船舶橫搖非線性隨機(jī)動(dòng)力學(xué)行為的研究.pdf

1、船舶傾覆會(huì)造成重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，有關(guān)船舶事故的研究，尤其是如何防止諸如傾覆等惡性事故的研究越來越引起人們的重視。船舶傾覆研究比較復(fù)雜，主要困難有兩點(diǎn)：一是涉及到船舶大幅度搖蕩運(yùn)動(dòng)，這種情況下船舶運(yùn)動(dòng)具有很強(qiáng)的非線性，對(duì)于非線性問題，目前還缺乏有效的數(shù)學(xué)工具；二是涉及波浪外載荷的隨機(jī)性，這導(dǎo)致了傾覆的發(fā)生是一個(gè)具有一定概率的隨機(jī)事件。對(duì)于發(fā)生甲板上浪的船舶，因其行為的復(fù)雜性，傾覆問題的研究更加困難。目前，人們通常以一些經(jīng)驗(yàn)性的要求

2、來防止傾覆發(fā)生。然而，滿足穩(wěn)性規(guī)范的船舶在海浪中傾覆事故的頻頻發(fā)生，暴露出了目前基于靜力學(xué)穩(wěn)性規(guī)范的不足。 本文應(yīng)用非線性隨機(jī)動(dòng)力學(xué)理論和方法研究了規(guī)則和隨機(jī)波浪中，無甲板上浪和甲板上浪兩種情況下船舶橫搖的非線性動(dòng)力學(xué)特性，研究了船舶傾覆過程的分岔和混沌等復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為，進(jìn)一步揭示了船舶傾覆的機(jī)理，建立了預(yù)報(bào)船舶傾覆的準(zhǔn)則。以一條長66.01m的拖網(wǎng)船為例，得到的主要結(jié)論如下： (1)應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)方法研究了無甲板上浪

3、和甲板上浪時(shí)船舶在規(guī)則波浪中橫搖運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)出了橫搖定常周期解的穩(wěn)定條件，解釋了橫搖響應(yīng)中存在的跳躍現(xiàn)象。研究表明，無甲板上浪時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)由于橫搖角過大而失穩(wěn);甲板上浪后，船舶在較低的海況下即會(huì)失去運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，橫搖運(yùn)動(dòng)跨越三個(gè)平衡點(diǎn)，橫搖中心快速且反復(fù)的轉(zhuǎn)移，在一些不確定力的作用下會(huì)使運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)并導(dǎo)致船舶傾覆。 (2)用隨機(jī)Melnikov均方準(zhǔn)則研究了隨機(jī)波浪中無甲板上浪和甲板上浪兩種情況下船舶橫搖的混沌參數(shù)域。研究表明，甲

4、板上浪嚴(yán)重影響船舶的穩(wěn)性，混沌參數(shù)域的大小與波浪激勵(lì)參數(shù)的大小密切相關(guān)，波浪激勵(lì)參數(shù)越大，混沌參數(shù)域越大。甲板上浪后，船舶的非混沌參數(shù)域比無甲板上浪時(shí)的非混沌參數(shù)域小很多。提高阻尼將抑制隨機(jī)混沌的發(fā)生，實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過改進(jìn)船體外型和采用舭龍骨提高阻尼來提高船舶的抗傾覆特性。 (3)提出了隨機(jī)波浪中甲板上浪后船舶運(yùn)動(dòng)相空間轉(zhuǎn)移率的計(jì)算方法，以相對(duì)相空間轉(zhuǎn)移率作為船舶穩(wěn)性損失的度量，定量比較了隨機(jī)波浪中無甲板上浪和甲板上浪兩種情況下

5、船舶的抗傾覆能力，計(jì)算表明甲板上浪嚴(yán)重影響船舶的穩(wěn)性。 (4)用路徑積分法求解了無甲板上浪時(shí)船舶橫搖的概率密度函數(shù)。計(jì)算表明，無甲板上浪時(shí)船舶橫搖響應(yīng)的聯(lián)合概率密度函數(shù)為單峰。在非混沌參數(shù)域中，聯(lián)合概率密度函數(shù)的形狀趨于穩(wěn)定，船舶運(yùn)動(dòng)以概率1安全。在混沌參數(shù)域中，聯(lián)合概率密度函數(shù)值在空間發(fā)散，船舶停留在安全域中的概率隨著時(shí)間的推移逐漸減小，波浪激勵(lì)參數(shù)越大，減小的越快，當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí)，橫搖狀態(tài)必將離開安全域，從理論上講，這種情況

6、下船舶最終必然傾覆。另外，在混沌參數(shù)域中橫搖運(yùn)動(dòng)相流，周期的從正、負(fù)穩(wěn)性消失角周圍流出安全域，船舶可能發(fā)生的傾覆由橫搖角超過正、負(fù)穩(wěn)性消失角引起。 (5)用路徑積分法求解了甲板上浪后船舶橫搖的概率密度函數(shù)。研究表明，甲板上浪后，船舶橫搖響應(yīng)的聯(lián)合概率密度函數(shù)有兩個(gè)峰，船舶運(yùn)動(dòng)過程有兩個(gè)可能的橫搖狀態(tài)。當(dāng)這兩個(gè)峰不相通時(shí)，對(duì)于相平面上任意一組確定的初始條件，船舶運(yùn)動(dòng)只能實(shí)現(xiàn)其中的一個(gè)橫搖狀態(tài)而不發(fā)生跳躍。當(dāng)這兩個(gè)峰相通時(shí)，橫搖運(yùn)動(dòng)跨越三個(gè)