船舶参数横摇研究进展

船舶在迎浪航行时会发生垂荡和纵荡运动，一般不会发生横摇运动。但在一定的遭遇频率下，船舶发生横摇，并且横摇幅值会在短短的几个周期内迅速增大。船舶大幅横摇情况下会发生结构破坏和货物破损，甚至船体发生倾覆。这种横摇的诱发不是直接由时变的外力或外力矩引起的，而是由自身系统中某参数的周期性变化引起的。船舶的水下几何形状和水线面形状随船体与波浪相对位置的改变而发生变化，船舶回复力矩的变化和水线面的面积惯性矩密切相关。横稳性高周期性的变化引发大幅度的横摇运动，称为参数横摇。

参数横摇早在一百多年前由Froude在实验中观察到，当船舶垂荡频率为横摇固有频率两倍时，船舶会发生大角度横摇运动。这一现象当时无法解释。随后，戴维实验室、荷兰实验室也相继发现异常的横摇运动。人们开始认识到船舶在纵浪上航行时有可能发生大幅横摇甚至倾覆。

参数横摇理论工作始于20世纪30年代，在1930—1950年一度成为理论研究热点。当时的研究集中在小船，如渔船等。人们基于简化的马休（Mathieu）模型，对Mathieu方程进行解析解研究，分析线性回复力下的参数横摇，并在此基础上，采用线性和非线性横摇阻尼模型，研究船舶参数横摇共振，如Grim［212，213］、Kerwin［214］和Paulling［215］。到了1990年代，考虑静水中的非线性回复力矩的影响，研究船舶倾覆问题。对于Mathieu方程，根据自由度的影响可分为单自由度模型、1.5DOF参数横摇预报模型、3DOF参数横摇预报模型，通过利用极其简单的数学模型，对船舶参数横摇的机理进行研究。(www.xing528.com)

虽然对参数横摇的研究和讨论早在20世纪30年代就已经开始，但大多集中在理论研究，没有考虑到实际发生的情况。1998年，一起海上事故引起了学者和安全机构对参数横摇的重视。目前参数横摇现象的研究已经有较长的时间，但由于现象的复杂性和强非线性，我们对其机理的认识和现象的描述仍然是不充分的。特别是真实海浪的随机性和不规则性，使问题更加复杂，不规则海浪上的船舶参数横摇问题还没有得到很好的解决。

近十年关于参数横摇的研究重点转向了对参数横摇实际发生情况及数值模拟的研究，目的是在设计阶段准确地预测出参数横摇发生的幅度，避免船舶倾覆风险，涌现了大量的研究成果。参数横摇数值模拟方法可分为势流理论方法和CFD方法。相对于单自由度参数横摇运动模型，基于势流理论的边界元方法，实时计算瞬时船舶横摇回复力矩，能够模拟参数横摇的发展过程、预报参数横摇的横摇角幅值，但是势流理论忽略了流体黏性，需要事先通过经验公式或是水池实验等途径获得横摇阻尼系数，其数值结果依赖于黏性阻尼输入等因素。CFD方法考虑了流体的黏性，不需要事先假定回复力，能根据瞬时湿表面积计算回复力，为求解研究船舶参数横摇问题提供了一种新的思路。