雙體小水線面水翼復(fù)合型高速船（HYSWATH）概念設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、雙體小水線面水翼復(fù)合型高速船(HYSWATH)是為了改善小水線面雙體船(SWATH)在高速領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)性能而提出來(lái)的新船型。在SWATH兩個(gè)片體之間的前后設(shè)置水翼，用水翼動(dòng)升力代替部分靜水浮力，相應(yīng)減小片體的排水體積、濕表面積、興波阻力和摩擦阻力，從而提高了SWATH的航速。適當(dāng)選擇前后水翼面積比、設(shè)置位置和攻角等水翼參數(shù)，使由兩個(gè)水翼所產(chǎn)生的力矩能夠克服Munk力矩的作用，則保證HYSWATH在高速區(qū)域的安全航行。論文結(jié)合HYSWATH

2、的幾何及運(yùn)動(dòng)特性，從概念設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，給出了一型HYSWATH的設(shè)計(jì)方案，在經(jīng)典船舶運(yùn)動(dòng)性能理論的基礎(chǔ)上，初步探討了HYSWATH的阻力、耐波性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的理論計(jì)算方法，并與模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，為今后HYSWATH初步設(shè)計(jì)時(shí)估算運(yùn)動(dòng)性能提供了一定的理論基礎(chǔ)。 一、HYSWATH船型設(shè)計(jì)研究基于切比雪夫多項(xiàng)式，從HYSWATH主體及支柱特征出發(fā)，提出一種生成支柱水線和主體橫剖面面積曲線的簡(jiǎn)單方法。并應(yīng)用本方法設(shè)計(jì)了靜排水量

3、為400噸的HYSWATH水下型線。通過(guò)對(duì)世界各國(guó)建造和設(shè)計(jì)的73艘SWATH的統(tǒng)計(jì)分析，確保主要尺度參數(shù)之間的關(guān)系，從而提高了本方法的實(shí)用性和型線生成效率。同時(shí)討論了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)HYSWATH型線的影響規(guī)律，結(jié)果表明： (1)設(shè)計(jì)參數(shù)都有最佳變化范圍，使支柱水線曲線上不出現(xiàn)負(fù)值，也不出現(xiàn)波動(dòng)。一般，支柱形狀對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化很敏感，較容易出現(xiàn)負(fù)值或波動(dòng)，而在主體橫剖面曲線上，很少出現(xiàn)負(fù)值和波動(dòng)。 (2)所有設(shè)計(jì)參數(shù)可分

4、為三類：只對(duì)支柱的形狀變化有影響的參數(shù)；只對(duì)主體的形狀變化有影響的參數(shù)；對(duì)支柱和主體的形狀變化有影響的參數(shù)。 二、HYSWATH阻力性能研究分析雙體小水線面水翼復(fù)合型高速船(HYSWATH)的阻力變化規(guī)律，給出此船型各阻力成分的計(jì)算公式，并在此基礎(chǔ)上討論HYSWATH處于翼航狀態(tài)時(shí)吃水和縱傾角的計(jì)算方法，形成了計(jì)算HYSWATH翼航狀態(tài)阻力的方法。為驗(yàn)證本文提出的阻力計(jì)算方法的正確性，調(diào)整升力與浮力比為零，計(jì)算HYSWATH的興

5、波阻力，與SWATH模型剩余阻力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，并將總阻力的理論計(jì)算結(jié)果與HYSWATH模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。同時(shí)討論了升力浮力比、水翼攻角、水翼設(shè)置位置和船體重心位置等參數(shù)對(duì)HYSWATH阻力性能的影響，得出了以下結(jié)論： (1)在不同航速階段，船體的總阻力隨升力浮力比的變化規(guī)律不同：船體的總阻力在高速航區(qū)隨升力浮力比的增大而減小，在中、低速航區(qū)，隨升力浮力比的增大而增大； (2)水翼位置的變化對(duì)HYSWATH翼航姿態(tài)

6、(縱傾角和吃水)和總阻力的影響很大。在后水翼的位置固定的情況下，往前移動(dòng)前水翼可使船體的總阻力減小； (3)船體重心縱向位置變化對(duì)HYSWATH翼航姿態(tài)和阻力性能的影響取決于船體浮心縱向位置； (4)適當(dāng)選擇船體重心縱向位置，在保持船體阻力性能不變的條件下，可以改善HYSWATH在中低速航區(qū)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。 三、HYSWATH垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)性能研究在前人關(guān)于小水線面雙體船和水翼艇耐波性計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合HYSWA

7、TH的運(yùn)動(dòng)性能，對(duì)重心不在坐標(biāo)原點(diǎn)的一般情況，推導(dǎo)HYSWATH縱向運(yùn)動(dòng)方程式，并給出該船在規(guī)則波中作振蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)性能的計(jì)算方法。 本文做了HYSWATH船模迎浪試驗(yàn)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。對(duì)于其它浪向角的航態(tài)，調(diào)整升力浮力比為零并用穩(wěn)定鰭代替水翼，使HYSWATH成為SWATH，計(jì)算其縱向運(yùn)動(dòng)特性值并與SWATH模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，由此間接評(píng)價(jià)本方法的可靠性。同時(shí)，將頻率響應(yīng)函數(shù)與兩參數(shù)的JONSWAP譜結(jié)合

8、，預(yù)報(bào)其在不同海況下航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)值： (1)HYSWATH在不規(guī)則波浪中迎浪航行時(shí)，有一速度范圍，使垂蕩較小，而且對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)也有一速度范圍，且這兩個(gè)速度范圍都在高速航區(qū)，因此HYSWATH的高航速運(yùn)用無(wú)論對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)還是對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)都有利。 (2)HYSWATH迎浪航行時(shí)，無(wú)論垂蕩運(yùn)動(dòng)還是縱搖運(yùn)動(dòng)都比隨浪安全。 (3)分析了不同海況、波浪的不同發(fā)展階段和不同升力浮力比對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值的影響。 四、HY

9、SWATH運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性研究隨著航速的增加，Munk力矩的迅速增大是HYSWATH縱向運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)的主要原因。HYSWATH在翼航狀態(tài)航行時(shí)，隨著航速的增加吃水減小，翼航排水體積減小，一方面使垂蕩運(yùn)動(dòng)附加質(zhì)量減小，因此Munk力矩的增加沒(méi)有SWATH那么快，有利于HYSWATH縱向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，但另一方面又使船體的恢復(fù)力矩減小，是不利于HYSWATH縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的。 論文在HYSWATH的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性方面主要研究了以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)針

10、對(duì)HYSWATH小擾動(dòng)縱向運(yùn)動(dòng)方程，推導(dǎo)了穩(wěn)定性特征方程及各項(xiàng)系數(shù)，并且結(jié)合HYSWATH的運(yùn)動(dòng)及幾何特征和理論計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行了HYSWATH縱向穩(wěn)定性判據(jù)的簡(jiǎn)化。 (2)計(jì)算分析了前后水翼面積比和船體重心高度的變化對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響。 (3)通過(guò)船模試驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，從理論和試驗(yàn)兩方面證明了HYSWATH在高速航區(qū)的運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的。 五、HYSWATH模型試驗(yàn)研究論文對(duì)一型采用非自控組合水翼系統(tǒng)

11、的HYSWATH-400方案的1：20模型進(jìn)行了阻力、耐波性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性三方面的試驗(yàn)研究工作，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論： (1)前水翼的位置往前移動(dòng)能使HYSWATH很快度過(guò)過(guò)渡狀態(tài)，有利于在整個(gè)速度范圍內(nèi)，尤其是在過(guò)渡狀態(tài)附近改善該船的阻力性能。 (2)前水翼的攻角減小時(shí)，在高航速區(qū)域總阻力下降。 (3)HYSWATH模型從體航到起飛、翼航不同航行狀態(tài)的縱傾角比較小，說(shuō)明采用非自控組合水翼系統(tǒng)可以保證HYSWATH船