船舶与海洋工程的实践应用与船舶操纵模拟器的发展,共同驱动着波浪中船舶操纵运动数学模型的研究。以高海况(本文特指6级海况及以上)中的船舶救助为背景,针对目前船舶操纵模拟器对救助船运动模拟精度不足的问题,本文从操纵性-耐波性统一数学模型、高海况中的减摇问题、波浪载荷求解问题和实时运动模拟4个方面开展深入研究,目的在于提高数学模型特别是救助船运动数学模型的精度,为船舶在高海况中的运动特性分析和救助船操纵模拟器行为真实感的研究提供理论支撑。(1)在统一模型方面,本文综合考虑环境载荷对船舶运动的影响,基于Cummins统一模型系统化的建立了完备的6DOF耦合船舶运动数学模型。其中,全面集成船体水动力、阻力-推进、回复力、舵力、风和波浪载荷模块,还特别考虑了流作用及波浪中舵桨沉深等问题。对主要模块进行了逐一的计算或验证,以保证各模块的有效性和准确性,其中横摇阻尼计算的最大误差在5%左右,阻力-推进系统的桨速计算最大误差约10.9%。(2)在减摇数学模型方面,由于救助船配备有可控被动减摇水舱,因此针对高海况下救援过程中的减摇问题,采用哈密尔顿动力学建立一般形式的减摇水舱数学模型,进而推导得到矩形横剖面的U型减摇水舱模型,在此基础上给出两侧气阀的最佳相位PD控制模型;将减摇水舱模型与6DOF船舶运动数学模型相结合,建立了完整的7DOF船舶-减摇水舱耦合运动数学模型。为验证减摇水舱及气阀控制模型的准确性和有效性,对仅考虑横摇和水舱液位的2DOF模型进行了规则波中的试验与仿真对比。结果表明,被动和可控被动减摇水舱确实能达到很好的减摇效果,减摇分别达46.5%和66.9%。(3)在波浪载荷数值计算方面,本文同时考虑一阶波激载荷和二阶平均漂移载荷对船舶操纵运动的影响。在频域范围,基于流场速度势非线性边值问题,运用摄动展开法建立无限水深有航速条件下的线性边值问题;采用3D Green函数源法对一阶辐射和绕射问题进行数值求解,基于动量守恒原理,推导建立了计算量小、收敛性快的漂移载荷远场表达,并开发相关的载荷计算程序。以简单几何半球体、Wigley-I船、带有艉部外飘的S175船及Mariner船为研究对象,对本文方法的可靠性和有效性进行验证。结果表明,本文方法对辐射、绕射和波浪诱导运动等一阶问题,能保证计算结果的精度;对于二阶漂移载荷,在垂荡和纵摇运动的谐振频率附近,能较好预测漂移载荷的峰值位置;在短波长λ/L<0.5区域,本文结果相比其他主要研究学者的数值结果,能更好的趋向于渐进理论值。在时域范围,将模块化7DOF数学模型应用于实船,全面分析其对操纵性-耐波性问题预测的精确性和有效性。实船对象包括带有方艉的南海救111(NHJ111)、Mariner、带有艉部外飘的S175及育鲲(YuKun)。静水回转操纵中,通过与试验值的对比表明,7DOF模型精度可达7.0%,且预测结果优于经验方法和2D切片理论方法。在波浪中的操纵中,以Mariner和S175为对象,对发表稀缺的短峰波漂移载荷进行预测,与已发表其他学者的规则波数值结果相比,本文结果略小且有明显的振荡特性,回转圈和运动量的预测结果,与试验值和其他学者的结果吻合较好;对于YuKun,进行风、流和浪联合作用下的回转操纵计算,本文结果与试验回转圈吻合很好,充分表明所建立数学模型的优良船型适用性及其所能达到的最大预测精度,能较好预测实际海况中的船舶运动。采用已验证的7DOF数学模型,在6级海况下对NHJ111的操纵运动进行仿真预测,包括静水中风和流作用的操纵、短峰波中考虑舵桨沉深及减摇水舱作用下的操纵等。(4)将验证的7DOF数学模型应用于救助船操纵模拟器,自主开发了完整的船舶-减摇水舱耦合运动仿真测试平台,从视感和体感角度模拟高海况下的救助船运动。视感方面,为解决短峰波载荷计算耗时问题,本文提出采用并行同步追逐插值方法,将视景帧速率从7 FPS提升到20 FPS,满足了实时可视化15 FPS的最低要求,兼顾了模型的“精度”和计算的“实时”。体感方面,引入6DOF Stewart摇摆台,采用洗出滤波算法和动态虚拟装配算法,从试验和仿真方面实现了救助船的摇荡运动模拟,为配备有Stewart摇摆台的救助船操纵模拟器研究和相关标准制定奠定基础。