纵浪上船舶的动稳性研究

曹　静（长江水利委员会水文局,武汉　430010）

纵浪上船舶的动稳性研究

曹静
（长江水利委员会水文局,武汉430010）

摘要：船舶在正常的航行时如果遇到了大风导致海浪过高的这种恶劣天气，船舶会把航向调整，使其在纵浪或者斜浪的状态上航行，避免船舶的横向受到大面积的风浪侵袭。船舶在波浪中的航行，稳定性是受到多方面因素影响的。最主要的影响就是船舶航行的安全性，稳定性不好的船舶往往会使人员造成伤亡、财产造成损失。目前我国对很多的船长都进行了船舶动稳性的调查，多数的船长都提出，大多数的船舶稳定性事故都是由于驾驶人员缺乏船舶纵浪行驶动稳性的认识，导致了最终事故的发生。研究船舶在纵浪上的动稳性，可以提高船舶航行的安全系数，减少人员的伤亡和财产的损失。本文从船舶纵浪航行的动稳性入手，研究出船舶的阻尼、波浪的中心频率和随机参数激励幅值对船舶在纵浪上航行动稳性的影响。

关键词：随机纵浪；船舶横摇；倾覆；动稳性

船舶的动稳性研究一直是船舶行业中重要而且复杂的问题。船舶动稳性是船舶安全航行的基本保证，也是船舶在进行检验的一个重要内容。船舶在纵浪中航行时，船体始终处于波峰和波谷的交替段，随着船体在水中时间的延长，船舶的动稳性也随时间而改变，由于船舶动稳性经过周期性的变化而促使横摇运动的产生，令船舶在纵浪中航行动稳性失控和船舶倾覆。纵浪船舶参数激励横摇运动的动稳性，影响了船舶航行的安全性，大量学者都对这一问题做出了研究。

1　船舶在纵浪中发生参数激励横摇动稳性的研究

纵浪航行是所有船舶最为常见的航行状态，纵浪航行方法是根据传统的线性理论，由于船舶纵浪航行是不会受到横向的干扰，所以在这种情况下，产生横摇运动的幅值基本不可能会产生。在很多年以前就有人用船模做过类似的实验，在当时的实验中，当事人发现在船舶纵摇时如果频率超过了横摇频率的两倍，那及时船是在纵浪中行驶，也有可能会导致船舶横摇。这种现象的产生是传统的线性理论无法解释的，现在对于这一现象的看法普遍是：船舶在纵浪航行时，最初的稳定性会随着时间的变化而发生改变，这种改变会促使船舶发生横摇运动。

为了证实这种现象，那首先就要建立一个纵浪航行激励横摇产生的理想化模型，这个模型的建立首先要对船舶的航行做一个假设：

（1）船舶左右弦在传播整体上是一种对称的模式；

（2）船舶纵浪上进行平常速度的航行；

（3）船舶在行驶时，总的排水量去近似值中的常数；

（4）忽略其他阻尼，仅考虑船舶纵摇、升沉对于横摇的影响；

（5）纵浪行驶所以船舶纵摇和升沉的次数远远要比横摇多，在进行横摇研究时，假设纵摇和升沉是处于一种标准的平衡状态；

（6）船舶在航行时，水流会给船体增加的横摇力有两个方面组成，第一个是假设的入射波压力，第二点是由于船体本身的运动所产生的。这一点包含在船体阻尼中，不考虑进入到绕射波的影响。

根据上述几个点来建立船舶纵浪航行的理想化模型。

在船舶纵浪航行的稳定性研究上，不单单是理想化模型的建立来推导结果，我国一位学者在国外的运动方程式基础上，建立了纵浪安全池的研究，得出了横摇、纵摇、升沉这三个数据影响船舶稳定性的研究。考虑这三个数据会发生耦合作用，在船舶阻尼的记忆基础上，建立了三维非线性时域运动方程，并对方程进行了求解，分析了船舶稳定性。

九十年代有人应用Liapunov理论，研究了船舶在规则波浪中的动稳性，并且用摄动理论，得出了船舶的运动响应。分析出了最大横摇角度和波浪的要素对船舶动稳性变化曲线的影响。

船舶实际在海中航行时，受到的波浪都具有随机性，所以船舶在实际的海中行驶时产生大幅度的横摇运动是一种非线性的随机问题，而且船舶在随机的纵浪中会由于参数的共振导致船舶发生不稳定横摇，最终导致船舶的倾覆。虽然采用一些非线性的动力学研究方法能够研究出船舶在波浪中的倾覆问题，但是要更好的掌握船舶横摇、纵摇的规律和特点，这样才能更好的避免倾覆现象的产生，为船舶的出行提供更加可靠的措施。

2　研究中船舶在纵浪行驶影响动稳性的成果

对传播在波浪中行驶大幅度横摇运动对稳定性产生的影响进行了分析，结合阻尼、非线性的力矩系数，对船舶摇动的影响进行了分析。

研究了船舶在规则纵浪中横摇运动的稳定性，得出了规则纵浪中稳定区域与不稳定区域的分布，分析参数，以取值的方法提高船舶在纵浪上横摇运动的稳定性。

对于船舶在纵浪中的动稳性，要用多尺度法对整个船舶在纵浪中主参数的共振响应进行分析，然后解出答案。分析了各参数对横摇运动稳定性的影响。

在分析船舶的动稳定性时，传统的分析方法是将波浪激励转化为白噪声，但是白噪声模型与船舶实际的激励情况差距甚远，所以要建立符合船舶实际运行情况的模型，从而得出符合实际情况的结果。

3　结束语

统计我国实际的船舶运行状况，很多船舶的纵摇与横摇固有频率的比值接近二时，会发生参数激励主共振，纵浪上船舶动稳性的主要影响因素是参数激励，这种理解让我们对传播的倾覆有了新的认识，参数激励的主要决定因素是由：船舶航行的速度、波幅、波长、船舶重心的位置还有船体的形状组成的。参数激励和非线性分析中所发现的现象，是正常的线性分析中所不存在的。这样的研究结果会对船舶纵浪行驶的动稳性进一步研究提供更加重要的参考信息，实现本次研究的价值。导致船舶倾覆的参数激励只要是两种方式。第一种是船舶在很大的角度横摇时突然进入了混沌运动，这种运动的失衡突然是船舶失去了稳定性，造成了船舶倾覆。第二种是船舶进行的小角度的横摇，突然平稳基础了原有的横摇状况，导致船舶失去稳定性而造成了船舶的倾覆。总的来说，第一种参数激励有比较明显的征兆，但是第二种属于无先兆的倾覆，对于船舶来说有更大的危险性。船舶中的货物移动时可以对船舶的初始倾斜造成一定的影响。这种倾斜会给船舶在纵浪行驶过程中造成非常大的影响，甚至会导致船舶在非常小的参数激励下产生倾覆的事故。

参考文献：

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[5]胡开业,丁勇,王宏伟,李积德.船舶在随机纵浪中参数激励横摇稳定性研究[J].船舶力学,2011,Z1:11-16.