双体小水线面水翼复合型高速船（HYSWATH）概念设计与性能研究

摘要

双体小水线面水翼复合型高速船(HYSWATH)是为了改善小水线面双体船(SWATH)在高速领域的运动性能而提出来的新船型。在SWATH两个片体之间的前后设置水翼，用水翼动升力代替部分静水浮力，相应减小片体的排水体积、湿表面积、兴波阻力和摩擦阻力，从而提高了SWATH的航速。适当选择前后水翼面积比、设置位置和攻角等水翼参数，使由两个水翼所产生的力矩能够克服Munk力矩的作用，则保证HYSWATH在高速区域的安全航行。论文结合HYSWATH的几何及运动特性，从概念设计的角度出发，给出了一型HYSWATH的设计方案，在经典船舶运动性能理论的基础上，初步探讨了HYSWATH的阻力、耐波性和运动稳定性的理论计算方法，并与模型试验的结果进行比较，为今后HYSWATH初步设计时估算运动性能提供了一定的理论基础。 一、HYSWATH船型设计研究基于切比雪夫多项式，从HYSWATH主体及支柱特征出发，提出一种生成支柱水线和主体横剖面面积曲线的简单方法。并应用本方法设计了静排水量为400吨的HYSWATH水下型线。通过对世界各国建造和设计的73艘SWATH的统计分析，确保主要尺度参数之间的关系，从而提高了本方法的实用性和型线生成效率。同时讨论了主要设计参数对HYSWATH型线的影响规律，结果表明： (1)设计参数都有最佳变化范围，使支柱水线曲线上不出现负值，也不出现波动。一般，支柱形状对设计参数的变化很敏感，较容易出现负值或波动，而在主体横剖面曲线上，很少出现负值和波动。 (2)所有设计参数可分为三类：只对支柱的形状变化有影响的参数；只对主体的形状变化有影响的参数；对支柱和主体的形状变化有影响的参数。 二、HYSWATH阻力性能研究分析双体小水线面水翼复合型高速船(HYSWATH)的阻力变化规律，给出此船型各阻力成分的计算公式，并在此基础上讨论HYSWATH处于翼航状态时吃水和纵倾角的计算方法，形成了计算HYSWATH翼航状态阻力的方法。为验证本文提出的阻力计算方法的正确性，调整升力与浮力比为零，计算HYSWATH的兴波阻力，与SWATH模型剩余阻力试验结果进行比较，并将总阻力的理论计算结果与HYSWATH模型试验结果进行比较。同时讨论了升力浮力比、水翼攻角、水翼设置位置和船体重心位置等参数对HYSWATH阻力性能的影响，得出了以下结论： (1)在不同航速阶段，船体的总阻力随升力浮力比的变化规律不同：船体的总阻力在高速航区随升力浮力比的增大而减小，在中、低速航区，随升力浮力比的增大而增大； (2)水翼位置的变化对HYSWATH翼航姿态(纵倾角和吃水)和总阻力的影响很大。在后水翼的位置固定的情况下，往前移动前水翼可使船体的总阻力减小； (3)船体重心纵向位置变化对HYSWATH翼航姿态和阻力性能的影响取决于船体浮心纵向位置； (4)适当选择船体重心纵向位置，在保持船体阻力性能不变的条件下，可以改善HYSWATH在中低速航区的运动姿态。 三、HYSWATH垂荡和纵摇运动性能研究在前人关于小水线面双体船和水翼艇耐波性计算方法的基础上，结合HYSWATH的运动性能，对重心不在坐标原点的一般情况，推导HYSWATH纵向运动方程式，并给出该船在规则波中作振荡运动时垂荡和纵摇运动性能的计算方法。 本文做了HYSWATH船模迎浪试验，并与理论计算结果进行比较。对于其它浪向角的航态，调整升力浮力比为零并用稳定鳍代替水翼，使HYSWATH成为SWATH，计算其纵向运动特性值并与SWATH模型试验结果进行比较，由此间接评价本方法的可靠性。同时，将频率响应函数与两参数的JONSWAP谱结合，预报其在不同海况下航行时的运动特征统计值： (1)HYSWATH在不规则波浪中迎浪航行时，有一速度范围，使垂荡较小，而且对纵摇运动也有一速度范围，且这两个速度范围都在高速航区，因此HYSWATH的高航速运用无论对垂荡运动还是对纵摇运动都有利。 (2)HYSWATH迎浪航行时，无论垂荡运动还是纵摇运动都比随浪安全。 (3)分析了不同海况、波浪的不同发展阶段和不同升力浮力比对纵向运动统计值的影响。 四、HYSWATH运动稳定性研究随着航速的增加，Munk力矩的迅速增大是HYSWATH纵向运动失稳的主要原因。HYSWATH在翼航状态航行时，随着航速的增加吃水减小，翼航排水体积减小，一方面使垂荡运动附加质量减小，因此Munk力矩的增加没有SWATH那么快，有利于HYSWATH纵向运动的稳定性，但另一方面又使船体的恢复力矩减小，是不利于HYSWATH纵向运动稳定性的。 论文在HYSWATH的运动稳定性方面主要研究了以下几个问题：(1)针对HYSWATH小扰动纵向运动方程，推导了稳定性特征方程及各项系数，并且结合HYSWATH的运动及几何特征和理论计算结果，进行了HYSWATH纵向稳定性判据的简化。 (2)计算分析了前后水翼面积比和船体重心高度的变化对纵向运动稳定性的影响。 (3)通过船模试验验证了理论计算方法的准确性，从理论和试验两方面证明了HYSWATH在高速航区的运动是稳定的。 五、HYSWATH模型试验研究论文对一型采用非自控组合水翼系统的HYSWATH-400方案的1：20模型进行了阻力、耐波性和运动稳定性三方面的试验研究工作，得出了以下几点结论： (1)前水翼的位置往前移动能使HYSWATH很快度过过渡状态，有利于在整个速度范围内，尤其是在过渡状态附近改善该船的阻力性能。 (2)前水翼的攻角减小时，在高航速区域总阻力下降。 (3)HYSWATH模型从体航到起飞、翼航不同航行状态的纵倾角比较小，说明采用非自控组合水翼系统可以保证HYSWATH船型整个航行过程的浮态。 (4)该船的耐波性能很好，迎浪航行时在整个波长范围内，垂荡响应不超过1.2，纵摇响应不大于0.4。 (5)HYSWATH-400模型的翼航状态运动稳定性很好，不仅对小扰动运动，甚至对大幅度扰动具有位置稳定性。前水翼对船中形成的力矩是保证位置稳定性的重要因数。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章HYSWATH型线设计

第三章HYSWATH船阻力性能研究

第四章HYSWATH垂荡和纵摇运动性能研究

4.1引言

4.2 HYSWATH在波浪上运动方程

4.3 HYSWATH在不规则波中的运动

4.4 HYSWATH垂荡和纵摇计算实例

4.5本章小结

第五章HYSWATH纵向运动稳定性研究

第六章HYSWATH模型试验研究

第七章HYSWATH概念设计

第八章总结与展望

参考文献

致谢

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