船底边板对滑行艇操作性能的影响.docx

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船底边板对滑行艇操作性能的影响

船底边板对滑行艇操作性能的影响

1.引言

   在近二十年来，滑行艇被广泛用作巡逻、海上警卫、勘测和军用船舶。

许多该类型的船舶船速很高，弗汝德数可达到6,但是它们在海洋中的可操纵性很差。

哪怕是在静水中，该类型船舶依然会出现振动、船艏入水、大倾角、方向难以控制以及操纵型差的问题。

   滑行艇的操纵与排水型船的操纵是不一样的，因为对船舶的操纵会影响到它的吃水差和速度。

而船舶吃水差的改变又会影响其操纵特性。

Coccoli[2]和Soares[3]关于高速艇操纵性的等尺寸海上实验得出，高速艇的回转半径值（DT）和超前增进值（AD）都超过国际海事组织（IMO）规定的传统船型在静水中的标准值。

   人们通过改变可以影响特征值的参数，例如增大前进速度，来改善船舶的操纵性。

其它参数，比如横倾角、纵倾角、吃水变化等也会影响其操纵性[4,5]。

此外，船体上的附属物（如中纵龙骨、舭龙骨等）对此也有影响。

   综上考虑，本文着重对一艘装有三块船底边板的22m滑行艇进行研究。

通过改变三块船底边板的长度，即从全长改为半长（从船肿到船艉），来减小该船转弯所需的回转直径。

该船有无船底边板的各状态下的水动力系数将通过一平面运动装置（PMM）进行测量。

其操纵参数（如转角和曲折运动）则利用时域仿真程序输入实验得到的水动力系数后计算得出。

2．数学模型

   基于操纵理论[7,8和9]，建立一轴坐标系，连同建立在船体质心的原始坐标系构成数学模型，用来描述船舶的操纵运动。

该数学模型在如图1所示的坐标系统，用式

（1）进行表示：

符号uG,vG和r为船舶重心（C.G）处的速度分量。

XG为船舶重心（C.G）在x轴上的位置。

X,Y和N分别代表了船舯处的水动力和水动力矩。

这些力和力矩可以被分解为以下组成部分。

其中，下标H,P和R分别表示其在船体、螺旋桨和舵上的分量。

该分类的依据是日本的数学模型分组概念（MMG）（10）。

2.1.作用于船体的力和力矩

   作用在船体上的力和力矩可以用以下的方程来表示：

2.2.由螺旋桨和舵作用引起的力和力矩

   由螺旋桨和舵引起的力和力矩由以下公式计算获得：

其中：

tp为直线移动中的推力减小系数；Ctp为常量；n为螺旋桨转数；Dp为螺旋奖直径；wp为在螺旋桨处的有效伴流系数；JP为前进系数；C1,C2,C3为常量。

其中,＆为舵角，xR为舵的位置（＝-L/2），tp,tR,aH和xH为船体、螺旋桨和舵之间的交互力系数。

KT为螺旋桨力的推进系数。

以上是螺旋桨推进系数的函数。

舵压力可以表示为：

其中，AR为舵面积fa为舵升力系数的梯度,并且可近似表示为舵展弦比∧的函数:

在上述方程中∑,K,YR和lR为舵入流速度和入流角的相关系数。

（l-w）和n分别为螺线桨的有效伴流系数和螺旋桨直径与舵高的比值（Dp/H）。

3.实验模型

   该实验是在马来西亚工艺大学（UTM）海洋技术实验室120米长的拖曳水池中进行的。

3.1.模型介绍

   模型为22米长的滑行艇“Rajawali”按照1/10的缩尺比制成的。

图2为实船船体图。

图3为加上船底边板后的船体图。

该船的主尺度如表1所示。

   船底边板是依据参考[11]进行几何设定的。

如图4所示，船底边板截面为三角形，在模型船上，其底边长为15mm。

船体倾斜角B=22.9度。

船底边板底边与地面平行，折角S=90度。

3.2.实验设计和参数

   平面运动装置（PMM）己经被广泛用于测试记录船舶操纵方面的水动力系数。

实验数据大都用傅立叶积分法进行分析。

当船在拖曳池中以恒定速度被拖动时，模型会发生摆动。

通过Pmm产生的运动形态包括：

偏移，横荡，首摇以及首摇偏移混合运动。

在垂荡和纵摇上，模型是不受限制的，但在涌浪、横荡和首摇运动上是受限的。

实验的输入参数在表2中列出。

模型测试的三种条件，亦即

（1）裸船体：

（2）船体上安装三条全长的船底边板（3SS-Full）（3）从船舯到船艉安装三条半长的船底边板（3SS-Fwd）。

3.3.实验结果

   表3中的无量纲水动力系数X'（u'）是由阻力实验测得的，图3到图8表示出通过PMM测得的力和力矩。

该实验结果经过分析并在表3中给出，这些值包括X'vv,X'rr,Y'vvv,Y'rrr,Y'v,Y'r,N.vvv,N'rrr,N.v和N'r。

   纵向的附连水质量系数Xù可从Motora,s图谱获得[12]。

船体-舵-螺旋桨间的交互作用系数可采用参考[13]中的切片理论计算得到。

   实验仿真中所用到的裸船体，全长船底边板（3SS-Full）,半长船底边板（3SS-Fwd）三种条件下的水动力系数将在表3和表4中给出。

表5列出了仿真实验中用到的螺旋桨直径和舵面面积。

滑行艇的阻力预测值可以通过拖曳水池中的模型实验获得。

实验中所需的推力值则可以利用参考[14]中的Blount方法通过计算获得。

螺旋桨选取12度轴倾的水下螺旋桨。

舵面面积利用参考[15]中的舵面面积系数计算得到。

可以看出该船的整个舵面面积可以表示为：

舵面积=0.0016L2P。

4.讨论

   图9为仿真实验圆形回弯的结果。

从图中可得出该船的回转直径（DT）和超前增进值（AD）。

不难发现在裸船体，全长船底边板（3SS-Full），半长船底边板（3SS-Fwd）三种条件下该船的回转直径和超前增进值都大大超出了国际海事组织（TMO）的标准值。

这一结果是在该船高速前进的情况下得到的。

这与Coccoli[2]和Soares[3]的研究结果相近。

   实验结果显示船底边板在滑行艇上的位置对其操纵性能也有重要的影响。

从图9可以看出半长船底边板模型（3SS-Fwd）的回转半径比裸船体情况下要小。

   图10为船模在航向角为10-10和20-20两种情况下曲折前行的仿真实验结果。

结果显示与带有船底边板的模型相比，裸船体的超越角是最小的。

尽管在所有的三种情况下，第一个和第二个超越角都远小于国际海事组织（IMO）的标准值。

因此，该船在Z字型行进时的操纵性是符合国际海事组织（IMO）的标准的。

图935度转向角时普通滑行艇与带船底边板船的行进轨迹比较

图10航向角为l0-10和20-20两种情况下普通滑行艇与带船底边板船的行进轨迹比较

５.结论

   本文利用由PMM测试所得的水动力系数进行时间域仿真实验,这一研究表明船底边板的存在对滑行艇的操纵性能有重大的影响。

   通过改变船底边板的安装位置,可以改善其操纵性。

同时,减小转弯时的回转直径可能会使其安全性能有所提高。

致谢

  作者谨在此对马来西亚科技部和环境部对此次实验的支持表示感谢。

参考文献

1.23rdlTTC,ManoeuvrabilityEvaluationandDocumentationofHSMV”lTTC-Recommendedprocedures,7.5-02-05-05, 2002

2lkeda,Y.,Katayama,T.,andOkumura,H.,CharacteristicsOfHydrodynamicDerivativesinManeuveringEquationsforSuperHigh-SpeedplaningHulls.TheproceedingsofThelothlnternationalOffshoreAndpolarEngineeringConference,Vol.4,pp.434-444,2000

3plante,M.C.,HydrodynamicManoeuvringAspectsofPlaningCraft.ProceedingofDGA,

InternationalsymposiumandWorkshoponForceActingonaManoeuvringVessel,ValdeReuil,     France.Oct.1998

4Coccoli,D.andScamardella,A.,HighSpeedCraftManoeuvringSeaTrials.Proceedingof9th

SymposiumOnPracticalDesignofShipsandOtherFloatingStructuresLuebeck-Travemuende,     Germany.2004

5.Soares,C.G.，Francisco,R.A.andLaranjinha,M.，Full-scaleMeasurementsoftheManeuvering

CapabilitiesofFastPatrolVessel,ArgosClass,MarineTechnology,Vol.41.No1,pp7-16,Jan.

2004．

6.Deakin,B.,ModelTesttoAssesstheManoeuvringofPlaningCraft,TheInternationalHISWASymposiumonYachtDesignandYachtConstruction,1998

7Abkowitz,M.A.,LecturesonShipHydrodynamics-SteeringandManoeuvrability.HyAReportHY-5,Hydro-OgAerodynamiskLaboratorium,Lyngby,Denmark,1964

8Lewis,E.V.,PrinciplesofNavalArchitecture,Volume3,SNAME,JerseyCity,1989

9Sung,Y.J.,Yum,D.J.andRhee,K.P.,AnAnalysisofThePMMTestsUsingaSystem 

ldentificationMethod,The7thInternationalMarineDesignConference,Kyung-Ju,Korea,May,2000

10Kose,K.,OnaNewMathematicalModelofManeuveringMotionsofaShipandItsApplications,InternationalShipbuildingProgress,Rotterdam,Netherlands,Vol．29,No.336,Aug.1982.

11Condega,L.andLewis,J.ACaseStudyofDynamicInstabilityinaPlaningHull,Journalof

MarineTechnology,Vol.24,No.2,qq143-163,1997

12Motora,S.，OntheMeasurementofAddedMassandAddedMomentofInertiaforShipMotion.（part2.AddedMassAbstractforLongitudinalMotion）Do.,Vol106,1959（inJapanese）

13Yoshimura,Y.andNingMa.,ManoeuvringPredictionofFishingVessels,ProceedingofMarsim2003,Japan

14Blount,D.L.,DesignofPropulsionSystemsforHigh-SpeedCraft,JournalofMarineTechnology,

SNAMENewsVol.34,No．4,1997

15Hadler,J.B．，PredictionofthePowerPerformanceoftheSeries62PlaningHullForms,SNAME

Transaction1962

作者简介

    A.Maimun1957年生于马来西亚BaganSerai。

1983年毕业于英国格拉斯哥的斯特拉斯克莱德大学（StrathclydeUniversity）船体建造专业（NavalArchitecture），获学士学位。

1985年和1993年分别获得该校的硕士和博士学位。

他于1983年进入马来西亚工艺大学（UniversitiTeknologiMalaysia）机械工程学院（FacultyofMechanicalEngineering）工作，1995年被评为副教授。

现任船舶技术系（DepartmentforMarineTechnology）系主任。

    O.Yaakob1960年生于马来西亚Kedah。

1983年毕业于英国纽卡斯尔大学（UniversityofNewcastleUponTyne）海洋工程专业（MarineEngineering），获学士学位。

1987年和1999年分别获得该校的硕士和博士学位。

他于1983年进入马来西亚工艺大学（UniversitiTeknologiMalaysia）机械工程学院（FacultyofMechanicalEngineering）工作，2000年被评为副教授。

现任船舶技术实验室（MarineTechnologyLaboratory）负责人。

    A.HarisMuhammad1969年生于印度尼西亚万隆（Bandung）。

1996年毕业于印度尼西亚哈桑丁大学（HasanuddinUniversity，UNHAS-Indonesia），此后在SepuluhNopember科技学院（ITS-Indonesia）继续研究，并于2001年获得船舶系统工程（MarineSystemEngineering）硕士学位。

此后，他在哈桑丁大学（HasanuddinUniversity）任讲师，现在马来西亚工艺大学（UniversitiTeknologiMalaysia）攻读博士学位。

    A.Priyanto1965年生于印度尼西亚苏腊巴亚（Surabaya）。

1991年毕业于印度尼西亚SepuluhNopember科技学院（ITS-Indonesia），1995年获得英国纽卡斯尔大学（UniversityofNewcastleUponTyne）船舶技术（MarineTechnology）硕士学位，2002年获得广岛大学（HiroshimaUniversity）博士学位。

他1991年加入印度尼西亚水力实验室（IndonesianHydrodynamicLaboratory）。

2006年至今工作于马来西亚工艺大学机械工程学院（FacultyofMechanicalEngineering）船舶技术系（DepartmentforMarineTechnology）。