船舶耐波性基本知识.ppt

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1、一、耐波性定义 是指船舶在风浪中遭受外力干扰产生各种摇摆运动以及砰击、上浪、失速等情况下，仍能维持一定航速在水面安全航行的性能。 船舶在波浪中的运动是不可避免的，问题在于如何防止船舶在波浪中发生过大的运动，保证船舷安全和维持其使用功能不受损害，这是船舶设计中要考虑的重要课题。,第一章 耐波性概述,1、固定坐标系O0 x0y0z0 2、运动坐标系GXYZ 3、半固定坐标系Oxyz,二、坐标系,船舶任意时刻的运动可以分解为在Oxyz，坐标系内船舶重心G沿三个坐标轴的直线运动及船体绕三个坐标轴的转动。,在这些运动中又有单向运动和往复运动之分，因此共有12种运动形式，如图1-2所示。在造船界中习惯采用

2、的名称见表1-1。,船舶摇荡运动主要研究由波浪干扰引起的船舶往复运动，其中横摇、纵摇和垂荡对船舶航行影响最大，是研究船舶摇荡运动的主要内容。,船舶摇荡是指船舶在风浪作用下产生的摇荡运动，它们的共同特点是在平衡位置附近作周期性的振荡运动。 产生何种摇荡运动形式取决于船首向与风浪传播方向之间的夹角，称为道遇浪向。 所谓首向是船舶首尾线指向船首的方向，即在Gxyz坐标系中X轴的方向。当首向与风浪传播方向相一致时，遭遇浪向为零度，如图1-3所示。,三、船舶摇荡,1、船舶摇荡 其中运动显著而影响严重的是横摇、纵摇和垂荡。 2、砰击 由于严重的纵摆和垂荡，船体与风浪之间产生猛烈的局部冲击现象称为砰击。 砰

3、击多发生在船首部。砰击发生时首柱底端或船底露出水面，然后在极短的时间内以较大的速度落入水中而发生猛烈的撞击。,四、耐波性主要内容,3、上浪 船舷在风浪中剧烈摇荡时风浪涌上甲板的现象称为上浪。上浪时船首常常埋入风浪中，海水淹没首部甲板边缘，甲板上水。上浪主要是由严重的纵摇和垂荡引起的。 4、失速 它包括风浪失速和主动减速。 风浪失速是指推进动力装置功率调定后，由于剧烈的摇荡，船舶在风浪中较静水中航行时航速的降低值。,主动减速是指船舶在风浪中航行，为了减小风浪对船舷的不利影响，主动调低主机功率，使航速比静水中速度下降的数值。 5螺旋桨飞车 船舶在风浪中航行时，部分螺旋桨叶露出水面，转速剧增，并伴有

4、强烈振动的现象称为螺旋桨飞车。,环境条件与耐波性之间的关系,自1953年丹尼斯等引入线性迭加原理和科文-克劳科夫斯基提出切片理论以来，现代耐波性理论迅速发展。船舶性能的优劣，主要看它在实际海洋环境中的性能。过去，船舶的设计师们对船舶性能的研究多侧重在船舶在静水中的性能，特别是静水中航行的快速性。但是，大量事实表明，一艘在静水中航行性能优良的船舶，在波浪上的航行性能并不一定是优良的，船舶耐波性的优劣直接关系到船舶的适居性、航行使用性和安全性。,五、研究耐波性的必要性,因此，研究船舶在波浪上的航行性能愈来愈引起人们的重视，船舶耐波性的好坏已成为衡量现代化船舶航行性能的重要衡准之一。 船舶耐波性本质

5、上是指船舶在给定的环境条件下规定时间内完成任务的能力，它是船舶应具有的一种能力，这种能力通过设计而赋予，通过使用者的正确使用而发挥作用。因此，必须充分意识到船舶的耐波性能首先是设计出来的，一艘具有良好耐波性的船舶是设计者的职责及水平的体现。,船舶耐波性和船舶摇荡显然不是一回事。 但是船舶摇荡是耐波性的主要内容，耐波性所涉及的其他内容主要是由船舶摇荡引起的，因此估计船舶摇荡是评定耐波性最基本的条件。 根据船舶摇荡可以定量地计算出保抨击、上浪、飞车等性能。一般来说，船舶摇荡较缓和，则耐波性也较优良。,六、耐波性与船舶摇荡,1、对适居性的影响 船舶为了完成一定的任务，必须给乘员提供一个合适的环境，使

6、他们能有效地进行工作。乘员的工作能力受两种运动特性的影响，即加速度和横摆幅值。 加速度引起人们晕船。一般来说，发生晕船的频率随加速度增加而平行增加。最大的加速度发生在船尾或船首，主要是纵摇和垂荡产生的。 横据角影响人的运动能力。,七、摇荡运动的影响,2、对航行使用性的影响 船员利用船上的全部设备，在预定的海洋条件下完成其规定使命的能力称为航行使用性。剧烈的摇荡对航行使用性产生极为不利的影响。 由于纵摆和垂荡，使船舶造成失速，主机功率得不到充分利用。 严重的抨击使船首部结构损坏，船体颤振。 上浪使甲板机械损坏，给船员造成恶劣的工作条件。,3、对安全性的影响 当激烈的运动损坏了船舶的主要部件，如主

7、机、螺旋桨、舵及导航设备等以后，船可能失去控制而造成严重后果。 大角度横摇可能使舱室进水、货物移动，由于这些原因造成的海难事件是经常发生的。 横摇降低了船舶的抗风能力，在风和浪的作用下，船舶出现了很大的横摇角,船舶耐波性由许多基本的耐波性因素所决定，通常包括六自由度的运动以及诸如甲板上浪、螺旋桨出水、船首砰击等耐波性事件和晕船率等。由于影响船舶耐波性的因素较多，各种耐波性因素的作用程度是不一样的，而且根据某些基本的耐波性因素本身是很难判定一个船舶或一个新的船舶设计是否具有良好的耐波性。对船舶耐波性的影响，不是单因素的影响，而是所有因素共同作用的结果。,八、耐波性的影响因素,海浪主要指表层海水受

8、外力影响而发生的起伏现象。引起海浪的原因是很多的： 例如，由风引起的风浪，由日月引力引起的潮波，由地震引起的海啸以及船行波等。 在海上分布最广、出现频率最多、对航行影响最大的是由风兴起的风浪。,第二章 海浪与统计分析,2-1 海浪概述,1、风浪的产生 笼罩在海洋上的空气流动的结果，使海面所受的压力发生变化。同时由于水面与空气的相对运动，在他们之间有摩擦力存在，使水表面承受切应力。 正是由于大气压力的变化与切应力的存在，使平静的水面发生局部变形。重力使变形的水面有向原来平衡位置运动的趋势，惯性力又有使变形继续下去的趋势，从而水面不断地起伏、形成风浪。,2、风浪要素 1）风速 2）风时 3）风区长

9、度 风速越大，风时越久，风区长度越长，海水从风那里获得的能量越多，风浪要素越大。 在一定风速作用下，风在相当大的风区海面上吹了足够长的时间以后，风浪要素达到稳定状态时的风浪，称为充分发展风浪。,3、海浪的分类 (1)风浪 它是在风直接作用下产生的，表面看来极不规则的海浪，也叫不规则波，是船舶航行中最经常遇到的一种海浪。 (2)涌浪 它是由其他风区传来的波，或由于当地的风力急剧下降，风向改变或风平息之后形成的海浪。涌的形态和排列比较规则，波及的区域也比较大。 (3)近岸浪 当水深小于波长的1/2时，在海岸与浅滩附近所形成的波浪。,波面可以用简单函数表达的波浪称为规则波。规则波不仅能近似表示涌，面

10、且也是研究不规则波的基础。,2-2 规则波的特性,水质点的轨圆运动,波内压力场的流体动压力的分布,在深水中，由波浪引起的压力变化与轨圆半径的变化具有相同的规律即随着水深的增加，压力变化以指数规律衰减，这种现象通常称为史密斯效应。,一、不规则波基本概念 1、确定性的数量关系 2、统计关系 在所有可能出现的波高中，不同大小的波高占总数的比例是一个比较稳定的值。 我们只要掌握经过大量试验所表现出的统计规律，就从总体上掌握了不规则波的特性。对于不规则波所引起的船舶运动及其他特性也是如此。,2-3 不规则波的理论基础,2、不规则波的叠加原理 叠加思想是处理不规则波的基本思想。,1）长峰波（二因次不规则波

11、） 2）短峰波（三因次不规则波）,二、随机过程 1、正态分布 风浪波面升高的瞬时值满足正态分布的概率密度表达式，其形式为,根据正态分布的特点可知：若认为波浪是正态的，则由波浪所引起的船体运动、船体应力、航行中螺旋桨推力与转矩的变化等，所有这些过程的瞬时值都是正态分布的。,2、瑞利分布 瞬时值服从正态分布的平稳随机过程，其幅值(或包络)服从瑞利分布。 因此，风浪的波幅值、摇荡幅值和应力幅恒等都服从瑞利分布。,3、泊松分布 船舶砰击和甲板上浪服从泊松分布，它们是计数的随机过程，表示事件发生的次数。在海上船体发生砰击是随机的，有时一艘船会以不同程度连续砰击，然后再在一个相当长的时间内无砰击发生，以后

12、又突然发生一严重砰击。,2-4 风级和浪级,1、为了实用上的方便，通常根据风对海面物体的影响程度定出风的等级，习惯上采用按风速的大小从0到12分成13级的蒲福(Beaufort)风级，其要点见表2-9。 2、国际气象会议规定，以海面以上高度10m处的风速作为确定蒲福风级的标准。 3、风级和风速按以下近似关系确定：,4、风浪等级,5、海况等级,风作用于海面不仅产生不同尺度的风浪，同时也使海面的外貌发生变化，例如出现浪花、飞沫等现象。 海面的外部特征取决于风速和风时，也和风区特点有很大关系，受到海岸、岛屿、水探等因素的影响。在风宣接或间接作用下的海面所呈现的外貌称为海况。一般习惯把海况从0到9共分

13、成10级，其要点见表2-12。,3-1 船舶在波浪中的一般运动方程式 1、船舶在波浪中的受力 重力，在船舶运动过程中，其大小、方向和作用点是不变的； 船体本身的惯性力； 浮力，在船舶运动过程中是变化的；,第三章 船舶运动方程式与耐波性设计,由船舶摇荡运动(船动水不动)而产生的辐射流体动力； 波浪扰动力，包括不受船体扰动的入射波的变动水压力形成的流体动力，波浪遇到船体产生绕射流体动力； 流体粘性力，除了横摇运动，一般不予考虑。,2、基本假定 假定船舶是一个刚体，忽略它的弹性变形 不考虑水的粘性和可压缩性。 假定作用在船体上的是微幅规则波。可以应用线性理论(微幅波理论) ； 假定船舶摇荡的幅值是微

14、小的，除了大角度的横摇之外，船舶在波浪中的受力和运动都可以作为线性问题处理，因而可以应用叠加原理。,3、运动方程式,1、船长 船长主要影响纵摇和垂荡。 增加船长对纵摇和垂荡都是有利的。船长较小的船难免发生较大的纵摇和垂荡。 设计中船长的选择涉及许多因素，例如，船长增加使船的回转性变坏、钢材重量增加、造价提高等。通常在船长选取时以静水阻力的峰谷关系和总布置为主，适当考虑耐波性和其他性能的要求。,3-2 船舶主尺度对耐波性的影响,2、船宽 从性能上讲，船宽主要影响稳性和横摇，对纵摇和垂荡的影响不大。一般来说，船宽减小，使初稳性下降而对横摇有利，船体的砰击也有改善。 船宽对横摇固有周期的影响不及重心

15、高度敏感，而且在一定排水量之下，船宽减小必将使方形系数增加，船舶前进阻力可能增加。 因此，在设计中，很少用改变船宽的方法来改进船舶的横摇性能。,3、吃水 随着吃水的增加，波浪对横摇的扰动力矩略为下降，横摇趋于缓和。 对于中小型船，由于船长受到限制，不可避免地要发生较大的纵摇和垂荡。如果平均吃水减小，纵摇和垂荡的固有周期下降，即使谐摇，也是在较小的波浪中发生，纵摇和垂荡也不会太大。,从船舶砰击的角度来看，要求吃水大些，因为船舶砰击常发生在空载和压载航行状态，尤其对具有尾倾而吃水较小的船更是如此。吃水深，能够减少砰击的频率和砰击的强度。 即使仅从耐波性角度考虑，对吃水的要求也是矛盾的，因此需要全面

16、均衡、决定吃水的大小。,4、初稳性高 1）初稳性高是船舶安全的重要衡准，同时也是横摇的重要参数，它影咱横摇固有周期，减小初稳性高时，横摇固有周期增加，横摇缓和，幅值减小。 2）须注意，在任何情况下都必须保证初稳性高具有适当的数值。如果初稳性高过小，不仅降低了船的抗风能力，而且在顺浪中，当波峰位于船中时，有可能丧失稳性而倾覆。,3）改变初稳性高最有效的方法是改变重心位置。 4）重心提高，初稳性高下降，横摇固有周期显著增加。 5）对于因重心过低而使横摇固有周期过小的船，在设计中可以来取一些措施加以改善。,5、船型系数 1）方形系数增加，通常横摇阻尼随之增加，而对纵摇和垂荡不利，失速和砰击增加。在设

17、计中，主要由快速性和排水量的要求选取。 2）横摇阻尼随船中横剖面系数增加而增加。为了改善横摇性能，通常保持方形系数不变、采用较大的CM，适当减小棱形系数，这样对快速性略有好处。,3）水线面系数增加，能减小波浪对横摇的扰动力矩，横据有所改进，同时纵接和垂荡也略有改进。 4） 减小棱形系数能减小砰击压力和失速。某些试验表明：在CP0.75时船在风浪中失速是严重的。 5）船长对排水量比增加，对摇荡影响不大，但失速可以改善。,6、干舷和舷弧 1）富裕的干舷和舷弧能显著地改善上浪和溅浪。 2）舷弧可以增加首尾部的储备浮力，对改善纵摇、垂荡和上浪是有利的。小型船舶舷弧可以大些，高干舷的大船可以小些，以利于

18、操纵。 3）增加干舷和舷弧，使上层建筑增高，从而导致重心的提高，使初稳性下降，同时大倾角稳性得到改善，但增加了船舶受风面积。,1、船舶型线 船舶型线与快速性、耐波性、稳性、操纵性、布置、容积及施工工艺都有密切关系，在设计中须权衡轻重，分清主次。 由于问题的复杂性，同一个因素在不同的条件下可能得到不同的结果，因此在考虑时必须慎重。,3-3 船舶形状对耐波性的影响,1）横剖面形状 大型船舶：以静水中的快速性为主。 中型船舶：主要是首部型线的选择。 低速货船：前体以采用V形为宜。 小型船舶：耐波性是型线设计的主要内容。 2）首部形状 3）尾部形状：巡洋舰尾为宜。 4）水线面形状,2、静稳性曲线的形状

19、 具有适当初稳性高的S形静稳性曲线对横摇有利。在横摇幅值比较小时，因为它具有较小的初稳性高而使横摇和缓。为了使船具有S形的静稳性曲线，通常把船舶设计成剩余干舷船。,3、球鼻首 球鼻首对减小静水阻力是非常成功的，但是在风浪中的性能并没有显示出优越性。,4、其他因素 经验表明：在同一初稳性高的情况下，重心离浮心越近，横摇幅值越小。在设计中最好压低重心，升高浮心，缩小两者的距离。对于客船和渔船在舱底加固定压裁并减轻上层建筑的重量，以压低重心；对于方形系数较小的船可以采用V形剖面以提高浮心。 增加纵向惯性矩对纵摇和船体受力都是不利的，为此应尽量把重量集中到中部。重量集中对减缓船舶抨击也有好处。,5、注

20、意事项 1）就船舶设计而论，都是在一定条件下改变有关尺度和要素的。一个尺度的变化必然引起其他尺度的变化，以满足给定的条件，所以各种尺度的变化都不是独立的。 例如，当排水量保持不变时，方形系数的变化必然引起主尺度的变化，对耐波性可能产生各种不同的影响。,2）耐波性要求往往和其他性能要求相矛盾，因面必须分清主次，尽先满足主要性能的要求，然后再考虑次要性能的要求。例如，在横摇和稳性发生矛盾时，应在满足稳性要求的前提下考虑横描；海洋钻井船应把摇荡作为主要的要求来考虑等。 3）各种要素对耐波性诣性能的影响往往是矛盾的。例如，增加方形系数使横据有所改善，但失速和砰击增加，因此要全面权衡利弊，作出选择。,耐

21、波性指标受很多因素的影响，不仅与海洋环境条件有关，也因船舶任务不同而不同，目前尚没有统一标准。 船舶而波性指标可以分成两大类：一类是单项指标，即针对耐波性中某一性能的指标；另一类是综合指标，即对感兴趣的若干耐波性指标的综合评价。 在耐波性评价中，选用哪一种指标应根据设计要求和船舶的工作任务来决定。,3-4 耐波性衡准,1、船体的绝对运动幅值 它一般包括横摇角、纵摇角、垂荡、甲板上某点的垂直位移和船底某点的垂直位移。 横摇角、纵摇角和垂荡与船员的舒适性、各种仪器设备能否正常运行有关，横摇角过大直接影响船舶的安全。 甲板上某点垂直位移的大小对于具有舰载机能力的船舶是一个重要指标，关系到飞机的起降安

22、全。,（一）耐波性单项指标,2、横摇运动周期 为了避免船舶与常遭遇的波浪发生横摇谐摇，有时对横摇固有用期提出限制要求。 例如，我国东海一带常遇到的海浪波长在50-60m左右，相应的波浪周期在6s左右，因此，经常在这一带航行船舶的横摇固有周期最好避开这一数值。,3、绝对加速度 它主要包括垂向加速度和晕船率。 垂向加速度的大小与垂向惯性力成正比，过大的惯性力有可能损伤设备、降低系统的效能、影响飞机起降。 晕船主要取决于运动加速度和运动周期，随着垂向加速度的增加，晕船率显著增加。,4、相对波面运动 由船体相对波面运动产生的耐波性指标包括船首底部砰击频率、军用舰船声纳罩出水频率、甲板掩湿频率和螺旋桨出

23、水概率。这些指标对不同类型的船舶而言，其重要性是不同的。 例如，对于压载航行的货船，往往需要考虑首部砰击频率和螺旋桨出水概率。,5、波浪中的失速 所谓船舶在风浪中的失速是指在推进动力装置功率调定后，在风浪中较在静水中航行时航速的降低值。这里不包括主动减速成分，即不包括船舶在风浪中航行时为了减少风浪对船舶的不利影响而人为调低主机功率，使航速较静水中下降的数值。,当今常用的耐波性综合指标有两个： 一个是船舶作业时间百分数（称为耐波性指标一，以SPI-1表示）； 另一个是船舶期望航速百分数（称为耐波性指标二，以SPI-2表示）。,（二）耐波性综合指标,1、耐波性指标一（SPI-1）的定义是船舶在规定

24、的装载及环境条件下执行任务时能够成功作业的百分数，即： 式中：TW海浪中可完成作业任务的时间；TS静水中可完成作业任务的时间。,耐波性指标二（SPI-2）系指船舶在同样装载及污底情况下，在海浪中航行两地（或多地）的平均速度同静水中设计航速的比值，该比值等价于运行时间指标，即船舶在静水中航行两地（或多地）所需时间与其在给定海况或季节航行于该地实际所需时间的比值。,式中： VW为海浪中航行两地（或多地）的平均速度； VS为船舶在静水中的设计航速； tS为海浪中航行两地（或多地）实际所需的时间； tW为静水中以设计航速航行两地（或多地）所需的时间。,（1）船舶的任务布置，即船舶的主要任务及各任务的相对重要性要明确。 （2）合理选定船舶的耐波性衡准组。选定耐波性衡准组很困难，但这是极其重要的条件。 （3）在各种海况下船舶运动响应的简易而可靠的计算方法。 （4）船舶作业区域的海况资料。,（三）计算船舶的耐波性指标必须具备的条件,谢谢,