五體船型的性能與載荷研究.pdf

1、五體船是最新的船型之一，已有的多方面研究顯示它具有優(yōu)良的性能和廣闊的應(yīng)用前景。特殊的船型為其帶來(lái)了性能上的優(yōu)勢(shì)，也帶來(lái)了設(shè)計(jì)研究上的難度。本文針對(duì)五體船的特點(diǎn)，對(duì)其性能、載荷等方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，并初步探討了特殊五體船型。 1．采用靜力學(xué)方法進(jìn)行了五體船完整穩(wěn)性的專(zhuān)門(mén)研究，在三體船基礎(chǔ)上推導(dǎo)了五體船的大傾角穩(wěn)性公式，并分析了幾種情況下的簡(jiǎn)化公式，計(jì)算比較了三體船和五體船的大傾角穩(wěn)性，分析了側(cè)體橫向位置、垂向位置對(duì)復(fù)原力臂曲

2、線(xiàn)的影響。 2．首次進(jìn)行了五體船破艙穩(wěn)性的定量分析。采用損失浮力法計(jì)算了五體船的破艙穩(wěn)性；比較了三體船與五體船的破艙穩(wěn)性特性，分析了五體船側(cè)體橫向位置、縱向位置、側(cè)體大小等因素對(duì)全船破艙穩(wěn)性的影響。 關(guān)鍵性結(jié)論包括：五體船破艙穩(wěn)性性能優(yōu)于三體船，側(cè)體橫向位置遠(yuǎn)離主體、后側(cè)體縱向位置靠近船舯、后側(cè)體較大時(shí)破艙穩(wěn)性性能較好。 3．通過(guò)試驗(yàn)途徑研究了五體船的阻力性能特性，以及五體船后側(cè)體型線(xiàn)形式、位置改變、對(duì)稱(chēng)形式、排

3、水量改變、長(zhǎng)寬比改變對(duì)阻力的影響。 試驗(yàn)中曾對(duì)后側(cè)體采用了較深的方尾，但出現(xiàn)了嚴(yán)重的“雞尾”現(xiàn)象，通過(guò)修改型線(xiàn)使方尾變淺，型線(xiàn)過(guò)渡平滑，大大降低了總阻力。這是本文的意外發(fā)現(xiàn)。 后側(cè)體的長(zhǎng)寬比、前側(cè)體有無(wú)吃水等因素是首次考慮；并首次嘗試降低后側(cè)體排水量以使總阻力降至極低(由三體船中的3～4％降至本次試驗(yàn)中的1.3％)。 為了考察五體船阻力的預(yù)報(bào)方法，本文采用了SHIPFLOW計(jì)算了興波阻力，它采用嚴(yán)格滿(mǎn)足非線(xiàn)性自由

4、面條件的Rankine源法計(jì)算了興波阻力。采用ITTC-1954公式計(jì)算摩擦阻力，采用經(jīng)驗(yàn)公式從試驗(yàn)結(jié)果換算興波阻力系數(shù)。采用試驗(yàn)和理論對(duì)比的方法，證明了非線(xiàn)性興波理論在五體船側(cè)體位置優(yōu)化中的適用性。 4．在縱向(迎浪)運(yùn)動(dòng)中，針對(duì)五體船型的特點(diǎn)，首次將一種用于單體船大幅度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)的工程算法引入五體船運(yùn)動(dòng)計(jì)算，并取得了成功。本方法基于STF切片理論，計(jì)入船體運(yùn)動(dòng)時(shí)濕表面的變化及其對(duì)船體流體動(dòng)力性能的影響，水動(dòng)力系數(shù)和波浪力等均取

5、瞬時(shí)值，采用四階龍格-庫(kù)塔法對(duì)運(yùn)動(dòng)微分方程求解。 首次采用本理論分析了五體船縱向運(yùn)動(dòng)中的非線(xiàn)性特征，采用隨機(jī)波方法考察了五體船縱向運(yùn)動(dòng)的非線(xiàn)性特征；采用試驗(yàn)方法比較了三體船和五體船的波浪增阻的特征；比較了三體船和五體船的縱向運(yùn)動(dòng)特征；得到了前側(cè)體位置對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)影響的一系列結(jié)論。 關(guān)鍵性結(jié)論包括：垂蕩運(yùn)動(dòng)非線(xiàn)性特征明顯、縱搖運(yùn)動(dòng)不明顯；低速下五體船波浪增阻特性?xún)?yōu)于三體船、高速下遜于三體船；中頻區(qū)五體船運(yùn)動(dòng)幅度小于三體船；前

6、側(cè)體位于船中時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響已經(jīng)不大，位于船首、位置較低時(shí)對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)作用較大。 五體船與三體船的橫搖運(yùn)動(dòng)也通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)三體船的橫搖優(yōu)于五體船。 鑒于五體船的特殊性，有必要建立船體橫搖運(yùn)動(dòng)的理論預(yù)報(bào)模型。本文首次采用勢(shì)流理論和經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方法建立了橫搖運(yùn)動(dòng)模型。 5．根據(jù)五體船的特點(diǎn)，提出了一種新的縱向運(yùn)動(dòng)非線(xiàn)性水彈性分析的工程算法。 首先在干模態(tài)分析中仍然將船體視為鐵木辛柯梁，流體作用力采

7、用原始切片理論得到，最終得到一個(gè)形式與線(xiàn)性水彈性相近、關(guān)于各階主坐標(biāo)的微分方程組，各剛度矩陣、廣義質(zhì)量矩陣、廣義阻尼矩陣、波浪力矩陣均取瞬時(shí)值。微分方程采用四階龍格-庫(kù)塔法求解。在船體外力中還計(jì)入了外飄砰擊力的影響。并對(duì)靜水力作了一種新的處理方法。將在剛體模態(tài)下計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與耐波性試驗(yàn)結(jié)果做了比較，證明了計(jì)算程序的可靠性。 對(duì)船體波浪彎矩進(jìn)行的計(jì)算分析得到一系列關(guān)鍵結(jié)論包括：在中低頻下，五體船相對(duì)三體船船中彎矩幅值明顯增大