36英尺动力双体船水翼的开发与优化

摘要

水翼双体船是一种在船体两侧加设一个或者多个水翼的双体船，其目的是利用这两个部分的水翼来降低油耗。双体船的主要优点在于它的稳性，而水翼的作用主要是强调降低船舶阻力从而降低推进油耗。为了展示水翼双体船工艺的优势，坐落于中国杭州市富阳地区的浙江杭州华鹰游艇有限公司(SEY)对于应用于他们公司还没有下水的新产品“Aquila36(A36)”产生了兴趣。与常规船体相比，其阻力的减小可以看出在该系统开发应用是成功的。因此，在本研究中将裸船体的A36水动力学性能以及阻力预测和装有水翼的A36进行了探究和对比分析，展现了A36水翼辅助双体船的几种形态并且探究其最佳优化形态。此外，为了在此系统的开发中给出更多的细节分析，研究还将通过改变船体的水动力性能、结构、稳定性和运动来对比分析阻力。因此，本论文的主要目的是研究这些影响因素并且提出A36水翼辅助双体船的最佳优化设计。研究的手段主要有理论分析、理论数值计算和实船实验，这些方法的每一种计算结果都得到相互验证。
　　在本研究中，相关技术难点解决方案如下:
　　(1)在考虑到船级社设计规范条件下，设计并改善A36双体船以提高其水动力性能;
　　(2)设计水翼系统，并根据分类要求进行结构设计;
　　(3)通过使用理论分析和数值计算方法研究裸船的水动力性能，稳定性和操纵性以及有水翼辅助情况下双体船的几种性能参数;
　　(4)使用计算流体动力学(CFD)分别对A36双体船船体以及A36双体船水翼进行数值分析和阻力预报;
　　(5)实船实验，包括编制试验大纲、实施细则和评判标准等/
　　在项目研制过程中，采用了相关的分析手段，包括结构强度方面的分析设计、水翼水动力性能方面的分析设计、以及实船实验前的水动力性能预报分析等。
　　(1)使用商业软件Rhinoceros4.0，AutoCAD，solidworks2014和maxsurf20v8.0的双体船船体和水翼的计算辅助设计(CAD)。船体和水翼设计应参照分类规则以满足安全要求。
　　(2)通过计算和理论的方法来分析船体静水压，阻力，稳定性，水翼力（升力和阻力）和结构强度。通过使用与A36裸船双体船相同的方法研究A36水翼双体船。
　　(3)通过优化水翼的升力和阻力来确定水翼配置。在船艏和船艉的水翼上设置一些迎角(AOA)的变化。然后组合并优化每个水翼中的每个迎角(AOA)提升力以获得若干水翼配置，这些配置在本研究中进一步评估。
　　(4)结合双体船船体和水翼设计，完成了天鹰座36水翼辅助双体船的设计。此外，该设计通过使用计算和理论方法来进行分析以获取其阻力，运动预测和稳定性。
　　(5)通过使用CFD对裸船双体船和水翼辅助双体船的阻力预测进行仿真和对运动性能进行了防震预报。
　　(6)根据设计阶段结果，完成船体和水翼的制造，将水翼安装到船中，调整水翼迎角(AOA)，然后进行船试。我主要完成的船舶运动相关的工作，例如在海试过程中记录船速，传播姿态，稳定性，阻力等数据，海试后相关数据的分析和计算也都是由我来完成的。
　　这篇论文的第一部分设计了Aquila36双体船船体和水翼结构。首先分别调查了船体和水翼的资料，然后使用前述的方法研究了双体船船体和水翼的结构。之后，通过比较结果来发现影响水翼效率的因素。在本项目中用NACA Foil16309作参考水翼。首先，从理想的船体中收集数据作为水翼设计的参考，例如速度计划和船体几何形状，然后选择水翼的构造。通过计算平衡力矩来确定水翼在船体上的定位或布置。在通过迭代优化方法，例如AOA，计算出若干参数，确定了水翼放置位置和负载之后，水翼的形状就确定下来了。假定水翼升高等于船舶重量，并参考标准的鸭翼结构，确定A36双体船的水翼布置在船尾翼的后垂直(AP)处，一对弓翼布置在前船尾翼的7.4m处。
　　通过改变不同优化了的水翼升阻值和不同大小的水翼攻角确定了不同的实验组，分别为实验1（船艉攻角=-0.4度，船艏攻角=1.4度），实验2（船艉攻角=-0.2度，船艏攻角=1度），实验3（船艉的攻角=0.2度，船艏的攻角1.5度），实验4（船艉的AOA=0.4度，船艏=1.5度）。在最大设计航速（40节）时，实验1的升力为8.51吨，实验2为8.25吨，实验3为10.3吨，实验4为10.8吨。实验1和实验2产生了和船体排水量接近的升力，8.1吨。然而，当速度超过大约35节时，实验3和实验4产生的升力才大致等于船体的排水量，因为它们更早地进入了滑行阶段。
　　在本实验中，水翼船的材料采用不锈钢316L。不锈钢316级是标准的钼轴承级，与其他标准级相比具有更好的耐腐蚀性。不锈钢316L是316的低碳版本，不受晶粒边界碳化物析出的影响。因此，这种材料非常适用于像水翼结构这样的大规模焊接部件，该材料的拉伸和屈服极限分别为485MPa和170MPa。
　　本文运用ANSYS软件分析水翼双体船结构强度，其结果与船级社要求值具有良好的一致性。就形变量而言，最大的变形量发生在艏水翼的左右尖端处，变形0.322mm;然而船艉水翼的最大变形量在水翼的中部有1.636mm。最大位移小于每个水翼长度的0.1％。这种条件意味着变形可以在很大程度上被忽略，或者说这种变形量不会通过升力函数影响水翼性能。就应力分析而言，艏水翼的最大von-mises应力为13.8MPa，出现在水翼的中间，支柱和水翼的交接处。船艉最大压应力也出现船艉水翼支柱交接处，其值为70MPa。船艏艉最大应力值均不超过材料屈服极限170MPa，因此，水翼具有足够的安全性用以安装并用作船只辅助。计算水翼统部件之间的螺栓连接，其中船艏艉水翼的最大正应力为0.38MPa和24.125MPa，最大允许应力为170MPa。此外，船艏艉水翼的最大剪切应力为20.456MPa和18.784MPa，最大允许应力为87.5MPa。这些值也不超过其最大允许应力。
　　水翼稳定性考虑了hull-borne，transitional和foil-borne模式。首先通过Maxsurf Stability.计算得到双体船船体稳定性，其结果就等效于hull-borne，模式稳定性。比照船级社相关标准，A36船体就hull-borne，模式，满足所有标准。从型变量模式获得的扶正杆(GZ)然后用作计算foil-borne GZ的参考。然而，在将结果与hull-borne模式进行比较之后，即使实际值低于船载模式，foil-borne也显示出良好的稳定性。最大GZ高度为1.08米，从hull-borne模式减少约0.16米。
　　首先，通过使用理论和计算相结合的方法，使用Maxsurf阻力进行阻力分析。对于双体船船体阻力或无船翼船舶，结果表明通过采用2×300HP外置发动机作为其总电阻为13.823KN的主推进系统的，其最大速度将达到约30节(625HP)。A36水翼双体船的阻力通过使用船的位移减去每个速度上的翼板升力获得的吃水深度测量来近似。A36水翼双体船在最大设计速度为40节的情况下，每种配置构造的阻力分别如下，构造1为6.737KN，构造2为6.037KN，构造3为7.337KN，构造4为7.488KN。然后将结果绘制成阻力图，以便进行不同构造，双体船船体阻力和典型的水翼辅助阻力之间的比较。一般来说，所有A36水翼双体船构型的阻力图显示的内容与典型工艺相同。最佳阻力发生在Fn▽2-3附近。在使用这个比较后，结果显示出了与以前的实验工作的一致性。构造1示出了与构造2类似的趋势，而构造3显示出了与构造4类似的趋势。当构造3和4的总阻力减小并且构造1和2增加时，在高Fn▽处发生差异。发生这样的情况是因为构造3和4在较高速度下具有过大的提升力，导致移出水面的不仅有船体，还有水翼结构。由于阻力成分减少导致总阻力减小，在此种情况下减少的是粘性阻力。水翼因此失去其提升力，这使得船体回到水中且阻力再次增加。此外，构造2示出了可以被认为是通过使用该方法实现的最佳配置的最低电阻。
　　进行CFD评估以预测头波中的阻力和运动，仅限于下沉和修整行为。通过使用六自由度(6DoF)模块并应用于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程，采用超网格方法来预测船运动。剪切应力传递(SST)k-6ω湍流模型用于计算湍流粘度。水-空气界面由一定体积的流体(VOF)捕获。RANS方程由有限体积法(FVM)求解。模拟的结果表明，配置2是最好的配置，并使得最低总电阻为6.28kN，在CFD模拟的最大速度为40节。
　　然后进行全尺寸试验或船试验以验证理论计算方法和CFD结果，主要用于运动和电阻，并且结果显示了彼此的一致性。在本研究中使用的所有方法显示，A36水翼辅助双体船的配置2提供更好的性能和效率。总之，本研究的主要目的是建议使用A36水翼辅助双体船的配置2作为最合适和最佳的配置。

目录

声明

ACKNOWLEDGEMENTS

ABSTRACT

摘要

TABLE OF CONTENTS

1．INTRODUCTION

1．1 Background and Significance

1．2 Previous Work

1．2．1 Global Research on Hydrofoil Assisted Catamaran

1．2．2 Domestic Research of Hydrofoil Assisted Catamaran

1．3 Research Objectives and Technical Difficulties

1．4 Research Content

1．5 Chapter Summary

2．HYROFOIL THEORY AND DESIGN ANALYSIS

2．1 Introduction

2．2 Boats Resistance Theory

2．2．1 Planing Catamaran Hull

2．2．2 Hull Resistance

2．2．3 Slender Body Theory

2．3 Design Flowchart

2．4 Hull-form Design and Development

2．4．1 Aquila 36 Hull Design

2．4．2 Aquila A36 Hull Production

2．5 Hydrofoil Assisted Catamaran Principle

2．5．1 Introduction

2．5．2 Hydrodynamics of Hydrofoil Assisted Catamaran

2．5．3 Foil Lift

2．5．4 Foil Drag

2．5．5 Effect of Struts，Sweep and Dihedral

2．5．6 Take-Off

2．5．7 Hydrofoil Configurations

2．6 Hydrofoil Design and Development

2．6．1 Hydrofoil Design

2．6．2 Hydrofoil Material and Stmctural Considerations

2．6．3 Hydrofoil Installation

2．7 Hydrofoil Craft Stability

2．7．1 Introduction

2．7．3 Transitional and Foil Borne Modes

2．8 Chapter Summary

3．COMPUTATIONAL ANALYSIS

3．1 Introduction

3．2 Hull Assessment using Maxxurf

3．3 Motion and Resistance Prediction using Computational Fluid Dynamics(CFD)

3．3．1 Turbulence Model

3．3．3 Fluid-Structure Intemction(FSI)

3．3．4 The Finite Volume Method

3．3．5 Computational Setup

3．4 Chapter Summary

4．BOATS TRIAL

4．1 Introduction

4．2 Trial Configuration，Setup and Procedure

4．3 Dcjtelmaining Resistance Value

4．4 Valiclarion

4．5 Chapter Summary

5．RESULTS AND DISCUSSION

5．1 Hull Hydrostatics

5．2 Hydrofoil Forces and Configuration

5．3 Hydrofoil Strength Analysis

5．3．1 Displacement Analysis Results

5．3．2 Stress Analysis Results

5．3．3 Bolt Connection Strength Calculation

5．4 Resistance Analysis

5．4．1 Bare Hull Resistance

5．4．2 Hydrofoil Assisted Catamaran Resistance

5．4．3 Hydrofoil Efficiencies

5．5 Hydrofoil Stability Assessment

5．5．2 Transitional and Foil Borne Modes

5．6 CFD Simulation

5．6．1 Bare Hull Resistance and Motion Prediorion

5．6．2 Hydrofoil Assisted Catamaran Resistance and Motion Prediction

5．7 Boat Trial Result and Validation

5．7．1 A36 Bare Hull Trial results

5．7．2 A36 Hydrofoil Assistod Catamaran Trial Results

5．8 Determining Best Foils Configuration

5．9 Chapter Summary

6．1 Conclusion

6．2 Recommendation for Future Works

REFERENCE

APPENDIX

BIOGRAPHY