风浪流载荷作用下船舶拖带数值模拟(附件)【字数：16765】
摘 要摘 要海上运输是主要的物流手段之一。近年来，随着国际经济贸易的不断发展，航运业日益繁荣，船舶在海上的拖带作业相对增多，拖带作业的地位变得越来越重要。而船舶在进行拖带过程中难免遭遇风浪等恶劣气候条件，使得拖带作业遇到很大困难。为了分析在恶劣气候条件下船舶拖带作业的运动响应，保证拖带作业的使用性和安全性，本文通过调研收集国内外有关拖带系统的文献、资料，总结分析国内外船舶拖带系统的研究现状和发展趋势，用经典ANSYS-AQWA软件建立拖船和被拖船有限元模型，确定拖带作业的工况及环境载荷，通过软件对风浪流载荷作用下的船舶拖带进行数值模拟，对不同航速下船舶拖带作业运动响应进行分析，最后对拖带过程中缆绳张力进行校核，为设计拖带方案、选择缆绳提供依据和保障。关键字拖带作业；有限元法； AQWA；运动响应；缆绳张力
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 拖带系统的研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 拖带系统发展趋势 3
1.4 研究方案 3
1.5 本章小结 4
第二章 软件简介及有限元模型的建立 5
2.1 ANSYSAQWA软件简介[2021] 5
2.1.1 AQWA模块简介[15] 5
2.2 有限元模型的建立 5
2.2.1 120.1m沿海散货船主要参数 6
2.2.2 120.1m沿海散货船有限元模型建立步骤 6
2.2.3 拖带系统有限元模型的建立 13
2.3 本章小结 15
第三章 基本理论 16
3.1 引言 16
3.2 表面波理论 16
3.2.1 表面波理论的基本方程和边界条件 16
3.2.2 简单波浪理论 17
3.2.3 辐射函数和绕射函数 18
3.2.4格林函数法 23
3.3 环境载荷的计算 24
3.3.1 波浪载荷 25
3.3.2 风载荷 26 3.3.3 流载荷 27
3.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
本章小结 27
第四章 水动力性能的计算与分析 28
4.1 附加质量 28
4.2 辐射阻尼系数 28
4.3 一阶波激力随波浪入射角的变化特性 29
4.4平均二阶漂移力随波浪入射角的变化特性 33
4.5 运动响应幅值算子随波浪入射角变化 35
4.6 本章小结 39
第五章 拖带系统运动计算结果分析 40
5.1 环境载荷 40
5.2 船舶拖带系统运动响应分析 40
5.3 船舶拖带系统缆绳张力校核 50
5.4 本章小结 52
结语 53
参考文献 54
致谢 56
第一章 绪论
1.1 研究背景
船舶拖带是水上常见的比较经济的一种作业方式，通常由拖船(轮)和被拖船(物体)组成。目前，常用的拖带方式主要包括两种：“拖”及“推”式。此外，船舶拖带还可以分为单一拖带、共同拖带、连接拖带。对于小型船舶来说，常常采用单一拖带；对于吨位较大的船舶来说，多使用共同及连接拖带。
近几年来，全球航运事业和海洋工程开发事业不断发展，使船舶拖带业务日益增多，船舶拖带作业的地位日益显示。但是，船舶在拖带作业中难免遭受到恶劣海况条件，总是会受到风、浪、流载荷的共同作用，不可避免的产生纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、艏摇六个自由度方向上的位移，因此出现了许多亟待解决的问题。为了使水上运输顺利进行，拖带作业的安全性和可靠性至关重要。本文在这种背景下，利用ANSYS软件建立船舶拖带系统的有限元模型，利用AWQA软件对典型工况下的船舶拖带系统进行数值模拟，对拖带过程中的被拖船的运动响应进行分析，并对缆绳的张力进行校核。
1.2 拖带系统的研究现状
在六十年代开始，海洋拖带作业受到重视,国内外众多学者对船舶拖带运动响应做了大量深入的的研究分析。
1.2.1 国外研究现状
1968年，阿尼西莫娃给出一组非线性水动力系列化船模实验结果。
Strandhangen[1]以线性理论为基础，对拖带作业进行研究。他发现可以通过改变缆绳长度和拖缆孔的位置使得拖带船舶保持航向稳定性。Inoue[2]同样以线性理论为基础，研究多条被拖船的航向稳定性问题。Inoue首先假定缆绳处于平衡状态时为对称的悬链状，利用缆绳扰动方程式推导得到运动的方程，然后根据RouthHurwitz方程对缆绳进行判别，最终总结出缆绳弹性和质量对拖带作业过程中船舶航向稳定性的作用规律。
Charters[3]以传统线性不变理论研究了拖带作业，选择四种不同的、具有代表性的被拖船作为研究对象，研究了浅水对被拖船稳定性的影响，最后定义了稳定性参数的概念。
Bernitsas[4] 在考虑了缆绳弹性作用的条件下，分析了被拖船舶非线性情况下的稳定性问题。
Tao Jiang[5]同样以非线性理论为基础，采用PID自动控制舵，分析了拖带作业中影响其稳定性的因素。
Wulder[6] 主要研究港内拖船与被拖船相互作用的问题。他选取三种有代表性的大型船舶船做为被拖船舶，利用拖轮进行拖带作业，最后求出拖轮与被拖船相互作用力，分析了影响拖船与被拖船的协调性的因素 。
Yukawa[7] 选择一艘倾覆了的船舶作为被拖船，利用经验公式计算了拖带作业过程中缆绳张力的变化情况，又利用拖缆水平内夹角经验公式，通过计算结果总结出被拖船的运动情况。通过系列模型实验，验证了其结论的正确性。
上世纪八十年代起，就有学者利用MMG[8]模型来对船舶的各种运动进行仿真。日本学者小濑邦治利用该模型模拟了Z型拖船的全回转运动，通过试验及计算，分析总结了影响Z型拖船推力、流体力以及拖船和被拖船之间的作用力的因素。贵岛胜郎通过仿真试验，着重研究了水深、缆绳长度、以及水流对拖带过程中船舶稳定性的影响，并分析了这三种因素对稳定性的影响程度，得出了水深对稳定性的影响大于缆绳长度的影响的结论。同时，他通过研究发现，逆流会对拖带作业产生明显的偏离作用。贵岛与古川在受限水域中对拖带过程中拖缆孔位置和缆绳长度进行了研究。贵岛和田着重研究了风对拖带过程中稳定性的影响，通过改变风向和风力，对拖带过程中的稳定性进行比较分析，最后给出了稳定性区域。贵岛和岸本采用损伤船作为被拖船通过模型仿真实验，限制被拖船的运动，分析了影响拖带稳定性的因素。Varyani同样以损伤船作为被拖船，通过系列仿真实验，研究了拖轮助操情况下风对拖带系统的稳定的影响，最后给出了稳定性区域。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 拖带系统的研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 拖带系统发展趋势 3
1.4 研究方案 3
1.5 本章小结 4
第二章 软件简介及有限元模型的建立 5
2.1 ANSYSAQWA软件简介[2021] 5
2.1.1 AQWA模块简介[15] 5
2.2 有限元模型的建立 5
2.2.1 120.1m沿海散货船主要参数 6
2.2.2 120.1m沿海散货船有限元模型建立步骤 6
2.2.3 拖带系统有限元模型的建立 13
2.3 本章小结 15
第三章 基本理论 16
3.1 引言 16
3.2 表面波理论 16
3.2.1 表面波理论的基本方程和边界条件 16
3.2.2 简单波浪理论 17
3.2.3 辐射函数和绕射函数 18
3.2.4格林函数法 23
3.3 环境载荷的计算 24
3.3.1 波浪载荷 25
3.3.2 风载荷 26 3.3.3 流载荷 27
3.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
本章小结 27
第四章 水动力性能的计算与分析 28
4.1 附加质量 28
4.2 辐射阻尼系数 28
4.3 一阶波激力随波浪入射角的变化特性 29
4.4平均二阶漂移力随波浪入射角的变化特性 33
4.5 运动响应幅值算子随波浪入射角变化 35
4.6 本章小结 39
第五章 拖带系统运动计算结果分析 40
5.1 环境载荷 40
5.2 船舶拖带系统运动响应分析 40
5.3 船舶拖带系统缆绳张力校核 50
5.4 本章小结 52
结语 53
参考文献 54
致谢 56
第一章 绪论
1.1 研究背景
船舶拖带是水上常见的比较经济的一种作业方式，通常由拖船(轮)和被拖船(物体)组成。目前，常用的拖带方式主要包括两种：“拖”及“推”式。此外，船舶拖带还可以分为单一拖带、共同拖带、连接拖带。对于小型船舶来说，常常采用单一拖带；对于吨位较大的船舶来说，多使用共同及连接拖带。
近几年来，全球航运事业和海洋工程开发事业不断发展，使船舶拖带业务日益增多，船舶拖带作业的地位日益显示。但是，船舶在拖带作业中难免遭受到恶劣海况条件，总是会受到风、浪、流载荷的共同作用，不可避免的产生纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、艏摇六个自由度方向上的位移，因此出现了许多亟待解决的问题。为了使水上运输顺利进行，拖带作业的安全性和可靠性至关重要。本文在这种背景下，利用ANSYS软件建立船舶拖带系统的有限元模型，利用AWQA软件对典型工况下的船舶拖带系统进行数值模拟，对拖带过程中的被拖船的运动响应进行分析，并对缆绳的张力进行校核。
1.2 拖带系统的研究现状
在六十年代开始，海洋拖带作业受到重视,国内外众多学者对船舶拖带运动响应做了大量深入的的研究分析。
1.2.1 国外研究现状
1968年，阿尼西莫娃给出一组非线性水动力系列化船模实验结果。
Strandhangen[1]以线性理论为基础，对拖带作业进行研究。他发现可以通过改变缆绳长度和拖缆孔的位置使得拖带船舶保持航向稳定性。Inoue[2]同样以线性理论为基础，研究多条被拖船的航向稳定性问题。Inoue首先假定缆绳处于平衡状态时为对称的悬链状，利用缆绳扰动方程式推导得到运动的方程，然后根据RouthHurwitz方程对缆绳进行判别，最终总结出缆绳弹性和质量对拖带作业过程中船舶航向稳定性的作用规律。
Charters[3]以传统线性不变理论研究了拖带作业，选择四种不同的、具有代表性的被拖船作为研究对象，研究了浅水对被拖船稳定性的影响，最后定义了稳定性参数的概念。
Bernitsas[4] 在考虑了缆绳弹性作用的条件下，分析了被拖船舶非线性情况下的稳定性问题。
Tao Jiang[5]同样以非线性理论为基础，采用PID自动控制舵，分析了拖带作业中影响其稳定性的因素。
Wulder[6] 主要研究港内拖船与被拖船相互作用的问题。他选取三种有代表性的大型船舶船做为被拖船舶，利用拖轮进行拖带作业，最后求出拖轮与被拖船相互作用力，分析了影响拖船与被拖船的协调性的因素 。
Yukawa[7] 选择一艘倾覆了的船舶作为被拖船，利用经验公式计算了拖带作业过程中缆绳张力的变化情况，又利用拖缆水平内夹角经验公式，通过计算结果总结出被拖船的运动情况。通过系列模型实验，验证了其结论的正确性。
上世纪八十年代起，就有学者利用MMG[8]模型来对船舶的各种运动进行仿真。日本学者小濑邦治利用该模型模拟了Z型拖船的全回转运动，通过试验及计算，分析总结了影响Z型拖船推力、流体力以及拖船和被拖船之间的作用力的因素。贵岛胜郎通过仿真试验，着重研究了水深、缆绳长度、以及水流对拖带过程中船舶稳定性的影响，并分析了这三种因素对稳定性的影响程度，得出了水深对稳定性的影响大于缆绳长度的影响的结论。同时，他通过研究发现，逆流会对拖带作业产生明显的偏离作用。贵岛与古川在受限水域中对拖带过程中拖缆孔位置和缆绳长度进行了研究。贵岛和田着重研究了风对拖带过程中稳定性的影响，通过改变风向和风力，对拖带过程中的稳定性进行比较分析，最后给出了稳定性区域。贵岛和岸本采用损伤船作为被拖船通过模型仿真实验，限制被拖船的运动，分析了影响拖带稳定性的因素。Varyani同样以损伤船作为被拖船，通过系列仿真实验，研究了拖轮助操情况下风对拖带系统的稳定的影响，最后给出了稳定性区域。
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