船舶橫搖非線性隨機動力學行為的研究.pdf

1、船舶傾覆會造成重大的財產損失和人員傷亡，有關船舶事故的研究，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雜，主要困難有兩點：一是涉及到船舶大幅度搖蕩運動，這種情況下船舶運動具有很強的非線性，對于非線性問題，目前還缺乏有效的數學工具；二是涉及波浪外載荷的隨機性，這導致了傾覆的發(fā)生是一個具有一定概率的隨機事件。對于發(fā)生甲板上浪的船舶，因其行為的復雜性，傾覆問題的研究更加困難。目前，人們通常以一些經驗性的要求

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穩(wěn)性規(guī)范的不足。 本文應用非線性隨機動力學理論和方法研究了規(guī)則和隨機波浪中，無甲板上浪和甲板上浪兩種情況下船舶橫搖的非線性動力學特性，研究了船舶傾覆過程的分岔和混沌等復雜動力學行為，進一步揭示了船舶傾覆的機理，建立了預報船舶傾覆的準則。以一條長66.01m的拖網船為例，得到的主要結論如下： (1)應用非線性動力學方法研究了無甲板上浪

3、和甲板上浪時船舶在規(guī)則波浪中橫搖運動的穩(wěn)定性，導出了橫搖定常周期解的穩(wěn)定條件，解釋了橫搖響應中存在的跳躍現象。研究表明，無甲板上浪時，船舶運動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失去運動穩(wěn)定性，橫搖運動跨越三個平衡點，橫搖中心快速且反復的轉移，在一些不確定力的作用下會使運動失穩(wěn)并導致船舶傾覆。 (2)用隨機Melnikov均方準則研究了隨機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域。研究表明，甲

4、板上浪嚴重影響船舶的穩(wěn)性，混沌參數域的大小與波浪激勵參數的大小密切相關，波浪激勵參數越大，混沌參數域越大。甲板上浪后，船舶的非混沌參數域比無甲板上浪時的非混沌參數域小很多。提高阻尼將抑制隨機混沌的發(fā)生，實際設計中，通過改進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)提出了隨機波浪中甲板上浪后船舶運動相空間轉移率的計算方法，以相對相空間轉移率作為船舶穩(wěn)性損失的度量，定量比較了隨機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，計算表明甲板上浪嚴重影響船舶的穩(wěn)性。 (4)用路徑積分法求解了無甲板上浪時船舶橫搖的概率密度函數。計算表明，無甲板上浪時船舶橫搖響應的聯合概率密度函數為單峰。在非混沌參數域中，聯合概率密度函數的形狀趨于穩(wěn)定，船舶運動以概率1安全。在混沌參數域中，聯合概率密度函數值在空間發(fā)散，船舶停留在安全域中的概率隨著時間的推移逐漸減小，波浪激勵參數越大，減小的越快，當時間足夠長時，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，在混沌參數域中橫搖運動相流，周期的從正、負穩(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。研究表明，甲板上浪后，船舶橫搖響應的聯合概率密度函數有兩個峰，船舶運動過程有兩個可能的橫搖狀態(tài)。當這兩個峰不相通時，對于相平面上任意一組確定的初始條件，船舶運動只能實現其中的一個橫搖狀態(tài)而不發(fā)生跳躍。當這兩個峰相通時，橫搖運動跨越三個