Nonlinear dynamic analysis of the course instability of ships in wind and waves

Abstract

Η παρούσα διατριβή διερευνά τη μη-γραμμική δυναμική συμπεριφορά πλοίων στο οριζόντιο επίπεδο υπό την επίδραση του ισχυρού ανέμου και των απότομων ακολουθούντων/ πλάγιων κυματισμών. Σε πρώτο στάδιο, αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο σε έξι βαθμούς ελευθερίας που περιέχει την επίδραση του ανέμου, των κυμάτων, της υδροδυναμικής αντίδρασης της γάστρας συμπεριλαμβανομένης της υδροδυναμικής μνήμης, της έλικας και του πηδαλίου. Το μαθηματικό μοντέλο αυτό έχει βασιστεί σε ένα πλαίσιο μελέτης της ελικτικότητας των πλοίων και έχει παρουσιαστεί σε μια τέτοια μορφή, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση των διακλαδώσεων του συστήματος (bifurcation analysis) και την αξιολόγηση της ευστάθειας πορείας των πλοίων. Ένας αλγόριθμος συνέχισης των μόνιμων λύσεων (continuation algorithm) έχει συνδεθεί αποτελεσματικά με το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε. Είναι η πρώτη φορά που η μέθοδος της συνέχισης μόνιμων λύσεων έχει εφαρμοστεί σε έναν μαθηματικό μοντέλο που διερευνά την δυναμική συμπεριφορά πλοίων σε έξι βαθμούς ελευθερίας (6-DOF) και συμπεριλαμβάνει επίσης τις επιδράσεις της υδροδυναμικής μνήμης. Σημαντική ακόμα είναι η διερεύνηση των περιοδικών αποκρίσεων των πλοίων μέσω της τεχνικής της συνέχισης μόνιμων λύσεων και πιο συγκεκριμένα, ο έλεγχος των αλληλεπιδράσεών τους με τις συνυπάρχουσες στάσιμες αποκρίσεις. Οι διακλαδώσεις του συστήματος στον χώρο των παραμέτρων, έχουν επίσης ακολουθηθεί και με αυτόν τον τρόπο μπορούν να προσδιορίζονται αυτόματα τα όρια ευστάθειας του συστήματος. Η τεχνική που αναπτύχθηκε έχει εφαρμοστεί επιτυχώς σε πραγματικά πλοία προκειμένου να διερευνηθεί η δυναμική τους συμπεριφορά υπό περιβαλλοντικές διεγέρσεις. Ένα οχηματαγωγό πλοίο που κινείται υπό την παρουσία ισχυρού ανέμου και ένα αλιευτικό σκάφος που κινείται υπό την παρουσία απότομων πρυμναίων κυματισμών έχουν εξεταστεί με αποτέλεσμα να παραχθούν ποικίλα διαγράμματα αποκρίσεων, διακλάδωσης και ευστάθειας. Συγκρίσεις με προηγούμενα υπάρχοντα στοιχεία απόκρισης του δεύτερου πλοίου, υποστήριξαν την ισχύ του τρέχοντος μαθηματικού μοντέλου. Οι εντοπισθείσες διακλαδώσεις που εντοπίσθηκαν στο οριζόντιο επίπεδο έχουν συζητηθεί σε βάθος και ο ρόλος τους ως προς την γένεση ασταθειών έχει πλήρως διασαφηνιστεί. Οι δυνατότητες για το περιορισμό αυτών των ασταθειών, κυρίως με την υιοθέτηση λειτουργικών πρακτικών, έχουν αναλυθεί σε βάθος.