雙體小水線面水翼復合型高速船（HYSWATH）概念設計與性能研究.pdf

1、雙體小水線面水翼復合型高速船(HYSWATH)是為了改善小水線面雙體船(SWATH)在高速領域的運動性能而提出來的新船型。在SWATH兩個片體之間的前后設置水翼，用水翼動升力代替部分靜水浮力，相應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。適當選擇前后水翼面積比、設置位置和攻角等水翼參數(shù)，使由兩個水翼所產(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。論文結合HYSWATH

2、的幾何及運動特性，從概念設計的角度出發(fā)，給出了一型HYSWATH的設計方案，在經(jīng)典船舶運動性能理論的基礎上，初步探討了HYSWATH的阻力、耐波性和運動穩(wěn)定性的理論計算方法，并與模型試驗的結果進行比較，為今后HYSWATH初步設計時估算運動性能提供了一定的理論基礎。 一、HYSWATH船型設計研究基于切比雪夫多項式，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單方法。并應用本方法設計了靜排水量

3、為400噸的HYSWATH水下型線。通過對世界各國建造和設計的73艘SWATH的統(tǒng)計分析，確保主要尺度參數(shù)之間的關系，從而提高了本方法的實用性和型線生成效率。同時討論了主要設計參數(shù)對HYSWATH型線的影響規(guī)律，結果表明： (1)設計參數(shù)都有最佳變化范圍，使支柱水線曲線上不出現(xiàn)負值，也不出現(xiàn)波動。一般，支柱形狀對設計參數(shù)的變化很敏感，較容易出現(xiàn)負值或波動，而在主體橫剖面曲線上，很少出現(xiàn)負值和波動。 (2)所有設計參數(shù)可分

4、為三類：只對支柱的形狀變化有影響的參數(shù)；只對主體的形狀變化有影響的參數(shù)；對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算公式，并在此基礎上討論HYSWATH處于翼航狀態(tài)時吃水和縱傾角的計算方法，形成了計算HYSWATH翼航狀態(tài)阻力的方法。為驗證本文提出的阻力計算方法的正確性，調(diào)整升力與浮力比為零，計算HYSWATH的興

5、波阻力，與SWATH模型剩余阻力試驗結果進行比較，并將總阻力的理論計算結果與HYSWATH模型試驗結果進行比較。同時討論了升力浮力比、水翼攻角、水翼設置位置和船體重心位置等參數(shù)對HYSWATH阻力性能的影響，得出了以下結論： (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，往前移動前水翼可使船體的總阻力減??； (3)船體重心縱向位置變化對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)的運動姿態(tài)。 三、HYSWATH垂蕩和縱搖運動性能研究在前人關于小水線面雙體船和水翼艇耐波性計算方法的基礎上，結合HYSWA

7、TH的運動性能，對重心不在坐標原點的一般情況，推導HYSWATH縱向運動方程式，并給出該船在規(guī)則波中作振蕩運動時垂蕩和縱搖運動性能的計算方法。 本文做了HYSWATH船模迎浪試驗，并與理論計算結果進行比較。對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，計算其縱向運動特性值并與SWATH模型試驗結果進行比較，由此間接評價本方法的可靠性。同時，將頻率響應函數(shù)與兩參數(shù)的JONSWAP譜結合

8、，預報其在不同海況下航行時的運動特征統(tǒng)計值： (1)HYSWATH在不規(guī)則波浪中迎浪航行時，有一速度范圍，使垂蕩較小，而且對縱搖運動也有一速度范圍，且這兩個速度范圍都在高速航區(qū)，因此HYSWATH的高航速運用無論對垂蕩運動還是對縱搖運動都有利。 (2)HYSWATH迎浪航行時，無論垂蕩運動還是縱搖運動都比隨浪安全。 (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縱向運動統(tǒng)計值的影響。 四、HY

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

10、對HYSWATH小擾動縱向運動方程，推導了穩(wěn)定性特征方程及各項系數(shù)，并且結合HYSWATH的運動及幾何特征和理論計算結果，進行了HYSWATH縱向穩(wěn)定性判據(jù)的簡化。 (2)計算分析了前后水翼面積比和船體重心高度的變化對縱向運動穩(wěn)定性的影響。 (3)通過船模試驗驗證了理論計算方法的準確性，從理論和試驗兩方面證明了HYSWATH在高速航區(qū)的運動是穩(wěn)定的。 五、HYSWATH模型試驗研究論文對一型采用非自控組合水翼系統(tǒng)

11、的HYSWATH-400方案的1：20模型進行了阻力、耐波性和運動穩(wěn)定性三方面的試驗研究工作，得出了以下幾點結論： (1)前水翼的位置往前移動能使HYSWATH很快度過過渡狀態(tài)，有利于在整個速度范圍內(nèi)，尤其是在過渡狀態(tài)附近改善該船的阻力性能。 (2)前水翼的攻角減小時，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，說明采用非自控組合水翼系統(tǒng)可以保證HYSWATH船