船底邊板對(duì)滑行艇操作性能影響

1、船底邊板對(duì)滑行艇操作性能的影響1.引言    在近二十年來(lái)，滑行艇被廣泛用作巡邏、海上警衛(wèi)、勘測(cè)和軍用船舶。許多該類型的船舶船速很高，弗汝德數(shù)可達(dá)到6,但是它們?cè)诤Ｑ笾械目刹倏v性很差。哪怕是在靜水中，該類型船舶依然會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)、船艏入水、大傾角、方向難以控制以及操縱型差的問(wèn)題。    滑行艇的操縱與排水型船的操縱是不一樣的，因?yàn)閷?duì)船舶的操縱會(huì)影響到它的吃水差和速度。而船舶吃水差的改變又會(huì)影響其操縱特性。Coccoli2和Soares 3關(guān)于高速艇操縱性的等尺寸海上實(shí)驗(yàn)得出，高速艇的回轉(zhuǎn)半徑值(DT)和超前增進(jìn)值(AD)都超過(guò)國(guó)際海事組織

2、（IMO）規(guī)定的傳統(tǒng)船型在靜水中的標(biāo)準(zhǔn)值。    人們通過(guò)改變可以影響特征值的參數(shù)，例如增大前進(jìn)速度，來(lái)改善船舶的操縱性。其它參數(shù)，比如橫傾角、縱傾角、吃水變化等也會(huì)影響其操縱性4,5。此外，船體上的附屬物（如中縱龍骨、舭龍骨等）對(duì)此也有影響。    綜上考慮，本文著重對(duì)一艘裝有三塊船底邊板的22m滑行艇進(jìn)行研究。通過(guò)改變?nèi)龎K船底邊板的長(zhǎng)度，即從全長(zhǎng)改為半長(zhǎng)（從船腫到船艉），來(lái)減小該船轉(zhuǎn)彎所需的回轉(zhuǎn)直徑。該船有無(wú)船底邊板的各狀態(tài)下的水動(dòng)力系數(shù)將通過(guò)一平面運(yùn)動(dòng)裝置(PMM)進(jìn)行測(cè)量。其操縱參數(shù)（如轉(zhuǎn)角和曲折運(yùn)動(dòng)）則利用時(shí)域仿真程序輸入實(shí)

3、驗(yàn)得到的水動(dòng)力系數(shù)后計(jì)算得出。2數(shù)學(xué)模型    基于操縱理論7,8和9，建立一軸坐標(biāo)系，連同建立在船體質(zhì)心的原始坐標(biāo)系構(gòu)成數(shù)學(xué)模型，用來(lái)描述船舶的操縱運(yùn)動(dòng)。該數(shù)學(xué)模型在如圖1所示的坐標(biāo)系統(tǒng)，用式（1）進(jìn)行表示：符號(hào)uG, vG和r為船舶重心（C.G）處的速度分量。XG為船舶重心（C.G）在x軸上的位置。X,Y和N分別代表了船舯處的水動(dòng)力和水動(dòng)力矩。這些力和力矩可以被分解為以下組成部分。其中，下標(biāo)H,P和R分別表示其在船體、螺旋槳和舵上的分量。該分類的依據(jù)是日本的數(shù)學(xué)模型分組概念（MMG）（10）。2.1.作用于船體的力和力矩    作

4、用在船體上的力和力矩可以用以下的方程來(lái)表示：2.2.由螺旋槳和舵作用引起的力和力矩    由螺旋槳和舵引起的力和力矩由以下公式計(jì)算獲得：其中：tp為直線移動(dòng)中的推力減小系數(shù)；Ctp為常量；n為螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)；Dp為螺旋獎(jiǎng)直徑；wp為在螺旋槳處的有效伴流系數(shù)；JP為前進(jìn)系數(shù)；C1,C2,C3為常量。其中,為舵角，xR為舵的位置（-L/2），tp,tR,aH和xH為船體、螺旋槳和舵之間的交互力系數(shù)。KT為螺旋槳力的推進(jìn)系數(shù)。以上是螺旋槳推進(jìn)系數(shù)的函數(shù)。舵壓力可以表示為：其中，AR為舵面積fa為舵升力系數(shù)的梯度,并且可近似表示為舵展弦比的函數(shù):在上述方程中,K,YR和lR為

5、舵入流速度和入流角的相關(guān)系數(shù)。(l-w)和n分別為螺線槳的有效伴流系數(shù)和螺旋槳直徑與舵高的比值（Dp/H）。3.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?#160;   該實(shí)驗(yàn)是在馬來(lái)西亞工藝大學(xué)（UTM）海洋技術(shù)實(shí)驗(yàn)室120米長(zhǎng)的拖曳水池中進(jìn)行的。3.1.模型介紹    模型為22米長(zhǎng)的滑行艇“Rajawali”按照1/10的縮尺比制成的。圖2為實(shí)船船體圖。圖3為加上船底邊板后的船體圖。該船的主尺度如表1所示。    船底邊板是依據(jù)參考11進(jìn)行幾何設(shè)定的。如圖4所示，船底邊板截面為三角形，在模型船上，其底邊長(zhǎng)為15mm。船體傾斜角B=22.9度

6、。船底邊板底邊與地面平行，折角S=90度。3.2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和參數(shù)    平面運(yùn)動(dòng)裝置（PMM）己經(jīng)被廣泛用于測(cè)試記錄船舶操縱方面的水動(dòng)力系數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大都用傅立葉積分法進(jìn)行分析。當(dāng)船在拖曳池中以恒定速度被拖動(dòng)時(shí)，模型會(huì)發(fā)生擺動(dòng)。通過(guò)Pmm產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)形態(tài)包括：偏移，橫蕩，首搖以及首搖偏移混合運(yùn)動(dòng)。在垂蕩和縱搖上，模型是不受限制的，但在涌浪、橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)上是受限的。實(shí)驗(yàn)的輸入?yún)?shù)在表2中列出。模型測(cè)試的三種條件，亦即（1）裸船體：（2）船體上安裝三條全長(zhǎng)的船底邊板（3SS-Full）（3）從船舯到船艉安裝三條半長(zhǎng)的船底邊板(3SS-Fwd)。3.3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7、0;   表3中的無(wú)量綱水動(dòng)力系數(shù)X'（u'）是由阻力實(shí)驗(yàn)測(cè)得的，圖3到圖8表示出通過(guò)PMM測(cè)得的力和力矩。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)分析并在表3中給出，這些值包括X'vv,X'rr,Y'vvv,Y'rrr,Y'v,Y'r,N.vvv,N'rrr,N.v和N'r。    縱向的附連水質(zhì)量系數(shù)Xù可從Motora,s圖譜獲得12。船體-舵-螺旋槳間的交互作用系數(shù)可采用參考13中的切片理論計(jì)算得到。    實(shí)驗(yàn)仿真中所用到的裸船體，全長(zhǎng)船底邊

8、板(3SS-Full),半長(zhǎng)船底邊板(3SS-Fwd)三種條件下的水動(dòng)力系數(shù)將在表3和表4中給出。表5列出了仿真實(shí)驗(yàn)中用到的螺旋槳直徑和舵面面積?；型У淖枇︻A(yù)測(cè)值可以通過(guò)拖曳水池中的模型實(shí)驗(yàn)獲得。實(shí)驗(yàn)中所需的推力值則可以利用參考14中的Blount方法通過(guò)計(jì)算獲得。螺旋槳選取12度軸傾的水下螺旋槳。舵面面積利用參考15中的舵面面積系數(shù)計(jì)算得到?？梢钥闯鲈摯恼麄€(gè)舵面面積可以表示為：舵面積=0.0016L2P。 4.討論    圖9為仿真實(shí)驗(yàn)圓形回彎的結(jié)果。從圖中可得出該船的回轉(zhuǎn)直徑(DT)和超前增進(jìn)值（AD）。不難發(fā)現(xiàn)在裸船體，全長(zhǎng)船底邊板（3SS-F

9、ull），半長(zhǎng)船底邊板(3SS-Fwd)三種條件下該船的回轉(zhuǎn)直徑和超前增進(jìn)值都大大超出了國(guó)際海事組織（TMO）的標(biāo)準(zhǔn)值。這一結(jié)果是在該船高速前進(jìn)的情況下得到的。這與Coccoli 2和Soares3的研究結(jié)果相近。    實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示船底邊板在滑行艇上的位置對(duì)其操縱性能也有重要的影響。從圖9可以看出半長(zhǎng)船底邊板模型(3SS-Fwd)的回轉(zhuǎn)半徑比裸船體情況下要小。    圖10為船模在航向角為10-10和20-20兩種情況下曲折前行的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示與帶有船底邊板的模型相比，裸船體的超越角是最小的。盡管在所有的三種情況下，第一個(gè)和

10、第二個(gè)超越角都遠(yuǎn)小于國(guó)際海事組織（IMO）的標(biāo)準(zhǔn)值。因此，該船在Z字型行進(jìn)時(shí)的操縱性是符合國(guó)際海事組織（IMO）的標(biāo)準(zhǔn)的。圖9 35度轉(zhuǎn)向角時(shí)普通滑行艇與帶船底邊板船的行進(jìn)軌跡比較圖10 航向角為l0-10和20-20兩種情況下普通滑行艇與帶船底邊板船的行進(jìn)軌跡比較.結(jié)論    本文利用由PMM測(cè)試所得的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行時(shí)間域仿真實(shí)驗(yàn),這一研究表明船底邊板的存在對(duì)滑行艇的操縱性能有重大的影響。    通過(guò)改變船底邊板的安裝位置,可以改善其操縱性。同時(shí),減小轉(zhuǎn)彎時(shí)的回轉(zhuǎn)直徑可能會(huì)使其安全性能有所提高。致謝   作者謹(jǐn)在

11、此對(duì)馬來(lái)西亞科技部和環(huán)境部對(duì)此次實(shí)驗(yàn)的支持表示感謝。參考文獻(xiàn)1. 23rd lTTC, Manoeuvrability Evaluation and Documentation of HSMV”lTTC-Recommended procedures, 7.5-02-05-05,  20022 lkeda, Y., Katayama, T., and Okumura,H., Characteristics Of Hydrodynamic Derivatives inManeuvering Equations for Super High-Speed planing Hulls. The

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20、nical Engineering）工作，1995年被評(píng)為副教授?，F(xiàn)任船舶技術(shù)系（Department for Marine Technology）系主任。     O. Yaakob 1960年生于馬來(lái)西亞Kedah 。 1983年畢業(yè)于英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)(University of Newcastle Upon Tyne)海洋工程專業(yè)（Marine Engineering），獲學(xué)士學(xué)位。1987年和1999年分別獲得該校的碩士和博士學(xué)位。他于1983年進(jìn)入馬來(lái)西亞工藝大學(xué)（Universiti Teknologi Malaysia）機(jī)械工程學(xué)院（Faculty of Mechanical Engineering）工作，2000年被評(píng)為副教授?，F(xiàn)任船舶技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Marine Technology Laboratory）負(fù)責(zé)人。