船舶在波浪中的运动-ch1_引论
切片理论
主要内容 概述 船舶在规则迎浪波中的运动方程 船舶在规则斜波中的运动方程 船舶运动方系数的求解
概述
切片理论： 是指在计算船体水动力时，假定船体由许 多横向薄片组成，每片都当成无限长柱体的一 个横剖面，然后用流体力学中二维绕流来确定 该剖面的附加质量、阻尼力、扰动力等系数， 最后再沿船长积分以求出对船体的作用。 把船体作为二因次切片连续体的思想，给 耐波性理论计算开辟了一条新路。
切片理论的发展：
1955年科文-克劳科夫斯基应用空气动力学中的细 长体概念首次提出了处理摇荡问题的切片理论。这一 理论假定船舶是细长的，可沿船长方向将船体分成若 干段，各段上截面形状相同，对各截面来说，流动可 近似认为是二维的，按二维流动求得各横截面受到流 体作用力后，沿长度方向积分以求得船体上总的流体 作用力。 经过大量实验验证切片理论的可行性，切片理论 本身也得到了迅速的发展和改进，出现了多种切片法， 例如普通切片法、新切片法、合理切片法等等。切片 理论主要立足于船体细长的假定之上。所谓细长，指 的是船体横向尺度远小于船长，若设ε 为参数，则有
基本思想：
(1)建立船舶在规则波中的一般运动方程式； (2)把船体沿船长方向分成若干切片，用二维绕流 计算每个切片上的阻尼系数和附加质量， (3)根据波形计算各切片上的扰动力和力矩； (4)确定各种波浪频率和航速下运动方程的系数； (5)求解方程，计算各种波浪频率和航速下的频率 响应函数； (6)在平稳随机过程的假定之下，利用统计分析方 法，预报船舶在风浪中的统计特性。
（17）
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2. 船舶在规则迎浪中垂荡和纵摇运动方程的建立 (1)．运动方程的建立及求解 考察在运动坐标系G X Y Z中X处船体横剖面切片 的运动。切片随重心上升了Z，由于纵摇下降了 ， 此时横剖段处的面波坐标为 ，因此该横剖段与波 面的垂向相对位移为： (1)
船舶运动的六个自由度
船舶运动的六个自由度船舶是一种水上交通工具，它可以在水上自由行驶。
船舶运动的六个自由度是指在三维空间中，船舶可以进行六种运动，这些运动包括：横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和偏移。
下面将对这六个自由度进行详细的介绍。
一、横摇横摇是指船体绕纵轴旋转的运动。
当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生横摇。
例如，在海浪中行驶时，海浪的冲击力会使得船体产生横向振动，从而引起横摇。
二、纵摇纵摇是指船体绕横轴旋转的运动。
当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生纵摇。
例如，在大浪中行驶时，浪头和浪谷的冲击力会使得船体产生前后振动，从而引起纵摇。
三、艏摇艏摇是指船首向左或向右侧倾斜的运动。
当外部力矩作用于艏部时，会引起艏部发生摇晃，从而引起艏摇。
例如，在强风中行驶时，风力会使得船首向左或向右倾斜，从而引起艏摇。
四、横荡横荡是指船体在水平方向上的移动。
当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生横向位移，从而引起横荡。
例如，在强浪中行驶时，海浪的冲击力会使得船体产生侧向位移，从而引起横荡。
五、纵荡纵荡是指船体在垂直方向上的移动。
当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生垂直位移，从而引起纵荡。
例如，在大浪中行驶时，浪头和浪谷的冲击力会使得船体产生上下位移，从而引起纵摇。
六、偏移偏移是指船体在水平面内的旋转运动。
当外部力矩作用于船体时，会使得船体绕一个轴线旋转，并且这个轴线与纵轴和横轴都不重合。
这种运动称为偏移。
例如，在强风中行驶时，风力会使得船体绕一个轴线旋转，从而引起偏移。
总结：船舶运动的六个自由度包括横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和偏移。
这些自由度的存在使得船体可以在三维空间中自由运动，并且能够适应不同的水上环境。
对于船员来说，了解船舶运动的六个自由度是非常重要的，因为只有了解了这些自由度，才能够更好地掌握船体运动规律，从而保证航行安全。
第四章船舶纵摇与 垂荡
V
90
V
180
0
V
正横浪 尾横浪
45
迎浪
顺浪
ω = 波浪频率 V = 船速 = 浪向角
=遭遇频率
航向、航速对船舶摇荡的影响
一、航速、航向对波浪干扰力（矩）频率的影响
航向、航速对船舶横荡的影响
一、航速、航向对波浪干扰力（矩）频率的影响
1。斜浪中的遭遇周期：
2。
航速、航向改变了遭遇周期，影响摇荡。
作用于船上的周期不是波的真实周期而应该是遭遇周期。
λ最大有义 ≈ 60 ζw/3
船舶在不规则波中的垂荡与纵摇
谱密度划分
根据组成不规则波的各单元波对纵向运动 的作用，我们对风浪谱密度作如下划分
(1)主成分波 波长等于船长的单元波和最大能量单元波 之间的单元波称为主成分波。它对纵向运动起 着主要的作用。 (2)有义成分波 波长等于3／4船长的单元波与最大有义波 之间的单元被，称为有义成分被。在有义成 分波区间之外的单元波对 船舶的纵向运动不 产生明显的影响． 船舶的纵向运动即取界决于风浪能量的大小，也取 决于规则波中顶浪航行时的风浪谱密度与频率响应 函数之间的关系．
3. 谐摇状态与临界状态
1。谐摇状态
船舶以航速 V 顶浪航行
遭遇周期
航速 波长
当波长一定时，随着航速增加：遭遇周期减小。 当航速一定时，随着波长增加；遭遇周期增加。
船舶在不规则波中的垂荡与纵摇
3.谐摇状态与临界状态
2。影响纵向运动的因素
固有周期 Te=Tφ Te=TZ 航速影响 零速时，运动较小频响的峰值偏向低频区域； V ,运动增加，频响峰值向高频区移动 1＜λ/ L＜2.5 波长/船长 =λ/ L 影响大
海浪对船体振动与结构疲劳的影响与控制
海浪对船体振动与结构疲劳的影响与控制标题：海浪对船体振动与结构疲劳的影响与控制引言：海洋环境下船舶的振动与结构疲劳问题一直备受关注。
海浪作为影响船舶运行的主要力量之一，对船体的振动与结构疲劳会产生重要影响。
本文将就海浪对船体振动与结构疲劳的影响机理进行探讨，并介绍几种常用的控制方法。
1. 海浪对船体振动的影响机制海浪对船体振动的影响机制主要涉及波浪力、激励力和共振现象。
首先，波浪力是由于海浪作用于船舶上产生的，导致船体在水平和垂直方向上发生振动。
其次，激励力是由于波浪通过船体表面作用而产生的，会进一步引起船体的振动。
最后，共振现象指的是当波浪频率与船体的固有频率相接近时，振动会得到放大，从而引发结构疲劳和破坏。
2. 海浪对船体结构疲劳的影响机理船体在海浪环境下受到的振动力将导致局部应力集中，从而加剧了船体结构的疲劳损伤。
海浪对船体结构疲劳的影响机理主要有波浪谱特性和波浪载荷。
波浪谱特性描述了波浪在频域上的能量分布，不同谱特性的波浪将对船体不同部位结构产生不同程度的疲劳影响。
而波浪载荷是指船体受到的波浪作用力，其大小与波浪幅度、频率、波速等因素有关。
3. 海浪对船体振动与结构疲劳的控制方法为了降低海浪对船舶振动和结构疲劳的影响，船舶设计和运营中采用了一些控制方法。
其中，船体减振是通过增加船体刚度和阻尼来减小振动幅值，包括增加结构刚度、使用减振材料等。
此外，振动控制器的应用也可以有效降低船舶振动幅值。
而对于结构疲劳控制，可以采用预测、监测和维护等方法，包括使用结构疲劳监测系统、定期检查船体结构等。
结论：海浪是导致船体振动和结构疲劳问题的主要因素之一。
了解海浪对船体振动与结构疲劳的影响机理，对于船舶设计、运营和维护非常重要。
在实际应用中，我们可以通过采用船体减振和振动控制器等方法来降低船舶振动幅值，同时通过预测、监测和维护等手段来控制船体的结构疲劳，确保船舶在海洋环境下的安全运行。
这些措施的实施将有助于提高船舶的安全性和运行效率。
波浪对穿浪双体船摇荡运动的影响
波浪对穿浪双体船摇荡运动的影响波浪对穿浪双体船摇荡运动的影响穿浪双体船作为船型中的一种，具有良好的稳定性和航行性能，在海洋工程中应用广泛。
但是，海洋环境是多变的，波浪因素往往会对船只的运动产生影响。
而作为双体船的一种，穿浪双体船不同于传统的单体船在波浪环境下的运动。
下面将从波浪对穿浪双体船的影响和穿浪双体船的反应两个方面来阐述此影响。
波浪对穿浪双体船的影响波浪是海洋环境中最基本的自然现象之一，因此，在船只的性能设计和建造中，对波浪的影响必须特别关注。
由于波浪的大小、方向和幅度在不同的区域、不同的季节和天气变化，因此，穿浪双体船受到波浪影响的程度随着海况的不同而变化。
波浪对穿浪双体船的影响主要体现在以下三个方面：1. 产生的动力影响：波浪就是海水的周期性运动，波浪的力量和冲击可以有效地促进船只运动性能的发挥。
但是，当波浪方向和船只行驶方向相反时，波浪产生的阻力会减缓船只的前进速度，甚至使船只倒退。
当波浪方向与船只行驶方向相同时，船只运动会更加流畅，而且可以加速船只的前进速度。
总地来说，波浪在船只运动的过程中对船体产生的动力影响是非常显著的。
2. 产生的稳定性影响：穿浪双体船的设计就是为了增强稳定性，特别是在海洋环境中。
然而，波浪对船只的稳定性产生的影响也是不可忽视的。
波浪的高度和形态可能会导致船只产生偏摆、横摇、剪切和紊流等稳定性问题。
此外，波浪还会使船体加强摆荡、上下颠簸的运动，从而降低船只的稳定性。
3. 产生的运动影响：波浪对穿浪双体船的动态影响主要体现在船只运动的幅度和频率上。
波浪的静态形态以及自然的运动规律会使穿浪双体船的前后、左右、上下运动受到干扰，从而导致摇荡幅度加大。
此外，在很大兴浪环境下，海水在波浪的作用下，容易发生喷溅现象，直接影响到船只的安全。
穿浪双体船的反应穿浪双体船的反应主要是指这类船只在波浪环境下产生的运动和位移；从另一个角度而言，船只的造型、密度和船体内部结构也可以影响波浪对船只的影响。
船舶耐波性总结2讲解
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。
船舶耐波性基本知识
环境条件与耐波性之间的关系
五、研究耐波性的必要性
自1953年丹尼斯等引入线性迭加原理和科文-克劳科夫斯基提出切片理论以来，现代耐波性理论迅速发展。船舶性能的优劣，主要看它在实际海洋环境中的性能。过去，船舶的设计师们对船舶性能的研究多侧重在船舶在静水中的性能，特别是静水中航行的快速性。但是，大量事实表明，一艘在静水中航行性能优良的船舶，在波浪上的航行性能并不一定是优良的，船舶耐波性的优劣直接关系到船舶的适居性、航行使用性和安全性。
2-2 规则波的特性
波面可以用简单函数表达的波浪称为规则波。规则波不仅能近似表示涌，面且也是研究不规则波的基础。
水质点的轨圆运动
波内压力场的流体动压力的分布
在深水中，由波浪引起的压力变化与轨圆半径的变化具有相同的规律即随着水深的增加，压力变化以指数规律衰减，这种现象通常称为史密斯效应。
STEP5
STEP4
STEP3
STEP2
STEP1
不规则波基本概念
确定性的数量关系
统计关系
在所有可能出现的波高中，不同大小的波高占总数的比例是一个比较稳定的值。
我们只要掌握经过大量试验所表现出的统计规律，就从总体上掌握了不规则波的特性。对于不规则波所引起的船舶运动及其他特性也是如此。
2-3 不规则波的理论基础
4
吃水
随着吃水的增加，波浪对横摇的扰动力矩略为下降，横摇趋于缓和。
对于中小型船，由于船长受到限制，不可避免地要发生较大的纵摇和垂荡。如果平均吃水减小，纵摇和垂荡的固有周期下降，即使谐摇，也是在较小的波浪中发生，纵摇和垂荡也不会太大。
从船舶砰击的角度来看，要求吃水大些，因为船舶砰击常发生在空载和压载航行状态，尤其对具有尾倾而吃水较小的船更是如此。吃水深，能够减少砰击的频率和砰击的强度。
第四章船舶纵摇与 垂荡
3。垂荡固有周期的近似计算
由于垂荡运动阻尼较大，不能把静水有阻尼垂荡周期近似为垂 荡固有周期。
近似认为：
船舶垂荡和纵摇的水动力系数
-----船舶在静水中纵摇运动
1。受力分析
其中：
船舶垂荡和纵摇的水动力系数
----船舶在静水中纵摇运动
2。求解纵摇运动方程
整理 其中：
纵摇自由衰减曲线
➢ λ/L是重要因素 ➢ 固有周期相对次要 ➢ 航速高，运动剧烈
船舶在不规则波中的垂荡与纵摇
3.谐摇状态与临界状态
当船以一定的航速在不规则波中顶浪前 进时，根据叠加原理，它相当遭遇一系 列波长变化的规则波的作用，这时有关 谐摇的概念不再适用了。以下用临界状 态说明迎浪航行于不规则波中船舶的摇 荡情况。
修正系数
L
2
2 L
yw
xb
ekdm cos kxb dxb
kz
2
L
2
2 L
yw
xb
dxb
2
船舶在规则迎浪中的垂荡与纵摇
二、垂荡的主干扰力和纵摇的主干扰力 矩
2.纵摇的主干扰力矩 将上图微元体的垂荡干扰力的主要部分对Gyb轴取矩，然后沿船长积 分：
其中：
修正系数
水线面积过船重 心横轴的惯性矩
(2) 临界区域
➢ 当船舶的谐摇波长位于成分波区间时，这时波浪给予船
舶较多的能量、因而产生激烈的运动，称为临界区域
➢ 在临界区域内，船舶的纵摇和垂荡都是十分严重的，甚至出现严重的砰 击和上浪，使驾驶者不得不被迫减速。 ➢ 对于快速船有砰击限制航速和上浪限制航速，—艘新设计的船，耍选择 适当的干舷高度，使临界区域内的上浪限制航速大于砰击限制航速。 ➢一般说来，砰击是决定风浪中快速船舶速度的主要因素。
船舶耐波性总结2讲解
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。
船舶运动6中状态
船舶在波浪中的運動綱要•簡介•操縱數學模式•運動數學模式簡介•船舶在海上行進時的反應是一個非常複雜的非線性現象，因為不只有波浪作用力，同時船本身也有一個前進的動力存在。
•規則波單方向不規則波多方向不規則波→→操縱數學模式•使用日本MMG( Mathematical Modeling Group)流力模式。
•船舶、螺槳、舵單獨性能為基礎再加上三者的擾動效應。
• 只考慮船舶縱移(surge)、橫移(sway)、平擺(yaw)、橫搖(roll)。
座標系• 空間固定座標 • 船體固定座標• 船體固定座標與水面平行。
• 地球公轉與自轉效應忽略。
運動方程式• 如果將 定在船體重心 上O G()()() H eaveX m u w p vr S ur ge Y m v ur w p S w ay Z m w vp uq ⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩=+-=+-=+-()()() R ol l P i t ch Y awx zy y xz z yx K I p qr I I M I q r p I I N I r pq I I ⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩=+-=+-=+-() pr op ps I I n Q E ngi ne+=• 不考慮起伏(heave)、縱搖(pitch)• 角速度• 重心速度相對於空間固定座標的轉換• 重心速度相對於水的速度轉換成相對於地球的速度。
船舶-流體力與力矩，附加質量和黏滯度影響• 流體力係數可視為只與船舶之瞬間運動狀態有關，此即所謂的準定態(quasi-steady)處理方式。
• 考慮橫搖運動()22224012x yvv vr r r vvvv H X mu mvr LU X v X v r X r X v X u ρ⎛⎫ ⎪⎝⎭'''''''''=-++++++2212y xr H N L R O LL Y mv mur L U Y Y r Y Y βρβ⎛⎫ ⎪⎝⎭'''=--++++''' 3212zz r H N L R O LL N J r L U N N r N N βρβ⎛⎫ ⎪⎝⎭'''=-++++'''()()xx H H H K J N m g G Z Y Z φφφ=---⋅- U ：重心移動速度x m ：縱移附加質量 y m ：橫移附加質量()()X m u vr Y m v ur⎧⎪⎨⎪⎩=-=+p q r φθϕ⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩≅≅≅00cos si n si n cos X u v Yu v ϕϕϕϕ⎧⎪⎨⎪⎩=-=+zz J ：平擺附加質量慣性矩 xx J ：橫搖附加質量慣性矩vv X '、vr X '、r r X '、vvvv X '：由於船舶平面運動所引起之阻力增加係數0()X u ：船舶直進阻力Y β'、r Y '：線性流體阻尼力係數 N β'、r N '：線性流體阻尼力矩係數N L Y '：無因次非線性流體阻尼力N L N '：無因次非線性流體阻尼力矩 R O LL Y '：橫搖運動所引起的橫移力 R O LL N '：橫搖運動所引起的平擺力矩()N φ-：橫搖阻尼力矩H Z ：船體流體橫移力作用點與重心G 的垂直距離H H Z h O G =+H h ：船體流體橫移力作用點與水面的垂直距離螺槳-螺槳力與力矩，螺葉數目和展開面積比影響螺槳在四個象限中之推力與扭力可表示為下：()()(){}2221110.724p p p p p T p X t u nD D C πρωπβ⎡⎤=--+⎣⎦ ()(){}2231210.724p pp p p p Q p Q J n u nD D C ππρωπβ⎡⎤=---+⎣⎦其中p t 為推力減少係數，pp J 為螺槳附加極慣性矩(added polar moment of inertia)。
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§1.1
概述
——波浪中的运动
垂荡是海洋结构物重要的运动响应
常规船舶 张力腿平台 半潜式平台
固有垂荡周期 回复力 主要激励机制 重要阻尼
4-16 s 水线面面积 线性波浪力 波辐射
2-4 s 系链弹性
>20 s 水线面面积 涌（长波） 粘性效应
15
§1.1
概述
——结构物的水动力分类
Sea Loads wind wave current
inertia forces
水动力载荷: —线性与非线性波浪力 —流载荷与涡激力 —水动力干扰
质量力、粘性阻尼和绕射力的相对重要性
Theory of Ship Motions in Waves
16
§1.2 船舶运动预报解决方案概述
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: Geni E
②Strength assessment of floating structures.
MODULES：GeniE、DEEP C、 Hydro D
③Strength assessment of FPSO.
MODULES: Geni E、Hydro D、 DEEP C
④Structure integrity management & maintenance.
Theory of Ship Motions in Waves
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§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。
LECTURE NOTES :
船舶在波浪中的运动理论
Theory of Ship Motions in Waves
课程内容
Contents of The Course
课程内容：
1. 引论
2. 海洋波浪理论 3. 船舶在波浪上的运动 4. 小尺度构件流体动力 5. 锚泊与运动响应
课程主题: 波浪诱导的大尺度海洋工程浮体结构水动力与摇荡 运动理论及分析方法
Theory of Ship Motions in Waves
ห้องสมุดไป่ตู้22
§1.2 船舶运动预报解决方案概述
——典型软件简介（WAMIT）
WAMIT 是一款以三维面元法为基础的波物相互作用分析软件，其核心 模块POTEN 和FORCE分别 计算流场速度势与水动力载荷，辅有高性能的
数据传输接口、有限元建模与动力响应分析等模块可对有限水深和无限水 深下的位于水面、水中及海底的自由浮体、系泊浮体及固定浮体进行水动 力载荷及其动力学响应分析。
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 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。
Theory of Ship Motions in Waves
7
§1.1
典型海况：
海洋环境（风、浪、流）的物理模拟 水动力与载荷效应测试分析及其换算预报方法 精细流场无接触测量与成像技术
Theory of Ship Motions in Waves
18
§1.2 船舶运动预报解决方案概述
——前沿问题
海洋结构物： 强非线性波及其冲击效应;
eg. Extreme wave, Freak wave
Theory of Ship Motions in Waves
14
§1.1
耐波性综合指标
概述
——波浪中的运动
任务作业率：
任务作业率
=
风浪中能够完成作业的时间 ×100% 静水中能够完成作业的时间
年均可作业天数：
基于长期海况统计下的一年内可作业天数
可使用的海情级别：
正常安全作业的海情级别
Theory of Ship Motions in Waves
6
§1.1
概述
——环境载荷
风、浪、流 是船舶与海洋结构物受力与运动的诱导载荷。
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:
Theory of Ship Motions in Waves
17
§1.2 船舶运动预报解决方案概述
适用的理论、方法与手段
——基本理论与技术
大尺度浮体： 势流理论、自由面和物面条件的线性与非线性、时域与频域 面元方法（panel method）
小尺度与细长构件： 粘流理论、Morison模型、细长体理论 基于CFD的数值模拟、切片方法 模型试验：
Theory of Ship Motions in Waves
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MOTION DEMONSTRATION FOR FLOATING STRUCTURES
§1.1
概述
——波浪中的运动
船舶常规作业耐波性衡准 (NORDFORSK,1987)
项目 横摇（RMS值） 首柱垂向加速度（RMS值） 桥楼垂向加速度（RMS值） 砰击（概率） 上浪（概率） 商船 6.0° 0.275g(L≤100m) 0.05g(L≥330m) 0.15g 0.03(L≤100m) 0.01(L≥330m) 0.05 军船 4.0° 0.275g 0.2g 0.03 0.05 小快艇 4.0° 0.65g 0.275g 0.03 0.05
Theory of Ship Motions in Waves
CH1. 引论
Introduction
CH1 内容： 1. 概述 2. 船舶运动预报解决方案综述
3. 船舶运动预报方法的理论基础
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1 概述
Summarizing
——海洋浮动结构物
Compliant Platform；
Semi-submersible Platform； Floating Production System；
Tension-leg Platform；
Spar Platform ； VLFS. etc.
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非线性 全频波浪力
粘性效应
设计半潜式平台要避免垂荡谐摇，一般要求高海况下的垂荡小 于最大波幅的一半。
Theory of Ship Motions in Waves
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§1.1
概述
——波浪中的运动
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：
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。
MODULES: Hull Integrity、Structure Integrity、Plant Integrity、Pipeline Integrity、Riser Integrity、Risk
Based Inspection
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§1.2 船舶运动预报解决方案概
WAMIT在水动力分析方面的亮点：
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。
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课程教材： 戴遗山,段文洋 .船舶在波浪中运动的势流理论,国防工业出版 社,2008. 参考文献： 1 刘应中，缪国平：船舶在波浪上的运动理论，上海交通大 学出版社，1986. 2 Newman J. N. Marine Hydrodynamics, MIT Press,1977. 3 Faltinsen O. M. Sea Loads on Ships and Offshore Structures, Cambridge University Press,1990. 4 Bernard Molin . 海洋工程水动力学，国防工业出版社,2012.
Solutions for Motion of Ships in Waves
——研究手段
常用的设计研究手段
数值计算：广泛用于海洋结构物水动力 载荷及其效应的计算分析。 基本理论：势流理论、Morision模型等。