船舶耐波性-ch1_绪论
船舶耐波性及其评价方法综述
船舶耐波性及其评价方法综述熊云峰熊文海（武汉理工大学，武汉430063）摘要: 随着人们对船舶在波浪上的航行性能愈来愈重视，船舶耐波性的好坏已成为衡量现代化船舶航行性能的重要衡准之一，本文通过对船舶耐波性的分析，总结了船舶在波浪中航行时的耐波性衡准，并对各种船舶耐波性评价方法作了较为全面的介绍和总结，同时提出了今后研究工作的方向和重点。
关键词: 船舶耐波性；衡准；评价；综述1引言船舶耐波性及其评价方法是船舶设计和航海人员及海事管理部门都十分重视的研究课题。
寻找使用方便且行之有效的船舶耐波性评价方法与衡准也一直是船舶耐波性研究人员所追求的目的之一。
但由于船舶耐波性问题的复杂性，迄今尚无统一的耐波性衡准指标，船舶耐波性评价方法也多种多样。
因此，深入了解以往研究所用的各种评估方法及其研究成果，对于进一步完善船舶耐波性及其评价方法的研究，找到更加方便、合理、准确的评价方法，减少船舶在风浪中发生危险的可能性，无疑具有重大的意义。
为此，本文力图对船舶耐波性及其评价方法进行较为全面的介绍和总结，并提出今后研究工作的方向和重点，供船舶耐波性研究人员参考。
2 船舶耐波性概述船舶耐波性是研究船舶在波浪中运动规律的一门学科。
对商船而言，耐波性是指船舶在波浪扰动下，产生各种摇荡运动、砰击、甲板上浪、失速、螺旋桨出水以及波浪弯矩等，仍能够维持一定航速在波浪中安全航行的性能。
对于舰艇而言，我国海军规定：“耐波性是指舰艇在一定海况下具有适当的舰体运动环境，以保证人员及各种武器、系统和其他装备能正常工作的能力”。
对于船舶耐波性的研究，它是随着船舶工业的发展和计算机技术的发展而不断在发展，但是研究船舶耐波性的基本方法主要有两种：（1）理论计算与分析法船舶在波浪中的摇荡运动，从力学的观点看，包括两个方面：一是刚体动力学问题，即船舶作为一般刚体在受到外力作用下产生运动的问题。
船舶在波浪扰动下的摇荡运动同周期性扰动力作用下的振荡器的振动类似，因此，研究船舶摇荡运动归结为建立船舶摇荡运动的微分方程及求解。
船舶耐波性基本知识
受的压力发生变化。同时由于水面与空气的 相对运动，在他们之间有摩擦力存在，使水 表面承受切应力。
• 正是由于大气压力的变化与切应力的存在，
使平静的水面发生局部变形。重力使变形的 水面有向原来平衡位置运动的趋势，惯性力 又有使变形继续下去的趋势，从而水面不断 地起伏、形成风浪。
传播方向之间的夹角，称为道遇浪向。
• 所谓首向是船舶首尾线指向船首的方向，即
在Gxyz坐标系中X轴的方向。当首向与风浪传
播方向相一致时，遭遇浪向为零度，如图1-3
所示。
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四、耐波性主要内容
• 1、船舶摇荡 • 其中运动显著而影响严重的是横摇、纵摇和
垂荡。
• 2、砰击 • 由于严重的纵摆和垂荡，船体与风浪之间产
生猛烈的局部冲击现象称为砰击。
• 砰击多发生在船首部。砰击发生时首柱底端
或船底露出水面，然后在极短的时间内以较
大的速度落入水中而发生猛烈的撞击。
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• 3、上浪 • 船舷在风浪中剧烈摇荡时风浪涌上甲板的现
象称为上浪。上浪时船首常常埋入风浪中， 海水淹没首部甲板边缘，甲板上水。上浪主 要是由严重的纵摇和垂荡引起的。
的辐射流体动力；
• ⑤波浪扰动力，包括不受船体扰动的入
射波的变动水压力形成的流体动力，波 浪遇到船体产生绕射流体动力；
• ⑥流体粘性力，除了横摇运动，一般不
予考虑。
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• 2、基本假定
• ①假定船舶是一个刚体，忽略它的弹性变形
• ②不考虑水的粘性和可压缩性。
• ③假定作用在船体上的是微幅规则波。可以
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船舶耐波性总结2
船舶耐波性总结第一章耐波性概述一、海浪的描述、、。
船舶耐波性是船舶在波浪中运动特性的统称，它包括船舶在波浪中所产生的各种摇荡运动以及由这些运动引起的抨击、飞溅、上浪、失速、螺旋桨飞车和波浪弯矩变化等性能，直接影响船舶在风浪作用下维持正常功能的能力。
二、6个自由度的摇荡运动船舶任意时刻的运动可以分解为在Oxyz坐标系内船舶中心G沿三个坐标轴的直线运动及船体绕三个坐标轴的转动。
而这些运动中又有直线运动和往复运动垂荡对船舶航行影响最大，是研究船舶摇荡运动的主要内容。
船舶摇荡是指船舶在风浪作用下产生的摇荡运动，他们的共同特点是在平衡位置附近做周期性的震荡作用。
产生何种摇荡运动形式取决于船首方向与风浪船舶方向之间的夹角，称为遭遇浪向。
三、动力响应船舶耐波性是船舶在风浪中性能的总的反应，它主要包括船舶摇荡、砰击、上浪、失速、螺旋桨飞车。
剧烈的横摇、纵摇和垂荡对船舶产生一系列有害的影响，甚至引起惨重后果，主要表现在以下三个方面：1）、对适居性的影响；2）、对航行使用性的影响；3）、对安全性的影响；船舶在风浪中产生摇荡运动时，船体本身具有角加速度和线加速度，因此属于非定常运动。
第二章海浪与统计分析2-1 海浪概述风浪的三要素：风速、风时、风区长度。
风浪要素定义：表观波长、表观波幅、表观周期。
充分发展海浪条件：应有足够的风时和风区长度。
海浪分类：风浪、涌浪、近岸浪。
风浪的要素表示方法：统计分析方法。
2-2规则波的特性波面可以用简单的函数表达的波浪称为规则波。
A 0=cos kx -t ξξω（）A k ξξω为波面升高，为波幅，为波数，为波浪圆频率。
在深水条件下，波长T c λ、周期和波速之间存在以下关系 ：≈ 2=1.56T λ； c==1.25T λλ； 2=T πω； 2k=g ω 波浪中水质点的振荡，并没有使水质点向前移动，也没用质量传递。
但是水质点具有速度且有升高，因此波浪具有能量。
余弦波单位波表面积的波浪所具有的能量2A 1E=g 2ρξ2-3不规则波理论基础一、不规则波的基本概念 1、确定性关系和统计关系我们所讨论的不规则波引起的船舶摇荡运动等都是属于统计规律范畴之内的。
船舶操纵性与耐波性简介第四章自由自航船舶操纵性试验
– 应尽可能接近大多数船舶实际航行中经常遇到 的操纵情况，或具有重要意义的情况，使由此
第四章 自由自航船舶操纵性试验
《船舶操纵性与耐波性》课件
– 应便于对所得的结果进行理论上的分析，从而取 得有普遍意义的特征参数。
回转试验结果分析
《船舶操纵性与耐波性》课件
• 对回转试验的结果可按回转性一节所述进 行分析。
– 在各种状态下测得的回转轨迹图上，直接量出 特征参数，如:纵距、正横距、战术直径、定常
回转直径V 0。/ u 1从航速和角速度测量中可求得回转 速量降中可得 到d及定定常常回回转转横角倾速角度r0。和从0 最横大倾动角力的横测
图4-2 (a)
光学跟踪的绕标方法
《船舶操纵性与耐波性》课件
• 设首、尾两测向仪离重心点G 的距离分别为LA、LB，则二测 角仪间距离L0为:
L0 LALB
• 在图上任取一点O，作直线Ox0 ，并取其为船舶初始航线。按 一定的比例尺，以O为圆心，L0 为半径作圆。各时刻tj 船舶重 心点位置作图如下:
– 应便于进行试验操作和对所需数据的观测。
• 实船与船模通过这些标准的操纵性试验，求
取操纵指数(如 K、T等)，或直接根据所得的
试验曲线的形式以判定其操纵性的优劣
• 主要的试验有：回转试验、螺线及逆螺线试 验、回舵试验、Z形试验、变首向试验、频率 响应试验以及关于启动、停车、倒退等的专 门试验
4.1 回转试验
光学跟踪的绕标方法结果精确，但 需在试验水域设置浮标，不方便。
图4-2(b)
《船舶操纵性与耐波性》课件
船舶耐波性基本知识概要72页PPT
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会ห้องสมุดไป่ตู้部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
船舶在波浪中的运动-ch1_引论
11
§1.1
概述
——波浪中的运动
风浪下的船舶运动 摇荡运动（oscillation）; 摇荡运动之动态效应：
速度、加速度、晕船；
增阻（increase of resistance）与失速（speed loss）； 飞溅（spray）、甲板上浪（Green Water）; 首底砰击（Slamming）； 舱液晃荡（sloshing）等。
概述
——环境载荷
我国近海具有明显的季风特征，总体海况趋势： 冬强夏弱、外海强近岸弱、东南海强黄渤海弱。 平均风速：4 ～ 12 m/s。 平均波高：0.8 ～ 1.8m(风浪)、1.2 ～ 2.5m(涌浪)。 恶劣的北海： 60%的时间里有义波高大于2m，最大波高30m以上，极 端海况下的波浪周期为15～20s，很少低于4s，风速上限40 ～ 45m/s。
评估等模块，成为业界认可和广泛使用的商用专业软件，具有不同水深环境下 的固定浮体、系泊浮体和自由浮体水动力载荷及其动力响应分析的一般功能， 以及海洋工程生产系统集成设计、管理与效益和风险评估的基本功能。
主要模块及功能：
①Strength assessment of fixed structures.
MODULES: Hull Integrity、Structure Integrity、Plant Integrity、Pipeline Integrity、Riser Integrity、Risk
Based Inspection
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.2 船舶运动预报解决方案概
6
§1.1
概述
毕业答辩——船舶操纵性与耐波性
1.什么是船舶耐波性？船舶耐波性是指船舶在波浪扰动下，产生各种摇荡运动、抨击、甲板上浪、失速、螺旋桨出水以及波浪弯矩等，仍能维持一定航速在波浪中安全航行的性能。
（P1）2.什么是有效波面？船宽、吃水相对波长是很小时，可近似认为船是水中一质点，它所受的浮力近似垂直于波面。
当船宽和吃水相对波长为有限尺度时，由于船宽范围内波形曲率的变化以及沿船体水下表面所受到的浮力方向与波面法向不一致，使船受到的总浮力有所减小，同时其浮力作用线是垂直于某一次波面，这一次波面称为有效波面。
（P17）3.船舶阻尼力（矩）按物理性质大致可分为哪三类？兴波阻尼、旋涡阻尼、摩擦阻尼（P8）4.船在水中可能产生六个自由度的摇荡运动，分别是什么运动？横摇、纵摇、首摇、垂荡（升沉）、横荡和纵荡5.研究船舶耐波性用到的三种坐标系是哪三种，可画图说明？空间固定坐标系：该坐标系用来描述海浪；动坐标系Gxbybzb：随船做摇荡运动，坐标原点取在船的重心G上，坐标轴取作与船的中心惯性主轴相重合，Gxb在船中线面与龙骨线平行，向艏为正；Gzb在船中线面内垂直于Gxb，向上为正；Gyb垂直于船的中线面，向右舷为正。
随船移动的平衡坐标系Oxyz：当船在静水中以航速v航行时，该坐标系随船同速前进，Oxy位于静水面上，Ox正向与航速v同向。
当船在波浪上做摇荡运动时，该坐标系不随船做摇荡，仍保持按船的平均速度和原航向前进。
6.船模实验需要满足的相似律有那几个？几何相似、运动相似、动力相似。
（P136-P137）7.什么是船舶摇荡运动的兴波阻尼？（P9）由于船舶运动使水面产生波浪，消耗船本身的能力所造成的阻尼。
傅汝德认为兴波阻尼与速度一次方成比例。
8.目前采用较广泛的减摇装置有哪些？舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍（P168）9.什么是有效波面角？有效波面的切线与水平间线间的夹角，恒小于真实波面角。
（P14 p17)10.什么是史密斯效应？波浪下任一点的压力随深度按指数递减的规律，称为“史密斯效应”。
船舶耐波性预习要领
第二章 海浪与统计分析
1、风浪的三要素：风速、风时、风区长度。风浪要素定义：表观波长、表观波幅、表观周期。海浪分类：风浪、涌浪、近岸浪。风浪的要素表示 方法：统计分析方法。 2、规则波（简单的函数表达的波浪）的特性
T= 2 0.8 g
=1.56T 2
c=
=1.25 T
=
2 = kg T
k=
Hale Waihona Puke 2 g3、不规则波：确定性关系和统计关系、叠加原理、随机过程、瑞利分布的统计特性平均波幅、三一平均波幅；十一平均波幅；百一平均波幅 4、谱分析的理论分析（时域分析法与频域分析法） ：谱密度函数是从频率域角度描写随机过程，相关函数则从时间域角度描写随机过程，两者之间 存在傅里叶变换关系
R（ = Sx1 （）e j d x ）
M ( )=-D h
arctan
2 1 2
m =K 0 sin t= m sin t
0
相对横摇角（甲板上浪）和绝对横摇角（晕船） M m Dh m
） = -I M（ = - （ I x x + J x x） xx
垂荡固有周期：
T 2.8 CVP d
结论：纵摇与垂荡的固有周期是相近的
3、不规则波顶浪航行时纵向区域划分：亚临界区域、临界区域、超临界区域
T
第五章 船舶耐波性设计和实船试验
1、主尺度对耐波性的影响：船长（影响纵摇和垂荡） 、船宽（影响稳性和横摇） 、吃水（影响横摇、纵摇、垂荡）初稳性高、船型系数、干舷和舷弧 也有一定的影响。 2、船舶形状对耐波性的影响：船舶型线、静稳性曲线形状、球鼻艏 3、耐波性指标：单项指标（船体的运动幅值、横摇运动周期、绝对加速度、相对波面运动波浪中的失速） 、综合指标（作业时间百分比、期望航速 百分比） 4、耐波性实船试验的组织和实施：选择适当测试海域和时间、编写试验大纲、测量仪表的准备和调试、试验、分析
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波浪: 为平台主体主要的诱导载荷。有两种时间尺度:
➢ 数秒量级的快速波动，产生瞬态载荷，其典型周期为5-25s。不 同频率波的叠加形成低频慢漂和高频振荡。
➢ 小时量级的缓慢变化，改变波浪的有义波高与特征周期。
风: 不仅诱发波浪，对平台主体也产生影响。有两种时间尺度:
➢ 小时量级的缓慢变化，改变海面风区的统计特征; ➢ 数秒至数分钟量级的快速变化，改变风区风速，其典型周期为
纯稳性损失（loss of pure stability) 参数共振（parametric resonance) 急转横甩（broaching-toin following seas
broaching
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
1s-几分钟。
流:为平台尤其是附属的细长结构的诱导载荷。
➢ 流速随时间的变化比较缓慢。流速的典型周期为小时量级。
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
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概述
Summarizings
海洋结构物设计对运动与受力的考虑
各式海洋结构物对运动与受力的要求侧重不同：
11
概述
Summarizings
A typical example of broaching behaviour
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
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概述
Summarizings
进一步的研究表明：船舶迎浪航行也有可能发生：
非线性大幅横摇或横倾
（ large amplitude rolling or heeling in head waves)
大开口集装箱船在迎浪中的非线性横摇依然是研究热点问题
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概述
Summarizings
海洋环境载荷——风、浪、流
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首底砰击
甲板淹湿
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概述
Summarizings
摇荡运动与耐波性事件: 对作战与作业使用性产生不利影响
航母甲板起降处的垂向速度、加速度对舰载机起降不利
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
7
概述
Summarizings
①
②
③
④
舰载机起飞事故
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8
概述
Summarizings
船舶耐波性： 船舶抵御风浪的综合能力；船舶总体性能之一。 摇荡运动：
影响航行安全、 增加航行阻力，影响航行速度——增阻、失速；
衍生运动：
人员晕船、降低工作效率； 影响使用作业及其效率；
飞溅与冲击：损毁船体结构；
甲板上浪：损毁甲板结构、舱室进水使船体倾覆；
首底砰击：损毁船体结构；影响首底声纳；
螺旋桨出水：影响航速、损害主机系统——飞车；
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
3
概述
Summarizings
船舶在波浪上的摇荡运动
船舶在波浪上航行时，产生直观的摇荡运动（ie. 6-DOF Motion）：
—纵荡 (surge)
线位移 —横荡 (sway)
—垂荡 (heave)
—横摇 (roll)
9
概述
Summarizings
船舶在波浪上航行时的异常运动现象
哪个浪向上的航行更安全？
✓ 迎浪航行？ ✓ 首斜浪航行？ ✓ 横浪航行？ ✓ 尾斜浪航行？ ✓ 随浪航行？
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概述
Summarizings
航海实践表明：随浪航行易于发生：
角位移 —纵摇 (pitch)
—首摇 (yaw)
沿坐标轴的线位移 绕坐标轴的角位移
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
4
概述
Summarizings
剧烈的摇荡运动影响： 航行安全性、作业使用性、人员适居性、
显著的纵摇与升沉
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
2
概述
Summarizings
风浪作用下的船舶
摇荡运动（oscillating motion）; 摇荡运动之动态效应： 速度、加速度、晕船； 增阻（increase of resistance）与失速（speed loss）； 飞溅（spray）、甲板上浪（Green Water）; 首底砰击（Slamming）； 舱液晃荡（sloshing）；等。
剧烈的横摇运动
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概述
Summarizings
船舶摇荡运动衍生： 以下常见的耐波性事件（动态效应）：
—甲板上浪 (green water)、淹湿（submergence) —首底砰击（slam)、 —螺旋桨出水（propeller emergence）
—加速度（ acceleration ）
甲板上浪
垂荡：钻探作业平台一般要求小于4m。需运动补偿提高作业效率。 横摇：起重船、需操作加工设备的浮式平台。 纵摇：需操作加工设备的浮式平台。 风、浪、流漂移力和风、浪漂移运动：
系泊平台（锚链破断）; 立管平台（立管系统挠性）; DP系统、拖曳系统（平均和缓变波漂力）。等
LECTURE NOTES ：Introduction to Ship Seakeeping
LECTURE NOTES： Ship Seakeeping
CH 1
绪论
Introduction to Ship Seakeeping
船舶工程学院 丁 勇 教授
2010年3月
§1.1 概述
Summarizings
Oscillating Motion of Full Scale Ships in Seas