第三章船舶在不规则波中的摇荡船舶运动学教学ppt课件.ppt

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1、船舶在不规则波中摇荡,海浪统计分析,摇荡运动的谱分析法,不规则线性横摇预报,不规则垂荡,纵摇预报,各态历经,平稳随即过程的概率密度函数,基于海浪谱的统计特性计算,横摇运动谱密度函数及其统计特性,线性横摇的频率响应函数,垂荡,纵摇频率响应函数,垂荡,纵摇统计特性求取,频率响应函数,与运动谱的关系,由运动谱密度函数,对摇荡运动的统计特性计算,海浪概述,波浪的分类；风级、浪级与海况,第三章 船舶在不规则波中的摇荡,第三章 船舶在不规则波中的摇荡,第一节 海浪概述,海洋环境载荷-风、浪、流,海洋波浪、风、流会对海上结构物施加很大的作用力，其中，波浪是其最主要的作用力。海面上的波浪最大高度可达二、三十米

2、，对海洋中和海岸处的工程建筑物，如船舶、采油平台和港口等，会产生巨大的破坏力，是这些建筑物的主要载荷。,海浪概述,定 义,海洋中波浪是由各种作用力而引起的，例如:由风引起的风浪，由日月吸引力的改变而产生的潮汐，由海底火山或地震活动而产生的地震波，由船的运动而引起的船波等。 通常所说的海浪是指风浪。风浪是海面上分布最广。对于船舶航行和海洋工程实际活动影响最大的波浪。,海浪概述,海浪的分类,海浪概述,海洋表面波能大致分布图,海浪概述,深水和浅水中的水质点轨迹,海浪概述,正象海水运动一样空气也是不断地运动着的。按照运动方向，空气运动可以分为水平的和垂直的两部分，其中空气的水平运动称为风。 大气作用于

3、地球表面单位面积上的力叫做大气压力，简称气压。当温度0时，纬度45的海平面气压为101325Pa(即标准大气压)。 风的特征是用风向和风速两个量值来表示的，风向是指风的来向，而不是去向，按10个方位测定。风速是空气在单位时间内所流过的距离，单位一般采用ms或kmh表示，为了便于使用，可按风速大小把风速分为13个风级，称为蒲福风级表，但此表仍然不能包括全部自然界中所有出现的风，例如龙卷风等，其风速可达100200ms。,风,海浪概述,风速和波高的相关性,海浪概述,风向方位图,海浪概述,风级表,海浪概述,风力等级表,海浪概述,风浪,风浪是在风的直接作用下产生的海浪。它对海上作战、船舶航行、渔船作业

4、等均有很大的影响。舰艇武器的射击，登陆地点和时间的选择，雷达的使用，水上飞机的起落，水雷的安放等，都受风浪情况的影响。,海浪概述,风浪要素定义,1.表观波长,2.表观波幅,3. 表现周期,海浪概述,Ocean (Irregular) Waves Definitions of Zero-Upcrossing & Downcrossing,Root-mean-Square (RMS), Skewness and Kurtosis Ochi (1998) Ocean Waves,海浪概述,风浪三要素,1. 风速: 在水面规定高度上风的前进速度；2. 风时: 即稳定状态的风在水面上吹过的持续时间；3.

5、 风区长度: 即风接近于不变的方向和速度时在开敝的水面上吹过的距离。,海浪概述,风浪三要素,海浪概述,东中国海10月风浪频率及最大波高,海浪概述,涌浪（SWELL）,虽然都是表面波，但风浪和涌浪是有很大区别的。风直接吹向海面而产生的波浪叫做风浪。 但是，从远处传来的风浪，在到达本海域时，风几乎已没有，人们看到的这种波浪叫做涌浪。在一个海域，往往是风浪和涌浪相混合的。涌浪是离开风区向外传播的风浪，或风区内的风开始减小甚至停止后留下的风浪。涌浪不像风浪那样复杂多变，它的波面比较平滑，波峰线比较长，波长较长，波形接近摆线。涌浪传播速度c与波长有关，,C = 1.25,海浪概述,东中国海10月涌浪频率

6、及最大波高,海浪概述,风级、浪级与海况三者之间有一定关系，但是它们在概念上又是不同的。浪级的划分是按波浪尺度而定 -风浪的级别由波高大小决定，波高越大、浪级越高风级是按风速大小而定海况是描述海面的外形，不仅反映波浪的尺度变化，同时还反映海面其他变化。,风级、浪级与海况,海浪概述,涌浪根据涌高从0到9分成10级 表13-3,涌浪浪级,海浪概述,风浪根据三一波高、十一波高从0到9分成10个等级 表13-4,风浪浪级,海浪概述,海况-风直接或间接作用下的海面所呈现的外貌称为海况，取决于风速、风时、风区，受海岸、岛屿、水深的影响。 表13-5,海 况,海浪概述,海况与风级的关系,海浪概述,第三章 船舶

7、在不规则波中的摇荡,第二节 海浪的统计分析,海浪的统计分析,一、海浪的统计规律以及叠加原理,1。风浪是一种随机现象，是不规则、不确定的， 但统计值（统计规律）是稳定的，确定的。,三一有义波高,海浪的统计分析,一、海浪的统计规律以及叠加原理,2。叠加原理,假定：不规则波可以看作由许多不同频率、不同波幅 和随机相位的单元波叠加而成。表征公式如下：,基本思想：规则波 不规则波,不规则海浪由许多规则波叠加而成,海浪的统计分析,一、海浪的统计规律以及叠加原理,3。不规则波的分析。,假定：组成不规则波的单元波都是同一方向。,长峰不规则波：即是二因次不规则波，所有单元波的总和代表的不规则波也是在单元波同一方

8、向传播的。垂直于波前进方向的波峰线是很长的。,短峰波：当不规则波是由不同方向传播的单元波叠加而成的，也称为三因次不规则波。,总结：自然界中没有真正的长峰波，只有涌比较接近；波浪都属于短峰波。风浪存在主传播方向，工程上采用长峰波符合应用要求。,海浪的统计分析,规则波（长峰波）,海浪的统计分析,不规则波（短峰波、方向波）,海浪的统计分析,二、海浪的平稳性和各态历经性,1。随机过程：,考察某海区的波面升高，每一次都是不能预知的确定数值，称波面升高是一个随机变量。同时，当随机变量随时间连续变化时，这种随机现象称为随机过程（随机函数）。,2。“现实”与“样集”,设想大量同样的浪高仪置于海面不同位置来记录

9、波高。每个浪高仪的记录代表一个以时间为函数的随机过程，它是许多记录中的一个“现实”；所有浪高仪记录的总体表征了整个海区海浪随时间的变化“样集”。,海浪的统计分析,二、海浪的平稳性和各态历经性,现实与样集,海浪的统计分析,二、海浪的平稳性和各态历经性,3。海浪的平稳性,确定随机过程的统计特性的两种方法：,a. 横截样集的统计特性：,如上图，考虑在时间t=t1,t=t2等处的统计特性定义为横截样集的统计特性。,b. 沿着样集的统计特性：,考虑随时间而变化的统计特性，定义为一个现实的统计特性。,总结：统计特性不随时间变化的随机过程称为平稳随机过程，不规则波具有平稳性。,海浪的统计分析,二、海浪的平稳

10、性和各态历经性,海浪的统计分析,二、海浪的平稳性和各态历经性,4。海浪的各态历经性,平稳随机过程，各态历经性要满足以下二个条件：,a. 样集中每一个现实的统计特性相等。,b. 样集的统计特性等于一个现实的统计特性。,总结：各态历经性的平稳随机过程是风浪和船舶摇荡运动及其它统计分析的基本假定。,海浪的统计分析,二、海浪的平稳性和各态历经性,4。海浪的各态历经性,a. 样集中每一个现实的统计特性相等。,海浪的统计分析,二、海浪的平稳性和各态历经性,b. 样集的统计特性等于一个现实的统计特性。,海浪的统计分析,对于海浪及海浪引起的摇荡运动，都看成是具备各态历经性的随机过程。由上面的分析看出，对于具备

11、各态历经性的随机过程，可以用单一记录的时间平均来代替整个记录的样集平均，使随机过程的数据分析工作进一步简化。例如，分析某一海区的风浪特性，根据各态历经性假定，只要取一个浪高仪足够长的时间记录，例如20 MIN的记录，进行分析所得的统计特性就能表征整个海区的统计特性。,总结,波高统计（Wave Height Statistics）,例 题,Probability Density and Distribution Functions of Wave Heights,波高的概率密度函数和分布函数,平均波高（ Mean Wave Height）,有义波高（Significant Wave Height

12、）,例 题,三、海浪的概率分布,1.概率密度函数：绘制直方图的方法确定。,取一个浪高仪的无穷长时间的记录（t20min）,a.取样：以等时间间隔来取样得出N个波面升高。,海浪的统计分析,三、海浪的概率分布,b.分组：按大小分成K组，间隔取最大波面升高的1/10，K=10左右，计算各组中子样个数mj。,c.求每组出现频率：Pj=第j组的个数/子样总数= mj/N,d.作直方图：横轴上截取各组范围，而纵轴上以组距为底作高为频率/间距的长方形。,海浪的统计分析,三、海浪的概率分布,直方图,x,f(x),定义：当以光滑曲线代替阶梯折线，曲线表明了作为随机过程的波面升高取各种值的概率大小，称为概率分布曲

13、线，对应函数为概率分布函数。,海浪的统计分析,三、海浪的概率分布,2。概率密度曲线的统计特性。,a. 数学期望M（x）,定义为概率分布曲线面积中心的横坐标：,均值,各态历经性的平稳随机过程,海浪的统计分析,三、海浪的概率分布,b.方差：表示横截样集在数学期望周围的分散程度。,2。概率密度曲线的统计特性。,定义：,标准差为,海浪的统计分析,三、海浪的概率分布,3。常用的概率密度函数。,a.正态分布,风浪、船舶摇荡及所受应力等随机过程的瞬时值都满足正态分布的概率密度函数。,其中：,M为随机过程的数学期望；x2为随机过程的方差。,海浪的统计分析,三、海浪的概率分布,3。常用的概率密度函数。,a.正态

14、分布,o,x,f(x),M,特点：1）对称于M,2）X=M,最大值为,3）当x,，,f(x)=0,4）标准差越大，曲线越 平坦，在均值附近的 波高概率均匀。,正态分布如图：,海浪的统计分析,三、海浪的概率分布,3。常用的概率密度函数。,b.瑞利分布,随机过程的瞬时值都服从正态分布，其幅值服从瑞利分布，因此风浪波幅、摇荡幅值和应力幅值都服从瑞利分布。,海浪的统计分析,三、海浪的概率分布,3。常用的概率密度函数。,b.瑞利分布,xa,f(xa),幅值,特点：1）xa0， f(xa) 0；,2） xa， f(xa)0；,3） xax， f(xa)max；,海浪的统计分析,x,Xa=,三、海浪的概率分

15、布,3。常用的概率密度函数。,c.泊松分布,船舶砰击和甲板上浪服从泊松分布。它是不连续的记数随机过程，表示事件发生的次数。,其中：,海浪的统计分析,四、海浪的统计特性计算,：使用它来表示波幅的统计值,如图所示，几何意义：阴影面积表示波幅大于某一给定值的保证率。,保证率波幅与标准差之间的关系，其中K为不同保证率的系数。,取对数,海浪的统计分析,四、海浪的统计特性计算,设波幅按大小依次排列，取出1/n最大波幅加以平均，其平均值即为所求指标。如下图所示：,根据定义，其平均值为图中阴影面积中心的横坐标。,海浪的统计分析,四、海浪的统计特性计算,化简可知，它是标准差的函数。有如下定义：,海浪的统计分析,

16、四、海浪的统计特性计算,通常要知道随机过程的振幅的最大值的平均值。,取样Nm个，每段内最大值的平均值，在Nm个取样值中最大值平均值。其中，m为段数，N为每段的振荡数。,N次,N次,N次,N次,海浪的统计分析,第三章 船舶在不规则波中的摇荡,第三节 海浪谱,海浪谱,一、海浪谱的定义,根据波浪叠加原理：不规则波的能量等于单元规则波的能量之和。,单元波在单位波面积中的能量：,引入能量函数,将频率范围无限缩小到单元波，不失一般性的表达方法：,海浪谱,时 域,频域,海 浪 谱,海浪谱,海 浪 谱,一、海浪谱的定义,定义： 正比于单元波的能量的变化率。它表征了不规则波的能量在不同频率单元波上的分布情况，称

17、为海浪谱的密度函数。,谱密度随频率变化的曲线称为谱密度曲线。,总能量：,海浪谱,二、海浪谱与随机过程的数学期望之间的关系,坐标原点处的不规则波：,数学期望：,概率密度函数（等概率分布）：,海浪的数学期望为0，即静水面为海浪的平均位置。,海浪谱,三、海浪谱与随机过程的方差之间的关系,方差：,结论：谱密度曲线下的面积等于随机过程的方 差，故海浪谱也称为方差谱。,海浪谱,四、谱密度函数的数字特征,n阶谱距mn定义：谱密度函数对原点的n阶矩，表明了它对原点的分布情况，可以确定各种统计值。,n阶谱矩mn为：,当n=0，2，4时，对应有下列结果：,位置方差,速度方差,加速度方差,海浪谱,定义：谱宽参数表征

18、谱密度的分布范围。,讨论：（1）当= 0或者接近0，谱密度曲线窄而高， 称为窄带谱。服从瑞利分布（幅值）。,（2）当=1或者接近1，谱密度曲线宽而低， 称为宽带谱。服从正态分布（均值为0）。,海 浪 谱,2.谱宽参数,四、谱密度函数的数字特征,海 浪 谱,=0,=1,2.谱宽参数,时历与海浪谱,海 浪 谱,方差修正： 不绝对等于0时，为了利用瑞利分布的理论结果，必须对方差进行修正。,服从瑞利分布,风浪标准差,谱宽的三一平均幅值：,特别指出：当0.4时，不考虑谱宽影响，不用修正。,平均周期：,平均波长：,海 浪 谱,四、谱密度函数的数字特征,五、海浪谱公式,统计分析方法预报船舶在不规则波中的性能

19、，首先必须对航行海区的海浪谱进行估算，下面给出计算公式。,波浪圆频率,平均风速,右图表示：平均风速为20、30和40kn情况下的充分发展的纽曼海浪谱。,海 浪 谱,五、海浪谱公式,在19.5米高处的平均风速,波浪圆频率,当给出有义波高确定风速：,海 浪 谱,Ocean Wave Spectra: P-M & JONSWAP Types,五、海浪谱公式,1) 单参数谱：,其中：,有义波高,右图给出了不同有义波高的单参数海浪谱。,海 浪 谱,五、海浪谱公式,2) 双参数海浪谱：,其中：,有义波高,右图表征了平均风速和三一平均波高之间的关系。,波浪特征周期,海 浪 谱,五、海浪谱公式,短峰波的海浪谱

20、为：,平均风速,三一平均波高,长峰波谱,扩散函数,单元波浪向与主浪向夹角,海 浪 谱,波面抬高,正态分布:2,统计分析得概率密度函数f(x),不规则海浪,测得样集=(t）,设为:各态历经平稳随即过程,波幅, 雷利分布:R,可得：,不规则海浪,二者存在R= 2,由值，并结合雷利分布概率密度函数,能量在各单元波之间的分布，谱密度函数,小结：不规则海浪研究思路,a. 由实测资料入手,b. 基于理论计算,求各阶谱矩：,基于叠加原理,方差修正,a1/3,a,a1/10,a,a1/10,a1/3,f( ),第三章 船舶在不规则波中的摇荡,第四节 谱分析法,谱分析法,研究方法,在时间域内随机取样分析,在频率

21、域内随机取样分析,时域分析,频域分析,前面已经学习了海浪谱的基本知识，但是我们的主要目的是研究船体在波浪上的运动规律。下面我们必须建立海浪谱和船舶运动谱之间的关系。,谱 分 析 法,一、海浪谱和运动谱之间的关系,1。谱分析法的简介,对随机取样在频率域内作谱分析，结合瑞利分布的特性，对船舶的不规则运动的统计值进行预报。,2。线性系统的应答关系（定性分析）,能量传递转换器系统,扰动,对扰动的应答,（波浪输入）,（运动输出）,一、海浪谱和运动谱之间的关系,2。线性系统的应答关系（定量分析）,由叠加原理，船舶的摇荡运动可看作一系列单元波引起的单元摇荡的叠加。（叠加性）,如果系统满足叠加性，并且符合齐次

22、性，并且不随时间变化，则称为时间恒定的线性系统。这样的线性系统输入和输出都是平稳的随机过程。船舶在波浪上的运动响应正好符合上述规律。,齐次性：,叠加性：,谱 分 析 法,一、海浪谱和运动谱之间的关系,2。线性系统的应答关系（定量分析）,一个单元波,产生同频率的单元摇荡运动：（变化量幅值和相位）,其中：,线性系统的响应,频率响应函数,响应幅值算子（RAO）,谱 分 析 法,定义运动谱：类似于海浪谱,谱 分 析 法,一、海浪谱和运动谱之间的关系,2。线性系统的应答关系（定量分析）,结论：,（1）运动谱等于海浪谱乘以响应幅值算子。,（2）已知风浪谱和频率响应函数，可求运动谱。,（3）已知风浪谱和运动

23、谱，可求频率响应函数。,（4）已知船舶的频率响应函数，在海区测运动 谱，可求该海区的风浪谱。,谱 分 析 法,二、频率响应函数和遭遇海浪谱,1。频率响应函数的含义：,单元波作用于船体引起的同频率的单元摇荡运动幅值与规则单元波的波幅之比。,谱 分 析 法,2 。确定频率响应函数的两种方法：,（1）试验法：在规则和不规则波中进行模型试验,（2）理论法：通过受力分析，建立运动微分方程，进行求解。,模型试验中：横摇： 纵摇： 垂荡：,二、频率响应函数和遭遇海浪谱,二、频率响应函数和遭遇海浪谱,3。遭遇海浪谱：,前面海浪谱都用自然频率来表示的，但是船舶在风浪中运动总有一定航速和遭遇浪向，此时作用与船上的

24、就不同于自然频率，而是遭遇频率。,遭遇频率,浪向角,遭遇海浪谱：,微面积所代表能量相等：,谱 分 析 法,二、频率响应函数和遭遇海浪谱,三、船舶运动预报的步骤,用谱分析法预报船舶在不规则波中的运动统计值。,1。根据航区资料，确定估算海区的三一平均波高或 风速，选定相应的海浪谱公式。,2。确定频率响应函数。,3。计算遭遇频率：,4。计算运动谱密度对原点的n阶谱矩。 （用遭遇频率代替自然频率）,谱 分 析 法,三、船舶运动预报的步骤,5。计算谱宽参数：,6。计算修正后的方差：,当 ，可以不修正。,7。计算摇荡的统计值：三一平均摇荡幅值，十一平均摇荡幅值，平均摇荡幅值，平均摇荡周期，20次摇荡中最大

25、幅值的平均值等等。,谱 分 析 法,基于谱分析的耐波性能预报（短期预报）,谱 分 析 法,谱 分 析 法,第三章 船舶在不规则波中的摇荡,第五节 船舶在不规则波中的线性横摇,船舶在不规则波中的线性横摇,1。横摇频率响应函数,由公式可得：,定义,（模型试验求频响）,（理论计算求频响）,模型试验可求,2。理论计算法求频率响应函数,其中：,放大因数,有限吃水的修正系数,有限船宽的修正系数,其值由下图查取。,船舶在不规则波中的线性横摇,船舶在不规则波中的线性横摇,有限吃水的修正系数,3。可求横摇的位移、速度和加速度方差：,总结：以上是理论方法求频率响应函数和运动响应。,船舶在不规则波中的线性横摇,已知

26、某船在5级海浪,有义波高w1/33.9m情况下正横浪航行， 其无因次衰减系数=0.139，横摇固有周期 T13.7s。试用谱分析法求船的平均横摇角，有义横摇角以及十一平均横摇角。,1. 计算海浪谱 ITTC单参数海浪谱公式，,2。计算横摇的频率响应函数 1）计算放大因数 2）计算频率响应函数,3。计算横摇角能谱,4。计算m0 ；用梯形积分法计算谱密度曲线下的面积， 然后求横摇角的统计值,w1/3 3.9m,例题,放大因数计算见下表,放大因数列表计算,无因次衰减系数=0.139,横摇固有周期 T13.7 s,已知：,例题,横摇运动谱密度列表计算,例题,频率响应函数,海浪谱,运动谱,放大因数,4。

27、船舶在不规则波中横摇的特点,a、不规则波中船舶平均横摇周期,在不规则波中的横摇响应将主要集中在横摇固有频率附近，不规则波船舶平均横摇周期接近船舶的固有周期。如下图：,船舶在不规则波中的线性横摇,4。船舶在不规则波中横摇的特点,b、不规则波中船舶横摇的共振现象,船在不规则波中共振现象不明显，在共振区幅值小于规则波中的幅值，远离共振区则刚好相反。,船舶在不规则波中的线性横摇,规则波中横摇角幅值,不规则波中横摇角三一平均值,第三章 船舶在不规则波中的摇荡,第五节 船舶在不规则波中的垂荡和纵摇,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,1。船舶在不规则迎浪中的垂荡与纵摇,其中：,垂荡运动谱,纵摇运动谱,例题,已知

28、: 1/3 =4m； V=6.37M/S 由模型试验迎浪纵摇频率响应函数，求： 试用ITTC单参数谱计算纵摇角统计值。,海浪谱,遭遇频率,频率响应函数,纵摇运动谱,纵摇角统计值计算,纵摇角统计值： 三一纵摇角,方差修正,零阶矩,二阶矩,四阶矩,十一纵摇角,纵摇平均周期,谱宽参数,例题,2。船舶在不规则迎浪中的纵摇特点,a、不规则波中的船舶纵摇平均周期,由于纵摇阻尼比较大，使频率响应函数的峰值不突出，在较宽的频率范围内平缓变化，同时波浪频率也是在一个较宽的频率范围内变化，船的纵摇响应与波浪的各个频率的单元波的大小分布有关。,计算表明：船舶在不规则波中的纵摇平均周期接 近于不规则波的平均周期。,船

29、舶在不规则波中的垂荡与纵摇,2。船舶在不规则迎浪中的纵摇特点,b、船速对纵摇的影响,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,2。船舶在不规则迎浪中的纵摇特点,b、船速对纵摇的影响,条件如下：某船在8级风下，完全发展的波浪中迎浪前进。航速为0、18kn、36kn时该船的纵摇能谱曲线如上所示，该船纵摇固有频率为1.3s-1。,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,2。船舶在不规则迎浪中的纵摇特点,b、船速对纵摇的影响（续）,船速为0时，曲线的峰值对应频率偏离纵摇的固有频率较远。原因是低频波幅较大，并非共振原因。航速增大峰值移向中频区，随着航速增大其峰值趋向固有频率。但是航速增大到一定程度，峰值变得越来越平坦且出现在

30、固有频率更高的地方，纵摇运动又会减小。,结论：船舶在不规则波浪中迎浪航行时，有一最佳速度范围，使纵摇较小。,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,谐摇状态与临界状态,当遭遇周期等于纵摇固有周期或垂荡固有周期将发生谐摇。对于纵摇和垂荡，规则波对波浪扰动力的大小与波长、船长比有很大关系，而且航速影响也很显著。因此，纵向运动是随航速、波长船长比及调谐因数（遭遇周期）而变化的。,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,当波长一定时，随着航速增加：遭遇周期减小。当航速一定时，随着波长增加；遭遇周期增加。,3. 谐摇状态与临界状态,1。谐摇状态,船舶以航速 V 顶浪航行,遭遇周期,航速,波长,

31、船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,3.谐摇状态与临界状态,2。影响纵向运动的因素,固有周期,Te=TTe=TZ,为谐振,航速影响,零速时，运动较小频响的峰值偏向低频区域； V ,运动增加，频响峰值向高频区移动,波长/船长 =/ L 影响大,1/ L2.5,/L是影响纵摇的重要因素。/L越小，纵摇越缓和。 /L ，纵摇幅值不会太大，即使发生谐摇也是如此。/L 1时，无论是否发生谐摇，纵摇都是严重的。 航速越高，纵摇越严重 调谐因数大于1.2 ，任何情况下纵摇幅值都不大。,规则波中的纵摇试验分析,例,规则波中的垂荡试验分析,例,/L是重要因素,固有周期相对次要,航速高，运动剧烈,3.谐摇状态与临界状态

32、,当船以一定的航速在不规则波中顶浪前进时，根据叠加原理，它相当遭遇一系列波长变化的规则波的作用，这时有关谐摇的概念不再适用了。以下用临界状态说明迎浪航行于不规则波中船舶的摇荡情况。,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,最大能量单元波：对应谱密度曲线峰点的单元波，在不规则波中含有最大的能量，称为最大能量单元波 。 最大能量 40 w/3 最大有义单元波：波长超过一定范围的波，它在整个单元波中占有很小的比例，所有波长大于最大有义单元波的能量占总能量的5%,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,最大有义 60 w/3,谐摇状态与临界状态,谱密度划分,(1)主成分波 波长等于船长的单元波和最大能量单元波之间的单元波

33、称为主成分波。它对纵向运动起着主要的作用。 (2)有义成分波 波长等于34船长的单元波与最大有义波之间的单元被，称为有义成分被。在有义成分波区间之外的单元波对 船舶的纵向运动不产生明显的影响船舶的纵向运动即取界决于风浪能量的大小，也取决于规则波中顶浪航行时的风浪谱密度与频率响应函数之间的关系,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,根据组成不规则波的各单元波对纵向运动的作用，我们对风浪谱密度作如下划分,以某一航速航行的船舶，当谐摇波长小于34船长时，则定义该船舶处于亚临界区。,为了扩大亚临界区域的范围，应减小纵摇和垂荡的固有周期。,(1) 亚临界区域,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,当船舶的谐摇波长位于成

34、分波区间时，这时波浪给予船舶较多的能量、因而产生激烈的运动，称为临界区域，,在临界区域内，船舶的纵据和运荡都是十分严重的，甚至出现严重的砰击和上浪，使驾驶者不得不被迫减速。对于快速船有砰击限制航速和上浪限制航速，手艘新设计的船，耍选择适当的干舷高度，使临界区域内的上浪限制航速大于砰击限制航速。一般说来，砰击是决定风浪中快速船舶速度的主要因素。,(2) 临界区域,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,(2) 临界区域,所有的船舶都有可能处在临界状态，产少严重的纵向运动。为了改善临界区域的纵摇特性，增加阻尼是一项重要的措施。 例如采用V型剖面、方尾、减纵摇鳍等都可以提供较大的纵摇阻尼，改善纵摇性能。,船舶

35、在不规则波中的垂荡与纵摇,当谐摇波长大于最大有义时，称为超临界区域，超临界区域相当中速货船在微小波中航行，或者快艇顶着小等海浪的航行情况，船舶纵向运动十分缓和。,在一般情况下，难以提供足够的航速，使船舶达到超临界区域。,(3) 超临界区域,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,介于亚临界区域与临界区域之间称为亚临界过渡区域,介于临界区域与超临界区域之间称为超临界过渡区域,(4).过渡区域,船舶在不规则波中的垂荡与纵摇,临界状态与航速关系,某万吨级货船，船长L=147.16m，纵摇和垂荡的固有周期为 以航速v=17kn=8.74m/s ， 在 三一平均波高w/3 = 4 m 的风浪中迎浪航行，试判断其临界状态。,例题,解: 已知:,= 145m,最大能量 40 w/3 = 160m; 主成分波区间 147.18160m 最大有义有义成分波区间 : 110240 m 故: 船舶在临界区域航行,纵摇是严重的。如果航速降为10kn, 则谐摇波长=111m;,最大有义 60 w/3 =240 m,谐摇波长,船舶处于亚临界区域航行,如果是船舶在超临界区域航行, 将=240m, TZ = T =6.1 S 代入,=20m/s =39kn,则进入超临界区的航速,一般货船难以达到这样的高速,v=17kn=8.74m/s,