排水式圆导弹护卫艇减纵向运动组合附体的试验研究

排水式圆导弹护卫艇减纵向运动组合附体的试验研究

1减纵摇组合复合布迄今为止，对船纵向运动的改进研究还没有得到改善。主要原因是垂直稳定矩阵比水平稳定矩阵大。从已有的研究来看,多采用被动或主动式鳍,并直接将鳍装于船艏底两侧或船的1/2设计吃水线处。当船舶在波浪中航行时,鳍要承受巨大的纵向力矩,并且鳍的沉深不大,很容易出水,造成鳍上载荷骤变,易引起船体的振动及鳍结构强度无法保证。80年代中期,日本提出一种在船底艏部加装半潜体的减纵摇运动方案,并且进行了大量的船模及实船试验,结果表明半潜体在船的运动响应峰值附近可以有效地降低其纵摇和艏部垂向加速度,不过由于所采用的半潜体排水体积占全船的10%,甚至更大,使阻力增加,有效频带范围较窄,在较长波区以及较短波区其效果变差。本文提出减纵摇组合附体的概念,采用倒三角翼型和椭圆剖面流线型半潜体。快速性试验、规则波试验和不规则波试验结果表明,加装该组合附体后不但可以显著地抑制船舶的纵向运动,而且静水阻力与基本船体相比变化不大,如果调整好浮态,阻力甚至比基本船体还要小。船舶的纵向稳定力矩由艏鳍和半潜体共同承担,鳍安装于半潜体上,沉深较大,不易引起鳍出水。理论计算和试验结果表明,该减纵摇组合附体结构合理,强度满足工程要求,不会诱发船体振动,阻力性能良好,减摇效果显著,可应用于工程实际。2内容和实验模型进行了2次加装减摇组合附体的模型试验,第一次在哈尔滨工程大学船模拖曳水池中进行,第二次在中国船舶科学研究中心01水池完成。2.1组合单体方案对无附体船模及加装附体船模分别进行了快速性及横摇衰减试验、规则波试验。目的是寻求一种阻力性能和减摇效果均较好的组合附体方案。采用的附体方案及主尺度如下(模型缩尺比1:20)。各半潜体横剖面为椭圆,纵剖面轮廓为NACA00形式,纵向位置为艏部延伸至艇首(见图2)。2.2减摇组合装置进行了基本船模和加装附体后的快速性及规则波、不规则波试验,目的是验证减摇组合附体在较大尺度模型上减摇效率和阻力性能,采用的附体方案及主尺度如下(模型缩尺比1:10)。半潜体形状与安装位置同上节。3加生物基质压的影响试验均是在保证加附体艇模型排水量与基本艇模相等的前提下进行,加附体的艇模质量比基本艇模增加了附体的质量。附体的质量占基本艇质量的1.08%,可认为这一值对耐波性试验结果基本没有影响。模型的初始浮态与原艇一致。3.1半潜体三方案单独添加式试验试验前估算各减摇组合附体方案的减摇效果,选出较佳方案做快速性试验,其中有A+E,C+D,B+E,B+D,另外还对半潜体三方案单独加装后作了快速性试验。试验结果表明,半潜体、鳍与艇体三者之间存在一有利干扰的布局。从图3可以看出,加半潜体B+鳍E,且鳍E向后移动17mm的布局阻力性能较好。3.1.1减摇组合成功率图3给出了试验所选方案的静水阻力结果以及相应的浮态变化情况。图中θ为纵倾角,R为阻力,Z为垂荡。由图可知,减摇组合附体使得模型阻力略有增大,在较高Fn时,阻力最大增加低于5%。从加半潜体B+鳍E且鳍E向后移动17mm的布局的效果可看出,若调整好鳍、半潜体与艇体的布局,则模型加装附体引起的阻力变化值在试验误差范围内,在设计Fn0.57附近,阻力比基本艇模降低约1%。3.1.2试验结果分析从耐波性预报的方案中选取阻力性能良好的方案进行了2个速度的顶浪规则波试验,以观察航速对组合附体减摇效率的影响。同时观察了较大排水体积附体的减摇效果。按试验规程要求,试验波幅ζa为25mm。试验结果见图4。图中k为波数,g为重力加速度,af、ar分别为艏、艉加速度,L为设计水线长,λ为波长。从图可见,B+D和B+E的方案效果较好。考虑到阻力性能、避碰、减摇指标,决定选用B+E方案。该方案与基本船体相比,高速时在响应曲线峰值处可使纵摇运动幅值降低30%左右,垂荡运动幅值降低20%左右,艏部加速度降低50%左右,艉部加速度降低25%左右。另外半潜体效果也不是排水体积越大越好,还与剖面宽度比有关,主要抑制艏部垂向加速度,纵摇减摇效率仅局限于0.5L<λ<1.6L范围内,根据前期某一穿浪艇的试验结果,对于不同船型此频带范围会有变化。3.1.3组合单体的衰减试验为观察组合附体对船横摇运动的影响,进行了自由横摇衰减试验。加装组合附体后艇的横摇阻尼比基本艇增加了33%,横摇周期增加约7.6%。因此加装组合附体增大了船的横摇阻尼,对减横摇运动也有一定贡献。3.2试验1:b+e方案为观察组合附体在较大尺度模型上的效果,试验选用B+E方案,加大主尺度作为方案F+H,同时另外又适当加大半潜体剖面宽厚比作为G+H方案。3.2.1表面活性剂复配图5是各方案的模型静水阻力曲线,试验中模型排水量不变,增加了附体的质量,对于方案F+H仅在常规速度范围内测量阻力,以验证前次试验结果。从图5可知,加装附体后阻力略有增加,在对应Fn0.38～0.57的速度范围内,模型阻力平均约增加1.2%左右。3.2.2装减摇组合装置对应2个Fn,测量了模型加装不同方案组合附体后的运动响应。试验波高为120mm,航向角0°。其结果见图6。由图6可知:加装减摇组合附体后,在较高Fn时,运动响应曲线峰值附近垂荡降低27%,纵摇降低30%,艏部加速度降低38%,艉部加速度降低20%。在较低Fn时,垂荡运动幅度波长为一倍船长附近可降低30%,长波时略有增加,纵摇幅值降低30%,艏部加速度降低35%,艉部加速降低15%。由此可知,在高速与低速时,减摇组合体在响应曲线峰值处的效率差不多,但高速时有效的频带范围比低速时更宽。3.2.3减摇组合装置的试验结果不规则波试验Fn=0.38、0.51、0.57。基本艇体在Fn=0.38时仅进行了4个航次,航向角为0°,到达Fn=0.51时,因运动幅度太大,试验设备无法承受被迫中断,而加装减摇组合附体后,Fn越高,运动越平稳,上浪概率明显减小。试验波谱采用ITTC标准单参数谱,表7中给出了不规则波试验数据的谱分析结果和上浪概率(对应实船,均为有义单幅值)。方案G+H还在Fn=0.57时试验了4个航次,模型运动更加平稳,在108s时间内上浪2次,而基本船体在Fn=0.51时不能够正常试验,这说明减摇组合附体的效果显著。试验中基本船模近艏底部砰击较严重,而加装半潜体的船模其半潜体基本没有出水现象。3.2.4加摇组合病虫害的影响根据在中国船舶科学研究中心模型规则波试验结果,计算船的频率响应函数,采用ITTC单参数标准谱计算了有义波高分别为H1/3=2.0m、H1/3=3.0m、H1/3=4.0m,傅汝德数分别为Fn=0.38、Fn=0.57情况下的单幅有义值,见表8、表9,表中am为船舯加速度。由上可知,加装减摇组合附体后船的运动有了很大改善,尤其是纵摇角和艏部垂向加速度。在较高傅汝德数时艏部加速度可降低25～30%左右,纵摇角降低18～25%。而垂荡运动改善有限,高速时效果比低速时好一些,同时其效果与浪级也有一定关系。4组合装置的减摇效果试验结果表明,加装减纵摇组合附体后,船舶纵向运动得到显著改善。本文采用的组合附体排水体积仅占全船的2%左右,阻力变化不大。而纵摇幅度在规则波中响应曲线峰值处可降低30%、在不规则波中可降低20%左右,艏部加速度在规则波中可降低35%以上、不规则波中降低25%以上,高航速时效果较好。在不规则波试验中,加装组合附体后模型在Fn=0.57时运动更加平稳,而基本船体在Fn=