В области проектирования судов и других плавучих конструкций оператор амплитуды отклика ( RAO ) представляет собой техническую статистику или набор таких статистических данных, которые используются для определения вероятного поведения судна при работе в море. Операторы амплитуды отклика, известные под аббревиатурой RAO , обычно получаются из моделей предлагаемых конструкций судов, испытанных в модельном бассейне , или из запуска специализированных компьютерных программ CFD , часто и того, и другого. RAO обычно рассчитываются для всех движений судна и для всех курсов волн .
Применение
RAO фактически представляют собой передаточные функции, используемые для определения влияния состояния моря на движение судна по воде, и, следовательно, например, будет ли (в случае грузовых судов) добавление груза к судну. потребует принятия мер для улучшения остойчивости и предотвращения смещения груза внутри судна. Создание обширных RAO на этапе проектирования позволяет судостроителям определять модификации конструкции, которые могут потребоваться по соображениям безопасности (т. Е. Сделать конструкцию надежной и устойчивой к опрокидыванию или затоплению в крайне неблагоприятных морских условиях) или для улучшения характеристик (например, , улучшают максимальную скорость, расход топлива, устойчивость в бурном море). RAO вычисляются одновременно с созданием гидродинамической базы данных , которая представляет собой модель воздействия давления воды на корпус судна в широком диапазоне условий потока. Вместе, RAO и гидродинамическая база данных обеспечивают (поскольку это возможно в рамках моделирования и технических ограничений) определенные гарантии относительно поведения предлагаемой конструкции корабля. Они также позволяют проектировщику определять размер корабля или конструкции так, чтобы они выдерживали самые экстремальные морские состояния, которым они, вероятно, будут подвергаться (на основе статистики состояния моря ).
Кроме того, RAO являются операторами амплитуды, которые позволяют определять амплитуду движения на основе унитарной волны. Они накладываются друг на друга, поэтому эффективны для вероятностных решений, основанных на состоянии моря.
РАО в судостроении
Различные критерии моделирования и проектирования будут влиять на характер `` идеальных '' кривых RAO (как показано графически), которые ищутся для конкретного судна: например, на океанском круизном лайнере будет уделяться значительное внимание минимизации ускорений для обеспечения комфорта во время движения. пассажиров, в то время как проблемы стабильности военно-морского корабля будут сосредоточены на том, чтобы сделать его эффективной платформой для вооружения.
- Определение сил на корабле, когда он удерживается от движения и подвергается регулярным волнам. На тело действуют следующие силы:
- Сила Фруда – Крылова , которая представляет собой давление в невозмущенных волнах, проинтегрированных по смоченной поверхности плавучего судна.
- Силы дифракции , которые представляют собой давления, возникающие из-за возмущений в воде из-за присутствия тела.
- Определение сил, действующих на корабль, когда он вынужден колебаться в условиях неподвижной воды. Силы делятся на:
- Добавлены массовые силы из-за необходимости ускорять воду вместе с кораблем.
- Демпфирующие (гидродинамические) силы из-за колебаний, создающих исходящие волны, которые уносят энергию от корабля.
- Восстанавливающие силы за счет нарушения равновесия плавучести / веса и момента.
Вышеупомянутое слово «Корабль» следует толковать широко, включая другие формы плавучих сооружений. Очевидной проблемой в описанном выше методе является пренебрежение вязкими силами, которые вносят большой вклад в такие режимы движения, как помпаж и качение .
На компьютере вышеупомянутый алгоритм был впервые представлен с использованием теории полос и метода граничных элементов . Сегодня оба метода все еще используются, если потребность в быстрых вычислениях перевешивает потребность в точных результатах, а конструктор корабля знает ограничения теории полос. В более продвинутых программах, которые используются сегодня, используется метод граничных элементов в различных приложениях (таких как WAMIT, SESAM WADAM, MOSES, NeMOH и ANSYS AQWA), некоторые также могут включать эффекты вязкости. Понимание сил, определяющих мореходность судна, полученное на основе вышеизложенного, конечно, все еще актуально в рассматриваемых пределах линейности свободной поверхности.
Расчет РАО
RAO - это передаточная функция, которая определяется только тогда, когда движение корабля можно считать линейным . Вышеупомянутые силы затем можно собрать в уравнение движения :
Где движение твердого тела, такое как подъем, - частота колебаний, масса конструкции и инерция добавленная масса (зависит от частоты), - линейное затухание (зависит от частоты), - коэффициент возвращающей силы (матрица жесткости) и - сила гармонического возбуждения, пропорциональная набегающей волне . Здесь - амплитуда волны.
Если мы предположим это можно решить для а РАО тогда:
где - комплексная амплитуда линейной возбуждающей силы на высоту волны. RAO является частотно-зависимой и сложной функцией (в приведенном выше выражении - мнимая единица ). Обычно рассматривают абсолютное значение RAO только в том случае, если фаза между возбуждением и движением корабля не имеет значения.
Обычно добавляют линеаризованный член вязкого демпфирования: для учета сильной нелинейности демпфирующей силы, особенно при качении . Этот термин для простоты часто принимается как часть критического демпфирования ,. Тогда выражение будет таким:
где:
Хорошим упрощением является использование бесконечной добавленной массы частоты, в приведенном выше выражении, чтобы найти критическое значение демпфирования, не зависящее от частоты.
Смотрите также
Рекомендации
- Веб-страница Ultramarine Inc., иллюстрирующая кривые RAO и описывающая их использование (примечание: содержит контент, предназначенный для профессионалов в области проектирования судов)
- Фальтинсен, О.М. (1990). Морские нагрузки на суда и морские сооружения . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-45870-6.