一种应用于侧壁式气垫船的湿甲板砰击预报方法技术

本发明专利技术涉及一种应用于侧壁式气垫船的湿甲板砰击预报方法。本发明专利技术包括：(1)把从外界获得的入射波、船体运动、气垫压力时间序列分别展成傅立叶级数；(2)对步骤(1)获得的每一项级数所对应的谐波，计算侧壁式气垫船内自由面的兴波；(3)线性叠加步骤(2)所获得的各兴波分量，并减去船体运动的垂向分量及湿甲板高度，获得内自由面相对湿甲板位移的时间序列；(4)根据内自由面相对湿甲板的位移，统计湿甲板的砰击次数和位置，并计算相应的砰击载荷，获得侧壁式气垫船湿甲板砰击的预报结果。本发明专利技术把三维气垫船模型转化为二维时域内的非定常切片模型，降低了模型的维数，提高了内自由面兴波乃至湿甲板砰击的计算效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用于侧壁式气垫船的湿甲板砰击预报方法。
技术介绍
侧壁式气垫船是一种气垫和侧船体共同排水的高性能船，气垫上方的湿甲板一般具有较大的表面积。侧壁式气垫船在迎浪中高速航行时，一方面湿甲板会随着船体在波浪中上下运动，另一方面湿甲板下方的内自由面会形成一种由入射波、气垫压力兴波以及侧船体辐射和绕射兴波等多种波浪共同叠加而成的兴波，在这两方面的因素共同作用下，侧壁式气垫船的湿甲板容易遭遇内自由面的兴波砰击。因此，研究侧壁式气垫船的湿甲板砰击特性，包括在各级海况下的砰击概率、砰击载荷等，对侧壁式气垫船湿甲板的高度设计、结构载荷和结构安全设计具有十分重要的意义。目前，船舶砰击的理论研究主要依靠简化的计算模型或三维数值模拟方法，简化的计算模型只考虑船体相对入射波的最大运动速度，忽略了船体兴波对砰击的影响，一般只适合于常规船舶，较难准确统计侧壁式气垫船湿甲板上的砰击发生概率；三维数值模拟方法虽然可以较为精细地模拟湿甲板砰击过程，但需要耗费大量的计算资源，无法在工程中大量应用。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种应用于侧壁式气垫船的湿甲板砰击预报方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)把从外界获得的入射波、船体运动、气垫压力时间序列分别展成傅立叶级数；(2)对步骤(1)获得的每一项级数所对应的谐波，计算侧壁式气垫船内自由面的兴波；(3)线性叠加步骤(2)所获得的各兴波分量，并减去船体运动的垂向分量及湿甲板高度，获得内自由面相对湿甲板位移的时间序列；(4)根据内自由面相对湿甲板的位移，统计湿甲板的砰击次数和位置，并计算相应的砰击载荷，获得侧壁式气垫船湿甲板砰击的预报结果。步骤(1)通过如下过程实现：对从外界输入的入射波船体运动η(t)、气垫压力p(t)时间序列分别进行傅立叶变换，在所得到的频谱图中选取幅值最大的前F+1个频率分量ωs,s＝0,1,2,…,F，使得各时间序列分别近似展成如下傅立叶级数：式中ηs,ps分别是入射波、船体运动、气垫压力的子频率分量ωs对应谐波的复振幅，Re表示取复数的实部。从外界获得的所述的入射波船体运动η(t)、气垫压力p(t)的采样频率相同，是从船模或实船试验中测量得到或侧壁式气垫船在波浪中运动的数值仿真结果；η(t)代表船体重心位置的升沉η3(t)、纵摇η5(t)中的任一种运动，p(t)代表内自由面上任一点的气垫压力，所述气垫压力指的是气垫气体的绝对压力与标准大气压的差值；从外界获得的气垫压力若只有一组，则认为气垫压力是空间均匀的，若有多组且对应于内自由面上的多个监测点，则通过插值得到内自由面上其它点的气压。所述的步骤(2)通过如下步骤实现：(2.1)建立侧壁式气垫船的二维时域非定常切片模型：把侧壁式气垫船从船艏至船艉均匀分割成M+1个切片，再把每个切片的侧体均匀划分为Nh个网格、每个切片的内自由面均匀划分为Na个网格，每个切片上的网格总数记为N＝Nh+Na；每个网格的中点用三维坐标[xk,yj,z(xk,yj)],k＝0,1,2,…,M；j＝1,2,…,N表示，其中k＝0和k＝M分别指船艏第一个切片和船艉最后一个切片；坐标系o-xyz定义如下：x轴从船艉指向船艏，y轴从右舷指向左舷，z轴竖直向上，原点o位于船舯的静水面上；定义tk＝(x0-xk)/U,k＝0,1,2,…,M，式中U是侧壁式气垫船的航行速度，把三维空间内的M+1个切片变成二维时域的单个非定常切片，在该非定常切片上各网格中点坐标写成[yj,z(tk,yj)]；记非定常切片的侧体上所分布奇点的影响系数矩阵为Aij，式中表示网格j的长度，表示拉普拉斯算子作用于网格i,为网格i的单位外法线向量，rij表示网格i的中点到网格j的中点的距离，表示网格i的中点到网格j的中点关于内自由面的镜像点的距离；(2.2)计算非定常切片的内自由面上的气垫压力兴波：对于0到F之间的任一个s值，侧壁式气垫船各切片内自由面上网格中点的气垫压力的子频率分量ωs对应谐波的复振幅可记作ps(xk,yj),k＝0,1,2,…,M；j＝1,2,…,Na，变换到二维时域的非定常切片上，气垫压力为初始时刻非定常切片上的奇点源强密度为σj0＝0,j＝1,2,…,Nh，非定常切片上各时刻的奇点源强密度σjk通过下面两个公式依次对k＝1,2,…,M执行计算获得，σjk＝(Aij)-1Bik,j＝1,2,…,Nh式中ρw是水的密度，g是重力加速度；非定常切片的内自由面上的气垫兴波的复振幅通过如下公式实现，(2.3)计算非定常切片的内自由面上的侧体辐射和绕射兴波：初始时刻非定常切片上的奇点源强密度为j＝1,2,…,Nh；r＝3,5,7，非定常切片上各时刻的奇点源强密度通过下面两个公式依次对k＝1,2,…,M执行计算获得，式中为各切片上的单位速度势沿外法线的梯度；对于0到F之间的任一个s值，入射波、侧壁式气垫船的升沉、纵摇运动的子频率分量ωs对应谐波的复振幅分别为非定常切片的内自由面上的侧体的辐射和绕射兴波的复振幅通过如下公式实现，(2.4)计算侧壁式气垫船的内自由面兴波＝：把步骤(2.2)、步骤(2.3)所得的非定常切片的内自由面上的扰动兴波转换回三维空间，并叠加上入射波，得到侧壁式气垫船的内自由面兴波对应于子频率ωs的复振幅，所述步骤(3)通过如下过程实现：侧壁式气垫船内自由面随船体运动的对应于子频率ωs的复振幅记作从而，侧壁式气垫船的内自由面相对湿甲板位移的时间序列为式中hc表示湿甲板距内自由面的高度。所述的步骤(4)通过如下过程实现：当时表示侧壁式气垫船的内自由面兴波高度超过湿甲板高度，发生砰击；设时间序列中共有n个时间段大于0，每个时间段的起始和结束时间分别记作和j＝1,2,…,n，则在时间序列中求得湿甲板砰击发生的次数为n；设在期间，最多共有mj个网格的中点能使则根据这mj个网格计算出湿甲板上发生砰击的中心位置、长、宽和面积；砰击的速度可写成式中(xmk,ymi)表示砰击发生的中心位置，则求得砰击载荷式中K为湿甲板剖面系数，T为砰击的持续时间，即vj>0持续的时间。本专利技术的有益效果在于：(1)与现有的三维数值模拟方法相比，本专利技术把三维气垫船模型转化为二维时域内的非定常切片模型，降低了模型的维数，提高了内自由面兴波乃至湿甲板砰击的计算效率；(2)与现有的简化计算模型相比，本专利技术额外模拟了侧壁式气垫船的气垫和侧体在内自由面上的兴波，而该兴波被证明与入射波是相同量级、不能忽略的，因而本专利技术提高了侧壁式气垫船的湿甲板砰击概率和砰击载荷的预报精度。附图说明图1为本专利技术一种应用于侧壁式气垫船的湿甲板砰击预报方法的流程框图；图2为三维空间内侧壁式气垫船的切片模型示意图；图3为二维空间内的非定常船体切片模型示意图；图4为二维非定常切片的网格模型示意图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述。图中：1.内自由面，2.侧体，3.气垫压力，4.内自由面上的网格，5.侧体上的网格，6.网格的单位外法线向量。一种应用于侧壁式气垫船的湿甲板砰击预报方法，包括：步骤1：把从外界获得的入射波、船体运动、气垫压力等时间序列分别展成傅立叶级数；步骤2：对步骤1获得的每一项级数所对应的谐波，计算侧壁式气垫船内自由面的兴波；步骤3：线性叠加步骤2所获得的各兴波分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于侧壁式气垫船的湿甲板砰击预报方法，其特征在于：(1)把从外界获得的入射波、船体运动、气垫压力时间序列分别展成傅立叶级数；(2)对步骤(1)获得的每一项级数所对应的谐波，计算侧壁式气垫船内自由面的兴波；(3)线性叠加步骤(2)所获得的各兴波分量，并减去船体运动的垂向分量及湿甲板高度，获得内自由面相对湿甲板位移的时间序列；(4)根据内自由面相对湿甲板的位移，统计湿甲板的砰击次数和位置，并计算相应的砰击载荷，获得侧壁式气垫船湿甲板砰击的预报结果。

【技术特征摘要】
1.一种应用于侧壁式气垫船的湿甲板砰击预报方法，其特征在于：(1)把从外界获得的入射波、船体运动、气垫压力时间序列分别展成傅立叶级数；(2)对步骤(1)获得的每一项级数所对应的谐波，计算侧壁式气垫船内自由面的兴波；(3)线性叠加步骤(2)所获得的各兴波分量，并减去船体运动的垂向分量及湿甲板高度，获得内自由面相对湿甲板位移的时间序列；(4)根据内自由面相对湿甲板的位移，统计湿甲板的砰击次数和位置，并计算相应的砰击载荷，获得侧壁式气垫...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志群，马庆位，杨东梅，林壮，孙寒冰，邹劲，李平，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23