艦艇在海浪作用下的擾動仿真分析

朱世勇

(海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913)

摘 要: 實(shí)際海洋環(huán)境中艦艇受到多種因素的作用，對艦艇的操縱控制、船舶運(yùn)動等方面產(chǎn)生了影響。本文基于非規(guī)則長峰波的數(shù)值仿真，提出艦艇在波浪影響下干擾力的計算方法。從頻譜分析角度出發(fā)分析艦艇干擾力的主要影響因素，為仿真艦艇在海洋環(huán)境下運(yùn)動提供思路。

關(guān)鍵詞：長峰波；波浪干擾力

中圖分類號：U661 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672–7619(2017)03–0046–03 doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.009

艦艇在海浪作用下的擾動仿真分析

朱世勇

(海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913)

摘 要:實(shí)際海洋環(huán)境中艦艇受到多種因素的作用，對艦艇的操縱控制、船舶運(yùn)動等方面產(chǎn)生了影響。本文基于非規(guī)則長峰波的數(shù)值仿真，提出艦艇在波浪影響下干擾力的計算方法。從頻譜分析角度出發(fā)分析艦艇干擾力的主要影響因素，為仿真艦艇在海洋環(huán)境下運(yùn)動提供思路。

關(guān)鍵詞：長峰波；波浪干擾力

中圖分類號：U661文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672–7619(2017)03–0046–03doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.009

0 引 言

由于在實(shí)際海洋環(huán)境中受波浪、風(fēng)、海流等環(huán)境因素作用而不斷產(chǎn)生各種搖蕩運(yùn)動，影響艦艇操縱和運(yùn)動控制等任務(wù)執(zhí)行。因此艦艇運(yùn)動的計算分析，掌握外界干擾力帶來的影響，對艦艇運(yùn)動作業(yè)有重要意義。

海浪是引起海洋運(yùn)動體搖蕩的主要擾動，海浪是非常復(fù)雜的隨機(jī)過程。本文基于不規(guī)則長峰波的計算基礎(chǔ)上，開展波浪對艦艇干擾力的影響分析。結(jié)合頻譜分析方法，探討影響艦艇干擾力的主要因素，為艦艇在復(fù)雜海洋環(huán)境下的運(yùn)動分析提供基礎(chǔ)研究思路。

1 模型建立

海浪對艦艇的干擾力的計算基于弗勞德-克雷洛夫假設(shè)定義，認(rèn)為干擾力和力矩僅由流體壓力引起；艦艇在流體中產(chǎn)生的壓力場不會影響海浪的波場分布；海浪對海洋運(yùn)動體的干擾力和力矩是水面下流體的壓力場分布波動引起的[1–2]。

在海洋運(yùn)動體浸濕表面上每一點(diǎn)所受流體壓力，等于海洋運(yùn)動體的不存在，在其位置代之以虛擬的海洋運(yùn)動體表面時，各點(diǎn)所受的流體壓力。由于波浪中質(zhì)點(diǎn)都在作軌圓運(yùn)動，海洋運(yùn)動體的存在實(shí)際上將干擾質(zhì)點(diǎn)的正常運(yùn)動代之虛擬表面后，水質(zhì)點(diǎn)可以穿過這表面而不受阻礙，表面上各點(diǎn)壓力可表示波浪壓力計算，稱為主干擾力。

針對艦艇的橫蕩運(yùn)動情況，討論橫蕩干擾力的計算方法[3–4]。波面表達(dá)式為：

不能忽略 ζ 隨 y 的變化，因?yàn)橹挥?ζ 隨 y 是變化的，才會產(chǎn)生橫蕩力，ζ 隨 y 的變化是橫蕩力根源，ζa為波面的幅值，k 為波數(shù)，ω 為波浪的角頻率，t 為時間?？紤]艦艇的寬度 B 較波長 λ 小很多，認(rèn)為波面在y 方向上的斜率是常數(shù)，推出艦艇引起的橫蕩力為：

引入史密斯修正后的流體動壓力作用下的橫蕩力：

針對橫蕩力對 Z 軸求矩，沿 x 軸積分，得出艦艇首搖干擾力矩為

海浪波形可分為規(guī)則波和不規(guī)則波。如果用規(guī)則波來仿真，不太切合實(shí)際波浪情況；故采用不規(guī)則波來模擬海浪波形，不規(guī)則波可以看作多種頻率規(guī)則波的疊加?？紤]到一般各種海浪頻譜為狹帶譜，用長峰波隨機(jī)波對海浪仿真，選取某一頻段的有限個數(shù)諧波，建立海浪信號的數(shù)學(xué)模型。

式中：μ 為遭遇角；εi為初相位。

采用波能譜（海浪譜）描述海浪的統(tǒng)計特性，最終利用海浪反演的線性疊加法模擬出不規(guī)則長峰波海浪。

2 仿真分析

選取某船長 L=125 m；船最大寬 20 m；平均吃水6.5 m；船速 9.2 m/s。計算橫蕩力和首搖力矩，其中橫蕩力 Y 用無因次化；N 用無因次化。

以長峰波模擬波浪的運(yùn)動，波浪時間曲線見圖 1。結(jié)合長峰波模擬波浪曲線，對該艦艇橫蕩力模擬且無因次化計算，得到曲線如圖 2 所示。計算首搖干擾力矩且無因次化計算，得到曲線如圖 3 所示。

為更好地分析船舶在不同海浪下的作用擾動分析，考慮在不同遭遇角情況下相同頻域內(nèi)作用力的變化，結(jié)合頻譜分析方法對時間序列數(shù)值進(jìn)行快速傅里葉變換，得到不同情況下的橫蕩力頻譜及幅值變化。從圖4對比可知，在不同海浪遭遇角的前提下，干擾力在同段頻域下，頻譜幅值形態(tài)趨勢較為一致，但幅值大小有一定的變化。由于輸入海浪是由不同頻率的諧波組成，從圖中可知在一定頻段內(nèi)，干擾力呈現(xiàn)出1～2 個尖峰現(xiàn)象，這也反映出干擾力在不同頻率下波浪復(fù)合作用的結(jié)果，符合模擬波浪的仿真輸入情況。

雖然船舶與海浪的遭遇角不同，由于受到同段頻域的海浪作用，船舶干擾力在頻域的形態(tài)特性是一致的，這符合計算輸入的設(shè)定情況。

由于海洋中波浪的長峰波是由多頻的諧波組成，艦艇干擾力主要受到波浪力作用；由頻譜分析可清晰看出干擾力的主要作用頻段，與長峰波輸入波浪的作用頻段符合，因此該計算方法較好地反應(yīng)了艦艇在波浪作用下的干擾力仿真結(jié)果。

本文從理論仿真角度，模擬計算了船舶在不同諧波頻率組合作用下的波浪干擾力變化情況，后續(xù)將根據(jù)船舶實(shí)際在波浪中運(yùn)動情況進(jìn)一步對比驗(yàn)證。

3 結(jié) 語

本文從艦艇在海洋環(huán)境中運(yùn)動的角度出發(fā)，基于不規(guī)則長峰波的數(shù)值計算，提出了艦艇在波浪干擾力下的數(shù)值計算方法，結(jié)合頻譜分析，分析了干擾力的作用規(guī)律，這為后續(xù)實(shí)船計算及驗(yàn)證的提供了思路。

[1]陶堯森. 船舶耐波性[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1985.

[2]蘇興翹. 船舶操縱性[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1981.

[3]文圣常, 余宙文. 海浪理論與計算原理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1984.

[4]劉應(yīng)中, 繆國平. 船舶在波浪上的運(yùn)動理論[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 1986.

Naval ship force simulation due to wave disturbance

ZHU Shi-yong
(Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard (Group) Co.Ltd., Shanghai 201913, China)

Naval ship maneuvering and motion is influenced by many factors in actual ocean environment. Based on the numerical simulation of long-crested irregular wave, this paper proposes the calculation method of wave disturbance to naval ship. Based on the spectral analysis, we analysis the main factor of disturbance. These help to know more about the simulation of ship motion in the ocean.

long-crested wave；wave disturbance

2016–11–15

朱世勇(1974–)，男，高級工程師，研究方向?yàn)榕灤こ獭?/p>