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申请/专利权人：中交上海航道勘察设计研究院有限公司

摘要：本发明一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法包括以下步骤：一、确定船舶尺度参数；二、确定波浪要素；三、确定船浪夹角ψ；四、确定龙骨下沉量响应振幅算子ZKHS；五、计算龙骨下最大沉量ZK；六、计算最大横摇角θm；七、计算舭龙骨处最大下沉量ZBK；八、取较大者为波浪富裕深度Z2ψj；九、当船浪夹角不唯一时，计算复数次船浪夹角对应的波浪富裕深度，取其中最大者为最终波浪富裕深度Z2。本发明与传统技术相比，填补了国内规范中长周期波浪条件下波浪富裕深度计算的空白，且可以计算在船浪夹角ψ＝0°～180°范围内任意角度的波浪富裕深度。

主权项：1.一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定船舶尺度参数，确定船长LPP、船宽B、满载吃水T的尺度参数；步骤二：确定波浪设计要素，包括有效波高HS、谱峰周期Tp、波向角和波长λ，其中波长λ通过线性色散关系迭代求解；步骤三：确定船浪夹角ψ，根据工程海域的常浪向和强浪向的不一致，确定至少一个对应的船浪夹角；船浪夹角公式为公式1 所述公式1的v为船舶航行方向角，取值为航行方向与正北方的矢量角；步骤四：计算确定龙骨下沉量响应振幅算子ZKHS；对龙骨下沉量响应振幅算子的计算采用包络线法，所述包络线法包括：查图法和公式法两种方式，所述查图法的步骤为首先确定船长波长比LPPλ，然后对应的RAO包络线图中由横坐标向上做垂线，找到与对应工况船浪夹角曲线的交点，交点向左作水平线，读出龙骨下沉量响应振幅算子值ZKHS；所述公式法的计算方法为公式2 公式2中，τ为船长和波长的比值LPPλ，α为逻辑曲线的最大值，值域范围为0～α，β为逻辑曲线0至α间连接曲线的斜率，β越大，坡度越陡，τ0决定逻辑曲线中值横坐标的位置，μ决定高斯曲线的顶点横坐标位置，σ决定高斯曲线的峰值大小和区域宽度，σ越大，曲线峰值越小，宽度越宽，峰值两侧坡度越缓；步骤五：计算纵摇最不利情况下龙骨下最大沉量ZK；其中，龙骨下响应振幅算子值乘以有效波高HS等于龙骨下最大下沉量ZK；步骤六：计算最大横摇角θm；其计算公式为公式3 所述公式3中：ψp＝90°；步骤七：计算横摇为最不利情况时舭龙骨处最大下沉量ZBK；其中，船底两侧舭龙骨处下沉量达到最大，计算公式为公式4 步骤八：取较大者为波浪富裕深度Z2ψj；其中，取步骤五中纵摇最不利和步骤七中横摇最不利情况下的较大者为该船浪夹角对应的波浪富裕深度Z2ψj，所述步骤八的计算方式为公式5，所述公式5 步骤九：当船浪夹角不唯一时，计算复数次船浪夹角对应的波浪富裕深度Z2ψj，取其中最大者为最终波浪富裕深度Z2。

全文数据：一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法技术领域本发明涉及水利科技领域，具体涉及一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法。背景技术波浪富裕深度指因船舶在波浪作用下产生垂直运动响应而需为航道预留的富裕深度，是航道设计水深的重要参数之一。目前国内规范中关于波浪富裕深度的计算仅适用于短周期波波浪周期≤8s情况，这在中国周边海域或者其他短周期海域是满足要求的。然而在远海岛礁、非洲、东南亚和南美等地，很多项目建设均存在中长周期波影响问题。中长周期波波长较长，传播速度大，具有相当高的能量，对大型船舶航行影响不可忽视。波浪作用下船舶垂直运动响应主要是垂荡、纵摇、横摇引起的。目前研究手段主要有物理模型试验和数值模拟两种方法，物理模型试验法精度较高，但花费的经费和时间成本较高；数值模拟法时间和经费成本较低，计算精度也相对较高，已经成为当下的主流，其中基于线性理论的响应振幅算子RAO法已经在各国航道规范中得到广泛应用。目前关于中长周期波条件下船舶运动响应的研究主要集中于船舶系泊状态，对于航行状态下的船舶运动响应研究较少，中长周期波条件下波浪富裕深度国内尚无成熟计算方法。为了解决上述问题，我们做出了一系列改进。发明内容本发明的目的在于，提供一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，本方法兼顾横摇最不利和纵摇最不利两种情况下船舶最大垂直运动响应，且可以分别计算10万、20万、30万吨级散货船在不同波高、不同船浪夹角0°～180°、不同波浪周期8～30s工况下的波浪富裕深度，以克服现有技术所存在的上述缺点和不足。一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法包括以下步骤：步骤一：确定船舶尺度参数，确定船长LPP、船宽B、满载吃水T的尺度参数；步骤二：确定波浪设计要素，包括有效波高HS、谱峰周期Tp、波向角和波长λ，其中波长λ可以通过线性色散关系迭代求解；步骤三：确定船浪夹角ψ，根据工程海域的常浪向和强浪向的不一致，确定至少一个对应的船浪夹角；步骤四：计算确定龙骨下沉量响应振幅算子ZKHS；步骤五：计算龙骨下最大沉量ZK；步骤六：计算最大横摇角θm；步骤七：计算舭龙骨处最大下沉量ZBK；步骤八：取较大者为波浪富裕深度Z2ψj；步骤九：当船浪夹角不唯一时，计算复数次船浪夹角对应的波浪富裕深度Z2ψj，取其中最大者为最终波浪富裕深度Z2。进一步，所述步骤三的船浪夹角公式为公式1，所述公式1的ν为船舶航行方向角，求得航向角与波向角差值的绝对值通过与180°比较求得船浪夹角ψ。进一步，所述步骤四中对龙骨下沉量响应振幅算子的计算采用包络线法，具体有查图法和公式法两种方式，所述查图法的步骤为首先确定船长波长比LPPλ，然后对应的RAO包络线图中由横坐标向上做垂线，找到与对应工况船浪夹角曲线的交点，交点向左作水平线，读出龙骨下沉量响应振幅算子值ZKHS。进一步，所述步骤四中，所述公式法的计算方法为公式2，公式2中，τ为船长和波长的比值LPPλ，α为逻辑曲线的最大值，值域范围为0～α，β为逻辑曲线0至α间连接曲线的斜率，β越大，坡度越陡，τ0决定逻辑曲线中值横坐标的位置，μ决定高斯曲线的顶点横坐标位置，σ决定高斯曲线的峰值大小和区域宽度，σ越大，曲线峰值越小，宽度越宽，峰值两侧坡度越缓。进一步，所述步骤五中的龙骨下响应振幅算子乘以有效波高HS，计算出纵摇最不利情况下，龙骨下最大下沉量ZK。进一步，所述步骤六中最大横摇角θm的计算公式为公式3所述公式3中:ψp＝90°。进一步，所述步骤七中，当横摇为最不利情况时，船底两侧舭龙骨处下沉量达到最大，计算公式为公式4进一步，所述步骤八中，取步骤五中纵摇最不利和步骤七中横摇最不利情况下的较大者为该船浪夹角对应的波浪富裕深度Z2ψj，所述步骤八的计算方式为公式5，所述公式5：进一步，所述在步骤九中，当船浪夹角不唯一时，计算复数次船浪夹角对应的波浪富裕深度Z2ψj，取其中最大者为最终波浪富裕深度Z2，所述步骤九的计算方式为公式6，所述公式6本发明的有益效果：本发明与传统技术相比，填补了国内规范中长周期波浪条件下波浪富裕深度计算的空白；通过兼顾纵摇最不利和横摇最不利两种情况下船舶最大垂直运动响应，且响应振幅算子RAO曲线采用包络线进行拟合，设计取值更为安全；采用的响应振幅算子RAO曲线依据大型船舶操纵模拟器试验所得数据绘制，该试验在数值模拟的基础上加入人为操纵的影响，使结果更贴近现实意义；可以计算在船浪夹角ψ＝0°～180°范围内任意角度的波浪富裕深度，设计取值精度更高。附图说明：图1为计算方法的流程图。图2为船浪夹角示意图。图3为10万吨级散货船龙骨下沉量响应振幅算子-包络线。图4为20万吨级散货船龙骨下沉量响应振幅算子-包络线。图5为30万吨级散货船龙骨下沉量响应振幅算子-包络线。图6为案例计算的波浪富裕深度取值随船浪夹角的分布图。具体实施方式以下结合具体实施例，对本发明作进步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。图1为计算方法的流程图。图2为船浪夹角示意图。图3为10万吨级散货船龙骨下沉量响应振幅算子-包络线。图4为20万吨级散货船龙骨下沉量响应振幅算子-包络线。图5为30万吨级散货船龙骨下沉量响应振幅算子-包络线。图6为案例计算的波浪富裕深度取值随船浪夹角的分布图。实施例1如图1所示，一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，包括以下步骤：步骤一：确定船舶尺度参数，确定船长LPP、船宽B、满载吃水T的尺度参数。步骤二：确定波浪设计要素，包括有效波高HS、谱峰周期Tp、波向角和波长λ，其中波长λ可以通过线性色散关系迭代求解。确定波浪设计要素，包括：有效波高Hs、谱峰周期TP、波向角和波长λ。a波高定义为起伏水面相邻峰、谷之间的垂直距离。有效波高Hs为工程当地海域的实测水位数据的统计波高，等于前三分之一波高的平均值，或等于零阶矩波高Hm0，通过计算波浪谱，求解其零阶矩得到。不同统计波高之间的换算，可以查阅海港工程设计手册求得。b波周期定义为波面的相邻相同相位，例如：相邻两个波峰，通过某一位置所需时间。谱峰周期TP为工程当地海域的实测水位数据的统计波周期，等于波浪谱的谱峰频率对应周期。不同统计波周期间的换算，可以查阅海港工程设计手册求得。c波向为波浪传播行进的朝向，波向角的取值为波浪速度矢与正北方的矢量角，向北、向东、向南和向西分别为0°、90°、180°和270°。波向包括不同季节的常浪向和强浪向，因此会有一个或多个不同波向，即或d波长λ定义为波面相邻相同相位，例如：相邻两个波峰，之间沿波浪传播方向上的水平距离，可根据有效波高和谱峰周期，通过线性色散关系迭代求解。计算式如表1所示，其中，深水和浅水工况下波长的求解，可依据各自工况下式中变量的相对大小关系，简化迭代式。表1不同水深情况下波长计算公式注：d为滩面水深，g为当地重力加速度步骤三：确定船浪夹角ψ，根据工程海域的常浪向和强浪向的不一致，确定至少一个对应的船浪夹角，计算过程为：a首先，确定船舶航行方向角ν，取值为航行方向与正北方的矢量角，向北、向东、向南和向西分别为0°、90°、180°和270°；b其次，求得航向角与波向角差值的绝对值并与180°比较；c最后，求得船浪夹角ψ，计算如公式1所示。船浪夹角ψ如图2所示，可见，船舶行驶方向与波浪方向相反、垂直和相同时，船浪夹角分别等于0°、90°和180°。此外，由于工程海域的常浪向和强浪向可能会不一致，且航行方向也可能会有不同的选线方案，故可能会有一个或多个对应的船浪夹角，即ψ或ψj。即得到步骤三的船浪夹角公式为公式1步骤四：计算确定龙骨下沉量响应振幅算子ZKHS，根据船舶吨级，以及之前步骤确定的船长LPP、波长λ和船浪夹角ψ或ψj，确定龙骨下沉量响应振幅算子ZKHS。龙骨下沉量响应振幅算子定义为船舶龙骨下沉量ZK除以对应工况下的有效波高HS。龙骨下沉量响应振幅算子可以通过包络线法确定，具体有查图法和公式法两种方式。其中查图法步骤为：首先，确定船长与波长比值LPPλ，即确定包络线图的横坐标值；其次，根据船舶吨级选择对应的包络线图，如图3、图4和图5所示，分别对应10万、20万和30万吨级船舶；再次，在包络线图中找到船浪夹角ψ对应的算子曲线，在包络线图中的横坐标上自横坐标值LPPλ向上作垂线，找到垂线与算子曲线的交点；最后，由交点向左作水平线，找到水平与包络线图纵坐标的交点，即为龙骨下沉量响应振幅算子值ZKHS。公式法的计算步骤为：首先，确定船长与波长比值LPPλ，即确定包络线方程的自变量值τ；其次，根据船舶吨级选择对应的包络线方程系数表格，如表2、表3和表4所示，分别对应10万、20万和30万吨级船舶；再次，根据船浪夹角ψ，在方程系数表格中找到对应的系数列；最后，将系数代入公式2，可得到龙骨下沉量响应振幅算子ZKHS。公式2：式中，τ为船长和波长的比值LPPλ；α为逻辑曲线的最大值，值域范围为0～α；β为逻辑曲线0至α间连接曲线的斜率，β越大，坡度越陡；τ0决定逻辑曲线中值横坐标的位置；μ决定高斯曲线的顶点横坐标位置；σ决定高斯曲线的峰值大小和区域宽度，σ越大，曲线峰值越小，宽度越宽，峰值两侧坡度越缓。表210万吨级散货船龙骨下沉量响应振幅算子包络线方程系数表320万吨级散货船龙骨下沉量响应振幅算子包络线方程系数表430万吨级散货船龙骨下沉量响应振幅算子包络线方程系数步骤五：计算龙骨下最大下沉量ZK，龙骨下沉量为艏、艉下沉量之间的较大值，等于步骤四中所求的龙骨下沉量响应振幅算子ZKHs乘以有效波高Hs。计算出纵摇最不利情况下，龙骨下最大下沉量ZK。步骤六：计算最大横摇角θm，步骤六中最大横摇角θm的计算公式为公式3公式3中:ψp＝90°。其他系数取值如表5所示。表5最大横摇角系数取值参考.步骤七：计算舭龙骨处最大下沉量ZBK，横摇最不利情况下需要计算舭龙骨处最大下沉量ZBK。舭龙骨最大下沉量由两部分组成，分别为垂荡下沉量和横摇下沉量，垂荡下沉量采用π16倍的有效波高保守估算，横摇下沉量为0.5倍的船宽与最大横摇角之乘积。舭龙骨最大下沉量ZBK计算表达式为公式4步骤八：取步骤五中纵摇最不利和步骤七中横摇最不利情况下的较大者为该船浪夹角对应的波浪富裕深度Z2ψj，所述步骤八的计算方式为公式5，所述公式5步骤九：如果船浪夹角取值唯一，则步骤七即为最终波浪富裕深度，即Z2＝Z2ψj；如果有多个船浪夹角，则重复步骤四至七，求得若干船浪夹角ψj对应的若干波浪富裕深度Z2ψj，取它们之间的最大值为最终波浪富裕深度。计算方法如公式6所示，公式6本发明实施例1采用南非东海岸某海域拟建的10万吨级散货船进港航道，长度约50km，宽度240m，深度21.8m。当地波浪有效波高为1m，平均波周期15s。该海域常浪向和强浪向均为SE向与正北方向矢量角为1353，航行方向有三种选线方案，与正北方向矢量角分别为135°、180°、225°。设计船型选择10万吨级标准散货船，船长250m，型宽43m，满载吃水14.5m。步骤一：确定船舶尺度参数：依据海港总体设计规范的附录，查得设计船长250m，型宽43m，满载吃水14.5m。步骤二：确定波浪设计要素：故本海域波浪属于有限水深波，采用线性色散关系迭代法求解得到波长λ＝204.84m；有效波高HS＝1m，波周期Tp＝15S。波向角为SE向，即＝135°。步骤三：确定船浪夹角ψ，由上文知，航向角v＝135°、180°、225°，波向角＝135°，由公式4计算得到船浪夹角ψ＝0°、45°、90°。考虑到船舶进出港航向相反，故船浪夹角ψ分别取0°、45°、90°、135°、180°。步骤四：利用包络线法中的查图法确定对应工况下的龙骨下沉量响应振幅算子ZKHS：计算船长和波长的比值LPPλ＝1.22，如图3所示，可知船浪夹角ψ＝0°、45°、90°、135°、180°对应的响应振幅算子RAO分别为1.21、1.20、0.59、0.97以及1.09。步骤五：计算龙骨最大下沉量纵摇最不利情况下ZK：将步骤三中所求的RAO算子分别乘以有效波高HS，可得船浪夹角ψ在0°、45°、90°、135°、180°情况下艏、艉最大下沉量ZK分别为1.21m、1.20m、0.59m、0.97m以及1.09m。步骤六：计算最大横摇角θm：利用公式3计算船浪夹角ψ在0°、45°、90°、135°、180°情况下最大横摇角θm分别为0°、0.25°、3.26°、0.88°、0°。步骤七：计算舭龙骨处最大下沉量横摇最不利情况下ZBK：利用公式3计算船浪夹角ψ在0°、45°、90°、135°、180°情况下舭龙骨处最大下沉量ZBK分别为0.20m、0.25m、0.94m、0.4m以及0.2m。步骤八：取较大者为波浪富裕深度Z2ψj：利用计算公式5取步骤四、步骤六中在船浪夹角ψ在0°、45°、90°、135°、180°情况下分别对应的下沉量较大者为波浪富裕深度Z2ψj，分别为1.21m、1.20m、0.94m、0.97m以及1.09m，分布如图6所示。步骤九：利用计算公式6取步骤七中各船浪夹角对应的波浪富裕深度的最大值，作为最终波浪富裕深度Z2，最终波浪富裕深度为1.21m。以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。

权利要求：1.一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定船舶尺度参数，确定船长LPP、船宽B、满载吃水T的尺度参数；步骤二：确定波浪设计要素，包括有效波高HS、谱峰周期Tp、波向角和波长λ，其中波长λ可以通过线性色散关系迭代求解；步骤三：确定船浪夹角ψ，根据工程海域的常浪向和强浪向的不一致，确定至少一个对应的船浪夹角；步骤四：计算确定龙骨下沉量响应振幅算子ZKHS；步骤五：计算龙骨下最大沉量ZK；步骤六：计算最大横摇角θm；步骤七：计算舭龙骨处最大下沉量ZBK；步骤八：取较大者为波浪富裕深度Z2ψj步骤九：当船浪夹角不唯一时，计算复数次船浪夹角对应的波浪富裕深度Z2ψj，取其中最大者为最终波浪富裕深度Z2。2.根据权利要求1所述的一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于：所述步骤三的船浪夹角公式为公式1，所述公式1的ν为船舶航行方向角，求得航向角与波向角差值的绝对值通过与180°比较求得船浪夹角ψ。3.根据权利要求1所述的一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于：所述步骤四中对龙骨下沉量响应振幅算子的计算采用包络线法，所述包络线法包括：查图法和公式法两种方式，所述查图法的步骤为首先确定船长波长比LPPλ，然后对应的RAO包络线图中由横坐标向上做垂线，找到与对应工况船浪夹角曲线的交点，交点向左作水平线，读出龙骨下沉量响应振幅算子值ZKHS。4.根据权利要求3所述的一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于：所述步骤四中，所述公式法的计算方法为公式2，公式2中，τ为船长和波长的比值LPPλ，α为逻辑曲线的最大值，值域范围为0～α，β为逻辑曲线0至α间连接曲线的斜率，β越大，坡度越陡，τ0决定逻辑曲线中值横坐标的位置，μ决定高斯曲线的顶点横坐标位置，σ决定高斯曲线的峰值大小和区域宽度，σ越大，曲线峰值越小，宽度越宽，峰值两侧坡度越缓。5.根据权利要求1所述的一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于：所述步骤五中的龙骨下响应振幅算子乘以有效波高HS，计算出纵摇最不利情况下，龙骨下最大下沉量ZK。6.根据权利要求1所述的一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于：所述步骤六中最大横摇角θm的计算公式为公式3所述公式3中:ψp＝90°。7.根据权利要求1所述的一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于：所述步骤七中，当横摇为最不利情况时，船底两侧舭龙骨处下沉量达到最大，计算公式为公式48.根据权利要求1所述的一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于：所述步骤八中，取步骤五中纵摇最不利和步骤七中横摇最不利情况下的较大者为该船浪夹角对应的波浪富裕深度Z2ψj，所述步骤八的计算方式为公式5，所述公式59.根据权利要求1所述的一种基于船长波长比的波浪富裕深度计算方法，其特征在于：所述在步骤九中，当船浪夹角不唯一时，计算复数次船浪夹角对应的波浪富裕深度Z2ψj，取其中最大者为最终波浪富裕深度Z2，所述步骤九的计算方式为公式6，所述公式6

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