[发明专利]一种船舶大幅横摇运动非线性阻尼系数识别方法

说明书

本发明公开了一种船舶大幅横摇运动非线性阻尼系数识别方法，包括如下步骤：确定船舶非线性横摇运动方程，确定船舶横摇角幅值随时间变化解析表达式，推导相邻半个周期的横摇角幅值变化解析式，绘制船舶横摇消灭曲线，并进行曲线拟合，计算非线性阻尼系数c₁和c₂的估算值，进行阻尼系数修正，计算阻尼系数最终识别值，本方法能够克服现有船舶横摇非线性阻尼系数识别技术的不足，具有较高的识别精度。

技术领域

本发明涉及一种船舶大幅横摇运动非线性阻尼系数识别方法。

背景技术

船舶作为航运业重要的交通工具，其在波浪中的运动性能，特别是横摇运动性能备受关注。船舶横摇阻尼准确估算是正确预报波浪中横摇运动的前提。小角度横摇时，船舶横摇运动可以用线性方程描述，但是当横摇幅值增大时，非线性效应必须考虑。横摇非线性主要表现在回复力矩的非线性和阻尼的非线性，船舶横摇非线性回复力矩可由流体静力学计算得到。但是对于船舶非线性横摇阻尼项，目前尚未有完备的理论计算方法。因此，开展船舶大幅横摇非线性阻尼系数识别，实现船舶在波浪中的横摇性能的准确预报，对于指导船舶设计、降低船舶横摇幅值，进而保障船舶航行安全具有重要意义。

对于船舶横摇非线性阻尼系数识别，现有船舶耐波性评估的势流理论不能预报横摇运动中由于摩擦、旋涡和流动分离等因素产生的粘性阻尼；基于模型试验获得的经验公式在实际使用中较为方便，但仅对特定船型适用。因此在工程实践中常用衰减试验的方法来确定船舶横摇非线性阻尼系数。

国内外学者对基于船舶衰减试验的横摇非线性阻尼系数识别方法开展了研究，并取得了一定成果。Mathisen和Price提出了估算衰减横摇和强迫横摇试验阻尼系数的方法，研究发现线性加平方项阻尼模型比线性加立方项阻尼模型具有更好的优越性。Roberts提出了一种能量法，由模型试验测量的横摇衰减曲线来确定船舶横摇阻尼系数。首先给出了反映船舶横摇能量平均衰减情况的能量损失函数，结合某假定的横摇阻尼力矩形式，假设在一个周期内横摇角等幅变化，将能量损失函数表示成未知横摇阻尼系数的解析形式，然后根据模型试验横摇衰减曲线的一系列峰值点，通过最小二乘法确定横摇阻尼力矩系数，该种方法可考虑大幅横摇时船舶横稳心高的变化，但该方法数值实现时需要较多的横摇周期数，否则数值精度会受到一定影响。Bass和Haddara对横摇阻尼力矩的各种形式适用性进行了研究，引进了两种数值方法来确定阻尼力矩表达式中的系数，其中能量法基于横摇机械能守恒的原理利用横摇衰减曲线连续时间历程来获得阻尼系数，适合于衰减过程较快和初始横摇幅值较大的横摇过程。Spouge对于不同学者提出的各类不同阻尼系数识别方法和结果进行了总结比较，并探讨了各种方法的识别精度。Chan等将徐兆提出的一种新的渐进法应用于船舶非线性横摇阻尼系数估算中，该方法适用于大角度横摇以及强非线性回复力矩。李红霞等根据衡量耗散的观点利用横摇试验衰减曲线，提出了一种非线性阻尼识别方法，由实际能量衰减函数与估算能量衰减函数之间方差最小来确定非线性阻尼系数。

综合国内外研究现状可知，不同学者提出了不同的基于自由衰减数据的船舶横摇非线性阻尼系数识别方法。其中，能量法和渐进法是主流的研究方法。该两种方法能实现大幅横摇运动和强非线性回复力矩条件下非线性阻尼系数的识别；但是阻尼系数识别结果受初始横摇幅值影响较大，特别是在大横摇幅值时，阻尼系数识别存在相对较大的误差。因此大横摇幅值和强非线性回复力矩下船舶自由横摇非线性阻尼系数的精确识别仍有待提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种船舶大幅横摇运动非线性阻尼系数识别方法，以达到提高阻尼系数识别精度的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种船舶大幅横摇运动非线性阻尼系数识别方法，包括如下步骤：

步骤1：确定船舶非线性横摇运动方程，

式中，x：横摇角；j：描述船舶回复力矩的幂次数项，正整数；M：幂次数项最大值，正整数；k：船舶静水回复刚度系数；