风浪流作用下船舶码头系泊水动力性能分析(附件)【字数：19293】
摘 要摘 要随着我国进出口量的快速增长，集装箱运输成为国际海运不可缺少的有利途径，船舶码头资源变得越来越宝贵。并且，随着码头形式的多样化，船舶所受到的自然环境越来越恶劣。为了提升船舶工作性能，水动力性能分析就显得格外重要。就目前来看，国内外大多数研究人员多采用模型试验，而利用软件进行数值仿真研究的相对较少。本文就是利用ANSYS-AQWA软件进行模拟，研究船舶的水动力性能并校核系泊缆张力和护舷反力。本论文的研究内容为以下几点:（1）码头系泊船舶水动力频域分析。首先根据所选船的型值表在ANSYS软件中建立模型，导入到AQWA形成DAT文件。然后进行水动力频域分析，得到相关的水动力参数随频率的变化规律，并且比较不同水深下水动力参数的变化情况。（2）码头系泊船舶时域耦合分析。这一部分的工作使用的是AQWA-DRIFT模块，设置不同的工况（不同风速、浪向和波高），研究在环境条件即风、浪和流的联合作用下船舶的性能，从系泊缆张力和护舷反力两个方面进行分析。（3）船舶码头系泊形式的改善。利用AQWA后处理软件，整理分析原有系泊方案下系泊缆张力的分布情况，在此基础上依次对艏艉缆和艏艉横缆进行优化。比较优化前后系泊缆张力的变化情况，得出最终的优化方案。关键词码头系泊；势流理论；AQWA；完善设计；时域耦合
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的理论意义及应用价值 1
1.2 系泊系统研究现状和发展趋势 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 本文研究内容 3
第二章 船体模型的建立 4
2.1 AQWA介绍 4
2.1.1 AQWALINE特点概述 4
2.2 模型的建立 4
2.2.1 散料运输船的主要参数 4
2.2.2 模型建立步骤简述 5
2.2.3 系泊系统模型的建立 7
第三章 基本理论 8
3.1 引言 8
3.2表面波理论 8
3.2.1表面波的基本方程和边界条件 8
3.2.2波浪理论 9
3.2.3波浪辐射和绕射理论 10
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3.2.4格林函数法 15
3.3环境载荷的计算方法 16
3.3.1波浪载荷的计算 16
3.3.2风载荷的计算方法 18
3.3.3流载荷的计算方法 18
3.4系泊缆绳张力的计算方法 19
3.5护舷反力的计算方法 20
3.6本章小结 20
第四章 船舶码头系泊水动力频域分析 21
4.1 引言 21
4.2 AQWA坐标系和环境载荷的方向 21
4.3 不同水深对船舶频域水动力性能的影响 22
4.3.1 不同水深对船舶附加质量的影响 22
4.3.2不同水深对船舶辐射阻尼的影响 25
4.3.3不同浪向角对船舶运动响应幅值算子的影响 28
4.4 本章小结 32
第五章 码头系泊船舶时域耦合分析 33
5.1 引言 33
5.2环境条件 33
5.3不同浪向对码头系泊系统的影响 35
5.3.1 浪向对码头系泊船舶系缆力的影响 35
5.3.2 浪向对码头系泊船舶护舷的影响 42
5.4波高对码头系泊系统的影响 44
5.4.1 波高对码头系泊船舶系缆力的影响 44
5.4.2 波高对码头系泊船舶护舷反力的影响 45
5.5风速对码头系泊系统的影响 46
5.5.1 风速对码头系泊船舶系缆力的影响 47
5.5.2 风速对码头系泊船舶护舷反力的影响 48
第六章 船舶码头系泊形式的优化分析 50
6.1 引言 50
6.2艏艉缆优化及分析 50
6.3 艏艉横缆优化及分析 53
6.4 本章小结 56
第七章 总结与展望 57
7.1 论文总结及结论 57
7.2 展望 57
参考文献 59
致 谢 62
第一章 绪论
1.1 课题的理论意义及应用价值
船舶是人类史上的一个重大发明，船舶运输给人类带来了很多便利。在装载、卸载以及休船期，船舶大多停靠在码头。为了抵抗风、浪和流等环境作用以确保船舶停泊时的安全，普遍采用系泊的方法限制船舶的运动。但当环境极端恶劣时，船舶的运动响应过大，造成缆绳张力超过极限值，这时就会严重威胁船舶的安全，容易发生断缆和船体相撞事故[1]。因此，计算码头停泊系缆船只的运动响应和系泊内部应力在工程上显得十分重要。本论文就是以此为背景，采用ANSYS软件建立船舶系泊的有限元模型，通过数值模拟，设置典型环境工况，对系泊缆绳张力和护舷反力进行校核，并对其进行分析并优化[2,3]。
1.2 系泊系统研究现状和发展趋势
船舶在装货、卸货和休船时大部分停靠在码头。码头环境空旷、开放，所以时刻经受着风、浪、流的联合作用[4,5]。为了限制船体的运动，一般采用系泊的方式加以限制。所以，系泊系统的作用至关重要，尤其碰到十年一遇和五十年一遇的恶劣工况时，系泊缆的布置显得更加重要[6,7]。
1.2.1 国外研究现状
对于系泊系统的研究，国外学者开始的比国内早。1960年，蛟岛等人便开始研究船舶系统[8]，得出了相关的结论。此外，为抑制偏向震荡和系泊缆拉力还可以通过增加吃水和增加单位长度系泊缆重量等方法。
米田等人研究了双系泊问题，得出了一系列结论:当风速不是很大时制荡锚才能够限制偏向震荡；当两系泊缆夹角较小时，两舷系泊缆上交互作用着的冲击载荷与单系泊情况大小差不多；但是，在左舷和右舷夹角为时，船舶基本上不产生偏向震荡；在系泊缆夹角为以上、风向偏出系泊缆线外时，随着偏角的增大，偏向震荡再次出现；在这种情况下，系泊缆所受到的拉力反而比单系泊的情况受到的拉力更大。米田等人后来又进行了试验，证明了这个结论的正确性。
频域模拟和时域模拟是常用的两种方法[9]，用于模拟波浪和结构物（船舶和码头）之间相互作用这一类问题。在现实中，系泊系统由码头、护舷和系泊缆组成，是一个非线性的系统，所以船舶的运动情况也比较复杂，运动方程不再是简单的正弦或余弦函数，像这种多个因素组合影响的问题可以通过时域耦合的方法来解决。常用的时域耦合方法有格林函数法，Isaacson和Cheung曾经用摄动开展理论和格林函数法对时域做了研究。
码头系泊问题实际上可以归结为水流和结构物之间的作用问题[10]。不同于固体与固体之间的碰撞作用，流体与固体作用时存在绕射问题。有限元法是解决绕射问题的方法之一。利用变分原理，将绕射问题转化为求函数极值问题，控制方程以及边界条件决定了这个函数。但有限元法同样存在不足[1113]：模型划分的单元数量不是无穷的，是有限制的。所以在具体操作时，将模型分为两个部分，内部和外部。内部使用有限元法而外部求助于其他方法。这里方法有以下几种：级数解法、无限元法和积分法[14,15]。
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的理论意义及应用价值 1
1.2 系泊系统研究现状和发展趋势 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 本文研究内容 3
第二章 船体模型的建立 4
2.1 AQWA介绍 4
2.1.1 AQWALINE特点概述 4
2.2 模型的建立 4
2.2.1 散料运输船的主要参数 4
2.2.2 模型建立步骤简述 5
2.2.3 系泊系统模型的建立 7
第三章 基本理论 8
3.1 引言 8
3.2表面波理论 8
3.2.1表面波的基本方程和边界条件 8
3.2.2波浪理论 9
3.2.3波浪辐射和绕射理论 10
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3.2.4格林函数法 15
3.3环境载荷的计算方法 16
3.3.1波浪载荷的计算 16
3.3.2风载荷的计算方法 18
3.3.3流载荷的计算方法 18
3.4系泊缆绳张力的计算方法 19
3.5护舷反力的计算方法 20
3.6本章小结 20
第四章 船舶码头系泊水动力频域分析 21
4.1 引言 21
4.2 AQWA坐标系和环境载荷的方向 21
4.3 不同水深对船舶频域水动力性能的影响 22
4.3.1 不同水深对船舶附加质量的影响 22
4.3.2不同水深对船舶辐射阻尼的影响 25
4.3.3不同浪向角对船舶运动响应幅值算子的影响 28
4.4 本章小结 32
第五章 码头系泊船舶时域耦合分析 33
5.1 引言 33
5.2环境条件 33
5.3不同浪向对码头系泊系统的影响 35
5.3.1 浪向对码头系泊船舶系缆力的影响 35
5.3.2 浪向对码头系泊船舶护舷的影响 42
5.4波高对码头系泊系统的影响 44
5.4.1 波高对码头系泊船舶系缆力的影响 44
5.4.2 波高对码头系泊船舶护舷反力的影响 45
5.5风速对码头系泊系统的影响 46
5.5.1 风速对码头系泊船舶系缆力的影响 47
5.5.2 风速对码头系泊船舶护舷反力的影响 48
第六章 船舶码头系泊形式的优化分析 50
6.1 引言 50
6.2艏艉缆优化及分析 50
6.3 艏艉横缆优化及分析 53
6.4 本章小结 56
第七章 总结与展望 57
7.1 论文总结及结论 57
7.2 展望 57
参考文献 59
致 谢 62
第一章 绪论
1.1 课题的理论意义及应用价值
船舶是人类史上的一个重大发明，船舶运输给人类带来了很多便利。在装载、卸载以及休船期，船舶大多停靠在码头。为了抵抗风、浪和流等环境作用以确保船舶停泊时的安全，普遍采用系泊的方法限制船舶的运动。但当环境极端恶劣时，船舶的运动响应过大，造成缆绳张力超过极限值，这时就会严重威胁船舶的安全，容易发生断缆和船体相撞事故[1]。因此，计算码头停泊系缆船只的运动响应和系泊内部应力在工程上显得十分重要。本论文就是以此为背景，采用ANSYS软件建立船舶系泊的有限元模型，通过数值模拟，设置典型环境工况，对系泊缆绳张力和护舷反力进行校核，并对其进行分析并优化[2,3]。
1.2 系泊系统研究现状和发展趋势
船舶在装货、卸货和休船时大部分停靠在码头。码头环境空旷、开放，所以时刻经受着风、浪、流的联合作用[4,5]。为了限制船体的运动，一般采用系泊的方式加以限制。所以，系泊系统的作用至关重要，尤其碰到十年一遇和五十年一遇的恶劣工况时，系泊缆的布置显得更加重要[6,7]。
1.2.1 国外研究现状
对于系泊系统的研究，国外学者开始的比国内早。1960年，蛟岛等人便开始研究船舶系统[8]，得出了相关的结论。此外，为抑制偏向震荡和系泊缆拉力还可以通过增加吃水和增加单位长度系泊缆重量等方法。
米田等人研究了双系泊问题，得出了一系列结论:当风速不是很大时制荡锚才能够限制偏向震荡；当两系泊缆夹角较小时，两舷系泊缆上交互作用着的冲击载荷与单系泊情况大小差不多；但是，在左舷和右舷夹角为时，船舶基本上不产生偏向震荡；在系泊缆夹角为以上、风向偏出系泊缆线外时，随着偏角的增大，偏向震荡再次出现；在这种情况下，系泊缆所受到的拉力反而比单系泊的情况受到的拉力更大。米田等人后来又进行了试验，证明了这个结论的正确性。
频域模拟和时域模拟是常用的两种方法[9]，用于模拟波浪和结构物（船舶和码头）之间相互作用这一类问题。在现实中，系泊系统由码头、护舷和系泊缆组成，是一个非线性的系统，所以船舶的运动情况也比较复杂，运动方程不再是简单的正弦或余弦函数，像这种多个因素组合影响的问题可以通过时域耦合的方法来解决。常用的时域耦合方法有格林函数法，Isaacson和Cheung曾经用摄动开展理论和格林函数法对时域做了研究。
码头系泊问题实际上可以归结为水流和结构物之间的作用问题[10]。不同于固体与固体之间的碰撞作用，流体与固体作用时存在绕射问题。有限元法是解决绕射问题的方法之一。利用变分原理，将绕射问题转化为求函数极值问题，控制方程以及边界条件决定了这个函数。但有限元法同样存在不足[1113]：模型划分的单元数量不是无穷的，是有限制的。所以在具体操作时，将模型分为两个部分，内部和外部。内部使用有限元法而外部求助于其他方法。这里方法有以下几种：级数解法、无限元法和积分法[14,15]。
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