CN109145519B - 一种船舶敞水航行辅助决策方法 - Google Patents

一种船舶敞水航行辅助决策方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于船舶结构安全性领域，具体涉及一种船舶敞水航行辅助决策方法。包括建立数据库、拟合图像、对图像进行插值、将图像拟合出的曲面离散成若干点，求出船舶在此航速，浪向角下对应的发生警报的危险剖面的垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值分别为My0,Mz0,Mx0,Fz0；在数据库中筛选出满足My1<My0、Mz1<Mz0、Mx1<Mx0、Fz1<Fz0此条件所对应的(V,β)的集合{A3}。本发明根据三维频域线性水动力理论计算出危险剖面剖面载荷的百一值，在船体结构应力监测点发生报警时，能根据当时的海况、航向、航速，对船体载荷进行总体计算分析与评估，快速作出如何改变航向、改变航速以及船舶姿态等操作指令。

Description

一种船舶敞水航行辅助决策方法
技术领域
本发明属于船舶结构安全性领域，具体涉及一种船舶敞水航行辅助决策方法。
背景技术
结构的安全性是保证船舶正常营运的基础，在船舶的结构设计中，设计人员需要参考有关船级社的结构设计规范或准则，结合相关的理论方法，确定船舶的各种设计载荷，进而进行有关的结构设计与强度评估。但是，对于实际海洋环境中航行的船舶来说，结构受到的外载荷具有很强的随机性，这些随机因素很难通过规范或准则中的方法进行完全准确地预报。因而，尽管船级社已经给出了船舶结构设计的规范或准则，设计人员也据此给出尽可能完善的结构设计方案，但船舶仍存在着一定程度结构失效的可能性。为了降低船舶结构安全的风险，一方面可以在设计建造阶段合理确定结构设防水平，不断完善船体结构强度分析与评估方法，另一方面是对船舶使用过程加强管理和监控。通过实时监测船体结构应力，并根据得到的监测数据对结构状态进行评估，当结构应力较大时发出报警，并给操船人员提供可供选择的辅助航行决策建议，则可以有效降低结构的安全风险。以往在船舶敞水航行时并没有明确的辅助决策方法，现根据三维频域线性水动力理论计算出危险剖面剖面载荷的百一值，并根据筛选百一值确定船舶航速及浪向角的变化情况，以此实现船舶敞水航行的辅助决策的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶敞水航行辅助决策方法，其能在船舶结构应力较大时发出报警，并给操船人员提供可供选择的辅助航行决策建议。
一种船舶敞水航行辅助决策方法，具体包括如下步骤：
步骤1、建立数据库；
步骤2、拟合图像；
步骤3、输入此时海况对应的参数值：海浪有义波高Hs和平均跨零周期Ts；
步骤4、对图像进行插值，对拟合出的不同海浪有义波高，平均跨零周期下的三维图像进行插值，得出对应此波高，平均跨零周期下的三维图像，即航速V，浪向角β，同时得出垂向弯矩My，水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值在此海况下的关系图及关系方程；
步骤5、将图像拟合出的曲面离散成若干点，得到细化后的航速V，浪向角β对应的垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值在此海况下的关系图；
步骤6、输入此时船的航速V0及浪向角β0；
步骤7、求出船舶在此航速，浪向角下对应的发生警报的危险剖面的垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值分别为My0,Mz0,Mx0,Fz0；
步骤8、在数据库中筛选出满足My1<My0此条件所对应的(V,β)的集合{A0}，其次再从集合{A0}中筛选出满足Mz1<Mz0此条件所对应的(V,β)的集合{A1}，然后再从集合{A1}中筛选出满足Mx1<Mx0此条件所对应的(V,β)的集合{A2}，最后再从集合{A2}中筛选出满足Fz1<Fz0此条件所对应的(V,β)的集合{A3}；
步骤9、通过筛选集合{A3}选出与所给航速V0及浪向角β0最接近的新的航速V1及浪向角β1，即使
Figure BDA0001826010020000021
的值最小；
步骤10、确定新的航速V1及浪向角β1后，在此有义波高，平均跨零周期下，求出危险剖面的载荷包括垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz，判断危险剖面上极值应力值是否小于许用应力值，若小于，结束，若极值应力不小于许用应力值，则继续从集合{A3}中筛选航速V1及浪向角β1，直到危险剖面上极值应力应小于许用应力值并且
Figure BDA0001826010020000022
的值最小。
所述一种船舶敞水航行辅助决策方法，步骤1具体包括基于三维频域线性水动力理论对船舶进行短期分析，计算出不同海况不同航速不同浪向角条件下的各个危险剖面垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值。
所述一种船舶敞水航行辅助决策方法，步骤2具体包括以航速为X轴，浪向角为Y轴，各个危险剖面剖面载荷的百一值为Z轴，进行三维绘图及拟合图像，即描绘出某一确定海况下，某个危险剖面剖面载荷百一值与航速，浪向角的三维关系，拟合图像并确定出图像方程。
本发明的有益效果在于：
本发明根据三维频域线性水动力理论计算出危险剖面剖面载荷的百一值，并根据筛选百一值确定船舶航速及浪向角的变化情况，在已知当时海况波浪的波高及平均跨零周期，船舶此时航行的航速，浪向角的条件下，迅速找出满足小于此海况下的各个百一值所对应的新的航速及浪向角，通过筛选选出与所给航速及浪向角最接近的新的航速及浪向角。本发明在船体结构应力监测点发生报警时，能根据当时的海况、航向、航速，对船体载荷进行总体计算分析与评估，并快速作出如何改变航向、改变航速以及船舶姿态等操作指令。
附图说明
图1为监测对象某工程船有限元模型；
图2为有义波高Hs＝4m，平均跨零周期Ts＝9.5s垂向弯矩My的百一值；
图3为有义波高Hs＝4m，平均跨零周期Ts＝13.5s垂向弯矩My的百一值；
图4为有义波高Hs＝6m，平均跨零周期Ts＝9.5s垂向弯矩My的百一值；
图5为有义波高Hs＝6m，平均跨零周期Ts＝13.5s垂向弯矩My的百一值；
图6为有义波高Hs＝5m，平均跨零周期Ts＝11.5s垂向弯矩My的百一值；
图7为本发明的总过程流程图；
图8为有义波高Hs＝5m，平均跨零周期Ts＝11.5s，航速V＝7kn，浪向角β＝130°各计算工况设计波参数；
图9为工况1极值应力计算结果；
图10为工况2极值应力计算结果；
图11为工况3极值应力计算结果；
图12为工况4极值应力计算结果；
图13为工况5极值应力计算结果；
图14为工况6极值应力计算结果；
图15为工况7极值应力计算结果；
图16为工况8极值应力计算结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如附图1所示，为监测对象某工程船有限元模型；主尺度为总长：122.5m；型宽：22.32m；型深：11.80m；设计吃水：7.85m，以有义波高Hs＝5m，平均跨零周期Ts＝11.5s，航速V＝10m/s，浪向角130°船中剖面发生报警情况为例说明本方法，附图7为本发明的总过程流程图，具体包括如下步骤。
1、建立数据库，即基于三维频域线性水动力理论对某工程船进行规则波响应计算及短期分析，计算出不同海况航速为0，3kn，6kn，9kn，12kn，15kn，18kn，浪向角为0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°,105°,120°,135°,150°,165°,180°条件下的各个危险剖面垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值。
2、以航速为X轴，浪向角为Y轴，各个危险剖面剖面载荷的百一值为Z轴，进行三维绘图及拟合图像，通过筛选，得到需要的危险剖面三维图像，现已获知海浪有义波高Hs＝5m，平均跨零周期Ts＝11.5s，根据拟合出的不同海浪有义波高，平均跨零周期下的三维图像进行插值，得出对应此波高，平均跨零周期下的三维图像，即航速V，浪向角β与垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值在此海况下的关系图及关系方程。以绘制垂向弯矩My的百一值的新图像为例，即有义波高Hs＝4m，平均跨零周期Ts＝9.5s的图2，有义波高Hs＝4m，平均跨零周期Ts＝13.5s的图3，有义波高Hs＝6m，平均跨零周期Ts＝9.5s的图4，有义波高Hs＝6m，平均跨零周期Ts＝13.5s的图5，再通过此四幅图像，进行插值，得到新图像，如图6。同理可绘制水平弯矩Mz，扭矩Mx，垂向剪力Fz的百一值的三幅新图像。
3、将此四幅新图像上的平面离散成若干点，航速每1kn细化一次，浪向角每1°细化一次，得到细化后的航速V，浪向角β对应的垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值在此海况下的关系图。
4、若给出船此时报警的航速V0＝10m/s及浪向角β0＝130°，报警的剖面为船中剖面，求出此航速，浪向角对应的此剖面的的垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz百一值：My0＝35696.40912kN·m,Mz0＝43515.72348kN·m,Mx0＝3513.71925kN·m,Fz0＝455.3953541kN
5、为减小船中剖面对应的垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值My0,Mz0,Mx0,Fz0，即筛选出新的航速和浪向角，此时新的航速和浪向角对应的My,Mz,Mx,Fz的百一值设为My1,Mz1,Mx1,Fz1，首先，筛选出满足My1<My0此条件所对应的(V,β)的集合{A0}，
{A0}＝{(0,66),(0,67)……(0,129),(1,66),(1,67)……(1,129),
(2,66),(2,67)……(2,129),(3,66),(3,67)……(3,129),
(4,66),(4,67)……(4,129),(5,66),(5,67)……(5,130),
(6,66),(6,67)……(6,130),(7,66),(7,67)……(7,130),
(8,66),(8,67)……(8,130),(9,66),(9,67)……(9,130),
(10,66),(10,67)……(10,129),(11,66),(11,67)……(11,129),
(12,66),(12,67)……(12,129),(13,66),(13,67)……(13,129),
(14,66),(14,67)……(14,129),(15,66),(15,67)……(15,129),
(16,66),(16,67)……(16,129),(17,66),(17,67)……(17,129),
(18,66),(18,67)……(18,129)}，共1221个元素。
其次再从集合{A0}中筛选出满足Mz1<Mz0此条件所对应的(V,β)的集合{A1}，{A1}＝{(0,126),(0,127),(0,128),(0,129),(1,126),(1,127),(1,128),(1,129),(2,127),(2,128),(2,129),(3,127),(3,128),(3,129),(4,128),(4,129),(5,128),(5,129),(5,130),(6,129),(6,130),(7,129),(7,130),(8,130),(9,130)},共25个元素。
然后再从集合{A1}中筛选出满足Mx1<Mx0此条件所对应的(V,β)的集合{A2}，{A2}＝{(0,126),(0,127),(0,128),(0,129),(1,126),(1,127),(1,128),(1,129),(2,127),(2,128),(2,129),(3,127),(3,128),(3,129),(4,128),(4,129),(5,128),(5,129),(5,130),(6,129),(6,130),(7,129),(7,130),(8,130),(9,130)},共25个元素。
最后再从集合{A2}中筛选出满足Fz1<Fz0此条件所对应的(V,β)的集合{A3}
{A3}＝{(0,126),(0,127),(0,128),(1,126),(1,127),(1,128),(1,129),(2,127),(2,128),(2,129),(3,127),(3,128),(3,129),(4,128),(5,128),(5,129),(6,129),(6,130),(7,129),(7,130)}，共20个元素。
6、通过筛选集合{A3}选出与所给航速V0及浪向角β0最接近的新的航速V1及浪向角β1，即
Figure BDA0001826010020000051
的值最小，则新的航速V1＝7kn及浪向角β1＝130°
Figure BDA0001826010020000052
为最小值。
由此实例可知，在有义波高Hs＝5m，平均跨零周期Ts＝11.5s，航速V＝10m/s，浪向角130°发生报警情况时，应减小航速至7kn，浪向角不变。验证：航速V＝7kn，浪向角β＝130°，有义波高Hs＝5m，平均跨零周期Ts＝11.5s，船中横剖面的载荷包括垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz时，船中横剖面上极值应力小于许用应力值。
通过对各剖面载荷频率响应函数的搜索,确定了设计波的浪向、相位、频率,通过对剖面载荷的短期预报和规范值进行比较,确定了设计波的波幅。前已述及,设计波的主要控制参数是垂向弯矩、横向弯矩、扭矩和垂向剪力。具体的设计波参数如附图8所示；工况1是以垂向弯矩My为主控载荷，作用在中横剖面的中拱工况，工程船应力监测系统测得极值应力与许用应力值的评估结果如附图9所示，工况1无危险构件；
工况2是以垂向弯矩My为主控载荷，作用在中横剖面的中垂工况，工程船应力监测系统测得极值应力与许用应力值的评估结果如附图10所示，工况2无危险构件；
工况3是以水平弯矩Mz为主控载荷，作用在中横剖面的中拱工况，工程船应力监测系统测得极值应力与许用应力值的评估结果如附图11所示，工况3无危险构件。
工况4是以水平弯矩Mz为主控载荷，作用在中横剖面的中垂工况，工程船应力监测系统测得极值应力与许用应力值的评估结果如附图12所示，工况4无危险构件。
工况5是以扭矩Mx为主控载荷，作用在中横剖面的中拱工况，工程船应力监测系统测得极值应力与许用应力值的评估结果如附图13所示，工况5无危险构件。
工况6是以扭矩Mx为主控载荷，作用在中横剖面的中垂工况，工程船应力监测系统测得极值应力与许用应力值的评估结果如附图14所示，工况6无危险构件。
工况7是以垂向剪力Fz为主控载荷，作用在中横剖面的中拱工况，工程船应力监测系统测得极值应力与许用应力值的评估结果如附图15所示，工况7无危险构件。
工况8是以垂向剪力Fz为主控载荷，作用在中横剖面的中垂工况，工程船应力监测系统测得极值应力与许用应力值的评估结果如附图16所示，工况8无危险构件。
以上8种工况极值应力皆小于许用应力值，故在有义波高Hs＝5m，平均跨零周期Ts＝11.5s，航速V＝10m/s，浪向角130°发生报警情况时，减小航速至7kn，浪向角不变可以改变报警情况，不必继续筛选航速与浪向角。

Claims (2)

1.一种船舶敞水航行辅助决策方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、建立数据库；
步骤2、拟合图像；
步骤3、输入此时海况对应的参数值：海浪有义波高Hs和平均跨零周期Ts；
步骤4、对图像进行插值，对拟合出的不同海浪有义波高，平均跨零周期下的三维图像进行插值，得出对应此波高，平均跨零周期下的三维图像，即航速V，浪向角β，同时得出垂向弯矩My，水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值在此海况下的关系图及关系方程；
步骤5、将图像拟合出的曲面离散成若干点，得到细化后的航速V，浪向角β对应的垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值在此海况下的关系图；
步骤6、输入此时船的航速V0及浪向角β0；
步骤7、求出船舶在此航速，浪向角下对应的发生警报的危险剖面的垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值My0,Mz0,Mx0和Fz0；
步骤8、在数据库中筛选出满足My1<My0此条件所对应的(V,β)的集合{A0}，其次再从集合{A0}中筛选出满足Mz1<Mz0此条件所对应的(V,β)的集合{A1}，然后再从集合{A1}中筛选出满足Mx1<Mx0此条件所对应的(V,β)的集合{A2}，最后再从集合{A2}中筛选出满足Fz1<Fz0此条件所对应的(V,β)的集合{A3}；
步骤9、通过筛选集合{A3}选出与所给航速V0及浪向角β0最接近的新的航速V1及浪向角β1，即使
Figure FDA0003627196140000011
的值最小；
步骤10、确定新的航速V1及浪向角β1后，在此有义波高，平均跨零周期下，求出危险剖面的载荷包括垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz，判断危险剖面上极值应力值是否小于许用应力值，若小于，结束，若极值应力不小于许用应力值，则继续从集合{A3}中筛选航速V1及浪向角β1，直到危险剖面上极值应力应小于许用应力值并且
Figure FDA0003627196140000012
的值最小；
所述步骤1具体包括基于三维频域线性水动力理论对船舶进行短期分析，计算出不同海况不同航速不同浪向角条件下的各个危险剖面垂向弯矩My,水平弯矩Mz,扭矩Mx,垂向剪力Fz的百一值。
2.根据权利要求1所述的一种船舶敞水航行辅助决策方法，其特征在于：所述步骤2具体包括以航速为X轴，浪向角为Y轴，各个危险剖面剖面载荷的百一值为Z轴，进行三维绘图及拟合图像，即描绘出某一确定海况下，某个危险剖面剖面载荷百一值与航速，浪向角的三维关系，拟合图像并确定出图像方程。
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