船舶在波浪中运动响应的预报方法技术

本发明专利技术提供的一种船舶在波浪中运动响应的预报方法，采用九节点二次曲面单元进行离散可以更准确的描述船舶表面，且可以克服传统的平面常值单元离散方法所存在的单元间变量不连续、难以获得精确的物面导数以及离散量大、计算效率低等缺陷；采用高阶混合边界元进行速度势求解，兼具了自由面格林函数法自动满足辐射条件和Rankine源法计算稳定并能处理各种形式自由面条件的优势；在辐射势和绕射势求解时，在自由面和物面条件中考虑了船舶定常扰动势对其的耦合影响，提高了船舶所受到的水动力和运动响应的计算精度。和运动响应的计算精度。和运动响应的计算精度。

【技术实现步骤摘要】
船舶在波浪中运动响应的预报方法


[0001]本专利技术涉及船舶
，尤其涉及一种船舶在波浪中运动响应的预报方法。

技术介绍

[0002]船舶在波浪中航行时运动性能的预报研究是船舶与海洋工程领域中一个经典而又重要的课题。不同于静水，在波浪的激励下，船舶除了以某一平均速度前进外，还会产生各种摇荡运动。摇荡运动的剧烈程度往往直接关系到船舶的适居性能、航行性能甚至是安全性能，寻求合理而实用的方法对其进行准确预报，对保证船舶设计合理、航行安全可靠具有重要意义。
[0003]根据所采用的格林函数的不同，传统预报船舶运动的三维数值方法可以分为Rankine源法和自由面格林函数法。Rankine源法选取简单格林函数1/r为核函数构建边界积分方程来实现对以势流问题的求解，该方法的优点在于格林函数计算简单，可处理复杂边界条件，但是它需要对无限大的自由面进行截断处理，会造成截断误差和辐射条件难满足，且在大范围自由面上布源，会增加未知量的数目，引起数值耗散、不稳定等；相比Rankine源法，由于自由面格林函数法自动满足自由面和辐射条件，因而只需沿船体湿表面布源，无需在自由面上布源，离散量小，但是对于有航速问题，该方法对应的格林函数在自由面附近表现出强烈的振荡特性并且计算极其耗时，这使得在运动响应计算中的稳定性和效率难以保证。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种船舶在波浪中运动响应的预报方法，以解决现有的船舶在波浪中运动响应的预报方法数值耗散、计算效率低、不稳定等问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种船舶在波浪中运动响应的预报方法，包括：
[0006]建立船舶的三维几何模型并离散为九节点二次曲面网格；
[0007]提取船舶水线节点信息，并生成扣除船舶水线面的自由面以及控制面；
[0008]基于目标航速和目标海况，计算出船舶受到的入射波浪力；
[0009]利用高阶混合边界元求解出船舶在波浪中航行时流场的速度势；
[0010]基于所述速度势计算出附件质量、阻尼系数和波浪绕射力；
[0011]基于所述附件质量、阻尼系数、波浪绕射力及所述入射波浪力得到不同浪向下船舶六自由度摇荡运动响应。
[0012]可选的，利用如下公式计算船舶受到的入射波浪力：
[0013][0014]其中，ρ为水的密度，g为重力加速度，e为自然常数，A为波幅，k为波数，β为浪向角，ω
e
为遭遇频率，且ω
e
＝ω0‑
kUcosβ，ω0为波浪的自然频率，U为目标航速，F
iF
‑
K
为所述入射波浪力(又称Froude
‑
Krylov力)，f
iF
‑
K
为所述入射波浪力的复数幅值，
为广义法向量，N
B
为船体表面的九节点面元数，为位置矢量，其中x为船舶前进的方向，z为垂直于水面向上的方向，y为垂直于x和z的右手坐标系中的方向，i＝1,2,3...,6分别表示沿着x,y,z方向和绕着x,y,z轴的转动方向，n1,n2,n3分别为船舶表面的法向量沿着x,y,z轴的分量，N
k
(s，t)为形函数，且：
[0015][0016]其中，s和t分别为参数空间的s和t坐标，它们的取值范围均在
‑
1到1之间，s
k
和t
k
分别为第k个节点的s和t坐标。
[0017]可选的，利用如下公式计算船舶在波浪中航行时流场的速度势：
[0018][0019]其中，Φ(x,y,z,t)为所述速度势，Φ
S
(x,y,z)为定常扰动势，φ0为入射势的空间部分，φ7为绕射势的空间部分，φ
j
为规范化辐射势，即船舶在j方向以单位速度摇荡时引起的速度势，j＝1,2,...,6分别对应纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇，X
j
为j方向船舶摇荡运动的复数幅值；
[0020]其中，φ
j
满足如下约束条件：
[0021][0022]其中：
[0023][0024][0025][0026]其中，为控制面内侧的φ
j
，为控制面外侧的φ
j
，为水平面上的梯度算子，n＝(n1,n2,n3)为船舶表面上的法向量，为广义法向量。
[0027]可选的，在每个单元网格节点上分布源强为σ的点源，利用如下公式计算出各单元网格节点上的任意场点处的源强σ(p
i
)：
[0028][0029]其中，p
i
和q
k
分别为场点和源点，它们的坐标分别为(x
i
,y
i
,z
i
)和(ξ
k
,η
k
,ζ
k
)，G
R
＝1/r(p
i
,q
k
)，G
R1
＝1/r1(p
i
,q
k
)，)，
[0030]利用每个源强σ(p
i
)及如下公式计算出任意p
i
处的定常扰动势Φ
S
(p
i
)：
[0031][0032]可选的，根据如下公式计算出Φ
S
(p
i
)的一阶梯度：
[0033][0034]令Φ
S
的一阶偏导数和在q
k
点处对应源强分别为和根据如下公式计算出和
[0035][0036]根据如下公式计算出Φ
S
(p
i
)的二阶梯度：
[0037][0038]根据Φ
S
的一阶梯度和二阶梯度计算出m
j
，其中，m
j
包括m1，m2，m3…
m6。
[0039]可选的，根据m
j
及Φ
S
及φ
j
的约束条件利用如下混合积分方程组求解φ
j
：
[0040][0041]其中，N
C
和N
F
分别为控制面和自由面上的面元数，C(p
i
)为p
i
点处的固角系数，φ
j
(p
i
)和φ
j
(q
e
)分别为p
i
和q
e
点处的φ
j
，ΔS
e
表示第e个积分源单元。
[0042]可选的，根据如下公式计算出附件质量、阻尼系数和波浪绕射力：
[0043][0044][0045]其中，μ
ij
和λ
ij
分别为附加质量和阻尼系数；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶在波浪中运动响应的预报方法，其特征在于，包括：建立船舶的三维几何模型并离散为九节点二次曲面网格；提取船舶水线节点信息，并生成扣除船舶水线面的自由面以及控制面；基于目标航速和目标海况，计算出船舶受到的入射波浪力；利用高阶混合边界元求解出船舶在波浪中航行时流场的速度势；基于所述速度势计算出附件质量、阻尼系数和波浪绕射力；基于所述附件质量、阻尼系数、波浪绕射力及所述入射波浪力得到不同浪向下船舶六自由度摇荡运动响应。2.如权利要求1所述的船舶在波浪中运动响应的预报方法，其特征在于，利用如下公式计算船舶受到的入射波浪力：其中，ρ为水的密度，g为重力加速度，e为自然常数，A为波幅，k为波数，β为浪向角，ω
e
为遭遇频率，且ω
e
＝ω0‑
kUcosβ，ω0为波浪的自然频率，U为目标航速，F
iF
‑
K
为所述入射波浪力(又称Froude
‑
Krylov力)，f
iF
‑
K
为所述入射波浪力的复数幅值，为广义法向量，N
B
为船体表面的九节点面元数，r＝(x，y，z)为位置矢量，其中x为船舶前进的方向，z为垂直于水面向上的方向，y为垂直于x和z的右手坐标系中的方向，i＝1,2,3...,6分别表示沿着x,y,z方向和绕着x,y,z轴的转动方向，n1,n2,n3分别为船舶表面的法向量沿着x,y,z轴的分量，N
k
(s，t)为形函数，且：其中，s和t分别为参数空间的s和t坐标，它们的取值范围均在
‑
1到1之间，s
k
和t
k
分别为第k个节点的s和t坐标。3.如权利要求2所述的船舶在波浪中运动响应的预报方法，其特征在于，利用如下公式计算船舶在波浪中航行时流场的速度势：其中，Φ(x,y,z,t)为所述速度势，Φ
S
(x,y,z)为定常扰动势，φ0为入射势的空间部分，φ7为绕射势的空间部分，φ
j
为规范化辐射势，即船舶在j方向以单位速度摇荡时引起的速度势，j＝1,2,...,6分别对应纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇，X
j
为j方向船舶摇荡运动的复数幅值；其中，φ
j
满足如下约束条件：
其中：其中：其中：其中，为控制面内侧的φ
j
，为控制面外侧的φ
j
，为水平面上的梯度算子，n＝(n1,n2,n3)为船舶表面上的法向量，为广义法向量。4.如权利要求3所述的船舶在波浪中运动响应的预报方法，其特征在于，在每个单元网格节点上分布源强为σ的点源，利用如下公式计算出各单元网格节点上的任意场点处的源强σ(p
i
)：其中，p
i
和q
k
分别为场点和源点，它们的坐标分别为(x
i
,y...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨云涛，方海峰，薛梁，龚婵媛，顾志豪，胡逸飞，朱倚剑，
申请(专利权)人：张家港江苏科技大学产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：