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系泊船舶和护舷在时域内的动力学
摘要
当设计用于系泊船舶的固定或半固定结构时,通常假定整个船的动能是被护舷或护舷系统吸收了。护舷的功能是通过吸收冲击载荷和防止停泊的船和码头之间的直接接触来确保一个船只和码头的安全的停泊。在这项研究中,问题是停泊的阶段,分析了碰撞和分离。用时域分析来分析每个阶段。假设系统由三个部分组成:码头，护舷和船舶。影响停泊的环境影响考虑浪流和风力的同时影响。Cummins方程被假定为一个好的问题表征,解决了在时域考虑的各种因素。非线性效应与力的瞬时值, 是与时间有关的时刻和船舶运动, 通过Cummins方程进行了研究及其以后Ogilvie的发展。作者的计算方案添加了护舷反力。研究了一艘客船在伊兹密尔湾操作的一个案例。
1.介绍
了解船舶“停泊”机制是至关重要的包括护舷的设计能控制影响的停泊在码头的船舶或不受控制的情况,船舶上的那些结构的意外影响。在后一种情况,后果可以从船只,有害的码头和从环境的观点考虑;如果有意外泄漏的石油或化学品。
系泊结构几乎总是涉及到一个弹性材料或一组弹性材料连接刚性结构。这些弹性材料,称为“护舷”变形时发生,因此吸收的影响都是有害的影响力量。作为船舶的停泊现象是复杂的,护舷反力受到很多因素的影响:位置和码头建筑,船的几何形状和刚度,护舷的机械性能,速度和船的停泊方法角度,波浪,风、水流,而且,如果使用,拖船的力,海洋的深度。
衡量码头结构的成功是安全的停泊和它提供货物装卸设备的使用的安全。
一个集成的设计方法系泊结构将会消除过度运动船只的概率。例如,防波堤的使用和类似的保护结构会限制船舶运动;但是一个好护舷和系泊设备的选择也将作出巨大贡献作用。
在这项研究中使用的数学模型选择合适的设备通过外力的变化和护舷使用的类型。可以研究观察,适用于现有码头防撞系统的选择而不是设计一个。然而,建立数学模型延长了设计的目的。
2．按时间描述船舶运动
频域分析,这是被广泛接受的适航性分析船舶和其他浮动机构的运动,包括一组线性化主要部分的位移速度和加速度的关系(Newman,1962)。然而,很明显,这些关系,在具体的意义上,是非线性的。因此使用线性化模型对船舶运动模拟的运动会导致错误的结果,因为外力和力矩作用在浮体并不完全呈正弦或线性特征。因此,不适合一般应当定义频率相关方程物体的运动。例子是由水流和风的力、靠泊和锚定在时间和主要力变化是不稳定的。因此,时间要求运动方程计算时间运动,时刻和浮动和固定结构的力。
2.1康明斯方程
本研究使用Cummins的经典之作(1962)和Ogilvie的扩展这些工作(1964)评估的时间运动。浮动系统的输入值是线性和角运动,而输出重点是流体力学的反应力和时刻。
主体在时间 = 静止。它假定一个冲动位移 已记录的身体在短时间内 在一个常数，速度V。
（1）
水的粒子将由这个脉冲运动开始移动。如果液体速度势 与速度v成正比 （2）
其中是规范化速度势。即使在冲动的位移到达,速度粒子仍将继续。另一个线性化是由假设速度势成正比的冲动位移, :
(3)
一词也是一个规范化速度势。
冲动的位移在周期内的将影响主体的运动不仅只在这个周期,也在之后的周期。这也可以理解为时间的运动是影响动作之前发生。
主体可以被认为是受与时间有关的任意运动的影响和主体的运动可以表示为冲动位移之和。因此,速度势时间段内表示作为
（4）
在时间域,其中n是步骤tn是t0 n△t,是t0 (n - k) △t,Vj,n组件的速度(tn,tn △t)周期,Vj,k是速度的j组件期间(tn-k, △t), j是规范化速度势周期(tn,tn △t)由于j方向的位移, j是标准化的速度势的时间段(, △t)由于j方向位移。随着时间间隔△t 接近为零,速度势可以表达为
（5）
x(t)的地方代表了在时间t在 j方向的速度。
造成的压力场通过伯努利方程在微小的速度上可以表示为：
（6）
把这种压力的湿表面积浮动结构,流体动力和力矩作用于物体Fi应当考虑。使用方向余弦 ni
（7）
使用定义：
（8）
（9）
Eq。(7)和添加一组线性弹簧力“Ci,j xj”条款, 物体在时间域的运动方程为
（10）
Ai,j是水动力的矩阵(添加)质量,Bi,j(t)的矩阵呢延迟功能,Cij弹力的矩阵。
如果在第二项的边界积分平方括号(条款代表阻尼)改变了用“”而不是“t -”,Eq。(10)
代表水力机械之间的力和时刻的关系运动方程和变成了:
（11）
线性弹簧系数C3,3、C3、5、C4,4,C5,3和C5, 5通过水下的位置几何和浮体的重心可以估计的。
上面引用的其他Ci,j不为零。
为了估计Ai,j和Bi,在Eq.(11)、和速度势和应该求得。不幸的是,这是一个复杂的过程。一个更简单的过程在两个或三个维度的使用频域计算的专用软件的获取这些术语。
如果一个假设的谐振振幅l 在j的方向,
（12）
用这个方程在Cummins方程,Eq.(11)和重新排列
（13）
（14）
在Eq.(14),ai,j(w)在频域水动力质量系数,bi,j(o)水动力阻尼系数的频域,ci,j常数。比较的时间和频率相关的部分的运动方程(Ogilvie,1964):
（15）
（16）
（17）
这些条款在频域的频率相关表征(Journee,1993 a,b):
（18）
（19）
然而,弹簧系数的矩阵在频域系数不变:
(20)
2.2运动方程
船的时间运动,应当使用协调研究系统在图1,xb,yb,zb的坐标相对于中心船G的重力;xo,y0z0是全球坐标相对于一个点空间,S是在原本平静的水面的自由表面;和x,y,z或x1,x2,x3是固定船舶坐标系相对于船的重心一起移动。船的角运动应当相对这三个轴: 或x4(滚动), theta;或x5(倾斜), psi;或x6(偏航)。
因此,船的速度相对于轴x0,y0,z0有关重心速度相对于G可表示为
写作中船舶运动的欧拉方程(x,y,z)的轴：
子指数“h”在上面的方程中代表水动力,线性的潜在的负载和子指数“v”代表了粘性水力机械负载。
子指数“ext”是用来表示时间序列为外部扩张负载。非线性粘性负载在这项研究中可以忽视。在方程式(27)-(32),M代表的总质量,I代表的截面惯性矩方向由分类指数中给出。
2.3外部负载
停泊在外部力量的影响的问题是一个系统由船、防撞系统和船停泊(码头或结构,以下简称“码头”)。这些基本元素之间的干扰主要依赖于环境条件,如自然条件和停泊条件有关。
这个系统是由时间船的运动方程。外部力量,由子指数 ext的方程式。(27)-(32)在下面的段落中讨论。
2.3.1波加载
力和力矩受海浪影响时间,和他们的表示是由使用的能量谱。计算船舶的运动是由线性叠加技术第一圣丹尼斯和皮尔森(1953)提出的。在这种方法中,回应的一艘海洋环境被认为是合成的船的每个组件的响应波形。这种方法使船前进的运动的计算在混合状态依赖于特定海上的波浪谱的船航行。然而,由于获得准确的波浪谱的困难估计,海洋波浪的能量作为风的函数了。这些估计的形式给出了半经验关系被称为“波能量谱”。随着算法形成本研究的基础建立两个参数用于一维波光谱和不稳定波。
通过能谱得到的波振幅代表了规则波的n个分量的叠加来表示实际海况。在时域中,给出了振幅
在这个表达式中, 获得振幅分量频率的的关系
相位角可以采取随机。一个随机数发生器用于创建间隔的相位角(0,2 pi;)。
频率间隔也可以作为一个常数值。这意味着波力和时刻作为时间的函数是由一段重复Trepeat:
波的一阶组件的时刻基本上是获得力量频率相关的运动。为了得到运动方程频率的函数,很多软件基于地带理论得到了广泛的应用。在这项研究中,一条理论基础软件广泛接受, SEAWAY-D发展了由代尔夫特科技大学的Journee(1993 a,b,1996) 使用的理论。
一阶力和时刻由不稳定状态可以表示为时间的函数
二阶波浪力和时刻在停泊的运动或非常重要锚定结构。如果这样的一个系统的无阻尼固有频率位于低频区,二阶漂移力和时刻变得重要。这研究忽略二阶波浪力和时刻。
2.3.2风和当前的负载
风和当前的负载都表示为一个函数的速度和矩阵定义这个速度的方向。标志符号定义这样一个向量,这样在时间t=0,风力或当前船的船尾把船右舷采取的是积极的。本研究假设的这些影响有一个角色在飙升,摇摆和偏航运动。作为一个例子,风载。目前的效果进行分析同样,与分指数的符号使用“c”代替分指数“w”。在参考固定船舶系统的轴,在时间t=0,正弦和余弦组件风的速度表示为
使用这些定义,给出相对风速和相对风速
利用阻力系数,风的力量应当的组件
在上面的公式中,阻力系数和时刻连续波Cw（i=1,2,6）是的函数系数。他们可以从风洞实验，测试通过插值近似为其他角度的方式得到。如果该值的大于180度,如果Cwi是定义在区间0lt;lt;pi;
2.3.3护舷加载
从历史上看,在海洋结构木材护舷系统泊位船只使用。多年来,护舷系统基本上保持不变。唯一的重大历史修改是橡胶元素的结合系泊系统,以增加系统的能量吸收。然而,随着环境约束放在防腐处理木材的使用,相关的部门最近注册的其他材料和新技术进入他们的泥板系统。新材料用于木材防护物系统包括水泥、钢铁、塑料和玻璃纤维。这些材料都被合并防护物系统为各种停泊加载和防护物配置。回手挡泥板,油气挡泥板和屈曲列橡胶挡泥也被用作防护物系统的一部分。这些材料有被用在各种元素,形成节能保护系统(斯宾塞,2004)。护舷的特点是由潮湿能量的能力。“动能能源法”,科斯塔概述(1978)用于本研究。停泊的船的动能转移到码头和消散保护:
M是船的质量,v船的靠泊速度,和C系数的停泊条件。
2.3.3.1船的质量
假定船的质量是位移的质量和附加质量之和。软件开发的作者可以计算位移的质量船船型,也可以估计附加质量使用适当的实证关系(Girgrah,1977)。
2.3.3.2．船的速度的方法
船的速度通过实验数据和观察原位的方法获得。
2.3.3.3．停泊条件系数
这个系数定义了多少动能耗散的护舷,根据停泊的速度,几何靠泊,码头的属性。是一个讨论的护舷,基于能量耗散的假设是由一个单一的护舷。在这艘船的情况下影响是会见了一个以上的护舷,“有效的等效护舷”可以被定义。系数的结果是“C”三个组件:
Ce离心率的因素,Cd船体结构变形的因素,和Cc系泊结构的因素。
(a)偏心因子Ce的因素
这个因素,与相关的几何停泊,是船舶的回转半径的函数在纵轴的旋转和靠泊速度矢量的方向。
动量和能量守恒的原理是利用之前和之后的影响条件获得离心率的因素。
(b)船舶结构、变形系数Cd
这个因素定义了两者之间的关系,这艘船的刚度结构和护舷的刚性。换句话说,它提供了一个估计吸收的能量的比值, 船结构护舷能量吸收的参考名称作为“柔软的因素”这个因素。刚性挡板反应力指示出现在护舷消散一些能量。考虑这些因素，护舷生产商提供以下方案
:
(c)系泊结构因素,Cc
其中一个重要因素是通过防撞系统计算的消散的能量是码头结构的因素的重点,因为一些的能量，船舶会出现问题。
根据类型或码头建设,提出了以下值:
Cc=0:80(闭式泊位结构,或系泊结构，约束从变形的影响,如码头由土壤填补或建立在河岸)
Cc=0:90(灵活的系泊结构,安装在牧场)
Cc=1.00(浮动式系泊结构)。
作者开发的计算机程序获得的一定量的能源作为上述因素的函数。在这个程序中,之一
输入值的单位护舷性能曲线。生成护舷反力获得经验关系。因此,最大的反作用力力能一直从船的计算分析中得到。
下面的模型提出了反作用力的计算时间的函数,类似于在船上的其他力:
在这个表达式,t1是影响船舶到护舷停泊的时间,t2船的开航时间从护舷停泊的时间,R(t)可以考虑如下,基于实证研究(Fontijn,1988;Janava and Jiang,1983):
Rmax的最大价值反作用力应当出现当上面的停泊条件下的护舷。假设护舷力将产生影响,增加和偏航动作,即。在水平表面,行动。护舷力定义如下:
beta;之间的连线之间的夹角的影响的船船重力中心和a轴 yb,m点之间的距离是固定的
这艘船的重心(图2)。从这个公式可以看出,它是认为,这艘船停泊在船首和港口。
3. 一艘客船的应用数学模型
3.1。输入值
上述数学模型是适用于两个姐妹船，目前参与客运海湾对面的伊兹密尔,土耳其。
船这两种形式的渡轮,“M/ V Ala
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