摘 要

船体横摇是船舶在波浪中的基本运动状态之一，横摇运动对船舶自身的适航性和安全性，以及仪器设备的使用性能、船载货物和人员的安全等方而都将造成一些不利的影响。当摇荡幅度过大时甚至导致船舶倾覆、沉没等海难事故。船舶横摇预报一直是船舶稳性和耐波性领域关注的热点研究方向之一。

本文基于势流理论在频域内研究了波浪与船体的相互作用问题，并对船体横摇运动进行了预报。用的势流求解器为海洋工程水动力计算软件AQWA，采用格林函数法来求解绕射势和辐射势满足的定解问题，再通过求解由牛顿第二定律建立的船体运动方程得到船体的运动响应。利用所建立的水动力模型，计算了迎浪、斜浪和横浪情况下船舶的横摇运动响应，并探索出一套应用AQWA软件求解相关问题的数值实施方案。通过计算结果与物理模型试验结果的比较，验证了AQWA软件在船舶横摇预报方面的有效性和实用性。基于数值模拟结果，分析了波浪频率和浪向对船舶横摇的影响。本研究表明，AQWA软件可作为船舶初步设计阶段横摇运动快速预报的有效工具。

关键字：船舶横摇，水动力，势流方法，AQWA

Abstract

Ship roll motion is one of the basic movements of the ship when ship sails in the waves. It will cause negative impacts on navigation safety and operational efficiency of ships. Large amplitude roll motion may even leads to ship capsizing. Prediction of roll motion is a very important and top subject in the field of ships' stability and seakeeping area.

In this dissertation, the potential flow theory is used to study the interaction of wave and ship in frequency domain. The roll motion performance of the ship is evaluated. The potential flow solver used in this research is AQWA which is commercial software for hydrodynamic analysis in ocean engineering. In the numerical model, the Green’s function method is used to solve the diffraction and radiation problems whose solution is definite. The motion response of the ship roll motion is obtained by solving body motion equation deduced from Newton’s second law of motion. The present numerical model is used to calculate the hydrodynamics of the ship motion in head sea, quartering sea and beam sea. A set of numerical implementation schemes for applying AQWA to solve relevant problems are tested. The numerical results are compared with the model test results. The validity of AQWA to analyze ship roll motion in waves is verified. Based on the simulation results, the influence of wave’s frequency and direction on ship's roll motion is analyzed. In conclusion, AQWA software can be used as an effective tool to quickly forecast the ship motion in the preliminary design stage of ship.

Keywords: ship roll motion, hydrodynamics, potential flow method, AQWA

目 录

1 绪论 1

1.1 研究工作的背景和意义 1

1.2 耐波性研究概述 2

1.2.1 耐波性研究方法 2

1.2.2 耐波性研究现状 3

1.3 本文工作 4

2 数学模型 5

2.1 坐标系 5

2.2 流体运动方程 5

2.3 船体运动方程 7

2.4 格林函数法 8

2.5 本章小结 9

3 数值计算及结果分析 11

3.1 计算工况概述 11

3.2 网格尺寸依赖性分析 12

3.3 计算模型验证 17

3.4 波浪频率和浪向对船舶横摇运动的影响 21

3.5 本章小结 23

4 结论与展望 25

4.1 研究总结 25

4.2 研究展望 26

参考文献 27

致 谢 28

1 绪论

1.1 研究工作的背景和意义

随着世界物资流通总量的迅速增长，海洋航运在当今全球经济一体化及世界贸易自由化进程的不断推进中扮演着越来越重要的角色。船舶作为海洋航运事业的主力，其安全性，稳定性一直是最受人们重视的一点。一艘船舶有没有足够的稳定性，决定了船舶是否能投入营运。船舶在波浪上的航行性能历来是人们关注的焦点。处于风浪中航行的船舶，由于受到风、浪、流等外在激励的扰动作用而将产生各种摇荡运动。船舶的摇荡运动对其自身的适航性和安全性，以及仪器设备的使用性能、船载货物和人员的安全等方而都将造成一些不利的影响。当摇荡幅度过大时甚至导致船舶倾覆、沉没等海难事故。而在船舶的摇荡运动中，横摇又是对船舶性能和安全性影响最大的指标之一。因此船舶的横摇运动性能是衡量船舶稳性和耐波性等性能的重要指标。船舶横摇的准确预报一直是船舶工程界关注的热点研究方向之一。现有的各种减摇装置（如减摇鳍、舭龙骨和减摇水舱等）主要是以降低横摇为目的^[1-4]。

船舶在波浪中的稳性及耐波性研究在船舶运动理论研究领域中是一个非常重要同时又非常棘手的课题。所谓船舶稳性，是指船体在外在扰动作用下，船舶将产生一定不致于倾覆的倾斜，随着外力作用的撤销，船舶能够自行回复到平衡位置的能力；所谓船舶耐波性，是指海上航行的船舶由于受到波浪力（矩）的扰动作用，将产生各种摇荡运动、上浪、失速、抨击、螺旋桨飞车以及波浪弯矩等，仍具有足够的稳性及结构强度，并能保持一定的航速而安全航行的能力；船舶在海上经历六个自由度的刚体运动纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇和首摇。在这些运动过程中，船舶波浪载荷将以垂向、横向的剪力弯矩以及扭矩的形式作用于船体^[5-6]。

实际海况下，由随机风浪作用下引起的船舶横摇运动，用确定性的方法来描述比较困难，只能采用概率论的相关理论进行分析计算其统计特性。在实际的海浪中船舶运动有复杂的非线性现象，特别是航行于恶劣海况下的船舶运动幅度较大，由于船舶的非直弦以及底部砰击、外张砰击和甲板上浪等因素的影响，导致船舶运动、特别是波浪载荷呈现明显的非线性。正是由于横摇运动的强非线性和海洋环境的随机性，加大了人们对这一课题研究的难度。即使如此，对船舶横摇运动性能的研究，对于揭示船舶倾覆机理、运动状态预报及减摇装置研发等方面都有着非凡的意义。如果对风浪中海上航行船舶的横摇运动特性有充分完整的认识，就能够针对横摇导致失稳的情况采取相应的应对方案和策略，从而减少或防止风浪中航行船舶发生倾覆、沉没等海难事故的可能性。因此，对风浪中船舶摇荡运动性能的研究显得必要而迫切^[7]。