垂荡等受外境海况影响出现的被动运动和船舶操纵等船舶主动行为。过去由于人们对船舶运动的认识不足和当时技术手段的限制，通常对这些运动做分别研究，即认为这些运动之间是相互独立的，而事实上船舶各项运动之间是相互耦合的，即各项运动之间相互影响。单独考虑船舶的某种单独运动是不能正确反映船舶的实际运动的，本文主要介绍前人在研究船舶运动耦合方面的一些成就以供大家参考。 关键词：操纵-摇荡；运动耦合；自由度

中图分类号：U661 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）07-0006-02

一、引言

21世纪是海洋的世纪，而船舶是探索和利用海洋的工具。随着船舶使用要求的不断提高，人们对船舶分析的要求也越来越高。过去人们将船舶各个运动单独分析是不能精确反映船舶实际运动情况的，该方法现在也已经不能满足相应的技术精度要求了，于是学者为了提高分析方法的精度，开始研究船舶各个运动之间的相互耦合，即基于运动耦合的观点来研究船舶运动。船舶的运动可分为操纵和摇荡两种主要形式，船舶操纵是指船舶按照驾驶者的意愿改变或保持运动状态的性能，是主动运动，船舶摇荡是船舶受到外力后产生的运动响应，是被动运动。这种主动和被动的划分只是人为的分法，实际船舶运动时操纵运动和摇荡运动是相互耦合的，采用耦合分析的方法才能得到船舶运动的准确情况。

二、运动耦合分析

对于船舶运动耦合的分析前人已经做了大量的工作，这些工作为我们解决目前的工程问题提供了有力的解决方法。

Joshua Grady Graver考虑浮力、附加质量和水动力的影响建立了水面滑翔机的数学模型，该模型加入了滑翔机的非线性耦合运动因素，通过对该模型进行分析得到了滑翔机的运动特征，为控制滑翔机提供了依据[1]；刘丽琴等把Spar平台作为研究对象，根据排水体积和静稳性的变化，得到了其纵摇回复力矩和垂荡回复力的表达式，并以此得到了Spar平台垂荡-纵摇耦合运动模型[2]；赵文斌研究浮式的截断Spar平台的一阶绕流问题，分析主题波浪力，研究了平台耦合运动的马休稳定性问题[3]；刘伟明对波浪中船舶六自由度运动的操纵-垂荡耦合问题进行了研究，建立了数学模型并编写了相应计算程序，通过数值仿真分析波浪中船舶的运动[4]；祁宏伟分别对船舶的横摇、纵摇、垂荡和首摇进行了建模研究，分析各种运动的水动力非线性和耦合作用，简化了水动力的表达式，得到了船舶六自由度操纵-摇荡耦合运动的仿真模型

[5]

时域运动方程，分析了自由液面对船舶运动性能的影响[6]；王元战等对沉箱式防波堤在近破波作用下的运动进行了数值模拟分析，得到了其振动-滑移-提离摇摆运动耦合的数值模拟方法和水动力模型[7]。

文攀结合数值计算，以MARINE实验室的水动力实验为依据，对船舶自由液面对船舶运动的影响进行了研究[8]；杨小亮通过耦合求解欧拉刚体动力学方程组和N-S方程组，对飞行器的动态摇滚现象进行数值模拟，分析了飞行器在不同自由度耦合时的非定常摇滚运动和非定常复杂流体及大攻角摇滚特性[9]；吴根兴、黄达对不同迎角下单独偏航、单独滚转和偏航-滚转耦合运动时BJ-1飞机模型的非定常气动特性进行了实验测量，发现气动特性的两个单自由度运动叠加结果和耦合运动的结果相差很大[10]；杨茂对作挥舞变距耦合运动的襟翼-翼型气动特性进行数值求解，分析了襟翼-翼型的动态失速特性和气动特性在耦合运动时产生的变化[11]；黄达、史志伟以单自由度强迫振动和耦合强迫振动的大振幅偏航滚转运动风动实验为基础，分别采用准定常气动建模和非准定常气动建模方法，得到了飞机的气动力模型，运用这两种不同的气动力模型分别对飞机的纵向正弦振动进行模拟，发现阻尼特性在定常模型与非定常模型中存在较大差距[12]。郭迪龙、杨国伟运用刚性有限元动网格技术，分析研究了三角翼俯仰滚转耦合运动的流场机构和气动力特性[13]；杨爽对计算机控制程序和数值模型进行了优化，数值模拟了升沉纵摇耦合时滑行艇的运动，分析比较了不同航行阶段的滑行艇运动响应[14]；杨云军、崔尔杰等运用刚体动力学方程数值研究方法和亚迭代耦合求解流体动力学方程，通过无时间滞后的耦合数值方法分析飞行器的非定常耦合运动特征，研究了细长三角翼多自由度非定常耦合运动的特征[15]。Ali H.nayfeh通过对船舶横摇和纵摇进行耦合运动研究，得到了耦合运动受波浪频率影响的关系[16-19]。

三、总结

；洪亮研究波浪中自由液面与船体运动的耦合现象，建立收稿日期：2018-03-15

作者简介：曹晓明（1996-），男，华中科技大学船舶与海洋工程学院。

第7期 曹晓明等：船舶基于运动耦合的研究方法综述 7

船舶的六自由度操纵-摇荡运动实际上是相互影响的，船舶基于运动耦合的分析方法能够较准确地反映船舶运动的真实特征，是船舶分析技术发展的必然趋势。前人关于船舶运动耦合的研究使我们对运动耦合有了较深刻的认识，但是关于运动耦合还有很多问题等待我们去探究，相信随着分析方法和计算机技术的发展，这些问题都会得到很好地解决。

参考文献

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[9] 杨勐，黄达，YANGMeng等.大迎角耦合运动非定常空气 （上接第5页）

该船的设计与“Bottsand”级溢油回收船比较类似，但其溢油回收面积更大，效率更高，在面对大规模溢油事故时处理能力更强。并且该船可以根据海况与溢油状况选择多种作业模式，适应环境的能力更强。但功能得到加强的同时，对于船体铰链处的强度要求也会更高[4]。

四、总结与展望

异型溢油回收船的有效收油面积得到了大幅提升，相较于传统溢油回收船优势明显。此外，异型溢油回收船在作业模式下，船体或者溢油回收装置之间能够形成V型结构，该结构有利于溢油在底部积累，并且可以在不同区域布置对油厚敏感程度不同收油机械，提高溢油回收效率。

溢油回收船正朝向安全、快速、智能的方向发展[5]，设计该类型船舶时，需要注意以下问题。首先收油船本身的结构强度需要经过充分的论证与校核，避免出现传统回收船当中的“悬臂梁”式船艏门结构以及承受剪力、弯矩较大的机

构，对受力复杂的的铰链等机构的强度进行充分论证；其次，溢油回收船要能够迅速赶往事故现场并在较短时间内回收处理溢油，这就要求船舶拥有良好的阻力性能、推进性能以及溢油回收处理能力，这对船舶的型线设计、溢油回收装置的布置要求都较高；再次，未来的海洋溢油回收作业需要更加智能化，例如传统双拖船拖带围油栏时，两船配合不佳以及围油栏与船体连接后随波性差等问题都需要得到妥善解决。

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