高速无人滑行艇的方案设计与耐波性分析毕业设计论文.docx

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高速无人滑行艇的方案设计与耐波性分析毕业设计论文

本科毕业论文

高速无人滑行艇的方案设计与耐波性分析

Theprogramdesignandanalysisofseakeepingofhigh-speedplaninghulls

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

摘要

滑行艇可用于巡逻艇、垂钓艇、救护艇、娱乐艇及体育竞技艇。

滑行艇在高速滑行时，其重量主要由水升压力载荷支撑，其流体动力特性与常规排水量船（艇）具有显著的差别。

高速滑行艇的阻力特性计算及耐波性分析，对于提高滑行艇动态稳定性具有十分重要的意义。

本文在研究分析高速滑行艇基本性能，解析各船型要素对高速滑行艇运动特点的影响。

利用Maxsurf软件对其在实际流体中的受力进行分析，从而得出比较合理的船型（滑行面形状）要素。

在模型建立的基础上研究其受波浪作用下的阻力特征，得出各项航海性能的特点。

由于高速艇的正常工作状态为高速行驶状态，本文重点研究其在高速航行时于复杂海况下的运动，借以分析船型要素对其耐波性的影响。

如在特定航速下，限定入波角，研究各波形、波速对船舶的影响等。

关键词：

滑行艇，高速，maxsurf，耐波性

Abstract

.Planinghullscanbeusedforpatrolboats,fishingboats,ambulanceboats,recreationalboatsandsportsboats.Whenatahighspeedtaxiway,theweightloadofplaninghullsmainlybywaterpressuresupport,andhaveasignificantdifferencewithhydrodynamiccharacteristicsoftheconventionaldisplacementvessel（boat）.Resistancecalculationandanalysisofseakeepingofhigh-speedplaninghullsisveryimportantforimprovingthedynamicstability.

Inthisarticle,basicontheanalysisofhigh-speedplaninghullsperformance,Analysisofelementsofthetypeofhigh-speedplaninghullsofthecharacteristicsoftheimpactofmovement.UseMaxsurfsoftwareintheactualfluidforceanalysis,toarriveatamorereasonabletype（theshapeofslidingsurface）elements.Inthemodelbasedonthestudybythewaveresistancecharacteristicsunder,cometothecharacteristicsofthenavigationperformance.Asaresultofhighspeedcraftforthenormalworkingstateofastateofhighspeed,thisarticlefocusesonhigh-speednavigationincomplexseaconditionsinthecampaigntoanalyzetheelementsofitstypeimpactSeakeeping.Justinaparticularspeed、theangleintothewavestostudythewave,velocityoftheshipandsoon.

Keywords:

Planinghulls,High-speed,maxsurf,Seakeeping

第一章绪论

1.1世界各国研究现状

目前，加拿大国防研究开发部达特茅斯实验室的科学家成功研制一种水下小型侦察滑行艇，这种滑行艇装备扩音器可在水下记录水面舰船的航行状况。

它可通过人造卫星电话传输系统将侦获情报传送，可对任何类型的艇船进行侦察。

澳大利亚国防科技机构的科学家已经开发出一种革命性的滑行艇设计。

该设计以翼载水翼艇概念为基础，可使滑行艇的速度两倍于风速。

预计该设计的国防应用包括用于轻型无人航行器的飞行翼和用于高速海军舰艇的水翼艇。

这种设计的布置可完全将船体托离水面，仅保留水翼浸没在水中。

飞行翼、船体和水翼的相对位置据说是固定的，从而避免了由于飞行翼升力的增加而导致的船体倾覆。

华盛顿大学应用物理实验室所研发的滑行艇,是以一种结合浮力控制与艇翼抬升的方式推进,使其可沿着倾斜路径下潜与上浮,并在全球卫星定位系统导航测定船位之间推算航法航行,并航经各个设定的转向点。

水下滑行艇可在长达数月的航行期间,横跨整个海洋盆地并执行各项任务,且可在小型船舶上采用人工方式施放与回收。

用于收集有关海洋的物理、化学与生物光学等特质的高解析度概略资料。

1.2国内外研究理论

1.2.1二元滑行面在理想流体中的受力

（1）无拱度滑行面即滑行平板

当假定滑行平板以攻角α，速度V∞向前运动，一用运动转换原理，以滑行平板为参照，研究水流以同样初始运动状态向滑行平板运动的运动特性。

水流流经平板底部，绝大部分流向后方，在底部形成凹槽，小部分水流在前部折返向前喷出，形成喷溅；驻点在前缘稍后，是向前和向后两股水流的分界点，速度为零，压力最大。

考虑滑行艇在工作状态即速度很高攻角很小时的类似平板讨论其运动状态：

采用高速小扰动简化，近似认为前驻点就在前缘。

与薄翼理论的处理方法类似（差别在于：

薄翼的势函数在除翼面割缝线外的全平面解析，而滑行板的速度势φ只是在下半平面的解析函数）。

由于板上下表面对称点的速度关系与薄翼的边界条件相同，于是可以假定二元滑行板下表面的流动及受力情况与在无限介质中的二元平板翼的下表面是相同的，因而可以将薄翼理论的结论应用到滑行板上来。

滑行板与全绕流平板薄翼唯一的差别是在导缘处的流动情况不同。

对全绕流平板薄翼而言，其前驻点在下表面导缘后某处，当流体绕过导缘时，有很大的速度，引起导缘处产生吸力，这一吸力使平板薄翼上的升力垂直于来流，而不是垂直于翼的表面，故在理想流体中全绕流薄翼不受阻力作用。

对于滑行平板，流体不绕过导缘，而在驻点前，以反向喷沫的形式喷出，导缘处不存在吸力，板上总压力P的方向与板垂直，在其运动方向存在分量构成阻力，因此滑行板在理想流体中运动时也存在阻力（通常称飞沫阻力）。

总之，当高速小扰动简化时，可以用薄翼比拟的方法，将滑行面看成薄翼的一半，可全部应用薄翼的结论，只要扣除导缘吸力即可。

（2）考虑重力影响的谢多夫近似解

当Fn>4（或5）时，重力影响才可以忽略，但一般的滑行艇往往达不到这么高的速度，因此，必须考虑重力的影响，此时方程及边界条件采用低速小扰动简化依然是线性的，由于考虑到兴波的影响，自由面边界条件要在波面上满足。

而波面是事先不知道的，因此求解很复杂。

由前人得出的在较大Fn值下考虑重力影响时滑行平板升力与阻力的近似公式不难看出，当攻角较大时，方程和边界条件将是非线性的，小扰动假设无效。

（3）二元滑行平板在理想流体中的非线性理论

当滑行板处于大攻角状态时，认为流速很高，忽略重力影响，可以用射流理论来求解。

当攻角较小时，可以略去α的高阶小量，这样任可以得到高速小扰动假设下的结果。

1.2.2有限宽度滑行面的机翼比拟

有限宽度滑行面的机翼比拟依据：

当滑行面宽度有限时，流动为三元流动。

对于三元流动面的问题，可用机翼比拟的方法，将机翼理论中有限展长翼的结论应用于滑行面。

（1）大展弦比滑行面的薄翼比较

对于大展弦比的有限展长薄翼，可以通过翼端自由涡的下洗影响，得到其升力系数，由于小攻角滑行平板相当于平板翼的一半，且对于滑行平板习惯于用浸湿长宽比λ而不用展弦比A（两者互为倒数），同时，由于滑行板前缘不存在吸力，故三元滑行板的总压力亦是垂至于板面。

虽然滑行面有限宽度的影响修正可采用薄翼比拟的方法，但是，从物理意义上来说两者是不尽相同的。

当机翼展长为有限时，附在机翼上的涡层沿展长以自由涡的方式下落，在翼端尤为明显，这种自由涡的下洗作用使翼上的升力下降，并产生诱导阻力。

滑行面不存在涡层，所以不存在自由涡，只是两端直接与大气相同，使端部附近的底面压力有所损失。

这种损失造成两端水花向上翻起，形成测向喷溅，不引起升力方向的改变，也不产生诱导阻力。

对于大扰动条件下的三元滑行面，即使是平板，目前尚难用比较简洁的解析方法予以解决，由于滑行艇航行时纵倾角一半较小，所以可以采用上述方法比拟。

（2）小展弦比滑行面短翼的比拟

对于攻角较小的情况，可以利用琼斯的修正升力理论（A≥1）;克里安斯的升力理论（A<1）.分别得到升力系数（他们都忽略的横向流动的影响,由于横向流动的速度正比于Sinα,在小攻角时他们对升力的影响是二阶小量,可以略去。

攻角很大时由于滑行艇在实际航行过程中出现的情况较少，故现在不加考虑）。

1.2.3细长滑行面理论—滑行面的细长翼比拟

处理细长翼的基本思想起源于孟克的细长体理论，琼斯将他发展成为细长翼理论。

以后将其作用于计算较大浸湿面积的滑行面。

对于展长为无限的机翼，只有纵向而无横向流动。

反之，若机翼的纵向为无限长，横向宽度有限，则只存在横向流动，不存在纵向流动。

由于滑行面的上面不接触水，即使在理想的小扰动状态，流动也是上下不对称的，此时不考虑横流阻力项从理论上讲是不妥当的。

加上横流阻力项升力，使细长滑行面的升力计算突破了细长翼理论只使用于小攻角的限制，而可以适用于有限攻角的情况。

1.2.4滑行面在实际流体中的受力

前面讨论的都处于理想状态介质中滑行面的运动，由于滑行面的运动处于水，空气介质的交汇处，实际必须考虑：

流体的粘性作用—边界层内流体的粘性引起的绕体表面的切向力（摩擦力）流体的重力影响及静浮力修正。

静压力合力在水平方向的分量看成是兴波阻力，随着速度增加静浮力成分逐渐减小，相应的兴波阻力在总压差阻力中的比重也逐渐减小。

因为压差阻力扣除飞沫阻力后即为兴波阻力，所以兴波阻力成分随速度的变化而变化。

（注：

静压力合力在铅直方向的分量是静浮力，在小攻角时两者的差别可以不予计较。

）

1.2.5滑行面形状对流体动力性能的影响

（1）滑行平板宽度的影响

（