小水线面双体船纵向运动稳定性研究进展

小水线面双体船纵向运动稳定性研究进展 摘要:本文对目前小水线面双体船纵向运动稳定性的研究理论、研究方法及研究成果进行了综述，并对其今后的发展趋势进行了探讨和展望。 关键词:小水线面双体船;纵向运动稳定性;半潜首 1 前言 小水线面双体船(small water-plane area twin-hull)，又称SWATH船，或半潜式双体船，是近40年来才开发的一种高速船。由于这种船在船体结构上的特殊性，其航海性能与其它高速船、常规单体船相比有很大不同。其结构有两个主要特点:一是有两个船体，也称两个主体;二是水线面面积小，每一主体后端均设一个螺旋桨和舵，因而为双车双舵船。深没于水中的船体与水面上方的平台通过支体连接在一起。船体与支体均为流线型 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，支体的宽度较小，满载吃水线在支体中上部，因此水线面面积小，兴波阻力也小。 1 船舶的航速较高，一般在25 kn以上[1]。 小水线面双体船虽然具有快速性和优良的耐波性等优势，但也存在一些缺点，比如中高速下航行时易发生纵向运动失稳现象，为了克服这一现象，国内外学者进行了深入的研究，目前成果也非常显著。 2 小水线面双体船稳性问题的特点 小水线面双体船稳性的定义可作如下描述:对于处于静止或航行状态的船受到外来扰动力或力矩的作用而离开其初始平衡位置后，当外来干扰力或力矩消失后船恢复到初始平衡位置的能力便是船的稳性。如能回到初始平衡位置则船是稳定的，否则船是不稳定的。小水线面双体船的稳性问题分成横稳性和纵稳性两部分进行讨论。虽然在讨论常规单体船的稳性时也是这样处理的，但是由于小水线面双体船几何形状的特殊性，使它的稳性问题与常规单体船相比差异很大，以致将其横、纵稳性分开讨论是十分必要的。 小水线面双体船的横稳性在力学意义上与常规单体船的横稳性并无本质差别，处理方法也类似;而小水线面双体船的纵稳性问题要比常规船的纵稳性问题更为复杂，是小水线面双体船稳性问题的特殊性之处。通常分为两个方面研究: 静纵稳性。这和常规单体船的纵稳性问题的内容和含义相同，是以纵稳性高度衡量的。 2 动纵稳性或称作纵向运动稳定性。是指考虑了由于船的航行引起的水动力纵倾力矩的作用后的纵向运动(指纵摇运动)的稳定性问题。 3 小水线面双体船纵向运动稳定性研究已取得的成果 3.1 纵向运动失稳的原因――水动力纵倾力矩 小水线面双体船与传统的单体排水船相比，具有较小的水线面积， 因此所受的干扰力较小，具有较长的固有周期、不易发生共振、运动幅值较小、波浪中失速较小等;但是较小的水线面积导致纵倾恢复力减少，特别是在中高速时，作用在船舶上的蒙克(MUNK)力矩，容易使船舶失去纵向运动稳定性[2]。 人们对MUNK力矩的认识源于航空业界，早在上世纪20年代，一些空气动力学家已经指出当细长物体以某一小攻角在流体中作前进运动时，将受到一个不利于保持运动稳定的流体动力纵倾力矩的作用。由于该力矩是由早期的空气动力学家MUNK首先研究分析的，所以该力矩被人们称为MUNK力矩。 从侧面看，小水线面双体船与常规船没有什么两样，但是从水下看，小水线面双体船似两艘并排飞行的飞艇，是非常典型的细长体，它航行时必将受到一个水动力纵倾的作用，这个纵倾力矩必然与MUNK力矩有关。因此在运动稳定性方面，小水线面双体船有其与常规船相区别的特殊之 3 处。MUNK力矩与速度的平方成正比，当航速超过一定值后，这个纵倾力矩将增大到足以超过船的纵向恢复力矩，最终导致纵向稳定性受损，还可能导致航向失稳[3]。 为了保证小水线面双体船的纵向运动稳定性，首先要做的就是确定水动力纵倾力矩与航速和纵倾角之间的关系。解决这个问题包括理论计算和模型实验两种方法。黄鼎良运用势流理论和切片理论，在考虑粘性作用的情况下对水动力纵倾力矩进行了分析计算[4]。水动力纵倾力矩的模型实验方面，李昌模和墨雷(Murray)做了比较完善的工作[5]。此外，开普曼(Chapman)[6]和黄鼎良也对小水线面双体船的水动力纵倾力矩做过船模实验测量。 3.2 静水中纵向运动稳定性 小水线面双体船的水线面积与相当排水量的常规单体船或者双体船相比是很小的，所以它对于引起垂荡和纵倾的外干扰力的抵抗能力就较弱。当航速达到一定值之后，就必须研究它在纵向平面内的运动(简称为纵向运动)的稳定性问题。 小水线面双体船在纵向平面内的运动稳定性的含义是:船受到一外来干扰之后离开其初始平衡位置后，当这个外干扰力消失之后能否恢复到初始平衡位置的能力。如能回到初始平衡位置者就是纵向运动稳定的;否则就是不稳定的。纵向运动稳定性问题是潜航行潜艇特有的一个性能问 4 题。而对于常规水面排水量船来说，到目前也仅讨论其在水平面内的运动稳定性问题，即航向稳定性问题。小水线面双体船的纵向运动稳定性问题是这种船型性能研究中的一个特点，其本质和讨论方法与航向稳定性问题是类似的。 很多计算和模型拖曳试验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，当与航速相应的傅汝德数超过0.38,0.44后，小水线面双体船的纵向运动一般是不稳定的。这意味着当引起产生纵倾的外干扰力消失之后，船将不能回来初始的平衡位置，而且其纵倾角将随时间不断增大，最后使船失去正常航行的能力。此外，很多研究工作还表明，即使船的纵向运动是稳定的，但引起纵倾的外力消失之后船是以振荡形式回到初始平衡位置。这种振荡运动与一个有阻尼的线性弹性系统的自由振荡相似。振荡运动的三个参数，即周期、半衰期和阻尼比对于小水线面双体船在波浪中的纵向运动有很大的影响[7]。因此，不论从确保船的纵向运动稳定性，还是从改善船在波浪中的运动性能来说，必须采用一些措施来保证这两个问题得到解决。至今为止，采用稳定鳍是最好的办法，也是目前研究比较成熟的方法[8]。 3.2.1 纵向运动稳定性方程 为分析SWATH船的纵向运动稳定性，目前都是从纵向运动方程[9]入手。小水线面双体船型为细长体，理论上很适合于用切片法来预报其在波浪中的运动特性，但也有其特殊性，由于水下主体剖面宽度通常为水线宽的2倍左右，剖 5 面垂向振荡的粘性阻尼占很大的比例，因此，运动预报中根据势流理论得到的水动力系数还要附加部分粘性修正项。纵向运动方程中的系数基本上都采用李昌模(Choung M.Lee)改进的切片理论和公式求得，详见参考文献[10]。 3.2.2 纵向运动稳定性判别 由于纵向运动稳定性方程为常系数的齐次线性微分方程组，其特征方程为，为它的四个根。他们可能是实根;也可能是复根，但这必须是成对共轭。特征方程的四个根的形式决定了船在静水中纵向运动的特征及稳定与否。C.M.Lee分析了SWATH的纵向运动方程并给出了纵向运动稳定性判定的罗斯稳定性判定式[10]。董祖舜在C.M.Lee的基础上进一步分析了稳定性判据，提出了适合工程应用的SWATH纵向运动稳定性的简化判据和临界巡航速度计算公式[11]。 3.2.3 纵向运动的三个特征参数 如果 是实部为负的复根，这时船的运动是衰减的自由振荡。从四个 的根，可得到三个重要表征船的纵向运动(垂荡和纵摇)的特征参数，即自然周期、半衰期和阻尼比。由于四组 是由水动力系数决定的，所以小水线面双体船的纵向运动的固有周期、半衰期和阻尼比也决定于上述所列的各水动力系数和恢复力系数。设计时，片体的几何形状和尺度的选取主要不是从满足船的运动特性需要出发，所以裸体小水线面双体船的纵向运动，一般是不稳定的。这就需要采取 6 一些措施来解决，目前主要采取的方法是通过设置合适面积的前后稳定鳍来改变船的水动力系数，从而达到使船具有合适的固有周期、半衰期和阻尼比的值，以提高小水线面双体船在波浪中的运动性能[11]。 3.3 迎浪航行时纵向运动 小水线面双体船在静水中航行时，纵向运动的稳定性由于设置了前后稳定鳍而得到了保证。但应该认识到，它在波浪中运动特性仍是其性能是否优良的一个衡准。而纵向运动性能对于小水线面双体船尤为重要。过大的纵向运动的幅值和运动的加速度将有损船的总的性能指标。因此，设计工作者希望通过设置前后稳定鳍或采取其他措施，不但能保证船纵向运动的稳定性，而且还应能改进船在迎浪航行时的运动性能;进一步还希望通过对前后鳍施加特定的控制，以产生一个与波浪扰动力方向相反的力或力矩，达到消减在波浪中的运动这一目的。 关于船在迎浪航行时纵向运动和运动消减问题，似乎应属于耐波性问题的范畴[12]，但是，这个问题和船在静水中的纵向运动稳定性问题有密切的联系，因此，可以说是船纵向运动稳定性问题的某种延伸。 3.3.1 迎浪航行时纵向运动特性 小水线面双体船迎浪航行时的纵向运动性能是其在波浪中航行性能的一个重要部分。对纵向运动专门进行研究将 7 有助于对船耐波性能的了解;也将有助于从改进船在波浪上的纵向运动性能角度出发来合理选择前后稳定鳍的尺寸。 当船的遭遇频率等于船的固有频率时，船便进入谐摇状态，运动的幅值将达到最大。这时，可能产生尾部螺旋桨出水，首部抨击;同时运动加速度也将可能达到不能接受的量级。所以确定产生谐摇运动的遭遇频率，以及考察谐摇时的运动幅值是一件有意义的工作。但是，从前面的介绍已知，垂荡运动的两个稳定性根是一对共轭复数，其实部和虚部的绝对值分别小于或大于纵摇稳定性根的实部和虚部的绝对值。所以，垂荡运动将具有较小的固有周期和阻尼比，而半衰期则反而较大。这样，小水线面双体船迎浪航行时将更容易产生垂荡的谐摇运动，其运动幅值也较大，而且衰减较慢。船模在波浪上运动实验结果也表明，在实际的波长范围内，首、尾部垂向运动的幅值主要来源于处于谐摇状态下的垂荡运动。 要减小谐摇运动时的运动幅值，目前采用具有一定面积的前后稳定鳍是最好的办法。黄鼎良在这方面做了大量的计算讨论工作[4]。另外，黄鼎良、李向群对小水线面双体船迎浪时纵向运动消减的最优控制问题也做了大量的研究工作[13]。廖铭声对稳定鳍的布置，包括鳍的位置及鳍面积的大小和稳定鳍在迎浪时的控制问题也做了相应的研究与讨论[14]。 8 4 小水线面双体船纵向运动稳定性研究的发展 前面综述了对小水线面纵向运动稳定性研究的现状，目前都是通过设置稳定鳍来解决小水线面纵向运动稳定性及迎浪条件纵向运动性能改善的问题。解决方法比较单一，特别是在迎浪中的纵向运动时，控制鳍的复杂控制系统带来使用维修上的不便，而且效果也不理想。因此，小水线面纵向运动稳定性的研究，特别是对提高纵向运动稳定性的措施应该从更加实用与多样化的角度出发。 4.1 带SSB半潜首的小水线面双体船概念的提出 基于上述原因，我们提出带SSB半潜首的小水线面双体船的概念，如图1所示。以期能更好的解决小水线面双体船的纵向运动稳定性问题。下面从半潜首的基本原理、研究现状及带SSB半潜首的小水线面双体船在纵向运动稳定性方面拟采用的研究方法做简单介绍。 4.2 半潜首(SSB)的研究现状 半潜首(Semi-Submerged Bow，简称SSB)船型是20世纪80年代中期出现，近期得到发展的一种减摇新船型。它作为船舶的一个附体，可有效地减小船舶在风浪中的纵向运动，特别是减小纵摇运动和首部加速度。日本三菱重工首先提出在快速客运小船上设置SSB，并对其做了一系列的理论分析和船模试验[15]。第一艘装有半潜首的渡船已在1986年底进入日本Koun Kaisha公司服务。这艘70客位单体船 9 Sunline以广岛的福山市为基地，开往新居滨的爱媛县港和伊予三岛。该船与其它铝合金单体船的主要区别是在首部下面增加了雪茄形悬体和支柱。其作用是在大浪中减少纵摇、垂摇和横摇运动，允许船在2米高的波浪中继续运送客人并保持相当的高速性能[16][17]。1988年长江船舶设计院、上海船舶运输科学研究院等单位对SSB船型也进行了耐波性方面的系列模型试验研究。之后，黄鼎良对圆舭船型上加装SSB做过水动力计算并与试验结果进行比较。哈尔滨工程大学在尖舭深V船型上加装SSB并对SSB半潜体的形状、大小和相对于主船体的位置进行过理论和模型试验研究[15]。黄鼎良、艾之丹等介绍了半潜首船型耐波性能的理论预报方法，并针对一具体船型计算了半潜首的设置及其形状对运动性能的影响[18]。赵连恩、何义等在穿浪双体船基础上，加装半潜体或带被动式减纵摇鳍的半潜体使其成为消波穿浪多体船，航行性能大大提高[19]，如图3所示。 试验和计算结果均表明:增大半潜体的宽度对减小升沉、纵摇和加速度的幅值均有利;SSB船型对升沉幅值的响应，短波时低于无SSB的常规船型，而在长波时则相反;SSB带有固定减摇鳍的对减纵摇和升沉的效果最好;改变SSB的浸水深度对减小船的剩余阻力有明显的效果，但对运动性能影响不大[14]。 4.3 拟采用的研究方法 10 上一节中提到对于常规单体船和穿浪双体船，国内外学者有过基本的研究与实验， 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了半潜首在船体纵向运动方面的作用。由于本文是首次提出在小水线面双体船上加装半潜首，来优化小水线面双体船的纵向运动稳定性问题，特别是对在迎浪时的纵向运动的改善，国内外对于此种情况的研究基本属于空白，也没有相关的理论可以直接应用或借鉴。所以我们可以首先运用数值模拟的方法，通过相关的CFD软件或者编程来计算半潜首对于小水线面双体船纵向运动的作用，对比设置半潜首和没有设置半潜首情况下，船体的运动特点，以及半潜首的布置情况(大小、位置等)对于小水线面双体船运动的改善作用。当然，仅仅采用数值模拟的方法是没有足够的可信度的，毕竟数值模拟的情况跟实际状况有很大的不同，为此，接下来我们可以进行船模实验，船模实验是研究船舶各项性能的最有效的手段之一。船模实验的数据和数值模拟的数据进行对比，这样就能得到更加令人信服的结果。同时，在相关的理论计算方面，可以通过已有的对于在常规单体船设置半潜首减少纵向运动的原理[16]的基础上做进一步的讨论与计算。 5 结语 小水线面双体船纵向运动稳定性问题主要包括下面几个方面: (1)纵向运动失稳的原因，水动力纵倾力矩与航速和 11 纵倾角之间的关系; (2)纵向运动稳定性方程的求解; (3)由纵向运动稳定性方程判定小水线面纵向运动的稳定性; (4)为了保证小水线面纵向运动稳定性及迎浪时纵向运动性能的改善，采用包括稳定鳍或者其他措施的方法。 对于前三个问题，目前国内外学者已经做了大量的理论推导和试验工作，基本形成了比较成熟的理论。对于最后一个问题，也是解决小水线面双体船纵向运动稳定性问题的最终目标，目前研究主要集中在稳定鳍的设置及控制方面，方法单一且控制操作比较复杂。我们可以考虑从其他方面入手，寻求问题解决的多样性和易操作性，本文最后提到的带SSB半潜首的小水线面双体船就是一个比较大胆的尝试，但是需要做的工作还有很多，包括理论方面的支持及模型的验证等。 参考文献 [1] 于洋， 洪碧光， 魏云雨， 小水线面双体船综述， 航海技术， 2001.06 [2] 林政， 毛筱菲， 小水线面双体船的纵向运动稳定性研究， 船海工程 2010. 02 [3] 徐蓉， 小水线面双体船方案设计及稳性研究， 上 12 海交通大学， 2005 [4] 黄鼎良， 小水线面双体船性能原理， 国防工业 出版社 [5] Lee C M and Murray L O， Experimental Investigation of Hydrodynamic Coefficients of a Small Water-plane Area Twin ,Hull， U.S. Government Report， AD-AO-35808， 1972 [6] Chapman R B， Sinkage and Trim of SWATH Demihulls， Proceeding of AIAA/ SNAME Advanced Marine Vehicles Conference， 1974， AIAA and SNAME， San Diego (California): [s. n.]， 1974 [7] 邵优华， 大型小水线面双体船纵向运动稳定性及 纵向运动分析， 船 舶， 2011， 06 [8] Huang D L and Lie X Q， On the determination of Size of Stabilizing Fins for SWATH Ships， Proceeding of International Samposium on Ships of High performance， 1988， Shanghai， CSNAME， 1988 [9] 刘志华， 董文才， SWATH船纵向运动性能分析， 13 海军工程大学学报， 2004. 12 [10] C. M. Lee and Curphey R.M， Prediction of Motion， Stability and Wave Load of Small-Water-Plane-Area Twin-Hull Ships， SNAME Transactions， 1977， (85):94-130 [11] 董祖舜， 董文才， 小水线面双体船纵向运动稳定性的简化判定及分析 [J]， 中国造船， 1994， (41): 36,48 [12] 陈锐， 谢伟， 小水线面双体船耐波性预报， 中国舰船研究， 2008.02 [13] 黄鼎良， 李向群， 小水线面双体船纵向运动的控制， 大连工学院学报， 1987， 26(4): 85,91 [14] 廖铭声， 小水线面双体船稳定装置， 舰船科学技术， 1981， 7: 1,10 [15] 赵连恩， 韩端锋， 高性能船舶水动力原理与设计， 哈尔滨工程大学出 版社， 2007 [16] First Semi-submerged Bow Ferry Delivered， High-speed Surface Craft， 14 Vol.26， No.2， March， 1987 [17] 玉民， 第一艘半潜渡船， 江苏船舶， 1988，(02) [18] 黄鼎良， 艾之丹， 邢殿录， 半潜首船型耐波性能研究， 中国造船， 1992， (01) [19] 赵连恩， 何义， 李积德， 邹劲， 贾国志， 穿浪多体船运动性能研究， 中国 造船， 1997 百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网92to.com,您的在线图书馆 15