（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船型要素对三体船耐波性和波浪载荷影响的数值计算.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济持续高速增长，对水运和海洋工程的要求也日益提高， 新船型和新型海洋平台不断出现，原有的规范已经逐渐不能满足新型船舶和海 洋结构物的安全性计算的需要。尤其对于近两年发展起来的高速三体船来说， 国内外的规范及相关研究文献非常有限，而随着计算机技术的发展和结构分析 方法的进步，为结构三维有限元分析和可靠性分析提供波浪载荷的要求越来越 多，这就对波浪载荷和运动计算预报方法提出了新的要求。 目前，优化作为提高性能的重要手段，在设计过程中越来越多的被设计者 所采用。而为了改变船舶性能，较为直观的方法就是控制影响性能的船型要素， 如我们所熟悉的影响船舶阻力的主要参数有：船长( l ) ，宽( b ) ，吃水( t ) ， 棱形系数( c 。) ，纵向浮心位置( 1 曲) ，船舯系数( c 。) 等。作为一种新型船 舶，高速三体船设计者为寻求较好耐波性性能的船型，在设计初期必须对影响 三体船运动及载荷的船型要素有所了解，以便在设计过程中选取合适的船型参 数及在性能优化过程中对已有参数进行必要的改进以得到具有更好耐波性能的 三体船型。以往在对船型要素影响船舶性能的研究过程中，设计者往往通过对 大量系列船模进行水池试验，相互对比进而体现主要船型要素影响的主次程度， 如o s s e r s 等人所做的系列6 0 船模试验【l 】，d 贝利、c 恩等人所做的n p l 高速圆 舭型系列船模试验【2 】。这样通常会耗费大量的人力、物力。近年来，随着计算 机的发展，各种水动力、结构、稳性的商业软件不断涌现，给船舶设计优化提 供了一条便利的途径。借助具有足够精度，与实际模型试验相符的商业软件， 设计者可方便的计算出给定船型的船舶性能。 然而，对单一船型进行计算，仅仅可以作为对此船型性能的评估检验，不 具有类比性。为得到船型要素对船舶耐波性及波浪载荷的影响，必须对系列船 型进行系统计算，得出不同参数下船型的运动和载荷，相互对比，给设计者提 供有效的参考依据。鉴于此，本入编写系列船型变换程序。改变其中一个参数， 通过另外一个参数调整，保持其他参数基本不变，以得到系列变化的效果。程 序包含四个子模块：s t r e t c h 模块、c m v r a y 模块、c h a n g e c p 模块、 c d r a f t 模块，提供长、宽、吃水尺度变换，剖面形状变换，棱形系数变换及 武汉理工大学硕士学位论文 排水量变换四种变换模式。 根据程序派生的系列船型，并考虑到侧体布局的影响，本文对三体船六自 由度运动和波浪载荷进行了详细计算。首先分析了船型要素对耐波性及载荷的 影响，并对目前国内外三体船阻力、耐波试验结果及理论分析进行整理归纳。 在以上结论基础上，分别计算了单一船型在不同浪向、不同航速下运动和载荷； 不同船型、不同侧体布局三体船在恒定航速和浪向下的运动和载荷。根据计算 结果，分析了三体船耐波性和波浪载荷的特点以及船型、侧体布局对三体船耐 波性和波浪载荷的影响。 关键字：三体船，船型要素，系列变换，船舶运动响应，波浪载荷 l i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m y , m o r ea n dm o r en e wt y p e so fs h i p a n do c e a l ls t r u c t u r ea r ed e v e l o p e d t h en e wd e s i g nm e t h o d i sr e q u i r e df o ra c h i e v i n g s a 屁s h i p sa n do c e a ns t r u c t u r e s w i t ht h ew i d eu s eo ft h et h r e e d i m e n s i o n a lf m i t e e l e m e n t 瑚【e t h o d ，t h ec a l c u l a t i o no fw a v el o a d so nf l o a t i n gb o d yi nt h ew a v e si si n n e e dm o r ea n dm o r e i ts e t sf o r t hn e wr e q u i r e m e n t s f o rt h ep r e d i c t i o no fs h i p m o t i o n sa n dw a v el o a d s p r e s e n t l y , o p t i m i z a t i o ni su s e db y t h ed e s i g n e ra sa ni m p o r t a n tk i n do fm e a s u l e f o ri m p r o v i n gp e r f o r m a n c ei nt h ep r o c e s so fd e s i g n o n em o r e m t u i t i o n i s t i cm e t h o d f o rc h a n g i n gt h ep e r f o r m a n c ei st oc o n t r o lt h eh u l lf o r me s s e n t i a l sw h i c ha f f e c tt h e d e l l o n n a n c e a si ti sf a m i l i a rt ou s ，t h ep a r a m e t e r st h a ta f f e c ts h i pr e s i s t a n c ea r e ： l e n 础，b e a m ，d r a f t ，p r i s m a t i cc o e f f i c i e n t ，l o n g i t u d i n a lc e n t e ro fb u o y a n c y , m i d s h i p c o e f f i c i e n ta n de t c a san e wt y p eo fv e s s e l ，t h eh i g h s p e e dt r i m a r a nd e s i g n e r sm u s t h a v eak n o v l e d g eo ft h eh u l lf o r mp a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h et r i m a r a nm o t i o n sa n d w a v e1 0 a d st os e e kt h eh u l lf o r mf o rb e t t e rs e a k e e p i n gp e r f o r m a n c e t h u si t s a v a i l a b l ef o rs e l e c t i n gs u i t a b l ep a r a m e t e r si nt h ed e s i g np r o c e s s a n dg e t t i n g i m p r o v e m e n t so nt h ee x i s t e dp a r a m e t e r si nt h ep r o c e s so fp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n a n c i e n t l y , t h ed e s i g n e re x p r e s s e dt h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r ye x t e n to f i n f l u e n c eo f h u l lf o m le s s e n t i a l sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c et h r o u g ht a n ke x p e r i m e n t i tw i l lu s e a m a s so fm a n p o w e ra n dm a t e r i a l r e s o u r c e si nt h i sw a y r e c e n t l y ，i tp r o v i d e sa c o n v e n i e n ta p p r o a c hf o rt h es h i pd e s i g na l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r a n da l lk i n d s o fc o m m e r c i a ls o f t w a r es p r i n g i n gu p t h ed e s i g n e rm a y w o r ko u ts h i p p e r f 6 m a n c ec o n v e n i e n t | yi n v i r t u eo fc o m m e r c i a ls o f t w a r ew h i c hh a ss u f f i c i e n t p r e c i s i o n h o w e v e r ，j u s to n l yo n es h i pc a l c u l a t i o nh a sn op r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ，i t s e s s e n t i a l f o ras v s t e m a t i cc a l c u l a t i o n i nv i e wo ft h i sp o i n t ，s e r i e sh u l lf o r mv a r i a t i o n a l p r o g r a mi sn e e d e d c h a n g eo n ep a r a m e t e ra n dk e e pt h eo t h e rp a r a m e t e r sc o n s t a n t b y i i i a d j u s ta n o t h e rv a r i a b l e t h ep r o g r a mh a sf o u rs u b r o u t i n e s ：s t r e t c hm o d u l e ， c m v r a y m o d u l e ，c h a n g e c pm o d u l e ，c d r a f t m o d u l e ，p r o v i d i n gf o u rv a r y i n g p a t t e m s r e s p e c t i v e l y ：l e n g t h ，b e a m ，d r a f ts c a l et r a n s f o r m a t i o n ， s e c t i o nf o m t r a n s f o r m a t i o n ， t r a n s f o r m a t i o n p r i s m a t i c c o e f f i c i e n tt r a n s f o r m a t i o n a n d d i s p l a c e m e n t a c c o r d i n gt ot h es e r i e so fh u l lf o r md e r i v e df r o mt h ep r o g r a m ，i tc 硎e d o u ta d e t a i l e dc a l c u l a t i o ni nf r e e d o mm o v e m e n to fs i xd e g r e e sa 1 1 d 也es 1 1 i p w 孙，el o a d 铆凹gi n t oa c c o u n tt h ee f f e c t so fs i d el a y o u ti nt h i sp a p e r f i r s to f a l l ，ia 1 1 a l v z e dt 1 1 e 1 1 1 士l u e n c eo fs e a k e e p i n gp e r f o r m a n c ea f f e c t e db yh u l lf o r mc o e f f i c i e n t ，a n ds u m u p t h er e s u i t so ft h et e s ti nr e s i s t a n c ea n d s e a k e e p i n ga th o m ea n da _ b r o a d o nt 1 1 eb a s i s o 士c o n c l u s i o n sa b o v e ，t h ec a l c u l a t i o no f m o t i o n sa n dw a v el o a d so f s i n g l ev e s s e li n d 1 士士e r e n ts e ad i r e c t i o na n ds p e e da n dd i f f e r e n th u l lf o r ma n ds i d e p a r tl a y o u ti n c o n s t a n ts e ad i r e c t i o na n ds p e e di sd o n ep a r t l y i t a n a l y z e d 廿1 ec h a r a c t 嘶s t i c so f m o t i o n sa n dw a v el o a d so ft r i m a r a na n dt h ei m p a c to fm o t i o n sa n d r a v el o a d s a f f e c t e db yt h eh u l lf o r ma n ds i d ep a r tl a y o u to nt h eb a s i so f t h er e s u i t k e yw o r d ：t r i m a r a n ，h u l lf o r me s s e n t i a l s ，s e r i e s v a r i a t i o n ，s h i pm o t i o nr e s p o n s e ， w a v el o a d s i v 武汉理工大学硕士学位论文 符号定义 侧体与主体间的横向间距 侧体与主体间的纵向间距 船水线宽 棱形系数 方形系数 水线面系数 剖面系数 垂向剪力 速度付氏数 一纵摇惯性半径 - 波数 - 两柱间长 船水线长 - 浮心纵向位置 一波浪弯矩 垂向弯矩 一吃水 一剖面纵向位置 一升沉幅值 一侧体与主体间的横向间距无因次量， 侧体与主体间的横向间距无因次量， 波浪幅值 纵摇幅值 调谐因子 浪向角 波浪弯矩无因次量 横摇角 波长 自然圆频率 排水量 丰满度系数 一一自然圆频率 一一海浪谱密度 口= a b w l 1 3 = b l p p a b耽q岛锄眩【b k b h kt x 孙q b h峨“j由入v t 毗 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人，已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的目的和意义 近年来，随着人类对海洋资源的开发以及世界航运业向着高速客货运输方 向的发展，为了能在多种海况下的广大海域进行观测、作业及运输，要求船舶 抗风浪能力要强，甲板载客载货面积要大，横渡大洋的安全性要高，船舶的舒 适性和经济性要好，动力装置和推进效率要高；在军事领域，未来的武备正朝 着高度机动性、自动化和隐蔽性的方向发展，单一的高速化己经不再是唯一的 重要目标，为此，海军在提高舰艇快速性的同时，还要提高舰艇的隐身性、舒 适性以及作战时的生存能力。可以说，在未来，无论是民用船舶，还是军用舰 艇，都需具有更好的快速性、耐波性、稳性、抗沉性等，这使得非常规船型的 舰船研究、应用日益增多，并且有大型化的趋势，如滑行艇、水翼艇、气垫船、 地效翼船、深v 型船、小水线面双体船、多体船等。其中，三体船与常规单体 排水型船相比，具有上甲板宽阔、适航性改善、航行阻力小、隐身性能好、生 存能力强、建造费用低、改装余地大等主要特点。因此，三体船在未来海洋开 发、远洋运输和海上防御等方面都具有极大的发展潜力，对三体船进一步展开 相关的研究也是必然的趋势。 三体船的船型独特，性能优良，是一种在军用、民用市场均有广阔应用前 景的新船型，因此迫切需要开展相关的研究工作，特别是船型和水动力性能等 基础性研究工作。而船型与水动力性能之间亦存在着必然的联系，水动力性能 的好坏是衡量船型优良与否的重要标准之一。以往检验水动力性能主要是通过 模型试验研究，虽然可靠，但是设计周期长，资金投入大，且不便于改进设计。 伴随着计算机技术的迅速崛起和发展，计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，简称c f d ) 作为- - i - j 独立的学科在近三十年成为流体力学和应用数学 的热门研究内容。它是通过计算机来模拟相关的物理现象进行分析的一种方法， 与传统的模型试验相比，更为经济、高效。近些年来，随着c f d 技术的日渐成 熟，涌现出了各种商业化c f d 软件，如：s e s a m ，f l u e n t ，s h i p f l o w ，n a p a 等。借助这些商业软件，可以进行数值模拟水池试验，快速完成对船舶性能的 武汉理工大学硕士学位论文 计算评估，确定较优船型备选方案。其基本流程如图1 所示： 图1 船型性能评估流程图 本文通过自编程序完成船型的系列变换，为性能计算提供自动化的船型输 入，应用三维时域面元法( w a s i m 软件) 对其中典型系列船型进行耐波性及载 荷计算，广泛讨论了不同侧体布局、不同船型对三体船运动及波浪载荷的影响， 作为性能优化的前期工作，具有一定实际意义。 本文工作为国家8 6 3 项目“高速三体船关键基础技术研究”支持，为其中 “船舶耐波性和波浪载荷 子项目的部分研究内容。 1 2 船舶运动和载荷的研究发展概述 1 2 1 二维切片理论 切片理论( s t r i pt h e o 们首先是由科文一克劳科夫斯基( k o r v i n k r o u k o v s k y ) t 3 】 应用空气动力学中的细长体概念提出的。这理论假定船体是细长的，可沿纵 向( 船长方向) 将船体分成若干段，对每个截面来说，流动可近似认为是二维的， 按二维流动计算得到剖面受的流体力后，再沿船长积分求得船体总的流体作用 力。辅以若干物理直观的考虑，理论中还计及了航速的影响。在这之后，许多 2 武汉理工大学硕士学位论文 研究者对切片理论的实验验证做了进一步的大量工作，1 9 5 7 年科文克劳科夫 斯基和雅可布斯( j a c o b s ) 对该理论作了进一步的修正，并与试验结果进行了广泛 的比较，形成了所谓的普通切片法( o r i g i n a ls t r i pm e t h o d ) 。在这以后，一些学者 基于不同的假设对切片法作了重新的认识与推导，形成了目前广泛应用的切片 理论，如新切片法、合理切片法、s t f 法等。这几种方法都是建立在线性理论 基础上的。这里所说的线性是指假定船舶在微幅波上作微幅振荡，船体作为刚 体，不计非直舷的影响，水动力系数取为静吃水下剖面对应的值，此时可应用 谱分析方法解决不规则波中的载荷计算问题。理论上讲，线性切片理论是一种 低航速理论，对于高速船预报来说是不合适的。但是，b l o ka n db e u l ( e l m a i l 【4 】的 研究表明，在傅氏数达到o 5 7 1 4 时，线性切片理论预报的船舶垂荡和纵摇响 应仍然是令人满意的。国内武汉理工大学【4 3 j 采用切片理论方法预报高速 ( f n = 0 8 7 1 ) 圆舭巡逻船的纵向运动，并与试验结果比较也得到了令人满意的 结果。 切片理论的另一个发展是进行非线性推广。实际的海浪和船舶运动都是复 杂的非线性现象，特别是航行于较恶劣海况下的船舶运动幅度较大，由于船体 的非直舷以及底部砰击、外张砰击和甲板上浪等因素的影响，导致舰船的运动、 特别是波浪载荷呈现明显的非线性【5 】。对于船舶运动的非线性效应常用时域分 析方法，相对频域方法，时域分析可以方便地处理瞬态问题、时历响应及船体 大幅运动时的非线性运动问题。一种时域模型是直接由频域切片理论拓展而来， g u e d e ss o a r e s 6 等在这力一面做了大量的工作。时域问题的完善解法是通过建 立初、边值问题来解决。f i n k e l s t e i n 7 】系统推导了各种自由面时域g r e e n 函数， 为时域计算打下了坚实的基础。c u m m i n s 8 禾l j 用脉冲响应函数理论，将扰动速 度势分解为瞬时项和记忆项两个部分分别求解，从而将船体的几何形状与船舶 运动相分离。 目前，二维切片理论在船舶运动与波浪载荷预报上的应用较为成熟，国内 外基于该理论开发了许多相关的计算软件。在国外有美国海军用于舰船设计的 多层次计算和仿真系统s m p ( 频域线性) ，q l s l a m ( 非线性) 和d y n r e s ( 时域 非线性) 等。在国内，中国船舶科学研究中心和哈尔滨工程大学等单位也开发了 相应的计算软件，同时在此基础上对船舶在不规则波中运动与载荷的短期与长 期分析作了研究。武汉理工大学也开发了线性切片理论( 单、双体) 和非线性 切片理论( 大幅度运动) 预报程序，并能进行不规则波中的短长期预报和作业 武汉理工大学硕士学位论文 时间百分数的计算 4 4 4 5 1 。 1 2 2 三维水动力理论 自从h e s sa n ds m i t h 9 1 提出了求解无界流场中三维无升力绕流问题的分布 奇点方法以来，三维水动力理论取得了显著的进展，特别是随着电子计算机技 术的飞速发展，三维水动力理论越来越受到关注。目前，三维水动力理论研究 的方法主要为自由面g r e e n 函数方法和r a n k i n e 源方法( 频域和时域) ，本文着 重介绍r a n k i n e 源方法的相关理论进展。 自由面g r e e n 函数方法通过在船体湿表面分布源汇来确定流场速度势，其 中g r e e n 函数满足除物面条件以外的所有定解条件，利用g r e e n 第二公式可将 速度势表达为分布源强沿船体湿表面的面积分和船体与水面交线的线积分之 和。利用这一方法处理无航速船舶及海洋工程结构物的运动和载荷问题十分成 功，对于有航速问题，由于有航速频域g r e e n 函数计算的复杂性和积分方程中 水线积分项难以处理，使得该问题求解十分困难。为此，人们引用了低航速假 定，利用无航速g r e e n 函数并加上关于航速的修正项来研究该问题。另外，人 们更多的是利用时域解来研究频域有航速问题【lo j 。 r a n k i n e 源方法( 简单格林函数法) 是在物面和自由面上都分布奇点的一种 计算方法。与自由面g r e e n 函数方法相比，该方法优点在于没有不规则频率问 题而且避免了计算复杂格林函数。但需要在自由面上布置源，因此需求解的方 程组非常庞大。r a n k i n e 源方法首先是由g a d d 1 1 】和d a w s o n 1 2 】在研究k e l v i n 波 和兴波阻力时提出的，c h a p m a n 乃j 将其应用于时域有航速计算上。最近十余年 里，该理论方法得到了深入研究与应用。 n a k o sa n ds c l a v o u n o s 1 4 j 将r a n k i n e 源方法应用于流场定常势和非定常势的 频域分析之中，s c l a v o u n o sa n dn a k o s 对该方法的计算稳定性进行了深入研究。 n a k o sa n ds c l a v o u n o s 应用该方法对w i g l e y 和s e r i e s 6 0 船型迎浪航行时的纵向 运动响应和水动力系数进行了数值计算，并与试验值进行了比较。研究表明， 该方法计入定常势的贡献后，使水动力系数特别是非对角线项的计算精度得到 显著提高，可以更为精确地预报船舶运动。s c l a v o u n o s ， n a k o sa n dh u a n g ，对 具有较大外张船型的运动和载荷响应进行了研究，拓宽了该方法的应用范围。 之后，s c l a v o u n o s ”j 对频域r a n k i n e 源分析方法进行了系统总结。 4 武汉理工大学硕士学位论文 时域r a n k i n e 源分析方法也取得了很多进展，其中n a k o s ， k r i n ga n d s c l a v o u n o s t l 叼和k r i n g 1 7 1 对时域线性问题进行了研究。为减弱时域步进求解过 程中远方控制面对船体扰动流场的反射作用，该方法中采用数值海岸( a r t i f i c i a l w a v e a b s o r b i n gb e a c h ) 来满足辐射条件。另外，用该方法解时域问题时，在某些 特定的短波情况下，随着时间步长的推进会出现数值误差累积放大，致使数值 模拟失败。通常，这一问题用低通空间滤波来处理。 然而，r a n k i n e 源方法向实船预报发展也存在着几个难点。一是该方法需要 在自由面上分布奇点，面元数目大约是自由面g r e e n 函数方法的两倍，因而计 算量十分庞大；二是该方法需要采用数值海岸来满足辐射条件，数值海岸的宽 度和强度的确定颇为困难，同时也增加了计算量；三是在某些短波情况下该方 法的数值稳定性较差，如采用的低通滤波方案不好，将直接导致计算发散；另 外，目前该理论仅限于对船舶迎浪情况下的预报，对于斜浪下运动和载荷的预 报还需作进一步的研究。 目前，已有许多采用r a n k i n e 源方法求解船舶运动和波浪载荷预报的商业 软件。如挪威船级社( w ) 开发的s e s a m 系统，其中水动力计算模块w a s i m 主要就是基于三维时域r a n k i n e 源方法求解速度势和方程，它可以对各种船型、 船速进行计算和预报，计算所得外载荷可以转换为有限元进行结构分析；此外， 美国麻省理工学院开发了以r a n k i n e 源方法为基础的船波分析程序s w a n 。其 中s w a n 1 为频域版本，s w a n 2 为时域版本，包括线性、准非线性和非线性 版本。 1 3 高速三体船的发展概况 1 3 1 三体船的发展历史 在上世纪7 0 年代末国外就提出了三体船的概念，原苏联还出版专著对三 体概念船深、浅水阻力进行了理论研究；随后国外又陆续发表了部分三体船理 论研究、模型试验和方案分析的文献，证实了该船型具有优良的快速性和耐波 性。九十年代，这种新船型逐渐得到了厂商的认可和青睐。出现少量实船付诸 营运，如9 0 年代末爱尔兰的三体船“冒险家号 。近年来高速三体船型开始受 到国外军方重视，美、英及北约其他成员国的海军对该船型都产生了极大的兴 武汉理工大学硕士学位论文 趣。英国自9 0 年代末以来投入了大量资金对军用高速三体船进行研究、方案 论证，于2 0 0 0 年建造出了9 8 7m 长的三体试验舰“r v 特里顿号( “海神” 号) 【1 8 】( 见图2 ) 。该试验舰是按护卫舰的概念以2 3 的比例缩小设计建造的， 下水后进行了广泛的实船试验。英国“未来水面战舰( r s c ) 计划”也将三体船 作为第一候选船型，并计划到2 0 1 3 年以f s c 替代2 2 型、2 3 型护卫舰。英国 对三体船的研究引起了世界范围内对三体船的广泛关注：意大利对高速三体船 也进行了较为系统的理论计算和模型试验研究，研究内容包括片体布局优化、 兴波阻力特性、波浪中的运动特性以及船体结构强度等。北朝鲜则对2 5 0 0t 级 的高速三体船的片体布局和快速性进行了研究，采用了模型试验、理论计算与 分析的方法，研究船型与护卫舰相近。美国军方则提出了4 7 7 节航速“蓝骑士 号巡逻艇、3 0 节以上航速驱护舰，以及3 2 节航速2 5 7 0 0t 的“海妖 号( 见 图3 ) 大型战舰构想，并长期派员参与英国“海神 号实船试验。法国、日本、 加拿大也表现出了对三体船技术的浓厚兴趣。 在国内，高速三体船的研究近几年也开始受到重视。国内主要有上海交通 大学对小型或数学三体船型的兴波干扰、耐波性能进行了数值计算或模型试验 研究【1 9 。2 1 】，海军工程大学应用势流理论计算方法，对三体船片体位置进行了优 化研究【2 2 】。， 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 高速三体船的特点 高速三体船水下部分由中体( 主船体) 和两个小侧体( 辅船体) 组成，3 个船 体均为细长片体，中体比普通单体船更加瘦长( l b 大约在1 2 到1 8 之间) ， 侧体排水量不超过中体排水量的1 0 。自从上世纪至今，相关学者所进行的 一系列研究都证明7 - - 体船能够提供较其它船型更佳的优点【2 习：1 ) 阻力。由于 船舶低速航行时摩擦阻力为阻力主要成分，三体船由于其较大的湿表面积而带 来总阻力的增加；而主要由兴波阻力构成的剩余阻力在高速段占阻力的主要成 分。当船型变得细长时，船舶的兴波阻力和形状阻力将减少。又由于三体船侧 体带来的稳性的增益，使得三体船可以采用有助于减小高速段的剩余阻力的细 长体船型。因此，与单体船相比，三体船高速段剩余阻力的减小可以大大弥补 由于湿面积的增加而带来的摩擦阻力的增加；2 ) 机舱布置。三体船可以灵活地 布置和容纳多种推进装置。由于中体较大的宽度，三体船可以采用比相应的双 体船更大更有效的机械装置，在侧体中还可以布置喷水推进器进行侧推；3 ) 总 布置。三体船横向宽度比相应的单体船、双体船要大，较大的甲板面积可以提 供更多的贮物空间、甚至更便于布置武器、设备或直升机等。4 ) 令人满意的耐 波性能。尤其是可避免双体船的“扭摇”( 横摇与纵摇的耦合摇摆) 与“急摇 ( 短周期的横摇) ，并可明显减小纵摇和升沉。5 ) 隐身性能好。三体船的上层建 筑低矮平滑，机舱排气道布置在主船体与舷侧船体之间，从而减少了红外信号 特征，机械设备尽可能布置在较高位置，加上舷侧体的屏蔽，可减少舰船本身 的辐射噪声。6 ) 生存能力强。三体船的主要设备和人员、弹药等均布置在主船 体内，两侧的舷侧体可对其起到关键的保护作用。即使在主船体中弹破损后， 其稳性也超过单体船。同时，船的动力和操纵还可通过其他船体来实现。 尽管高速三体船与常规单体船相比也有制造工艺复杂、制造成本高的缺点， 但鉴于在主要技战术性能方面的优势，该船型适合用作多种水面舰船，如高速 护卫舰、驱逐舰、导弹艇等，甚至有人认为高速三体船是未来航母的潜在船型， 其应用前景相当广阔。 1 3 3 高速三体船耐波性研究进展 意大利对高速三体船的横摇运动理论计算模型进行了研究【2 4 1 ，其片体取为 武汉理工大学硕士学位论文 w i g l l e y 船型，理论模型是假设在高速三体船横摇过程中主船体如单体船一样 作横摇运动，而两小侧体则伴随着作升沉运动。从物理概念上说这种理论模型 与高速三体船实际的横摇运动是较为接近的，其理论计算结果与模型试验结果 的比较亦在一定程度上验证了该理论模型的有效性。英国对高速三体船在波浪 中的运动与波浪载荷进行了理论研究【2 引，采用了三维脉动源、三维移动脉动源、 三维脉动源与水弹性理论结合3 种理论模型进行了数值计算，据称数值计算结 果的比较表明：三维移动脉动源方法更适用于高速三体船。在国内，上海交通 大学对三体船的耐波性进行了理论研究。从定性上来讲，与单体船相比三体船 侧体的存在可以增大横摇阻尼，以有效地控制三体船的横摇幅值。此外，文献 【2 0 以模型横摇试验得到的衰减曲线为基础，根据b a s s 和h a d d a r a 提出的线性 加平方的能量法估算横摇阻尼系数，并用于对三体船的横摇运动特征的分析和 预报，通过理论分析和计算对比表明，在摇幅很小和高速运动状态下用线性方 法进行三体船横摇运动预报是可行的。与国外文献【2 5 】的研究方向相近，文献【2 6 】 中进行了将三维移动脉动源方法用于高速三体船纵摇与升沉理论预报的探讨， 数值计算中采用的片体形状为几何相似的双向抛物线船形( 一种w e g l l e y 船形) ， 计算结果初步验证了三维移动脉动源方法用于高速三体船纵摇与升沉理论预报 的可行性。届内还有文献 2 7 】将2 5 维方法用于高速三体船的耐波性预报，并将 计算结果与切片法和试验结果进行了比较，表明2 5 维方法对在规则波( 正弦波) 中高速迎浪运动的多体船可获得满意的结果。所谓2 5 维方法，如文献【2 7 】所 述，就是采用三维自由面条件与二维控制方程作为数学模型的理论方法。如前 - 所述，定性上说高速三体船可以避免双体船的“扭摇”与“急摇”现象，但高 速三体船与双体船耐波性对比研究的文献还不多见，这方面的研究有待于加强。 总的来说高速三体船的耐波性具有优势，但高速三体船的耐波性理论研究 应进一步加强，需研究的问题包括高速三体船与双体船和单体船耐波性的比较 以及耐波性理论计算方法的研究，研究认为计入非线性影响的三维面元法用于 高速三体船耐波性计算较为适宜，可视为发展方向。本文即从此角度出发，进 行初步的三体船耐波性性能优化工作。 1 3 4 三体船结构载荷h 明 通常所谓的船舶结构载荷是广义的，既指作用于船体上的直接载荷( 如舷 武汉理工大学硕士学位论文 外水压力、舱内液体压力、结构及货物重力等) ，也包括由直接载荷所引起的载 荷效应( 如船体的静水弯矩、垂向波浪弯矩、水平波浪弯矩、扭矩、砰击振动 弯矩等) 。它们之中，有的属于静态载荷，如舷外静水压力、舱内液体静压力、 结构及货物重力、船体静水弯矩等；有的是与波浪振动频率或船体结构固有频 率相关的动态载荷，如舷外波动压力、液舱晃荡压力、垂向及水平波浪弯矩、 扭矩、砰击振动弯矩等。 按对结构影响作用划分，三体船载荷分为主要载荷、次要载荷、局部载荷、 其他载荷四部分。详见图4 ： 三体船主要载荷划分 主要载荷l1 次要载荷li 局部载荷ll 其他载荷 ，影响船 体梁的 强度 影响整 体结构 部件 影响局 部结构 部件 主要影 响内部 结构部 件 图4 三体船载荷按对结构影响的划分 一主要载荷：对于主要载荷，在设计过程中是必须首先予以考虑的。主要 载荷包括：纵向弯矩主侧体间分裂弯矩扭矩水平弯矩疲劳弯矩。 纵向弯矩：对于单体船来说，波浪诱导纵向弯矩是主要载荷中最重要的 一种载荷，且其在迎浪状态下最大。同样，对三体船来说，迎浪状态下的纵向 弯矩也是在船舶结构强度设计中最重要的载荷，主要影响纵向船体梁尺寸的设 计。 主侧体间分裂弯矩：在波浪中，当侧体受到一个垂直于船长方向、迫使 侧体远离或靠近主体的水平分力时，会产生主侧体间分裂弯矩。它决定了横向 甲板的结构尺寸。作为新船型的特殊载荷，目前对分裂弯矩的认识在对双体船 及s w a t h 的模型试验、理论研究中已取得一定的进展。对于三体船，部分船 l o 武汉理工大学硕士学位论文 型( 如英国海神号) 也做了相应的模型试验研究， 扭矩：作用在船体上的扭矩也相当重要，尤其是在判定三体船连接桥结 构强度方面。扭矩最大的情况一般出现在斜浪( 4 5 。或1 3 5 。) 时。其与主侧 体间分裂弯矩一起，决定了连接桥的尺寸设计。纵向扭矩主要作用在主体的船 梁上，由于船体是封闭的，因此一般情况下纵向扭矩并不会导致船体严重变形。 但当船体非常细长，或主侧体间间距比较大时，对纵向扭矩必须给予重视。 水平弯矩：和纵向扭矩一样，水平弯矩一般不太重要。与其他主要载荷 相比，水平弯矩更可能会对局部结构产生影响，比如横向甲板、连接桥。 疲劳弯矩：由于大多数载荷都是反复的作用在船体上，所以我们必须考 虑到由疲劳弯矩导致的结构失效。虽然在常规设计中已经对疲劳特性有了足够 的了解，但对三体船，这一方面的工作和研究还非常有限。对三体船疲劳特性 的研究中最重要的工作就是对疲劳弯矩的确定。 二次要载荷和局部载荷：对于航速高，排水量大的船舶，必须考虑到次 要载荷和局部载荷。其主要是由外部水压力引起的载荷，包括底部砰击首 部外飘砰击横向甲板砰击 底部砰击：底部砰击主要是由船舶的升沉运动和纵摇运动所引起。这种 冲击通常快速而猛烈，并伴随着巨大的砰击声，尤其易发生在较大的船舶上。 砰击力持续的时间很短，一般情况下不到1 0 0 豪秒。目前，底部砰击已成为船 舶结构损坏的主要原因之一。砰击力的大小和持续时间主要取决于船体与水平 面之间的角度和相对形状、来流的速度、频率等。 首部外飘砰击：首部外飘砰击指船首上部外飘部分快速浸入水中。其速 度与猛烈程度较底部砰击相比要小，并基本上没有声音，除非外飘很大。另外 一个不同就是底部砰击常常伴随着船舶前体出水，而船首外飘砰击不会。它持 续时间往往小于一秒，但却会给船体首部一个猛烈的激振力，因此对于设计优 良船型，必须予以重视。 横向甲板砰击：同首部外飘砰击一样，横向甲板砰击也由船体升沉及纵 摇运动引起，在船体连接桥下表面产生一个冲击力，对其结构造成损坏。尤其 是在主体和侧体之间的“狭管效应 下，此现象更为严重。因此在船舶设计中 必须考虑连接桥的局部结构强度。 三其他载荷：液体的摇晃，货物及船体的运动等所引起的载荷都是非常 重要的，设计时必须予以考虑。但这些载荷是一般常规船所共有的，在这里不 武汉理工大学硕士学位论文 做详细叙述。 如上所述，三体船载荷包括很多种，而其中波浪诱导的纵向载荷是船舶结 构强度设计中最重要的载荷。因此，本文也针对波浪诱导纵向载荷( 垂向剪力、 垂向弯矩) 展开计算和讨论。 1 4 本文主要工作 1 影响耐波性及波浪载荷船型要素的讨论 分析主要船型要素对耐波性及波浪载荷的影响，对目前国内外三体船侧体 布局、尺寸对水动力性能影响的结论归纳整理。总结三体船主要尺度、有利侧 体布局的变化范围，为后面计算中初始船型的选取，船型变换做准备 2 船型变换程序研制 确立影响三体船主要参数，通过约束条件改变参数进而改变船型，基本模 块如下： 拉伸变换：改变l ，b ，t 剖面变换：改变剖面系数c m f a c t 以改变剖面形状 质量分布变换：通过改变前、后体棱形系数改变质量分布 不同载重量吃水变换：根据不同排水量选择不同吃水 3 耐波性与波浪载荷模拟计算 本文有针对性的计算了横摇、纵摇、升沉三个自由度运动及垂向剪力、 垂向弯矩两个纵向载荷。分别计算了单个船体的不同航速，不同浪向的纵向运 动和载荷：不同横向间距下的零速横摇；不同纵向间距下的纵向运动和载荷； 不同船型下的纵摇运动和载荷。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章主要船型参数对耐波性影响的讨论及选取 2 1 影响耐波性的主要参数 在船舶设计初级阶段，通常不可能对所有选择的船型方案进行各种船模性 能试验，设计者必须要尽可能快且有效地把握住船舶水动力性能，以使一旦船 舶主尺度和船型系数初步确定就能很快生成线型并通过计算机系统评价出初始 的水动力性能。要确切地表达各个参数对摇荡运动和动态效应的影响是不容易 的，可能出现这样的情况：某一参数的改变对运动特性有利而对动态效应不利； 或者对部分运动特性有利而对另一些运动特性却不利。所以必须确定主要的设 计参数对耐波性的影响的敏感性，这也正是本文工作的主要目的所在。高速三 体船作为一种新船型，目前国内外关于船型参数及主尺度对其性能影响的研究 并不多见，在此本文仅概念性介绍常规单体船影响其耐波性的主要参数。 一些主要参数对船舶耐波性的影响可概括地叙述如下【2 8 】： 船长船舶在汹涛上的性能与姿态在很大的程度上取决于船的长度。波浪 的扰动力和扰动力矩对于小船来说相对地要比大船大些。垂荡和纵摇运动两者 都受到船长这一参数很大的影响。就保持航速而言，船长也是最重要的参数之 一。在汹涛海上，常常需要人为地降低航速，从而避免出现严重的甲板淹湿、 砰击和螺旋桨飞车。升沉和纵摇放大因素的峰值发生在1 ( x l ( 2 5 范围内。所 以，船越长，出现峰值几率则越小，为此目的所需的降速也越小。 实船试验的经验也表明；在任何船速下，大船的首部垂向加速度和甲板上 浪要比船长短的小得多。换句话说，对于已经给定的排水量，船长越大则其耐 波性也越好，只要吃水减少得不太过分，否则会加大砰击的概率。排水量船 长比小的船，其推力增值系数也较大。船长与摇荡运动特性的关系见图2 1 。 船宽尽管船舶设计师趋向采用较小的l b ，它对耐波性的影响并不显著。 但纵摇运动随着l b 的增大而略有增加。一般说来，无量纲的扭矩增值和功率 增值