【摘要】：傳統(tǒng)的船舶水動力學試驗大多是以水池模型試驗的形式開展的。水池試驗中通常采用小縮尺比的模型,波浪一般是由造波機生成的長峰波浪,模型的搖蕩運動一般通過機械式適航儀約束并測量。這些因素都使得水池試驗不能最大限度地反映出船舶實際航行時的性能特征。實船海試雖然是最真實可靠的試驗方法,但其實施成本高且花費時間長,使得這種試驗方法不能廣泛應用于科學研究領域�；谏鲜鰻顩r,本文提出了一種通過使用大尺度模型在自然海浪中開展水動力學試驗的新型技術(shù)。該技術(shù)綜合了水池模型試驗和實船海試的共同優(yōu)點,例如通過采用大尺度模型可以減小尺度效應,試驗是在真實的風生浪環(huán)境中開展的,且自航模型可以進行任何浪向角下的試驗測量。本論文旨在提出并研究大尺度模型海上試驗相關技術(shù),對此開展了以下方面的研究工作:(1)分析了近岸海浪的基本特征,研究了大尺度模型試驗海區(qū)的選取原則。并在黃海和渤海沿海區(qū)域不同位置處對近岸海浪進行了多次測量,將近岸海浪譜與大洋譜對比,證明近岸海浪與遠洋海浪譜形的相似性。為了進一步了解和掌握試驗基地近岸海浪的分布及變化規(guī)律,提出了試驗基地海區(qū)海浪數(shù)據(jù)庫計劃。該計劃旨在研究試驗海區(qū)海浪的預報方法,從而提高大尺度模型試驗操作效率。(2)針對分段模型載荷試驗的船體設計及龍骨梁設計等問題展開研究,重點提出了兩種典型龍骨梁方案的設計方法。針對大尺度模型海上試驗技術(shù)進行了詳細的研究,包括大尺度模型船體設計、建造和組裝原則和方法,試驗系統(tǒng)平臺中各儀器設備介紹和實驗實施的方法及流程。(3)提出了大尺度模型耐波性及波浪載荷試驗測試數(shù)據(jù)的分析和研究方法。主要依照下述三個方面或角度分別對試驗數(shù)據(jù)進行分析:1)大尺度模型在三維海浪中的運動與載荷響應特征研究;2)大尺度模型海試與小尺度模型水池試驗及數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析;3)由大尺度模型試驗與數(shù)值計算結(jié)果外推預報實船遠洋航行長短期響應。(4)將大尺度模型試驗測量結(jié)果推廣應用于艦船綜合性能評估,提出了一套船舶環(huán)境適應性的多級模糊綜合評估體系。綜合船舶耐波性、波浪載荷、快速性、操縱性、穩(wěn)性和抗沉性等多個學科建立了船舶風浪環(huán)境適應性評價指標體系;并綜合層次分析法(AHP)和熵值賦權(quán)法對各級指標進行賦權(quán);最終由基于模糊理論的多級評估模型計算船舶綜合性能得分�？傊�,本文從大尺度模型試驗前的沿海海浪環(huán)境分析、大尺度模型試驗系統(tǒng)建立、試驗開展與實施流程、試驗數(shù)據(jù)后處理分析和試驗技術(shù)功能推廣應用等方面對大尺度模型試驗技術(shù)進行了全面研究。并在葫蘆島海區(qū)多次實施了大尺度模型水動力學試驗,表明了本文提出的試驗測試系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的,試驗測試實施方案是可行的。通過對大尺度模型在自然海浪環(huán)境中的運動與載荷響應數(shù)據(jù)分析,及其與小尺度模型水池試驗和數(shù)值模擬結(jié)果的比較,證明了本文所提試驗技術(shù)的合理性與優(yōu)越性。自然海浪環(huán)境中大尺度模型試驗技術(shù)具有廣泛的發(fā)展與應用前景。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U674.70
【圖文】：

日本海試研究機構(gòu)(NMRI)于 2010 年 8 月完成建造了大型風浪聯(lián)合模擬水池，該水池尺寸為 80m 長、40m 寬和 4.5m 深。在水池的四周池壁共安裝了 382 塊造波板，且各塊造波版的運動是相互獨立的。通過計算機控制各塊造波板，該水池可以實現(xiàn)短峰波浪的模擬。該水池還可以制造最大風速為 10m/s 的波動速度風。其裝配的航車可以實現(xiàn)三個自由度的運動：沿水池長度方向最大速度為3.5m/s、沿水池寬度方向最大速度為3.0m/s和繞子航車中心的旋轉(zhuǎn)運動。哈爾濱工程大學(HEU)海洋綜合水池竣工于 2009 年[22]，水池尺寸為 50m 長 30m 寬10m 深。造波機安裝在池壁一端，僅能制造單向長峰波浪。其主向航車的最大速度可達3m/s，分向航車的最大速度可達 2m/s。英國南安普敦大學(University of Southampton)于2014年9月建造完成了新型拖曳水池，水池長度為 138m 寬為 6m 深為 3.5m。水池上安裝的纜繩牽引式拖車的最大速度為12m/s。在該水池中可開展各類型的船舶及離岸結(jié)構(gòu)物的水動力學性能試驗。鉸接式推板造波機可造的最大規(guī)則波波高為 0.5m，周期分布為 0.8s 至 3.5s。水池還裝備了運動跟蹤式攝像系統(tǒng)和 PIV 流場記錄裝置。

第 1 章 緒論試內(nèi)容也是豐富多樣的，包括阻力、運動、載荷、流場分布等。模型一般為托航或自航模，由航車拖動或約束使其達到要求速度，也有少數(shù)模型采用完全自由的自航設備。在池壁的一端裝有造波機設備，另一端通常建有消波岸。國外典型的耐波性及波浪載荷水池試驗模型如圖 1.2 所示。

一般新船建成之后都需進行交船試航試驗，測量船舶的綜合航行性能。也有少數(shù)研究者通過實船開展一些特性及專項試驗。近一個世紀以內(nèi)，全球曾對數(shù)百艘艦船進行了實船海上特性及專項試驗。Lee(2010)[25]通過應力監(jiān)測系統(tǒng)記錄了 8063TEU 集裝箱船在兩年運營中的船體垂向彎矩，進行了載荷長期預報并與計算值進行比較。Andersen(2014)[26]測量了 9400TEU 集裝箱船遭遇暴風海況（有義波高約 8m）時的船中剖面載荷，并分析了船體砰擊載荷特性。Tim[27]通過 GPS 等設備測量了集裝箱船離港與進港時船體的升沉、縱搖和橫搖運動，并對測試數(shù)據(jù)進行了分析。Nielsen(2012)[28]根據(jù)船舶（圖 1.3(a)）在大西洋里為期兩周的航行中所測量的運動數(shù)據(jù)，結(jié)合船舶本身的傳遞函數(shù)對海況進行預報，并與衛(wèi)星觀測的海浪情況進行比較。針對圖 1.4 所示的高速雙體船，Davis(2005)[29]通過實船進行的海上實驗數(shù)據(jù)，確定了其不同航速和浪向下的幅頻響應算子。Jacob(2014)[30]對其在高海況中的砰擊載荷響應進行研究。Lavroff(2013)[31]通過水池分段模型試驗的形式，又對其進行載荷與砰擊特征研究。

本文編號：2793143