1、 1 本科毕业论文 （ 20 届） 渔船水上运动特性研究 所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录 - 2 - 目录 一 绪论 . 6 1.1 前言 . 6 1.2 概论 . 6 1.3 sesam 软件的简介说明 . 7 1.4 课题研究背景、内容 . 8 1.4.1 研究背景 . 8 1.4.2 研究内容 . 8 1.5 本课题的主要研究内容 . 10 二 波浪理论 . 11 2.1 概论 . 11 2.2 基本方程及边界条件 . 11 2.3 线形波浪理论 . 13 2.4 斯托克斯波理论 . 14 2.4.1 斯托克斯三阶
2、波 . 16 2.4.2 斯托克斯五阶波 . 18 2.5 随机波浪理论 . 20 2.5.1 随机波浪波面高度的分布特性 . 21 2.5.2 随机波浪的谱特性 . 21 2.6 船舶在波浪上的运动理论基础 . 24 2.7 波浪载荷的研究综述 . 26 2.8 波浪的长期预报 . 28 本科毕业论文 目录 - 3 - 三 船模参数计算 . 30 3.1 参考资料 . 30 3.1.1 主尺度及主要参数 . 30 3.1.2 装载工况 . 30 3.1.3 波浪散布图的选取 . 30 3.2 波浪诱导载荷参数 . 31 四 全船有限元模型的建立 . 33 4.1 船体外表面模型（ Panel
3、 Model） . 33 4.2 质量模型 . 35 4.3 水动力分 析计算 . 35 4 4本章小结 . 40 五 数据分析结果 . 41 5.1 六个自由度刚体运动情况 . 41 5.1.1 在有外龙骨下的六个自由度的运动情况 . 41 5.1.2 在无外龙骨下的六个自由度运动的情况 . 43 5.1.3 有无外龙骨的比较 . 46 总 结 . 50 附 录 . 51 参考文献 . 58 本科毕业论文 摘要 - 4 - 摘要 波浪载荷是船舶结构设计中要考虑的最重要的载荷之一，它的正确计算是优 化船舶结构设计，合理评估船舶强度的重要前提。 本文以三维势流理论为依据计算 8 米宽鱿钓渔船的操
4、纵与摇摆的性能。以渔船外龙骨为变量进行 panel 模型的建模和分析计算的比较，并使用挪威船级社 SESAM 软件 HYDRO 程序结合工作海域的波浪散布图，使用 POSTRESP 程序输出不同装载工况下的不同波浪入射角时的有无外龙骨对整船操纵与摇摆的性能的影响。 关键词 8 米宽鱿钓渔船 ；波浪诱导载荷；外龙骨 本科毕业论文 摘要 - 5 - Water performance study of fishing boats 【 Abstract】 Wave loading is one of the most important factor which should been consid
5、ered in the structural design.The correct calculation is the most important prerequisite to optimize the structure design and reasonable evaluation of ship strength. Based on the theory of 3d potential flow calculate, study the 8 meters wide squid fishing vessels manipulation and swaying performance
6、. Compare the analysis of fishing boats for variable outside keel panel modeling, and use Norway SESAM software classification management program of work sea waves spread diagram to output the different loading conditions of different wave attack Angle about the whole ship without external keel sway
7、ing manipulation and properties by POSTRESP program. 【 Keyword】 8 meters wide squid fishing boats; Wave load; Outside keel 本科毕业论文 正文 - 6 - 一 绪论 1.1 前言 船舶运动与波浪载荷的准确预报是进行合理的船舶结构设计的基础。在给定了船舶型值的前提下，只有确定了波浪载荷，并结合船舶实际运营时的内部载荷，才能设计出满足一定的结构强度而又经济实用的船体。所以船舶结构生产设计水平的进步与波浪载荷理论的不断发展与完善是密不可分的。船舶在海上经历六个自由度的刚体运动 :
8、纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇和首摇。在这些运动过程中，船舶波浪载荷将以垂向、横向的剪 力 (弯矩 )以及扭矩的形式作用于船体。在船舶的结构分析中，最初的步骤是确定船体的静水和波浪诱导载荷。船体将在其运营期中承受这两种载荷的极端情况，这将导致船体可能的疲劳及破损，这正是我们所关心的问题。 船舶的设计载荷被定义为船舶运营期间一定概率水平下的载荷。为了得到这些设计载荷，波浪环境被离散为各种固定的海况。船舶的统计特性，如船速、浪向角以及波浪干扰力等在各种固定的海况下是常量。通常，保持上述统计值，将船舶置于一定海况的海水中数小时可以得到相应的设计载荷，这被称为短期统计。船舶在其运营期将要遭遇的波浪环境可
9、以由短期值整合而成。以极值表示的结果表现为响应峰值的分布。对于疲劳问题，此结果将表现为基于船舶遭受的载荷周期数目，以及相关的应力幅值的累积损伤。对于频域方法，载荷的预报涉及响应幅度算子的确定。给定波浪频谱，根据响应幅度算子可以确定船体的运动响应。 船体在海浪中六个自由度的运动均是相对于其在随船平动坐标系中的静平衡位置而言的。在一般情况下，处于静平衡位置的船体的外形及重量分布均关于船体的中纵剖面左右对称。船舶运动及波浪载荷的理论及计算程序也利用了这一对称关系作了合理的简化处理，一般水动力及波浪载荷的计算均先以中 纵剖面一侧的船体为研究对象，然后利用对称关系得到全船量；利用这一对称性，还可以将船体
10、的运动分为纵向 (纵荡、垂荡和纵摇 )与横向 (横荡、横摇和首摇 )两组互不祸合的运动来分别讨论。 1.2 概论 船舶工业是集一个国家诸多基础工业于一体、技术和劳动密集型的产业。一个国家的船舶工业发展程度体现了该国的基础工业水平。我国幅员辽阔，江河湖泊众多，海岸线漫长，本科毕业论文 正文 - 7 - 拥有极其丰富的水运资源，这为发展我国船舶工业提供了有利条件。 渔船在海上的安全与舒适性越来越被重视。研究了小型远洋渔船外龙骨的结构形式，结合特定航行区域的波浪散布图， 采用三维势流理论对有外龙骨的渔船进行船体运动响应计算，并与无外龙骨时的船体运动响应进行比较，为外龙骨的设计与应用提供合理的依据 .
11、 结合特定航行区域波浪散布图，采用三维势流理论在频域内对渔船 进行随机波浪 载荷长期预报，并与相应规范计算值进行比较，为合理选取波浪诱导载荷提供依据。 目前，结构可靠性分析方法已经发展成熟，许多学者采用可靠性方法开展船体梁极限强度计算、疲劳强度计算方面的研究工作。结构强度计算方面，随着计算机软件、硬件能力的不断发展，舱段有限元分析、整船有限元分析方法逐渐替代了梁理论。 结构强度计算方法 的不断进展对外载荷计算提出了更高的要求。当采用梁理论评估船体强度时，船体横剖面上的剪力和弯矩是结构强度校核的主要载荷，水动压力仅在局部结构的疲劳和极限强度设计中使用，而在船体结构直接设计计算中，整船有限元分析使
12、水动压力成为与船舶运动、剪力、弯矩同等重要的设计参数。因此，在作用于船舶上的所有基本载荷中，船体表面波动压力和波浪诱导的剖面剪力弯矩是在强度计算中要考虑的最重要的外载荷。基于此，寻求合理而实用的船舶运动、波浪载荷和水动压力预报方法对船舶工程的发展具有重要意义。本文拟在这方面做一些工作。 1.3 sesam软件的简介说明 SESAM 是挪威船级社（ DNV）针对海洋平台、船舶等海上结构物开发的一个大型有限元程序系统。它具有强大的前后处理能力，能直接计算海洋波浪载荷，其有限元模块的单元类型丰富，可以对各种结构进行分析处理。该系统主要包括建立有限元模型的前处理器、流体静力与动力分析程序及显示计算结果
13、的后处理器等四个部分。其中 GENIE 模块用于建模，Hydrod 模块主要进行水动力计算 ,它是基于三维频率的船舶运动和波浪载荷预报模块，解决零航速浮体（海洋工程结构物）的预报，它可以对各种船型、船速进行计算和预报，其外载荷 可以转换为有限元进行结构分析。 其主要特点是：高效率的交互式图形前处理器简化了有限元模型建立，节省了大量人工准备数据的时间；计算船舶波浪载荷程序可计算船舶在波浪中运动产生的各种外力载荷， 并可直接传递到结构有限元模型上；结构分析程序可解决各种结构在个种类型载荷下的应力问题，应用多层次超单元技术求解；交互式和图形后处理不仅可提供灵活的多方面图形以显示计算结果，而且提供了用
14、语作最终评估的程序。该系统在不同程序模块之间的数据自动传本科毕业论文 正文 - 8 - 递是通过界面文件实现，使数据传递非常灵活而有效。 在建立整船有限元分析时，由于 SESAM 系统是应用超单元子结构法，因此在划分结构分段时除了根据船体结构自身特点外，还应充分考虑各级子结构能更方便地划分与装配，以节省人工的数据准备及解题的机时消耗。为了使船体各部分结构得到较好的模拟，有限元类型的选取应根据不同结构的受力特性分别选取不同的有限元类型。由于整船结构有限元模型需模拟的船体结构非常多，必须把结构模拟简化，不可能把所有的构件的细节都进行模拟，有些结构细节对船体整体强度，尤其对船体舯部影响不大时，就应该
15、做必要的简化，以节省人工数据准确及计算机计时。 1.4 课题研究背景、内容 1.4.1 研究 背景 小型远洋渔船的稳性安全，是渔船设计中首先必须考虑的一个重要问题。设计人员通常在渔船鱼舱底部设置固体或液体压载来降低渔船空船的重心高度，以达到渔船稳性安全的目的。一艘长约 50 米、两层上层建筑的小型远洋渔船，若要达到稳性安全，需在鱼舱底部必须压载比重为 1.90t/m的混凝土重达 45 吨以上，若压载淡水则重量需要更多，这不仅浪费了渔船的舱容，而且压载效果也不一定最佳。通过在小型远洋渔船上设置箱形外龙骨，并在其内设置生铁块作为压载，这样既可有效地降低渔船的空船重心高度，保证渔船稳性的安全，又可减
16、少渔船在大风浪 中的横摇摆幅，改善渔民的生产作业条件，还能省出本该由压载物占用的舱容，以装载更多的燃油或淡水，有效的提高渔船的经济性能。 采用线性随机波浪理论：线性随机波浪理论假定波浪是有多个波系叠加而相互不引起干扰；即在一般情况下，波浪视为无限多个频率不等、方向不同、振幅变化而相互杂乱的微幅简谐波叠加而成的不规则波系 .频域三维汇源理论：船舶在规则波中运动的流体动力问题的关键是求解流场中的速度势，包括入射波的贡献、物体存在和运动对流场扰动的贡献以及相互之间的耦合作用。 (1）多普勒效应（ 2）流场速度势分解（ 3）船舶运动方程。 随着计算机软硬件技术的发展，全船有限元分析技术使船体总强度分析
17、有了革命性的突破。全船有限元分析法将全船各主要构件按其受力状况分别以膜、壳、梁、析条等单元来表达，可以较真实地表达出全船结构的刚度特性，通过有限元分析求解，可以求出各主要构件的实际变形与应力。采用全船有限元分析法和波浪载荷的直接计算可以进一步提高计算结果的可信度。 1.4.2 研究内容 本科毕业论文 正文 - 9 - 在渔船上外龙骨的横剖面形式主要选用矩形或方形的铸造件或钢板焊接件（内设生铁块）板焊接件（内浇混凝土）三种。纵剖面形式主要选用等高式，有些拖网渔船因需要设置较大直 径的螺旋桨，往往把外龙骨的纵剖面做成梯形或楔形状，即在船艉处的外龙骨高度大于船艏处，以增加渔船艉部的吃水深度，达到增加
18、螺旋桨直径的目的。外龙骨的参数主要分为长度 L，宽度 B 和高度 H，在渔船上外龙骨的长度 L 设计应 尽可能地贯通全船，高度 H 一般取为 0.1 D（ D 为渔船型深），宽度 B 一般取 0.9 H。 渔船外龙骨的形式以选用铸造式横剖面方、矩形或焊接式横剖面方、矩形为好。铸造式外龙骨在一艘长约 50 m 的渔船上，至少会有一个端接头，端接头设计结构形式必须合理，焊接工艺必须规范。焊接式外 龙骨在每道肋位处其内必须 设有横向加强板，且与外龙骨左、右、底板须三面连续焊。外龙骨内若设置生铁块，生铁块的形状必须规则，排列缝隙宜小；若设置铁砂，选用的铁砂粒直径宜小为好，以增加铁砂比重；若设置混凝土，
19、为方便维修，混凝土中的水泥比例不宜过大。在设置上述压载物时，压载物的上表面与船底 K 行板间须留有 35 mm 的空隙，以保证船底 K 行板与外龙骨侧板间的焊接质量 。 本文主要运用了挪威船级社 (DNV)的 SESAM (Super Elemernt Structure Analysis Modules)软件系统对 8m 宽鱿钓渔船整船建立有限元模型 ，以外龙骨为变量，对其进行了波浪统计预报，确定设计波，计算船体应力分布。 主要内容有： (1)整理 8m 宽鱿钓渔船的图纸和资料，分析其结构特点，利用 SESAM 的子模块 GENIE建立全船模型，包括几何模型、有限元模型、流体动力计算模型和质
20、量模型，然后将全船模型导入 SESAM 软件系统中。 (2)利用挪威船级社 (DNV)的 SESAM 软件系统的波浪载荷分析与响应计算子模块 WADAM，计算全船在一系列规则波上的流体动力载荷，包括动压力在湿表面上的分布及其六个自由度的运动特性，形成载荷传递函数。 (3)根据规范和指导性文 件，利用上面得出的传递函数，以及挪威船级社 (DNV)的 SESAM软件系统的进行计算结果统计处理的交互式图形后处理器 POSTRESP,对计算结果进行统计处理和预报。通过长期预报，确定设计波。 (4)对于每一设计波，利用挪威船级社 (DNV)的 SESAM 软件系统的用于线性静力和动力结构分析的子模块 S
21、ESTRA 对全船结构进行计算求解。 (5)利用挪威船级社 (DNV)的 SESAM软件系统的数据转换处理器 PREPOST和有限元分析图形处理器，对其结果以图形方式显示出来，分析全船或局部有限元模型及其运动分布状况。 本科毕业论文 正文 - 10 - 1.5 本课题的主要研究内容 在实际海况中，船舶运动受到诸多因素的影响，严重的摇荡运动不仅会影响船舶的运 营效率，甚至会造成结构毁损或倾覆失事。研究船舶在波浪中的摇荡运动机理，主要是为设计耐波性能良好的船舶提供可靠的依据。在船舶耐波性的适居性、实际使用性、生命力的三个主要评价指标中，如下指标是设计者必须考虑和关心的：六个自由度的运动速度平均值或
22、特征值、加速度特征值、运动速度和加速度的极值、甲板淹湿、砰击和砰击负荷、波浪诱导振动、船体相当梁弯矩、船体挠度、局部波浪负荷、所需功率的增加、螺旋桨空转和尾轴负荷、航向稳定性 ，上述指标的影响因素非常广泛，其中每一项都有其专门的技术和理论，但有一点是肯定的，确定这些因素的临界状态必须研究船舶与海浪的相互影响，也就是说，必须对船舶在波浪上的运动状态进行研究。因此，准确地对船舶运动进行研究、预报，为保证船舶安全性和运营经济性具有十分重要的意义。 和船舶运动研究息息相关的一个研究领域是船舶在波浪中的载荷研究，船舶在波浪上的运动理论是研究波浪载荷的理论基础之一。进行船舶结构分析时，首先要确定作用在船体
23、上的载荷，而结构分析的精度又很大程度地取决于波浪载荷计算。因此，波浪载荷问题是船舶结构研 究中非常重要的一个问题。 对船舶设计者来说，提供一种合理的、接近实际情况的预报工具是非常必要的。在船舶运动和载荷预报领域，虽然基于频域和概率的线性切片理论已经取得了巨大成功，但是仍有许多实际的耐波性和结构载荷问题在线性理论下得不到合理的解决，甲板上浪、外飘冲击力、首尾砰击等问题便是明显的例子。由于忽略了非线性载荷，在某些种类船型的载荷计算中，预报值和实际值之间有很大的差距；船舶大幅度运动时，如果忽略非线性恢复力矩和粘性阻尼，预测运动的幅值也将不准确。 本文根据船舶在波浪上的运动理论，运用 SESAM 计算了船体 在波浪中的线性运动响应，主要包括以下内容： （ 1）计算 8 米宽鱿钓渔船在不同波浪入射角状态下的六个自由度上运动的频率响应曲线； （ 2）计算 8 米宽鱿钓渔船在规则波中的垂向波浪剪力和垂向波浪弯矩频率响应曲线，然后选渤海海浪谱，计算 8 米宽鱿钓渔船在不同海况下的运动响应谱。 （ 3）最后分析计算得出 8 米宽鱿钓渔船在有无外龙骨的情况下对渔船的操纵与摇摆的性能的影响。
