高速无人滑行艇的方案设计与耐波性研究分析 交通运输专业

高速无人滑行艇的方案设计与耐波性分析摘要：滑行艇木板可用于巡逻艇，渔船，救护艇，游艇和运动艇。高速滑行时其重量主要由水升压力载荷支撑，其流体动力特性与常规排水量船（艇）具有显著的差别。高速滑行艇的阻力特性计算及耐波性分析，对于提高滑行艇动态稳定性具有十分重要的意义。本文在研究分析高速滑行艇基本性能，解析各船型要素对高速滑行艇运动特点的影响。利用Maxsurf软件对其在实际流体中的受力进行分析，从而得出比较合理的船型（滑行面形状）要素。在模型建立的基础上研究其受波浪作用下的阻力特征，得出各项航海性能的特点。由于高速艇的正常工作状态为高速行驶状态，本文重点研究其在高速航行时于复杂海况下的运动，借以分析船型要素对其耐波性的影响。如在特定航速下，限定入波角，研究各波形、波速对船舶的影响等。关键词：滑行艇，高速，maxsurf，耐波性Schemedesignandseakeepinganalysisofhigh-speedunmannedgliderAbstract:glidercanbeusedforpatrolboats,fishingboats,rescueboats,entertainmentboatsandsportsboats.Hydrodynamiccharacteristicsofhydroplaningcraftaresignificantlydifferentfromthoseofconventionaldisplacementboats(boats).Thecalculationofresistancecharacteristicsandtheanalysisofseakeepingresistanceofhigh-speedglidersareveryimportantforimprovingthedynamicstabilityofgliders.Inthispaper,thebasicperformanceofhigh-speedgliderisstudiedandanalyzed,andtheinfluenceofvariousshiptypesonthemovementcharacteristicsofhigh-speedgliderisanalyzed.Maxsurf.Softwarewasusedtoanalyzetheforcesinrealfluids,soastoobtainareasonableboattype(shapeofglidesurface).Basedonthemodel,thecharacteristicsofitsresistancetowavesarestudied.Sincethenormalworkingstateofhigh-speedcraftishigh-speedrunning,thispaperfocusesonthestudyofitsmotionundercomplexseaconditionswhensailingathighspeed,soastoanalyzetheinfluenceofshiptypefactorsonitsseakeepingperformance.Forexample,inthecaseofaspecificspeed,thewaveAngleislimited,andtheinfluenceofeachwaveformandskinspeedontheshipisstudied.Keywords:glider,highspeed,maxsurf,seakeeping滑行艇运动性能基本理论高速无人滑行艇是一种航速高、小排水量的船。由于其有“高速、重量小”等特点，因而无论在军事上或民用交通方面，都具有相当的重要性。滑行艇船型初步分析滑行艇的速度范围均为Fn>1.0，或者滑行艇的体积。因为船的速度很高，以至于当在水面上航行时船的底部产生大的升力，船体被提升出水面，并且整个船体在水面上滑动。由于排水量小，静水浮力几乎趋于零。本次毕业设计将就高速艇的船型特点、航态及阻力性能等方面对艇体航海性能及船型对航行性能的影响加以分析，获得了船型系数对高速船适航性的影响。众所周知，一个波长的船体波的总能量等于2λ距离内波阻力所做的功，即E=*2λ，则有：由于船波仅限在船后的扇形区内，显然波宽和波长是成正比的，即b∝λ，通过这点可以看出，波长与波速（即船速）的平方成比例，即λ∝v2,同时，由船中波面升高船尾处波面升高可知，船行波的波高也于速度的平方成正比。船体波阻力的近似表达式虽然不可能直接计算船体波阻力，但它可以用于定性分析船体波阻力特性。不难看出，随着船速的增加，波浪阻力将迅速增加。对于高速船，波阻将占总阻力的很大一部分。由于毕业工程所要求船舶属于高速范围，一般来说L/B比较大，排水量长度系数Δ/（0.01L）3较小，反映出艇体的细长度，这有利于减少高速下的残余阻力。以这种方式选择主刻度实际上对快速性和耐波性都有益。船型系数Cb对高速艇的航海性能最为重要，考虑到残余阻力的减小，决定使船的水下部分趋于更薄，然后Cb取较小的值。剖面形状方面，当航速为Fn>1.0时，参考前人所得结论，参照其他艇型资料，为了同时满足快速性和耐波性的需要，本人决定采用折角型。船的前半部分具有较大的底角，越靠近船尾，倾斜角越大，为零。这种横截面形状的目的是使前体的形状有益于减少船体在波浪中的冲击。身体的形状有助于增加流体动力学效果。方尾设计具有在高速时降低船体阻力的优点。当船体高速航行时，方形尾部的下端低于侧面水面，并且水向后流动以形成凹槽，这增加了虚拟长度。从阻力方面来看，虚拟长度的影响等于船长的增加。这减小了位移长度因子并降低了总阻力。船体后部的纵向截面是平的，后挡板更宽。减少高速水流的能量损失是有益的。同时，较宽的尾板用于使尾部更加充分，并防止螺旋桨吸入空气以影响推进性能。另一方面，高速船的尾部在航行期间不会太大。1.2浅析高速船航行航态的变化航态的变化当达到一定的航速后,整个厅出现明显的垂向位移和航行纵倾。当一般速度Fn<0.7时，船的重量主要由静力支撑。当Fn>0.7时，船明显受到流体动力的提升。随着速度的增加，这种胜利效果会增加，而静态动作会减少。这种提升效果使船的重量升高到原始静态浮子的重心之上。由于船体前后方向的力不均匀，整艘船的导航装饰都伴随着航态的变化。飞溅现象由于高速艇在一定的航速下,有一个相对明显的流体动压力，因此在航行期间，船体两侧都会发生飞溅。特别是在高速时，飞溅会更明显，因此防溅性成为不可忽视的阻力成分。高速船航行过程中航行状态和飞溅现象的变化直接影响其航行性能，特别是波阻和抗飞溅性。另一方面，它也影响船体的湿表面积，这反过来对船体的摩擦阻力有一定的影响。由于导航状态的改变和飞溅现象都与船的速度有关，因此船体的湿表面积随着船舶在航行期间的速度而变化。测定航行中表面积的方法目测法这种方法可分为外部目视检查和内部目视检查。前者通过由船模外部划分的分界线，在导航过程中目视检查湿润位置，并计算和确定整个整体的湿润区域。后者与前者的不同之处在于必须将其制成透明模型，并且从模型内部记录润湿位置。该方法的缺点在于，当超过某个船模的速度时，由于严重的飞溅，湿区的上边界将被遮蔽，从而无法确定湿润的形状。同时，对于一般水池，当船模速度大于5m/s时，由于实验时间短，以致来不及观测，不得不进行重复试验。摄影法船体侧面和底部的实际湿表面积通过专用水摄影和水下摄影拍摄。这种方法比视觉方法更准确，但这种方法类似于视觉方法。有必要将照片绘制成横截面的湿长图案，并计算湿区域。显然，这种方法更昂贵。油漆方法在实验之前，将油漆施加到船体侧面水线以下的某个区域。实验后，可以在船模上直接测量横截面的湿段长度。但是，涂漆会增加船体粗糙度，因此在项目期间不能进行电阻测量。针测试法不同表面高度的信号输出通过测量侧面触笔湿区的装置直接输入拖车上的计算机。因此在每个实验中，立即得到相应的湿表面积。近似简单处理方法某些对滑行艇来说较为敏感的参数,例如，在重心的位置，重心的位置垂直变化，并且对高速船的阻力性能的影响不显着。因此，考虑到船的高速特性，可以采用与排水型船相同的方法来处理它们的阻力性能和其他海上性能。航行过程中的横向稳定性问题船体高速稳定性变化的根本原因是船体周围的压力场发生变化，这种压力变化会随船速变化，因此横向稳定性必然随速度而变化。当高速船高速航行时，导航模式主要发生变化。水线发生变化（与静水线不同）。一般来说，弓的水线的一部分下降，头部和尾部上升。实验表明，导航过程中的稳定性小于静止时的稳定性，稳定性的降低可能非常大，因此初始稳定性值达到一定的负值。在这种情况下，船体受到横向力，即发生倾斜。直到倾斜到某一稳定位置为止。对于定初稳性高度的艇体可以通过测定不同航速时的稳定横倾角从而确定由于艇体周围流动影响而产生的横稳性损失。通常通过测量不同速度下的后跟角来进行高速船速度对稳定性影响的研究方法。由于测得的后跟角稳定性表明横向稳定性损失的大小，相关实验研究的结果可归纳为三个方面：航速影响航速对横稳性的影响仅在航速较高时才显示出来，有研究认为航速在>3.5时，将出现明显的横倾趋势。初稳性高度影响即使同一船模，由于初稳性高度GM值的不同，不但出现明显横倾的相应速度完全不同，而且在相同航速时的横倾角将有很大的差别，并可得到以下结论：1、初始稳定性较小的船舶在航行期间更有可能有明显的后跟。也就是说，由于初始稳定高度GM较小，因此在较低速度下会出现明显的后跟。2、对于同一艘船，即使在相同的速度下，由于GM值的减小，导航期间的后跟角也会显着增加。船宽越大，定心半径r越大。在相同的重心处，相应的初始稳定高度GM较大，这有利于提高横向稳定性。在计算稳定性时，必须考虑航行期间的稳定性损失。与静态稳定性所需的最小值相比，应增加GM值。该方法是考虑船体重量的适当分布或考虑适当的船舶宽度。剖面形状影响为了便于实际设计和应用，NPL根据NPL进行的试验测量给出了对应于高速船航行的正横向稳定性的极限初始稳定高度值，并表示速比和宽度GM/T无量纲形式的草案比率功能。艇型参数对高速艇航行性能的影响应从阻力，耐波性，机动性等方面综合测量导航能力。在选择船型参数时，必须考虑所有方面。尽管快速性是衡量高速船性能的重要方面，但它并不是唯一的基础。排水效果几乎所有的研究都一致认为速度，长度和位移是影响船体性能的主要参数。当设计船不能达到预定速度时，尝试减小船的位移或增加船的长度是最有效的。在相同的Fn数下，不同位移对电阻的影响是敏感的，特别是在电阻的“峰值”区域，其中位移的变化将导致残余电阻的显着变化。排水量长度系数的影响位移长度系数CΔ=Δ/（1/10）对高速船的适航性影响不大，因此一般强调对阻力的影响。因为它是由两个重要参数Δ和L组成的无量纲表达，它们影响高速船的阻力。因此可以想象它对阻力性能有多重要。一般而言，随着CΔ值增加，船体阻力增加。为了估计阻力变化值，Henschke分析得出结论：在Fn>0.4的情况下存在以下关系：单独改变排水量是指：同时改变宽度B和吃水T值。认为L,B/T，方形系数CB均不变，使排水量有所改变，以致CΔ变化。所谓单独改变艇长是指：保持B,T及CB均不变，藉增减船长L来改变排水量。从上面的公式可以看出，由位移或长度变化引起的残余电阻的变化与1.6的功率成比例。当在初始状态下已知残余阻力时，可以计算在位移或长度的情况下的残余阻力值，即水长系数CΔ的恐惧。横剖面面积曲线的影响棱形系数由于不同航速情况下各阻力成分不同，因此所选取的棱形系数CP的值也不相同。一般来说航速较低者选取棱形系数CP=0.56—0.6，而高速时由于兴波状况严重，整个进流段对兴波阻力影响颇大，横剖面面积曲线不应有“突肩”。要求排水量沿船长较均匀的分布，取较大的棱形系数CP。纵向浮心位置由于高速艇的航速较高，由阻力理论可知，其浮心位置一般取在舯后。Xb具体数值的确定，不但取决于Fn的大小，而且与具体的艇型情况有关。当最大的横剖面位置，棱形系数CP等选定后，Xb的变化余地不是很大。根据实验，取排水量系数范围：5.23—7.10，浮心位置范围：2.0—5.2%，可得以下几点启示：对于高速艇，浮心位置适当的向舯后是有利的。但浮心位置后移是有限度的。存在一个对应于最小阻力的最佳浮心位置。浮心位置的变化对阻力的影响在高速时更明显。尾板浸湿面积尾板湿面积往往是与尾板宽度联系在一起。在Fn<0.45的较低范围内，增加尾板宽度将引起剩余阻力的显著增大；当航速超过Fn=0.45时，选取较大的尾板宽度反而对阻力有利。从阻力观点来分析，在较低速度时由于增加为封板宽度将引起粘压阻力增加以致剩余阻力随之增加；而在高速时，由于加宽尾板，可以增加尾部水压力作用不使船体的航行纵倾过大，同时还可以使船体尾部水流收缩不至太快，从而增加虚长度，对阻力性能反而有利。剖面形状的影响剖面形状对阻力性能的影响在速度范围内：Fn<1.0，圆形船的性能优于倾斜船的性能。从阻力的观点来看，V形轮廓将在低速时增加粘性阻力（由角度类型引起），因此其阻力性能不如圆形船的阻力性能好;在高速时，V型液力升力更圆。船比较大，与圆形船相比，它的飞溅缓和，所以它的阻力通常低于圆形船的阻力。形状对耐波性的影响对滚动性能的影响：从物理角度来看，倾斜轮廓增加了滚动阻尼，从而导致滚动衰减增加并且滚动值减小。对俯仰和升沉运动的影响：在所有情况下，圆形驳船在波浪上的俯仰运动可能很大，并且在升沉运动中两种船型之间的差异很小。对失速的影响：人们普遍认为倒角船的失速被称为圆形驳船，但这是有条件的。从测试中获得的波浪阻力增加，并且假设相同的船体在静水和波浪中具有相同的推进效率，两种类型的船在感应波高=2.0米和4.0m它是失速值，失速单位是结。不难发现，在较低速度范围内，倾斜船的失速小于圆形船的失速，并且失速状况仅在较高速度范围内是严重的。提高高速艇航行性能的措施由于高速飞行器的高速行驶，一般F汝数Fn高于0.5，因此船处于严重的波浪状态。特别是，随着速度的增加，它伴随着严重的飞溅和飞溅阻力，这是残余阻力的主要组成部分。为了提高其抗性能，首先应该减少其残余电阻。尾压波板的应用压力波浪板指的是延伸到船的后部的短板，并且沿着方形尾部的整个宽度安装在尾部密封板的下边缘处。它与船体总截面的延伸之间的角度称为安装角度，一般方向为正。高速船尾波系统的大小与船的航行状态直接相关。在高速行驶时，在使用船体后，船体可以减小桨距角并抬起尾翼。但是，尾板的一维延长长度或安装角度的增加，虽然俯仰角可以减小，但是修剪过小，不仅摩擦阻力明显增大，而且即使是因为弓太强烈，第一波或飞溅非常严重，但总阻力增加。防溅条的应用防溅条分为垂直和水平。静水中的滚动试验证明，安装水平防溅条带后的滚动阻尼大约是配备龙骨的圆形筏板的两倍，而常规波浪的滚动试验表明转移的幅度前者的功能曲线较高。后者要低得多，其峰值几乎减小50%。高速无人滑行艇的几何建模与计算方法本章将详细讲述利用MaxsUrf是一种高速无人刨的方法。Maxsurf为船舶设计者和建造者提供了一套完整的船舶设计和施工软件，用于从小型游艇到大型货船的船舶设计，分析和建造。2.1船体型线设计方法根据大多数高速艇资料，初步确定艇的船长为6m、船宽为2m、设计水线0.8m、型1.6m设计航速30节。2.1.1船体型线的初步确定根据已知的母型船资料，确定船体的基本形状，得出船体型线的第一次近似值。2.1.2静水力校核初步确定船体参数后，进行船体重力、浮力、浮心位置等的计算。根据计算结果调整其型线资料，修正其布置特征，直到浮力重力达到平衡。2.1.3主要性能校核对船体主要性能即快速性、耐波性等进行校核，当其中一项不能满足设计要求时，带全校核完成后进行调整。2.1.4主尺度方案细化和优化根据已得的主尺度绘制布置草图，详细校核空船质量等。2.2型线设计方案已知船型，根据船体资料利用Maxsurf初步绘制船体型线并光顺，并以此为模型母体，初步计算静水力性能，修正船型型线方案。加入模块Defort、surface等，绘制压浪板、压浪条、防溅条等附体构件。根据理论分析，在选择艇型时，选用折角型船尾、瘦长船身，为改善其在静水、波浪参数情况下的横摇稳定性问题，在船尾处加入导流体。作用是改善船体底部流体流线，增加其湿面积，减小横摇缓和周期，其次加大船体的浸湿体积，增加静浮力。2.3配件及材料选择船体配件的原因是确定船体个部分的重量分布情况，用以确定船体静水力计算的准确程度。2.3.1确定船体的推进方式现阶段已制造的高速船所用的推进方式一般均为挂桨机推动，研究中为改进推进性能采用的一般方法为喷水式推进方法。使用后者可以避免船舶在航行过程中出现螺旋桨吃水过小，螺旋桨出现的不能充分入水，推进性能不足的问题，同时可以减小由于上述原因引起的螺旋桨叶交替引起的船体震动等。本论文中为研究高速船船体在波浪等海况下的耐波性分析，对其船体推进性能不做太大考虑，先采用较为普遍的推进方式即挂桨机推动，由于船体航速等的需要及考虑到挂桨机重量不宜过大等问题，先采用的挂桨机形式为：产品名称：YAMAHA（二冲程）产品型号：YAMAHA—30马力（二冲程）2.3.2选择其他船体配件由于船舶形态过小不安装大型消防及救生设备。安装有：马达安装支架：INTEX-68625马达装配支架3kg；系船环、系橹环、系桩、橹锥、摇橹等共计20kg；其他配件、杂物等20kg。2.3.3材料说明船体采用玻璃钢结构制造，线型必须光顺，船体表面不得有裂纹、毛疵、皱折、纤维裸露以有白斑等缺陷。配件可根据传统材料自定。金属材料必须进行防锈处理。2.4利用MAXSURF进行建模Maxsurf模块是Maxsurf系列的核心部分。Maxsurf包括一套完整的建模工具，使船舶设计人员能够快速准确地设计优化的船体线。使用NURB曲面创建真正的3D船体模型，执行曲率分析，渲染着色，输出值和流体静力计算，绘图和打印。获得船体的初步模型：2.5艇型参数不同对耐波性的影响2.5.1斜升角的不同斜升角对于波浪中低速时附体阻力的影响不明显，但在高速时，大斜升角的船舶附体阻力值小，沿前进方向速度减小值小，对速度、加速度方面的影响与附体阻力方面相似。则对耐波性方面的影响可以看出与航速密切相关。速度低时影响很小，可忽略。而在速度很高的情况下，无论对波浪中的附体阻力、运动幅值还是冲击加速度，斜升角的影响都十分明显。适当的增加艇体斜升角，可使艇的耐波性得到显著改善。2.5.2船体长宽比的影响当波系数小时，即在较长波中，具有较小长度和宽度的船的总电阻较小。当波系数大于0.18时，纵横比对船体总阻力的影响较小，而对附加阻力的影响则相反。2.5.3航行纵倾角的影响在低速时，具有较大俯仰角的模型的总阻力和附加阻力大于具有较小俯仰角的模型，但对起伏运动的加速度和重心影响不大，但对加速度的影响较小。投球动作和弓。大。随着船速的增加，俯仰角的变化对总阻力的影响与波长有关。结论通过分析模型模拟实验的结果，对滑行艇耐波性能分析结论如下：滑行艇的运动稳定性是描述滑行艇综合航行性能的主要因素之一。通过分析表明：滑行艇的横稳性问题涉及到的船体参数包括倾斜角、浮力、重力、航速等。由于设计船舶时的规定，影响高速艇横稳性的一个重要方面航速为已知（一般为设计正常工作状态30节）以此改善其横摇稳定性的措施为修改船型，例如加设舷侧的压浪条、改变船体底部形状等。针对航行时的纵向稳定性问题：由于设计分析的需要，设计船体模型时采用了艇体滑行面断级设置，即艇体由两个滑行面支撑。断级艇在高速航行时，绝大部分载荷由前滑行面支撑，尾滑行面受力较小，相对湿长度较前滑行面小，易于产生不稳定现象。但工作时使后滑行面处于局部不稳定状态，一般不会引起全艇的不稳定运动。由于后滑行面仅支撑船体载荷的次要部分，因而其产生不稳定现象时的主要表现是产生高频震动，不引起较大幅度的海豚运动，即使在高速情况下也只是导致整个艇体的摇摆而已；另一方面由于仅仅产生不稳定震动，纵倾角变化较小。模拟实验用船型底部设置的稳定翼为突出设置，与一般情况下断级有所不同，但滑行面所承担的作用是相同的。在