预报船舶在波浪中航行时相对运动的一个实用模型

舰船运动的拓扑预测模型

舰船运动的拓扑预测模型随着人类社会和科学技术的日益发展，航海船舶在经济和军事领域中扮演着越来越重要的角色。

在现代化的海上交通中，保证舰船航行的安全性和效率性成为了一个关键问题。

而船舶的运动状态是影响其安全性和效率性的重要因素之一。

舰船的运动可以通过运动规律和运动模式来描述。

而在复杂多变的海洋环境中，预测舰船的运动状态成为了一个难点问题。

然而，近年来的研究表明，应用拓扑预测模型可以有效地预测舰船的运动状态。

在拓扑预测模型中，将舰船将其看作是一个时变动力系统，其运动可以通过演化方程进行描述，如下所示：x(t+1) = F(x(t),u(t))其中，x(t)和u(t)分别表示舰船在时刻t的状态变量和输入变量。

F是演化方程，用于描述舰船状态的下一个时刻的状态变量。

拓扑预测模型使用动态符号学 (DS) 技术，将动态系统的时间序列数据映射到符号序列上，从而描述系统的运动特性。

在使用拓扑预测模型预测舰船运动的过程中，首先需要对运动数据进行采集和处理，并将其变换为符号序列。

然后，通过基于模型的时间序列分析方法，可以获得动态系统的拓扑特性，如相空间结构和流形结构等。

通过对舰船运动的拓扑特性进行分析和研究，可以有效地预测舰船的运动状态。

根据预测结果，可以采取相应的措施，如调整船速、航向或航线等，从而确保舰船的安全和效率。

除了舰船运动预测外，拓扑预测模型在其他领域的预测中也有广泛的应用。

例如，可以预测气象、流体力学、金融市场等动态系统的运动状态。

总之，舰船运动的拓扑预测模型具有实际应用价值，对于提高海上交通的安全性和效率性有着重要的作用。

在未来，航海科技将会越来越发达，拓扑预测模型也将有更广泛的应用前景。

船舶操纵运动的一种实用预报方法

船舶操纵运动的一种实用预报方法
张潞怡;董国祥
【期刊名称】《船舶》
【年(卷),期】1996(000)002
【摘要】本文利用别尔舍茨所统计的船体操纵水动力的诺谟图进行了多元回归分析，给出了估算船体操纵水动力的简单、可靠而实用的方法。

并且利用该回归公式预报了船舶在在无限水域中的操纵运动。

计算结果良好，说明该方法很实用，适用于工程设计。

【总页数】1页(P9)
【作者】张潞怡;董国祥
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】U675.91
【相关文献】
1.一种分解策略的船舶横摇运动姿态在线预报方法 [J], 杨震;王岩;原新
2.一种基于参数估计的自适应舰船运动预报方法 [J], 张艳;李世鹏;荣晶晶;张仲毅
3.一种新型的船舶横摇运动实时预报方法 [J], 徐培;金鸿章;王科俊;阎立涛
4.预报高速艇螺旋桨压力面空蚀的一种实用估算方法 [J], 李国佩
5.一种简单实用的超短期负荷预报方法 [J], 汪峰;谢开;于尔铿;刘国琪;王满义
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波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析

波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析曹阳;朱仁传;蒋银;洪亮【摘要】为研究肥大型船舶在波浪中的运动与增阻问题,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)理论建立了数值波浪水池,并结合重叠网格方法对KVLCC2迎浪航行进行了模拟研究.文中计算了Fn=0.142时KVL-CC2船模在不同频率遭遇波作用下的运动和阻力,采用傅里叶级数展开法分析获得垂荡、纵摇运动响应和阻力值,将船模在波浪中航行受到的阻力减去静水航行阻力,获得了不同频率下的阻力增加值,将运动与阻力增加值与相关实验结果比较,吻合良好.通过对Fn=0.142时KVLCC2在波浪增阻成分进行的分析,与相关势流理论计算结果及实验结果对比,研究表明:短波增阻主要由船体绕射贡献,同时表明CFD方法计算船舶在波浪上的运动和增阻的可靠性.%The motions of KVLCC2 advancing at Fn=0.142 in head waves have been simulated by implementing a numerical wave tank and an overset mesh method based on computational fluid dynamics (CFD) to study the mo-tions and added resistance of a ship possessing a big block coefficient in waves.The numerical results of heave, pitch, and resistance were analyzed using the Fourier series, and the added resistance due to waves was determined by the resistance of the ship to the waves after subtracting the resistance of the ship in unperturbed water.The re-sults of the computation and the related model test of the added wave resistance were inagreement.Furthermore, the components of added resistance due to different causes were investigated and the results that were calculated u-sing CFD were compared to the results calculated by the strip method andthe model test.This indicates that the added resistance of the ship to short-waves was mainly induced by ship diffraction.Further, CFD can be used to accurately calculate the ship motion and the added wave resistance.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2017(038)012【总页数】8页(P1828-1835)【关键词】重叠网格;KVLCC2;傅里叶级数;垂荡运动;纵摇运动;波浪增阻;CFD方法;数值波浪水池【作者】曹阳;朱仁传;蒋银;洪亮【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.1船舶在波浪上的运动与阻力增加一直是船舶与海洋工程领域研究的热点，准确预报船舶在波浪上的运动是船舶在水上航行、作业安全性和舒适性的基础，船舶波浪增阻在船型优化乃至航线优化问题中是经济性的重要参数指标。

船载S波段雷达多普勒谱模型

船载S波段雷达多普勒谱模型船载S波段雷达多普勒谱模型是用来描述海浪对船舶的运动造成的多普勒效应的数学模型。

多普勒效应是指物体在移动时发出的频率与接收端接收到的频率不同的现象。

在海洋测量领域中，船体受到海浪的作用会使信号的频率发生变化，这种变化就是多普勒效应。

船载S波段雷达多普勒谱模型主要是用来计算海浪的多普勒效应对雷达船的回波频谱的影响。

船载S波段雷达多普勒谱模型的基础是多普勒效应公式，该公式描述了物体在运动过程中，接收到的频率与发射时的频率之间的关系。

在海洋测量中，多普勒效应公式可以表示为：f = fc(1+V/c)其中f是接收到的频率，fc是发射时的频率，V是物体在垂直于接收器方向上的相对速度，c是光速。

基于多普勒效应公式，船载S波段雷达多普勒谱模型可以表示为：S(f) = σ(w) * G(f, w)其中S(f)是雷达回波频谱，σ(w)是海洋波谱，G(f, w)是雷达接收函数。

海洋波谱是描述海浪频率谱分布的函数，它可以看作是一个描述海洋波浪分布的能量谱函数。

在船载S波段雷达多普勒谱模型中，海洋波谱σ(w)可以表示为：σ(w) = A * w^-5exp(-Bw^-4)其中A和B是系数，w是波长。

雷达接收函数G(f, w)是描述雷达接收能力的函数，它包括两个部分：雷达天线指向对角线和接收器响应函数。

在船载S波段雷达多普勒谱模型中，雷达接收函数G(f, w)可以表示为：G(f, w) = (1 + cos^2θ) / (2√2πσ_fr)exp(-[f - (fc + 2Vcosθ/c)]^2/2σ_fr^2)其中θ是雷达与波向之间的角度，σ_fr是雷达的带宽，fc是雷达发射的频率。

该函数可以描述雷达在不同波向下的接收能力，同时也考虑到了雷达带宽的影响。

综上所述，船载S波段雷达多普勒谱模型是一个基于多普勒效应公式、海洋波谱和雷达接收函数的数学模型。

它可以用来计算海浪对雷达回波频谱的影响，以提高海洋测量和航海安全性能的能力。

船舶在波浪中的运动-ch1_引论

Theory of Ship Motions in Waves
11
§1.1
概述
——波浪中的运动
风浪下的船舶运动摇荡运动（oscillation）; 摇荡运动之动态效应：
速度、加速度、晕船；
增阻（increase of resistance）与失速（speed loss）；飞溅（spray）、甲板上浪（Green Water）; 首底砰击（Slamming）；舱液晃荡（sloshing）等。
概述
——环境载荷
我国近海具有明显的季风特征，总体海况趋势：冬强夏弱、外海强近岸弱、东南海强黄渤海弱。平均风速：4 ～ 12 m/s。平均波高：0.8 ～ 1.8m(风浪)、1.2 ～ 2.5m(涌浪)。恶劣的北海： 60%的时间里有义波高大于2m，最大波高30m以上，极端海况下的波浪周期为15～20s，很少低于4s，风速上限40 ～ 45m/s。
评估等模块，成为业界认可和广泛使用的商用专业软件，具有不同水深环境下的固定浮体、系泊浮体和自由浮体水动力载荷及其动力响应分析的一般功能，以及海洋工程生产系统集成设计、管理与效益和风险评估的基本功能。
主要模块及功能：
①Strength assessment of fixed structures.
MODULES: Hull Integrity、Structure Integrity、Plant Integrity、Pipeline Integrity、Riser Integrity、Risk
Based Inspection
Theory of Ship Motions in Waves
21
§1.2 船舶运动预报解决方案概
6
§1.1
概述

航道工程设计中的航运与波浪模型

航道工程设计中的航运与波浪模型航道工程是一门综合性极强的学科，旨在设计、建设和维护水上交通运输所需的各类设施。

在航道工程设计过程中，除了考虑到水深、流速、水动力等因素外，航运与波浪模型也是一个关键的考虑因素。

航运模型是以船舶为研究对象，分析和模拟船舶在航行中的动力学性能、操纵特性以及与航道环境相互作用的模型。

通过航运模型，可以预测船舶在特定航道条件下的运动特性，为航道工程设计提供准确可靠的数据依据。

在航运模型研究中，常使用的方法有船模试验和数值模拟两种。

船模试验是通过制作船舶的物理模型，在模型航行水池中进行各种测试和试验的方法。

通过船模试验，可以获取船舶的阻力、操纵性能、补偿因子等数据，从而优化航道布局和测量、计算航道及港口工程施工等。

船模试验的优点是可以直观地观察船舶的运动情况，并能够获得大量真实可靠的数据。

然而，船模试验的局限性在于成本较高，时间周期较长，并且可能受到实验条件以及船模与实际船舶之间的尺度效应影响。

除了船模试验外，数值模拟也是航运模型研究的重要方法之一。

数值模拟利用计算机软件对船舶在特定航道条件下的运动进行仿真，通过数学模型和物理方程的计算，得出船舶在不同水动力条件下的运动特性。

数值模拟的优点在于成本较低、周期较短，并且可以对不同参数进行灵活的调整和优化。

然而，数值模拟的结果受到模型精度和参数选择等因素的影响，因此需要进行多次验证和修正，以确保结果的准确性。

波浪模型是研究波浪的生成、传播和变形等现象的模型。

在航道工程设计中，波浪模型的重要性不可忽视。

波浪对船舶的影响主要表现为运动稳性和航向控制的困难。

通过波浪模型的研究，可以分析预测波浪的特性、方向和高度，为船舶的航行安全提供保障。

波浪模型的研究方法主要有实测方法和理论模型两种。

实测方法是通过在海洋、湖泊等水域进行实际观测和记录波浪数据。

这种方法的优点在于真实可靠，能够获取到现实中实际存在的波浪情况。

然而，实测方法的缺点在于成本高、周期长，并且受到环境条件的限制。

船舶流体计算

船舶流体计算
船舶流体计算是指通过数学模型和计算方法来分析船体在水中的流体力学特性。

这项计算可以用来评估船舶的稳定性、阻力和推进力等参数，从而确定船舶的设计和操作。

以下是船舶流体计算的一些常见方法：
1. 阻力计算：使用雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）或光
滑片面近似理论（SST）等方法，计算船舶在水中移动时受到
的阻力。

这些方法可以通过求解速度、压力和湍流模型来获得阻力数据。

2. 稳定性计算：通过计算船体的形状和重心等参数，使用浮力和重力的平衡条件来评估船舶的稳定性。

这可以帮助设计师确定船舶的荷载和货物分配，并确保船舶在水中的平衡状态。

3. 推进力计算：通过计算螺旋桨或推进器的叶片和水流之间的相互作用，确定推进力和功率需求。

这可以帮助船舶操作员选择合适的推进设备和工作点，并优化船舶的能源效率。

4. 过波阻力计算：通过计算船舶在波浪中移动时所受到的阻力，评估船舶的航行性能和航速。

这可以帮助设计师优化船体的形状和船型，以减小波浪阻力和提高船舶的速度性能。

5. 动力学模拟：通过建立船舶的动力学模型，使用牛顿定律和运动方程来模拟船舶在不同操作条件下的运动轨迹。

这可以帮助船舶操作员进行航线规划和操纵决策，确保船舶的安全和航行效率。

以上仅列举了一些常见的船舶流体计算方法，实际中可能还存在其他更专业和复杂的计算方法，根据具体情况和需求选择合适的计算方法进行船舶流体计算。

船舶在风浪中航行的操纵运动数学模型

● ●
方程中的ＱＸ为作用在船舶上的力在运动坐标系的Ｘ轴上的投影．Ｑｙ为作用力在Ｙ轴上的投影．ＮＸ为力矩在Ｘ轴上的投影．ＮＺ为力矩在ｚ轴上的投影．Ｊ为船舶绕Ｘ轴的转动惯量．Ｊ为绕ＸＸＺＺｚ轴的转动惯量．ｋ船舶纵向运动牵连质量系数．ｋ为船舶横向运动牵连质量系数．ｋ为船舶绕Ｚ轴转动牵连转动惯性系数．０究其在水平面内的运动和操纵控制问题。建立船舶水平面操纵为船舶横倾角．为艏向角．为角速度。数学模型的价值在于当进行舰船总体结构和性能设计时，可通作用力和力矩的计算过操纵运动数学仿真试验，进行船舶操纵性预报：在舰船操纵Ｑ＝ｍ（１＋ｋ２Ｖｖ＋Ｘ＋Ｔ＋ＸＲ６ｘ）２Ｈ＋Ｘ＋Ｆ：控制设备（自动舵、减摇鳍等）的设计时．通过仿真试验确定操Ｑ一～ｍ（＋ｋ１Ｖ＋Ｙ —Ｙ＋Ｆ：１１）ＨＲＹ（）４Ｎ～ｍｇ一Ｊ＝ｈ０一Ｍ — Ｍ＋Ｍ＋Ｍ：ＨＲ６纵控制设备的控制规律及参数。ＮｚＭｚ — Ｍｚ＋Ｍｚ＋ＭｚＨＲＴ。船舶在风浪天气航行时．航向将出现不停的偏摆．在高海情时．舵力矩远不足以克服波浪的干扰力矩．在操舵仪自动方上式中的Ｘ、Ｙ、Ｍ、Ｍ分别表示作用在船上粘滞水动力式下会频繁操舵却不能控制航向的摆动。为了消除这种 ” 效和力矩的在运动坐标系相应坐标轴上的投影．而用Ｘ、Ｙ、无Ｍ舵 ” 目前正在研究引入诸如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、渐近Ｍ．Ｘ表示转舵和转鳍所产生的控制力和力矩在运动坐标观测滤波器等环节，但至今未能很好地解决这个问题。因此，系相应坐标轴上的投影．Ｔ表示螺旋桨的推力．Ｍ表示螺旋桨在各种滤波技术研究及仿真时，建立并采用船舶在风浪中航行力矩．Ｆ、Ｆ．Ｍ、Ｍ表示空气、波浪等外干扰力和力矩在相应的操纵运动数学模型．更具有现实意义。坐标轴上的投影。牵连质量幕薮和牵连转动惯量幕薮计算船舶水平面操纵运动基本的非线性数学模型式中牵连质量和转动惯量系数由下列公式确定：基本模型采用８阶非线性微分方程表征船舶水平面操纵运船舶在江河湖海中航行．严格地说是一个六自由度运动体，为了简化分析．常将其分解为水平面运动和垂直面运动，且不考虑两者的运动耦合关系。绝大多数船舶对垂直面内的升沉运动和纵摇运动没有控制手段．因此对排水型船舶目前只研

两船波浪中并靠补给相对运动模型试验

2）相对运动幅值并不随着波浪周期的增大而增大，但在周期为 8． 85 s 时，3 个方向的相对运动在不同浪向角下几乎都要增大得快一些，这可能是该两船并靠系统的谐振周期。
3 ）两船相对横移和相对升沉运动的幅值显 29
第5 期
船海工程
第 41 卷
然要比相对纵移的幅值响应要大，这可能与两船间的水动力干扰对横摇、横荡和升沉运动的影响较大有关。
1）浪向，0°、30°、60°、90°； 2）波浪周期，1． 20、1． 42、1． 77、2． 43、4． 24 s； 3）波高，24、36、60、92 mm。根据本试验确定的相似准则可知，原型波浪周期对应为： 6． 00、7． 10、8． 85、12． 15、21． 20 s，原型波高对应为 0． 6、0． 9、1． 5、2． 3 m。试验水深 0． 8 m，相当于原型水深 20 m。 1． 3． 2 需要测试的主要参数 1）波浪波高； 2）两船在波浪中的运动为纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇； 3）两船的相对运动。 1． 4 相对运动计算公式设定接收点在船 b 平移坐标系下的坐标为（ xb，yb，zb），在船 a 平移坐标系下的坐标为（ xa ， ya ，za ）。船 b 摇荡时，接收点在船 b 平移坐标系下的位置向量为（ ζ1b + ζ5b zb + ζ6b yb ，ζ2b + ζ6b xb － ζ4b zb ， ζ3b + ζ4b yb － ζ5b xb ）；船 a 摇荡时，接收点在船 a 平移坐标系下的位置向量为（ ζ1a + ζ5a za + ζ6a ya ，ζ2a + ζ6a xa － ζ4a za ，ζ3a + ζ4a ya － ζ5a xa ）。用 X、Y、Z 分别表示两船的相对横移、相对纵移和相对升沉，从而可得 3 个方向上的相对运动计算公式［3］。

波浪-水流相互作用模型

波浪-水流相互作用模型
波浪-水流相互作用模型是一种考虑海洋波浪和海流相互作用的数学模型。

它描述了海流对波浪传播、形成和衰减的影响，以及波浪对海流的影响。

该模型将波浪和海流视为两个相互作用的系统，并忽略其他因素（如风力）的影响。

通常情况下，该模型使用物理方程来描述波浪和流体的细节，包括流体动量方程、波浪方程和能量守恒方程。

在此基础上，可以得到流体流速及其对应的波浪高度、周期以及波浪能量的变化规律。

该模型也可以用于研究不同海域中波浪和流体的相互作用，例如海床沉降、沿岸形成浅滩以及引起沿岸地貌变化的过程。

基于STAR-CCM+的海上风电运维母船水动力性能分析

基于STAR-CCM+的海上风电运维母船水动力性能分析作者：宋志飞陈超核来源：《广东造船》2024年第03期摘要：船舶阻力直接影响船舶的快速性，船舶耐波性直接影响船舶的舒适性，因此需要对二者进行计算分析。

本文选取两艘海上风电运维母船作为研究对象，使用STAR-CCM+软件，基于重叠网格和VOF方法建立数值模型，计算船型的静水阻力和在规则波下的运动响应，与物理模型试验结果对比，对船舶的水动力性能做出预报。

将两船型的水动力性能进行对比，分析两船型的性能优劣，为运维母船的船型选择提供参考。

关键词：运维母船；CFD；重叠网格；静水阻力；耐波性；STAR-CCM+中图分类号：U661.1 文献标识码：AHydrodynamic Performance Analysis of Offshore Wind Farm Maintenance Vessel Based on STAR-CCM+SONG Zhifei， CHEN Chaohe（ South China University of Technology， Guangzhou 510641 ）Abstract： Ship resistance directly affects the speed of the ship， and ship seakeeping directly affects the comfort of the ship. Therefore， it is necessary to calculate and analyze both. This article selects two wind farm maintenance vessels as research objects， uses STAR-CCM+ software，establishes numerical models based on overlapping grids and VOF methods， calculates the hydrostatic resistance and the motion response under regular waves of the ship type， compares with the results of physical model experiments， and makes predictions on the hydrodynamic performance of the ships. Compare the hydrodynamic performance of two ship types， analyze the performance advantages and disadvantages of the two ship types， and provide reference for the selection of ship types for wind farm maintenance vessel.Key words： wind farm maintenance vessels; CFD; overlapping grid; hydrostatic resistance; seakeeping; STAR-CCM+1 引言近年來，我国海上风电产业快速发展，为保障海上风电场的正常运营，越来越多的风电运维船开始建造使用[1]。

如何利用马尔科夫链进行船舶动力学模拟

马尔科夫链是一种描述随机过程的数学工具，其在船舶动力学模拟中有着广泛的应用。

船舶动力学模拟是对船舶在不同环境条件下的运动进行预测和分析的重要手段，而马尔科夫链则可以帮助我们更好地理解和模拟船舶的运动特性。

本文将介绍如何利用马尔科夫链进行船舶动力学模拟，并探讨其在实际应用中的优势和局限性。

马尔科夫链是一种离散时间随机过程，其基本思想是当前状态只与前一状态有关，而与更早的状态无关。

在船舶动力学模拟中，我们可以将船舶在不同状态下的运动特性抽象成一个马尔科夫链。

船舶在海上航行时可能处于不同的运动状态，例如正常航行、停泊、靠港等，而这些状态之间的转移可以用马尔科夫链来描述。

通过建立船舶运动状态的马尔科夫链模型，我们可以对船舶在不同状态下的运动特性进行模拟和预测。

利用马尔科夫链进行船舶动力学模拟的关键是建立状态转移概率矩阵。

状态转移概率矩阵描述了船舶在不同状态下转移到其他状态的概率，通过对状态转移概率矩阵的建立和求解，我们可以得到船舶在不同状态下的平稳分布和转移概率。

在实际应用中，我们可以通过分析历史船舶运动数据来估计状态转移概率矩阵，从而建立起船舶的马尔科夫链模型。

船舶动力学模拟是船舶设计、航海规划和船舶运营管理等领域的重要工具。

利用马尔科夫链进行船舶动力学模拟有着许多优势。

首先，马尔科夫链模型能够很好地描述船舶在不同状态下的运动特性，包括船舶的转移概率、平稳分布等，可以为船舶设计和航海规划提供重要参考。

其次，马尔科夫链模型具有较好的数学性质，可以通过数学方法进行分析和求解，为船舶动力学模拟提供了理论基础。

此外，马尔科夫链模型还具有较好的可解释性，可以帮助人们更好地理解船舶在不同状态下的运动规律。

然而，利用马尔科夫链进行船舶动力学模拟也存在一些局限性。

首先，马尔科夫链模型假设当前状态只与前一状态有关，而与更早的状态无关，这在一定程度上限制了其对船舶运动特性的描述能力。

其次，马尔科夫链模型对状态转移概率矩阵的建立和求解需要大量的历史数据支持，而在实际应用中可能会受到数据获取的限制。

船舶在风浪中航行的操纵运动数学模型

船舶在风浪中航行的操纵运动数学模型作者：盛慧惠来源：《职业时空》2007年第05期简述建立船舶在风浪条件下操纵运动数学模型的意义，并列举操纵运动基本数学模型的形式，以及坐标系的定义。

以某双舵双桨排水型船为对象，建立船舶水平面操纵运动微分方程组，给出其中作用力和力矩、牵连质量系数和牵连转动惯量系数、流体动力和动力矩、螺旋桨推力，垂直舵控制力和力矩的计算及公式，并借鉴近年俄罗斯对波浪干扰的研究成果，得出有／无风浪干扰两种情况下的完整模型。

概述船舶在江河湖海中航行，严格地说是一个六自由度运动体，为了简化分析，常将其分解为水平面运动和垂直面运动，且不考虑两者的运动耦合关系。

绝大多数船舶对垂直面内的升沉运动和纵摇运动没有控制手段，因此对排水型船舶目前只研究其在水平面内的运动和操纵控制问题。

建立船舶水平面操纵数学模型的价值在于当进行舰船总体结构和性能设计时，可通过操纵运动数学仿真试验，进行船舶操纵性预报；在舰船操纵控制设备(自动舵、减摇鳍等)的设计时，通过仿真试验确定操纵控制设备的控制规律及参数。

船舶在风浪天气航行时，航向将出现不停的偏摆，在高海情时，舵力矩远不足以克服波浪的干扰力矩，在操舵仪自动方式下会频繁操舵却不能控制航向的摆动。

为了消除这种“无效舵”，目前正在研究引入诸如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、渐近观测滤波器等环节，但至今未能很好地解决这个问题。

因此，在各种滤波技术研究及仿真时，建立并采用船舶在风浪中航行的操纵运动数学模型，更具有现实意义。

船舶水平面操纵运动基本的非线性数学模型基本模型采用8阶非线性微分方程表征船舶水平面操纵运动，完整的基本的数学模型的方程形式如下：式中x={V，ω，Xp}为控制对象的状态矢量，V∈E2为线速度矢量，ω∈E2为角速度矢量，xp∈E4为对象的线性和角度坐标矢量，δ∈Ek为控制作用(螺旋桨推力、垂直舵和鳍舵的转角)矢量。

并认为船舶运动是在内部惯性力和力矩(Fin)，与对象实时状态有关的水动力(F hd)的力和力矩，以及外力和外力矩(F out∈E8)的作用下产生的。

船舶在波浪中的运动理论-ch2_海洋波浪理论1

or 0 z zh
在上述假设下，对波动问题相应的分析处理思想及方法称为
小振幅波理论、线性波理论、正弦波理论、Airy波理论。
LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY
15
§2.2 水波理论
——平面波
先考虑一种简单的平面驻波：仅沿x方向传播，y方向各截面内
的波动均相同,
a cos(kx t)
LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY
§2.2 水波理论
——小振幅波理论
若波动的波幅 a与波长相比为小量，即 a 1 ，并注意到未知的自由面与静水面z=0 的差别为O() ，从而微幅波的定解
问题归结为：
2 0
(p )
2 t 2
g
z
0
(z 0)
zh 0
h 2 kg
zLeabharlann x; txo
LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY
20
§2.2 水波理论
流场速度分布：
V
——平面波基本特性
(x, z;t) g a ekz sin(kx t) (x, z;t) g a ekz sin kxcost
质点运动轨迹： (x x0 )2 (z z0 )2 ( aekz0 )2
LECTURE NOTES：
船舶在波浪中的运动理论
Theory of Ship Motions in Waves
CH2. 海洋波浪理论
Ocean Wave Theory
本章内容：
2.1 海洋波浪概述 2.2 水波理论基础
定解问题、线性与非线性水波、水波运动特征
2. 3 风浪

波浪中并靠两船相对运动的短时预报_施平安

［１］
动响应滞后问题，需要对两舰船未来极短时间内的相对运动进行预报。目前有关船舶运动的极短时间预报研究主要针对的是单船，包括统计预报法、卷积法、卡尔曼滤波
２］，对两船并靠时的相对法、周期图法、艏前波法等［
பைடு நூலகம்
运动预报研究不多；主要针对的是基于频域的统计
１相对运动的定义
定义右旋平移在研究并靠两船的相对运动时，：坐标原点Ｏ位于船舶的坐标系Ｏｘｚｉ＝ａ，ｂ）ｙｉ－ｉｉｉ（重心；ｘ轴平行船体基线指向船首；ｚ轴垂直船体水线面，该坐标不随船舶的摇荡而摇荡，始终保持竖直向上。接收点位置见图１，假设其在船Ｂ平移坐标，在船Ａ平移坐标系下的系下的坐标为（ｘｚｙｂ，ｂ，ｂ）。坐标为（ｘｚｙａ，ａ，ａ）
１ＳＰＬＹＪｈｉｉｎａｎ１２，ｅｉｕ３，ｅｉａｗｅｉＨｇｊ（，；１．ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏＧｕａｎｚｈｏｕ５１０６４０，Ｃｈｉｎａｙｇｙｇ，；２．ＮａｖａｌＭａｒｉｎｅＡｃａｄｅｍＧｕａｎｚｈｏｕ５１０４３０，Ｃｈｉｎａｙｇ，
７卷第１期第３０１４年３月２
中国航海
ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮＯＦＣＨＩＮＡ
Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１Ｍａｒ．２０１４

基于AR模型的并靠两船相对运动预报研究

少，容易实现，而且已有成功的经验可以借鉴，故本文
采用基于ＡＲ模型的时间序列分析法对两船相对运动进行预报．ＡＲ模型的一般形式为：
（）＝ａｋ一１ｋＩ（）＋口ｋ一２２（）＋… ＋０（ｋ—
Ｐ）＋（）．ｋ（）４
第２期
陈俊锋等：于Ａ基Ｒ模型的并靠两船相对运动预报研究
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舶运动极短期预报时，只需要单一信息源就可以实现在线实时预报，并且在实船使用时，对设备要求相对较
３试验数据的采集和预处理
模型试验在华南理工大学港口与航道实验室中进
为（ｔ＋町。。叼。，．。６。４）一（７，ｌ５一６）一（７＋。一叼。，Ｙ，２
一
离大陆的海上，行集装箱和弹药等超重或高危物进
品的补给时，能要采用并靠补给方式．可两船海上并
行，试验时浪向角口＝０波浪周期ｔ＝１２ｓ波高。，．，
面上，ｚ轴向上；体坐标系，一ｙｚ连０。。固结于船
ｎ，ｘＹｚ０一ｂ固结于船ｂ随船固定坐标系，。一 ’ ；０ ’ 。
Ｙ ’ ’ 始位置与ｏ。。。初。一ｙｚ同，当船。摇荡相但
时，它不随船。一起摇荡， ’ ｚ ’ 义与０ ’一Ｙ ’ 定
靠补给是对两船相对运动幅值要求极高的作业，对

船舶4自由度响应型数学模型的研究的开题报告

船舶4自由度响应型数学模型的研究的开题报告一、选题背景和意义船舶在海上航行时受到海浪的作用，往往会出现一定的摇晃、颠簸等情况，这会对船舶的安全、船员的舒适度以及货物的运输造成影响。

因此，研究船舶在海上的运动特性对于提高船舶的安全性、航行稳定性以及载货能力都有着非常重要的意义。

目前，船舶的运动特性可以用数学模型来描述，其中，船舶自由度响应模型是其中一个比较重要的模型。

船舶自由度响应模型可以用于预测海浪作用下船体的振动响应，并且可以确定船舶的各项运动特性，例如艏向、横摇、横向移位和纵向沉浮等四个方向的自由度。

因此，本研究将针对船舶的四个自由度响应建立数学模型，以期为船舶在海上运行中的航行稳定性提供技术支持。

二、研究内容和研究方法本研究的主要内容是针对船舶的四个自由度响应建立数学模型，模型包括横向移位、艏向、横摇和纵向沉浮四个自由度。

研究的具体内容包括：1. 了解船舶的四个自由度运动特性，包括横向移位、艏向、横摇和纵向沉浮。

2. 研究船舶在海浪作用下的运动特性，并建立船舶在海浪作用下的振动响应模型。

3. 根据船舶的几何特性和物理特性，建立船舶四个自由度响应模型，包括横向移位模型、艏向模型、横摇模型和纵向沉浮模型。

4. 利用MATLAB等数学软件，对船舶的四个自由度响应模型进行计算和仿真，分析其运动特性和响应性能。

本研究的研究方法主要包括文献资料查阅、数学建模与分析、数值计算仿真等。

三、预期成果和研究意义本研究的预期成果主要包括以下几个方面：1. 建立船舶的四个自由度响应模型，包括横向移位模型、艏向模型、横摇模型和纵向沉浮模型。

2. 对船舶的四个自由度响应模型进行计算和仿真，分析其运动特性和响应性能。

3. 提供一种新的方法来研究船舶在海上运行的运动特性，为提高船舶的航行稳定性和减少其振动响应提供一种技术支持。

本研究的意义主要体现在以下几个方面：1. 可以为提高船舶的航行稳定性和减少其振动响应提供一种技术支持，提高船舶在海上运行的安全性和可靠性。

船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟

船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟船舶在海洋中遭遇不规则波浪时，会受到很大的冲击和力量。

波浪的面积和高度都会影响船体的运动，特别是顶浪现象会造成船体纵向运动的变化。

在长峰不规则波中顶浪的数值模拟可以帮助我们更好地理解船舶运动的特点和规律。

本文将介绍一种常用的数值模拟方法：计算流体力学（CFD）分析，在长峰不规则波中的应用。

计算流体力学（CFD）是一种数值分析方法，用于研究流体或气体的运动，可以在计算机上模拟物理问题。

在研究船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟中，CFD是一种主要的方法。

CFD分析可以帮助我们了解船舶在长峰不规则波中运动的特点和规律，以及顶浪对船体纵向运动的影响程度。

在进行这种数值模拟时，我们需要先建立一个数学模型，并在计算机上模拟长峰不规则波对船体的影响。

该模型需要考虑几何尺寸、流体（海水）的物理特性、波浪幅度、周期和方向等因素。

该模型还需要考虑船体的几何形状、质量分布、流体的黏性等因素。

在CFD分析的过程中，我们可以采用多重网格（Multigrid）技术来优化计算速度和准确度。

这种技术可以将计算区域划分成多个格子，从而加速计算速度，并提高模拟的精度。

模拟结果显示，在长峰不规则波中，船舶的纵向运动受到了顶浪的影响。

当船舶遭遇大波浪时，船体会上下颠簸，并产生很大的浪花和气泡。

当波浪面和船体表面产生接触时，会产生压力和冲击力，从而影响船体的纵向运动。

然而，这种数值模拟方法还有一些局限性。

例如，不同的数学模型可能会得到不同的结果，不同的数值方法可能会对结果产生影响。

此外，在进行数值模拟时，我们还需要考虑一些假设和约束条件，如海水的温度、盐度、湍流等因素，这些因素都可能会影响模拟结果的准确性。

因此，在进行这种数值模拟时，我们需要综合考虑多个因素，并和实际情况进行比较验证，以确保模拟结果的准确性和可靠性。

总之，长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟对于研究船舶的运动特点和规律具有重要的意义。