实际海浪环境中舰船大尺度模型运动与载荷响应试验研究
发布时间：2020-08-14 14:19
【摘要】：传统的船舶水动力学试验大多是以水池模型试验的形式开展的。水池试验中通常采用小缩尺比的模型,波浪一般是由造波机生成的长峰波浪,模型的摇荡运动一般通过机械式适航仪约束并测量。这些因素都使得水池试验不能最大限度地反映出船舶实际航行时的性能特征。实船海试虽然是最真实可靠的试验方法,但其实施成本高且花费时间长,使得这种试验方法不能广泛应用于科学研究领域。基于上述状况,本文提出了一种通过使用大尺度模型在自然海浪中开展水动力学试验的新型技术。该技术综合了水池模型试验和实船海试的共同优点,例如通过采用大尺度模型可以减小尺度效应,试验是在真实的风生浪环境中开展的,且自航模型可以进行任何浪向角下的试验测量。本论文旨在提出并研究大尺度模型海上试验相关技术,对此开展了以下方面的研究工作:(1)分析了近岸海浪的基本特征,研究了大尺度模型试验海区的选取原则。并在黄海和渤海沿海区域不同位置处对近岸海浪进行了多次测量,将近岸海浪谱与大洋谱对比,证明近岸海浪与远洋海浪谱形的相似性。为了进一步了解和掌握试验基地近岸海浪的分布及变化规律,提出了试验基地海区海浪数据库计划。该计划旨在研究试验海区海浪的预报方法,从而提高大尺度模型试验操作效率。(2)针对分段模型载荷试验的船体设计及龙骨梁设计等问题展开研究,重点提出了两种典型龙骨梁方案的设计方法。针对大尺度模型海上试验技术进行了详细的研究,包括大尺度模型船体设计、建造和组装原则和方法,试验系统平台中各仪器设备介绍和实验实施的方法及流程。(3)提出了大尺度模型耐波性及波浪载荷试验测试数据的分析和研究方法。主要依照下述三个方面或角度分别对试验数据进行分析:1)大尺度模型在三维海浪中的运动与载荷响应特征研究;2)大尺度模型海试与小尺度模型水池试验及数值模拟结果的对比分析;3)由大尺度模型试验与数值计算结果外推预报实船远洋航行长短期响应。(4)将大尺度模型试验测量结果推广应用于舰船综合性能评估,提出了一套船舶环境适应性的多级模糊综合评估体系。综合船舶耐波性、波浪载荷、快速性、操纵性、稳性和抗沉性等多个学科建立了船舶风浪环境适应性评价指标体系;并综合层次分析法(AHP)和熵值赋权法对各级指标进行赋权;最终由基于模糊理论的多级评估模型计算船舶综合性能得分。总之,本文从大尺度模型试验前的沿海海浪环境分析、大尺度模型试验系统建立、试验开展与实施流程、试验数据后处理分析和试验技术功能推广应用等方面对大尺度模型试验技术进行了全面研究。并在葫芦岛海区多次实施了大尺度模型水动力学试验,表明了本文提出的试验测试系统是稳定可靠的,试验测试实施方案是可行的。通过对大尺度模型在自然海浪环境中的运动与载荷响应数据分析,及其与小尺度模型水池试验和数值模拟结果的比较,证明了本文所提试验技术的合理性与优越性。自然海浪环境中大尺度模型试验技术具有广泛的发展与应用前景。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.70
【图文】：
日本海试研究机构(NMRI)于 2010 年 8 月完成建造了大型风浪联合模拟水池，该水池尺寸为 80m 长、40m 宽和 4.5m 深。在水池的四周池壁共安装了 382 块造波板，且各块造波版的运动是相互独立的。通过计算机控制各块造波板，该水池可以实现短峰波浪的模拟。该水池还可以制造最大风速为 10m/s 的波动速度风。其装配的航车可以实现三个自由度的运动：沿水池长度方向最大速度为3.5m/s、沿水池宽度方向最大速度为3.0m/s和绕子航车中心的旋转运动。哈尔滨工程大学(HEU)海洋综合水池竣工于 2009 年[22]，水池尺寸为 50m 长 30m 宽10m 深。造波机安装在池壁一端，仅能制造单向长峰波浪。其主向航车的最大速度可达3m/s，分向航车的最大速度可达 2m/s。英国南安普敦大学(University of Southampton)于2014年9月建造完成了新型拖曳水池，水池长度为 138m 宽为 6m 深为 3.5m。水池上安装的缆绳牵引式拖车的最大速度为12m/s。在该水池中可开展各类型的船舶及离岸结构物的水动力学性能试验。铰接式推板造波机可造的最大规则波波高为 0.5m，周期分布为 0.8s 至 3.5s。水池还装备了运动跟踪式摄像系统和 PIV 流场记录装置。
第 1 章 绪论试内容也是丰富多样的，包括阻力、运动、载荷、流场分布等。模型一般为托航或自航模，由航车拖动或约束使其达到要求速度，也有少数模型采用完全自由的自航设备。在池壁的一端装有造波机设备，另一端通常建有消波岸。国外典型的耐波性及波浪载荷水池试验模型如图 1.2 所示。
一般新船建成之后都需进行交船试航试验，测量船舶的综合航行性能。也有少数研究者通过实船开展一些特性及专项试验。近一个世纪以内，全球曾对数百艘舰船进行了实船海上特性及专项试验。Lee(2010)[25]通过应力监测系统记录了 8063TEU 集装箱船在两年运营中的船体垂向弯矩，进行了载荷长期预报并与计算值进行比较。Andersen(2014)[26]测量了 9400TEU 集装箱船遭遇暴风海况（有义波高约 8m）时的船中剖面载荷，并分析了船体砰击载荷特性。Tim[27]通过 GPS 等设备测量了集装箱船离港与进港时船体的升沉、纵摇和横摇运动，并对测试数据进行了分析。Nielsen(2012)[28]根据船舶（图 1.3(a)）在大西洋里为期两周的航行中所测量的运动数据，结合船舶本身的传递函数对海况进行预报，并与卫星观测的海浪情况进行比较。针对图 1.4 所示的高速双体船，Davis(2005)[29]通过实船进行的海上实验数据，确定了其不同航速和浪向下的幅频响应算子。Jacob(2014)[30]对其在高海况中的砰击载荷响应进行研究。Lavroff(2013)[31]通过水池分段模型试验的形式，又对其进行载荷与砰击特征研究。
本文编号：2793143
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.70
【图文】：
日本海试研究机构(NMRI)于 2010 年 8 月完成建造了大型风浪联合模拟水池，该水池尺寸为 80m 长、40m 宽和 4.5m 深。在水池的四周池壁共安装了 382 块造波板，且各块造波版的运动是相互独立的。通过计算机控制各块造波板，该水池可以实现短峰波浪的模拟。该水池还可以制造最大风速为 10m/s 的波动速度风。其装配的航车可以实现三个自由度的运动：沿水池长度方向最大速度为3.5m/s、沿水池宽度方向最大速度为3.0m/s和绕子航车中心的旋转运动。哈尔滨工程大学(HEU)海洋综合水池竣工于 2009 年[22]，水池尺寸为 50m 长 30m 宽10m 深。造波机安装在池壁一端，仅能制造单向长峰波浪。其主向航车的最大速度可达3m/s，分向航车的最大速度可达 2m/s。英国南安普敦大学(University of Southampton)于2014年9月建造完成了新型拖曳水池，水池长度为 138m 宽为 6m 深为 3.5m。水池上安装的缆绳牵引式拖车的最大速度为12m/s。在该水池中可开展各类型的船舶及离岸结构物的水动力学性能试验。铰接式推板造波机可造的最大规则波波高为 0.5m，周期分布为 0.8s 至 3.5s。水池还装备了运动跟踪式摄像系统和 PIV 流场记录装置。
第 1 章 绪论试内容也是丰富多样的，包括阻力、运动、载荷、流场分布等。模型一般为托航或自航模，由航车拖动或约束使其达到要求速度，也有少数模型采用完全自由的自航设备。在池壁的一端装有造波机设备，另一端通常建有消波岸。国外典型的耐波性及波浪载荷水池试验模型如图 1.2 所示。
一般新船建成之后都需进行交船试航试验，测量船舶的综合航行性能。也有少数研究者通过实船开展一些特性及专项试验。近一个世纪以内，全球曾对数百艘舰船进行了实船海上特性及专项试验。Lee(2010)[25]通过应力监测系统记录了 8063TEU 集装箱船在两年运营中的船体垂向弯矩，进行了载荷长期预报并与计算值进行比较。Andersen(2014)[26]测量了 9400TEU 集装箱船遭遇暴风海况（有义波高约 8m）时的船中剖面载荷，并分析了船体砰击载荷特性。Tim[27]通过 GPS 等设备测量了集装箱船离港与进港时船体的升沉、纵摇和横摇运动，并对测试数据进行了分析。Nielsen(2012)[28]根据船舶（图 1.3(a)）在大西洋里为期两周的航行中所测量的运动数据，结合船舶本身的传递函数对海况进行预报，并与卫星观测的海浪情况进行比较。针对图 1.4 所示的高速双体船，Davis(2005)[29]通过实船进行的海上实验数据，确定了其不同航速和浪向下的幅频响应算子。Jacob(2014)[30]对其在高海况中的砰击载荷响应进行研究。Lavroff(2013)[31]通过水池分段模型试验的形式，又对其进行载荷与砰击特征研究。
本文编号：2793143
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