船舶耐波性基本知识

第一章 耐波性概述
• 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。
• 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，面且也是研究不 规则波的基础。
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水质点的轨圆运动
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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。
• 船宽对横摇固有周期的影响不及重心高度敏
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。
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• 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
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第二章 海浪与统计分析
§2-1 海浪概述
• 海浪主要指表层海水受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。
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• 1、风浪的产生
• 笼罩在海洋上的空气流动的结果，使海面所
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。
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§2-2 规则波的特性
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七、摇荡运动的影响
• 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。
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• 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。
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• 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，以后又突然发生一严 重砰击。
• 2）风时
• 3）风区长度
• 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。
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• 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
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§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：
• ⑤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；
• ⑥流体粘性力，除了横摇运动，一般不
予考虑。
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• 2、基本假定
• ①假定船舶是一个刚体，忽略它的弹性变形 • ②不考虑水的粘性和可压缩性。 • ③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) ；
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• 4、风浪等级
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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共分成10级，其要点见表 2-12。
八、耐波性的影响因素
• 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。
作条件。
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• 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
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
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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。
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• 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，因此需要全面均衡、决定吃 水的大小。
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• 4、初稳性高
• 1）初稳性高是船舶安全的重要衡准，同时也
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• 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。
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• 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。
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三、船舶摇荡
• 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
• ④假定船舶摇荡的幅值是微小的，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。
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• 3、运动方程式
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§3-2 船舶主尺度对耐波性的影响
• 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。
• 横据角影响人的运动能力。
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• 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
• 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。
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• 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。
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。
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• 2、风浪要素 • 1）风速
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二、坐标系
• 1、固定坐标系O0x0y0z0 • 2、运动坐标系GXYZ • 3、半固定坐标系Oxyz
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• 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 中习惯采用的名 称见表1-1。
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。
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四、耐波性主要内容
• 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。
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• 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。
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• 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） • 2）短峰波（三因次不规则波）
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• 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。
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§2-3 不规则波的理论基础
• 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。
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六、耐波性与船舶摇荡
• 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。
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第三章 船舶运动方程式与耐波性设计 §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 • ①重力，在船舶运动过程中，其大小、方向
和作用点是不变的；
• ②船体本身的惯性力； • ③浮力，在船舶运动过程中是变化的；
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• ④由船舶摇荡运动(船动水不动)而产生
的辐射流体动力；
面，转速剧增，并伴有强烈振动的现象称为 螺旋桨飞车。
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• 环境条件
与耐波性 之间的关 系
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五、研究耐波性的必要性
• 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。
• 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。
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• 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