高速無人滑行艇的方案設(shè)計與耐波性分析摘要：滑行艇木板可用于巡邏艇，漁船，救護(hù)艇，游艇和運動艇。高速滑行時其重量主要由水升壓力載荷支撐，其流體動力特性與常規(guī)排水量船（艇）具有顯著的差別。高速滑行艇的阻力特性計算及耐波性分析，對于提高滑行艇動態(tài)穩(wěn)定性具有十分重要的意義。本文在研究分析高速滑行艇基本性能，解析各船型要素對高速滑行艇運動特點的影響。利用Maxsurf軟件對其在實際流體中的受力進(jìn)行分析，從而得出比較合理的船型（滑行面形狀）要素。在模型建立的基礎(chǔ)上研究其受波浪作用下的阻力特征，得出各項航海性能的特點。由于高速艇的正常工作狀態(tài)為高速行駛狀態(tài)，本文重點研究其在高速航行時于復(fù)雜海況下的運動，借以分析船型要素對其耐波性的影響。如在特定航速下，限定入波角，研究各波形、波速對船舶的影響等。關(guān)鍵詞：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滑行艇運動性能基本理論高速無人滑行艇是一種航速高、小排水量的船。由于其有“高速、重量小”等特點，因而無論在軍事上或民用交通方面，都具有相當(dāng)?shù)闹匾?。滑行艇船型初步分析滑行艇的速度范圍均為Fn>1.0，或者滑行艇的體積。因為船的速度很高，以至于當(dāng)在水面上航行時船的底部產(chǎn)生大的升力，船體被提升出水面，并且整個船體在水面上滑動。由于排水量小，靜水浮力幾乎趨于零。本次畢業(yè)設(shè)計將就高速艇的船型特點、航態(tài)及阻力性能等方面對艇體航海性能及船型對航行性能的影響加以分析，獲得了船型系數(shù)對高速船適航性的影響。眾所周知，一個波長的船體波的總能量等于2λ距離內(nèi)波阻力所做的功，即E=*2λ，則有：由于船波僅限在船后的扇形區(qū)內(nèi)，顯然波寬和波長是成正比的，即b∝λ，通過這點可以看出，波長與波速（即船速）的平方成比例，即λ∝v2,同時，由船中波面升高船尾處波面升高可知，船行波的波高也于速度的平方成正比。船體波阻力的近似表達(dá)式雖然不可能直接計算船體波阻力，但它可以用于定性分析船體波阻力特性。不難看出，隨著船速的增加，波浪阻力將迅速增加。對于高速船，波阻將占總阻力的很大一部分。由于畢業(yè)工程所要求船舶屬于高速范圍，一般來說L/B比較大，排水量長度系數(shù)Δ/（0.01L）3較小，反映出艇體的細(xì)長度，這有利于減少高速下的殘余阻力。以這種方式選擇主刻度實際上對快速性和耐波性都有益。船型系數(shù)Cb對高速艇的航海性能最為重要，考慮到殘余阻力的減小，決定使船的水下部分趨于更薄，然后Cb取較小的值。剖面形狀方面，當(dāng)航速為Fn>1.0時，參考前人所得結(jié)論，參照其他艇型資料，為了同時滿足快速性和耐波性的需要，本人決定采用折角型。船的前半部分具有較大的底角，越靠近船尾，傾斜角越大，為零。這種橫截面形狀的目的是使前體的形狀有益于減少船體在波浪中的沖擊。身體的形狀有助于增加流體動力學(xué)效果。方尾設(shè)計具有在高速時降低船體阻力的優(yōu)點。當(dāng)船體高速航行時，方形尾部的下端低于側(cè)面水面，并且水向后流動以形成凹槽，這增加了虛擬長度。從阻力方面來看，虛擬長度的影響等于船長的增加。這減小了位移長度因子并降低了總阻力。船體后部的縱向截面是平的，后擋板更寬。減少高速水流的能量損失是有益的。同時，較寬的尾板用于使尾部更加充分，并防止螺旋槳吸入空氣以影響推進(jìn)性能。另一方面，高速船的尾部在航行期間不會太大。1.2淺析高速船航行航態(tài)的變化航態(tài)的變化當(dāng)達(dá)到一定的航速后,整個廳出現(xiàn)明顯的垂向位移和航行縱傾。當(dāng)一般速度Fn<0.7時，船的重量主要由靜力支撐。當(dāng)Fn>0.7時，船明顯受到流體動力的提升。隨著速度的增加，這種勝利效果會增加，而靜態(tài)動作會減少。這種提升效果使船的重量升高到原始靜態(tài)浮子的重心之上。由于船體前后方向的力不均勻，整艘船的導(dǎo)航裝飾都伴隨著航態(tài)的變化。飛濺現(xiàn)象由于高速艇在一定的航速下,有一個相對明顯的流體動壓力，因此在航行期間，船體兩側(cè)都會發(fā)生飛濺。特別是在高速時，飛濺會更明顯，因此防濺性成為不可忽視的阻力成分。高速船航行過程中航行狀態(tài)和飛濺現(xiàn)象的變化直接影響其航行性能，特別是波阻和抗飛濺性。另一方面，它也影響船體的濕表面積，這反過來對船體的摩擦阻力有一定的影響。由于導(dǎo)航狀態(tài)的改變和飛濺現(xiàn)象都與船的速度有關(guān)，因此船體的濕表面積隨著船舶在航行期間的速度而變化。測定航行中表面積的方法目測法這種方法可分為外部目視檢查和內(nèi)部目視檢查。前者通過由船模外部劃分的分界線，在導(dǎo)航過程中目視檢查濕潤位置，并計算和確定整個整體的濕潤區(qū)域。后者與前者的不同之處在于必須將其制成透明模型，并且從模型內(nèi)部記錄潤濕位置。該方法的缺點在于，當(dāng)超過某個船模的速度時，由于嚴(yán)重的飛濺，濕區(qū)的上邊界將被遮蔽，從而無法確定濕潤的形狀。同時，對于一般水池，當(dāng)船模速度大于5m/s時，由于實驗時間短，以致來不及觀測，不得不進(jìn)行重復(fù)試驗。攝影法船體側(cè)面和底部的實際濕表面積通過專用水?dāng)z影和水下攝影拍攝。這種方法比視覺方法更準(zhǔn)確，但這種方法類似于視覺方法。有必要將照片繪制成橫截面的濕長圖案，并計算濕區(qū)域。顯然，這種方法更昂貴。油漆方法在實驗之前，將油漆施加到船體側(cè)面水線以下的某個區(qū)域。實驗后，可以在船模上直接測量橫截面的濕段長度。但是，涂漆會增加船體粗糙度，因此在項目期間不能進(jìn)行電阻測量。針測試法不同表面高度的信號輸出通過測量側(cè)面觸筆濕區(qū)的裝置直接輸入拖車上的計算機。因此在每個實驗中，立即得到相應(yīng)的濕表面積。近似簡單處理方法某些對滑行艇來說較為敏感的參數(shù),例如，在重心的位置，重心的位置垂直變化，并且對高速船的阻力性能的影響不顯著。因此，考慮到船的高速特性，可以采用與排水型船相同的方法來處理它們的阻力性能和其他海上性能。航行過程中的橫向穩(wěn)定性問題船體高速穩(wěn)定性變化的根本原因是船體周圍的壓力場發(fā)生變化，這種壓力變化會隨船速變化，因此橫向穩(wěn)定性必然隨速度而變化。當(dāng)高速船高速航行時，導(dǎo)航模式主要發(fā)生變化。水線發(fā)生變化（與靜水線不同）。一般來說，弓的水線的一部分下降，頭部和尾部上升。實驗表明，導(dǎo)航過程中的穩(wěn)定性小于靜止時的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性的降低可能非常大，因此初始穩(wěn)定性值達(dá)到一定的負(fù)值。在這種情況下，船體受到橫向力，即發(fā)生傾斜。直到傾斜到某一穩(wěn)定位置為止。對于定初穩(wěn)性高度的艇體可以通過測定不同航速時的穩(wěn)定橫傾角從而確定由于艇體周圍流動影響而產(chǎn)生的橫穩(wěn)性損失。通常通過測量不同速度下的后跟角來進(jìn)行高速船速度對穩(wěn)定性影響的研究方法。由于測得的后跟角穩(wěn)定性表明橫向穩(wěn)定性損失的大小，相關(guān)實驗研究的結(jié)果可歸納為三個方面：航速影響航速對橫穩(wěn)性的影響僅在航速較高時才顯示出來，有研究認(rèn)為航速在>3.5時，將出現(xiàn)明顯的橫傾趨勢。初穩(wěn)性高度影響即使同一船模，由于初穩(wěn)性高度GM值的不同，不但出現(xiàn)明顯橫傾的相應(yīng)速度完全不同，而且在相同航速時的橫傾角將有很大的差別，并可得到以下結(jié)論：1、初始穩(wěn)定性較小的船舶在航行期間更有可能有明顯的后跟。也就是說，由于初始穩(wěn)定高度GM較小，因此在較低速度下會出現(xiàn)明顯的后跟。2、對于同一艘船，即使在相同的速度下，由于GM值的減小，導(dǎo)航期間的后跟角也會顯著增加。船寬越大，定心半徑r越大。在相同的重心處，相應(yīng)的初始穩(wěn)定高度GM較大，這有利于提高橫向穩(wěn)定性。在計算穩(wěn)定性時，必須考慮航行期間的穩(wěn)定性損失。與靜態(tài)穩(wěn)定性所需的最小值相比，應(yīng)增加GM值。該方法是考慮船體重量的適當(dāng)分布或考慮適當(dāng)?shù)拇皩挾?。剖面形狀影響為了便于實際設(shè)計和應(yīng)用，NPL根據(jù)NPL進(jìn)行的試驗測量給出了對應(yīng)于高速船航行的正橫向穩(wěn)定性的極限初始穩(wěn)定高度值，并表示速比和寬度GM/T無量綱形式的草案比率功能。艇型參數(shù)對高速艇航行性能的影響應(yīng)從阻力，耐波性，機動性等方面綜合測量導(dǎo)航能力。在選擇船型參數(shù)時，必須考慮所有方面。盡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礎(chǔ)。排水效果幾乎所有的研究都一致認(rèn)為速度，長度和位移是影響船體性能的主要參數(shù)。當(dāng)設(shè)計船不能達(dá)到預(yù)定速度時，嘗試減小船的位移或增加船的長度是最有效的。在相同的Fn數(shù)下，不同位移對電阻的影響是敏感的，特別是在電阻的“峰值”區(qū)域，其中位移的變化將導(dǎo)致殘余電阻的顯著變化。排水量長度系數(shù)的影響位移長度系數(shù)CΔ=Δ/（1/10）對高速船的適航性影響不大，因此一般強調(diào)對阻力的影響。因為它是由兩個重要參數(shù)Δ和L組成的無量綱表達(dá)，它們影響高速船的阻力。因此可以想象它對阻力性能有多重要。一般而言，隨著CΔ值增加，船體阻力增加。為了估計阻力變化值，Henschke分析得出結(jié)論：在Fn>0.4的情況下存在以下關(guān)系：單獨改變排水量是指：同時改變寬度B和吃水T值。認(rèn)為L,B/T，方形系數(shù)CB均不變，使排水量有所改變，以致CΔ變化。所謂單獨改變艇長是指：保持B,T及CB均不變，藉增減船長L來改變排水量。從上面的公式可以看出，由位移或長度變化引起的殘余電阻的變化與1.6的功率成比例。當(dāng)在初始狀態(tài)下已知殘余阻力時，可以計算在位移或長度的情況下的殘余阻力值，即水長系數(shù)CΔ的恐懼。橫剖面面積曲線的影響棱形系數(shù)由于不同航速情況下各阻力成分不同，因此所選取的棱形系數(shù)CP的值也不相同。一般來說航速較低者選取棱形系數(shù)CP=0.56—0.6，而高速時由于興波狀況嚴(yán)重，整個進(jìn)流段對興波阻力影響頗大，橫剖面面積曲線不應(yīng)有“突肩”。要求排水量沿船長較均勻的分布，取較大的棱形系數(shù)CP。縱向浮心位置由于高速艇的航速較高，由阻力理論可知，其浮心位置一般取在舯后。Xb具體數(shù)值的確定，不但取決于Fn的大小，而且與具體的艇型情況有關(guān)。當(dāng)最大的橫剖面位置，棱形系數(shù)CP等選定后，Xb的變化余地不是很大。根據(jù)實驗，取排水量系數(shù)范圍：5.23—7.10，浮心位置范圍：2.0—5.2%，可得以下幾點啟示：對于高速艇，浮心位置適當(dāng)?shù)南螋焙笫怯欣?。但浮心位置后移是有限度的。存在一個對應(yīng)于最小阻力的最佳浮心位置。浮心位置的變化對阻力的影響在高速時更明顯。尾板浸濕面積尾板濕面積往往是與尾板寬度聯(lián)系在一起。在Fn<0.45的較低范圍內(nèi)，增加尾板寬度將引起剩余阻力的顯著增大；當(dāng)航速超過Fn=0.45時，選取較大的尾板寬度反而對阻力有利。從阻力觀點來分析，在較低速度時由于增加為封板寬度將引起粘壓阻力增加以致剩余阻力隨之增加；而在高速時，由于加寬尾板，可以增加尾部水壓力作用不使船體的航行縱傾過大，同時還可以使船體尾部水流收縮不至太快，從而增加虛長度，對阻力性能反而有利。剖面形狀的影響剖面形狀對阻力性能的影響在速度范圍內(nèi)：Fn<1.0，圓形船的性能優(yōu)于傾斜船的性能。從阻力的觀點來看，V形輪廓將在低速時增加粘性阻力（由角度類型引起），因此其阻力性能不如圓形船的阻力性能好;在高速時，V型液力升力更圓。船比較大，與圓形船相比，它的飛濺緩和，所以它的阻力通常低于圓形船的阻力。形狀對耐波性的影響對滾動性能的影響：從物理角度來看，傾斜輪廓增加了滾動阻尼，從而導(dǎo)致滾動衰減增加并且滾動值減小。對俯仰和升沉運動的影響：在所有情況下，圓形駁船在波浪上的俯仰運動可能很大，并且在升沉運動中兩種船型之間的差異很小。對失速的影響：人們普遍認(rèn)為倒角船的失速被稱為圓形駁船，但這是有條件的。從測試中獲得的波浪阻力增加，并且假設(shè)相同的船體在靜水和波浪中具有相同的推進(jìn)效率，兩種類型的船在感應(yīng)波高=2.0米和4.0m它是失速值，失速單位是結(jié)。不難發(fā)現(xiàn)，在較低速度范圍內(nèi)，傾斜船的失速小于圓形船的失速，并且失速狀況僅在較高速度范圍內(nèi)是嚴(yán)重的。提高高速艇航行性能的措施由于高速飛行器的高速行駛，一般F汝數(shù)Fn高于0.5，因此船處于嚴(yán)重的波浪狀態(tài)。特別是，隨著速度的增加，它伴隨著嚴(yán)重的飛濺和飛濺阻力，這是殘余阻力的主要組成部分。為了提高其抗性能，首先應(yīng)該減少其殘余電阻。尾壓波板的應(yīng)用壓力波浪板指的是延伸到船的后部的短板，并且沿著方形尾部的整個寬度安裝在尾部密封板的下邊緣處。它與船體總截面的延伸之間的角度稱為安裝角度，一般方向為正。高速船尾波系統(tǒng)的大小與船的航行狀態(tài)直接相關(guān)。在高速行駛時，在使用船體后，船體可以減小槳距角并抬起尾翼。但是，尾板的一維延長長度或安裝角度的增加，雖然俯仰角可以減小，但是修剪過小，不僅摩擦阻力明顯增大，而且即使是因為弓太強烈，第一波或飛濺非常嚴(yán)重，但總阻力增加。防濺條的應(yīng)用防濺條分為垂直和水平。靜水中的滾動試驗證明，安裝水平防濺條帶后的滾動阻尼大約是配備龍骨的圓形筏板的兩倍，而常規(guī)波浪的滾動試驗表明轉(zhuǎn)移的幅度前者的功能曲線較高。后者要低得多，其峰值幾乎減小50%。高速無人滑行艇的幾何建模與計算方法本章將詳細(xì)講述利用MaxsUrf是一種高速無人刨的方法。Maxsurf為船舶設(shè)計者和建造者提供了一套完整的船舶設(shè)計和施工軟件，用于從小型游艇到大型貨船的船舶設(shè)計，分析和建造。2.1船體型線設(shè)計方法根據(jù)大多數(shù)高速艇資料，初步確定艇的船長為6m、船寬為2m、設(shè)計水線0.8m、型1.6m設(shè)計航速30節(jié)。2.1.1船體型線的初步確定根據(jù)已知的母型船資料，確定船體的基本形狀，得出船體型線的第一次近似值。2.1.2靜水力校核初步確定船體參數(shù)后，進(jìn)行船體重力、浮力、浮心位置等的計算。根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整其型線資料，修正其布置特征，直到浮力重力達(dá)到平衡。2.1.3主要性能校核對船體主要性能即快速性、耐波性等進(jìn)行校核，當(dāng)其中一項不能滿足設(shè)計要求時，帶全校核完成后進(jìn)行調(diào)整。2.1.4主尺度方案細(xì)化和優(yōu)化根據(jù)已得的主尺度繪制布置草圖，詳細(xì)校核空船質(zhì)量等。2.2型線設(shè)計方案已知船型，根據(jù)船體資料利用Maxsurf初步繪制船體型線并光順，并以此為模型母體，初步計算靜水力性能，修正船型型線方案。加入模塊Defort、surface等，繪制壓浪板、壓浪條、防濺條等附體構(gòu)件。根據(jù)理論分析，在選擇艇型時，選用折角型船尾、瘦長船身，為改善其在靜水、波浪參數(shù)情況下的橫搖穩(wěn)定性問題，在船尾處加入導(dǎo)流體。作用是改善船體底部流體流線，增加其濕面積，減小橫搖緩和周期，其次加大船體的浸濕體積，增加靜浮力。2.3配件及材料選擇船體配件的原因是確定船體個部分的重量分布情況，用以確定船體靜水力計算的準(zhǔn)確程度。2.3.1確定船體的推進(jìn)方式現(xiàn)階段已制造的高速船所用的推進(jìn)方式一般均為掛槳機推動，研究中為改進(jìn)推進(jìn)性能采用的一般方法為噴水式推進(jìn)方法。使用后者可以避免船舶在航行過程中出現(xiàn)螺旋槳吃水過小，螺旋槳出現(xiàn)的不能充分入水，推進(jìn)性能不足的問題，同時可以減小由于上述原因引起的螺旋槳葉交替引起的船體震動等。本論文中為研究高速船船體在波浪等海況下的耐波性分析，對其船體推進(jìn)性能不做太大考慮，先采用較為普遍的推進(jìn)方式即掛槳機推動，由于船體航速等的需要及考慮到掛槳機重量不宜過大等問題，先采用的掛槳機形式為：產(chǎn)品名稱：YAMAHA（二沖程）產(chǎn)品型號：YAMAHA—30馬力（二沖程）2.3.2選擇其他船體配件由于船舶形態(tài)過小不安裝大型消防及救生設(shè)備。安裝有：馬達(dá)安裝支架：INTEX-68625馬達(dá)裝配支架3kg；系船環(huán)、系櫓環(huán)、系樁、櫓錐、搖櫓等共計20kg；其他配件、雜物等20kg。2.3.3材料說明船體采用玻璃鋼結(jié)構(gòu)制造，線型必須光順，船體表面不得有裂紋、毛疵、皺折、纖維裸露以有白斑等缺陷。配件可根據(jù)傳統(tǒng)材料自定。金屬材料必須進(jìn)行防銹處理。2.4利用MAXSURF進(jìn)行建模Maxsurf模塊是Maxsurf系列的核心部分。Maxsurf包括一套完整的建模工具，使船舶設(shè)計人員能夠快速準(zhǔn)確地設(shè)計優(yōu)化的船體線。使用NURB曲面創(chuàng)建真正的3D船體模型，執(zhí)行曲率分析，渲染著色，輸出值和流體靜力計算，繪圖和打印。獲得船體的初步模型：2.5艇型參數(shù)不同對耐波性的影響2.5.1斜升角的不同斜升角對于波浪中低速時附體阻力的影響不明顯，但在高速時，大斜升角的船舶附體阻力值小，沿前進(jìn)方向速度減小值小，對速度、加速度方面的影響與附體阻力方面相似。則對耐波性方面的影響可以看出與航速密切相關(guān)。速度低時影響很小，可忽略。而在速度很高的情況下，無論對波浪中的附體阻力、運動幅值還是沖擊加速度，斜升角的影響都十分明顯。適當(dāng)?shù)脑黾油w斜升角，可使艇的耐波性得到顯著改善。2.5.2船體長寬比的影響當(dāng)波系數(shù)小時，即在較長波中，具有較小長度和寬度的船的總電阻較小。當(dāng)波系數(shù)大于0.18時，縱橫比對船體總阻力的影響較小，而對附加阻力的影響則相反。2.5.3航行縱傾角的影響在低速時，具有較大俯仰角的模型的總阻力和附加阻力大于具有較小俯仰角的模型，但對起伏運動的加速度和重心影響不大，但對加速度的影響較小。投球動作和弓。大。隨著船速的增加，俯仰角的變化對總阻力的影響與波長有關(guān)。結(jié)論通過分析模型模擬實驗的結(jié)果，對滑行艇耐波性能分析結(jié)論如下：滑行艇的運動穩(wěn)定性是描述滑行艇綜合航行性能的主要因素之一。通過分析表明：滑行艇的橫穩(wěn)性問題涉及到的船體參數(shù)包括傾斜角、浮力、重力、航速等。由于設(shè)計船舶時的規(guī)定，影響高速艇橫穩(wěn)性的一個重要方面航速為已知（一般為設(shè)計正常工作狀態(tài)30節(jié)）以此改善其橫搖穩(wěn)定性的措施為修改船型，例如加設(shè)舷側(cè)的壓浪條、改變船體底部形狀等。針對航行時的縱向穩(wěn)定性問題：由于設(shè)計分析的需要，設(shè)計船體模型時采用了艇體滑行面斷級設(shè)置，即艇體由兩個滑行面支撐。斷級艇在高速航行時，絕大部分載荷由前滑行面支撐，尾滑行面受力較小，相對濕長度較前滑行面小，易于產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。但工作時使后滑行面處于局部不穩(wěn)定狀態(tài)，一般不會引起全艇的不穩(wěn)定運動。由于后滑行面僅支撐船體載荷的次要部分，因而其產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象時的主要表現(xiàn)是產(chǎn)生高頻震動，不引起較大幅度的海豚運動，即使在高速情況下也只是導(dǎo)致整個艇體的搖擺而已；另一方面由于僅僅產(chǎn)生不穩(wěn)定震動，縱傾角變化較小。模擬實驗用船型底部設(shè)置的穩(wěn)定翼為突出設(shè)置，與一般情況下斷級有所不同，但滑行面所承擔(dān)的作用是相同的。在