船底邊板對滑行艇操作性能影響

1、船底邊板對滑行艇操作性能的影響1.引言    在近二十年來，滑行艇被廣泛用作巡邏、海上警衛(wèi)、勘測和軍用船舶。許多該類型的船舶船速很高，弗汝德數(shù)可達到6,但是它們在海洋中的可操縱性很差。哪怕是在靜水中，該類型船舶依然會出現(xiàn)振動、船艏入水、大傾角、方向難以控制以及操縱型差的問題。    滑行艇的操縱與排水型船的操縱是不一樣的，因為對船舶的操縱會影響到它的吃水差和速度。而船舶吃水差的改變又會影響其操縱特性。Coccoli2和Soares 3關于高速艇操縱性的等尺寸海上實驗得出，高速艇的回轉半徑值(DT)和超前增進值(AD)都超過國際海事組織

2、（IMO）規(guī)定的傳統(tǒng)船型在靜水中的標準值。    人們通過改變可以影響特征值的參數(shù)，例如增大前進速度，來改善船舶的操縱性。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）對此也有影響。    綜上考慮，本文著重對一艘裝有三塊船底邊板的22m滑行艇進行研究。通過改變三塊船底邊板的長度，即從全長改為半長（從船腫到船艉），來減小該船轉彎所需的回轉直徑。該船有無船底邊板的各狀態(tài)下的水動力系數(shù)將通過一平面運動裝置(PMM)進行測量。其操縱參數(shù)（如轉角和曲折運動）則利用時域仿真程序輸入實

3、驗得到的水動力系數(shù)后計算得出。2數(shù)學模型    基于操縱理論7,8和9，建立一軸坐標系，連同建立在船體質心的原始坐標系構成數(shù)學模型，用來描述船舶的操縱運動。該數(shù)學模型在如圖1所示的坐標系統(tǒng)，用式（1）進行表示：符號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力和水動力矩。這些力和力矩可以被分解為以下組成部分。其中，下標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算獲得：其中：tp為直線移動中的推力減小系數(shù)；Ctp為常量；n為螺旋槳轉數(shù)；Dp為螺旋獎直徑；wp為在螺旋槳處的有效伴流系數(shù)；JP為前進系數(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為螺旋槳力的推進系數(shù)。以上是螺旋槳推進系數(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.實驗模型    該實驗是在馬來西亞工藝大學（UTM）海洋技術實驗室120米長的拖曳水池中進行的。3.1.模型介紹    模型為22米長的滑行艇“Rajawali”按照1/10的縮尺比制成的。圖2為實船船體圖。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進行幾何設定的。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.實驗設計和參數(shù)    平面運動裝置（PMM）己經(jīng)被廣泛用于測試記錄船舶操縱方面的水動力系數(shù)。實驗數(shù)據(jù)大都用傅立葉積分法進行分析。當船在拖曳池中以恒定速度被拖動時，模型會發(fā)生擺動。通過Pmm產生的運動形態(tài)包括：偏移，橫蕩，首搖以及首搖偏移混合運動。在垂蕩和縱搖上，模型是不受限制的，但在涌浪、橫蕩和首搖運動上是受限的。實驗的輸入?yún)?shù)在表2中列出。模型測試的三種條件，亦即（1）裸船體：（2）船體上安裝三條全長的船底邊板（3SS-Full）（3）從船舯到船艉安裝三條半長的船底邊板(3SS-Fwd)。3.3.實驗結果

7、0;   表3中的無量綱水動力系數(shù)X'（u'）是由阻力實驗測得的，圖3到圖8表示出通過PMM測得的力和力矩。該實驗結果經(jīng)過分析并在表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中的切片理論計算得到。    實驗仿真中所用到的裸船體，全長船底邊

8、板(3SS-Full),半長船底邊板(3SS-Fwd)三種條件下的水動力系數(shù)將在表3和表4中給出。表5列出了仿真實驗中用到的螺旋槳直徑和舵面面積?；型У淖枇︻A測值可以通過拖曳水池中的模型實驗獲得。實驗中所需的推力值則可以利用參考14中的Blount方法通過計算獲得。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)計算得到?？梢钥闯鲈摯恼麄€舵面面積可以表示為：舵面積=0.0016L2P。 4.討論    圖9為仿真實驗圓形回彎的結果。從圖中可得出該船的回轉直徑(DT)和超前增進值（AD）。不難發(fā)現(xiàn)在裸船體，全長船底邊板（3SS-F

9、ull），半長船底邊板(3SS-Fwd)三種條件下該船的回轉直徑和超前增進值都大大超出了國際海事組織（TMO）的標準值。這一結果是在該船高速前進的情況下得到的。這與Coccoli 2和Soares3的研究結果相近。    實驗結果顯示船底邊板在滑行艇上的位置對其操縱性能也有重要的影響。從圖9可以看出半長船底邊板模型(3SS-Fwd)的回轉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驗結果。結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，第一個和

10、第二個超越角都遠小于國際海事組織（IMO）的標準值。因此，該船在Z字型行進時的操縱性是符合國際海事組織（IMO）的標準的。圖9 35度轉向角時普通滑行艇與帶船底邊板船的行進軌跡比較圖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軌跡比較.結論    本文利用由PMM測試所得的水動力系數(shù)進行時間域仿真實驗,這一研究表明船底邊板的存在對滑行艇的操縱性能有重大的影響。    通過改變船底邊板的安裝位置,可以改善其操縱性。同時,減小轉彎時的回轉直徑可能會使其安全性能有所提高。致謝   作者謹在

11、此對馬來西亞科技部和環(huán)境部對此次實驗的支持表示感謝。參考文獻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

12、 proceedings of The loth lnternational Offshore And polar Engineering Conference, Vol.4,pp. 434-444, 20003 plante, M.C., Hydrodynamic Manoeuvring Aspects of Planing Craft. Proceeding of DGA,International symposium and Workshop on Force Acting on a Manoeuvring Vessel, Val de Reuil,   &

13、#160;  France. Oct. 19984 Coccoli, D. and Scamardella, A., High Speed Craft Manoeuvring Sea Trials. Proceeding of 9thSymposium On Practical Design of Ships and Other Floating Structures Luebeck-Travemuende,      Germany. 20045. Soares, C.G.，F(xiàn)rancisco, R.A. and Laranjinh

14、a, M.，F(xiàn)ull-scale Measurements of the ManeuveringCapabilities of Fast Patrol Vessel, Argos Class, Marine Technology, Vol. 41. No 1, pp 7-16, Jan.20046. Deakin, B., Model Test to Assess the Manoeuvring of Planing Craft, The International HISWA Symposium on Yacht Design and Yacht Construction, 19987 Ab

15、kowitz, M.A., Lectures on Ship Hydrodynamics-Steering and Manoeuvrability. HyA Report HY-5, Hydro-Og Aerodynamisk Laboratorium, Lyngby, Denmark, 19648 Lewis, E. V., Principles of Naval Architecture,Volume 3, SNAME, Jersey City, 19899 Sung, Y. J., Yum, D.J. and Rhee, K. P., An Analysis of The PMM Tes

16、ts Using a System ldentification Method, The 7th International Marine Design Conference, Kyung-Ju, Korea,May, 200010 Kose, K., On a New Mathematical Model of Maneuvering Motions of a Ship and Its Applications, International Shipbuilding Progress,Rotterdam, Netherlands, Vol29, No. 336, Aug.1982.

17、11 Condega, L. and Lewis, J. A Case Study of Dynamic Instability in a Planing Hull, Journal ofMarine Technology, Vol. 24, No.2,qq 143-163,199712 Motora, S.，On the Measurement of Added Mass and Added Moment of Inertia for Ship Motion. (part 2. Added Mass Abstract for Longitudinal Motion) Do., Vol 106

18、, 1959 (in Japanese)13 Yoshimura, Y. and Ning Ma., Manoeuvring Prediction of Fishing Vessels, Proceeding of Marsim 2003, Japan14 Blount, D.L., Design of Propulsion Systems for High-Speed Craft, Journal of Marine Technology,SNAMENews Vol. 34, No4, 199715 Hadler, J.B，Prediction of the Power Performanc

19、e of the Series 62 Planing Hull Forms, SNAMETransaction 1962作者簡介     A. Maimun 1957年生于馬來西亞Bagan Serai。1983年畢業(yè)于英國格拉斯哥的斯特拉斯克萊德大學（Strathclyde University）船體建造專業(yè)（Naval Architecture），獲學士學位。1985年和1993年分別獲得該校的碩士和博士學位。他于1983年進入馬來西亞工藝大學（Universiti Teknologi Malaysia）機械工程學院（Faculty of Mecha

20、nical Engineering）工作，1995年被評為副教授?，F(xiàn)任船舶技術系（Department for Marine Technology）系主任。     O. Yaakob 1960年生于馬來西亞Kedah 。 1983年畢業(yè)于英國紐卡斯爾大學(University of Newcastle Upon Tyne)海洋工程專業(yè)（Marine Engineering），獲學士學位。1987年和1999年分別獲得該校的碩士和博士學位。他于1983年進入馬來西亞工藝大學（Universiti Teknologi Malaysia）機械工程學院（Faculty of Mechanical Engineering）工作，2000年被評為副教授。現(xiàn)任船舶技術實驗室（Marine Technology Laboratory）負責人。