高速无人滑行艇的方案设计与耐波性分析机械制造专业.docx

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 Scheme design and seakeeping analysis of high-speed unmanned glider Abstract: glider can be used for patrol boats, fishing boats, rescue boats, entertainment boats and sports boats. Hydrodynamic characteristics of hydroplaning craft are significantly different from those of conventional displacement boats (boats).The calculation of resistance characteristics and the analysis of seakeeping resistance of high-speed gliders are very important for improving the dynamic stability of gliders. In this paper, the basic performance of high-speed glider is studied and analyzed, and the influence of various ship types on the movement characteristics of high-speed glider is analyzed.Maxsurf. Software was used to analyze the forces in real fluids, so as to obtain a reasonable boat type (shape of glide surface). Based on the model, the characteristics of its resistance to waves are studied.Since the normal working state of high-speed craft is high-speed running, this paper focuses on the study of its motion under complex sea conditions when sailing at high speed, so as to analyze the influence of ship type factors on its seakeeping performance. For example, in the case of a specific speed, the wave Angle is limited, and the influence of each waveform and skin speed on the ship is studied. Keywords: glider, high speed, maxsurf, seakeeping 第一章 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。 1.1 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 1.1.1 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。 1.1.2 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。 1.1.3 测定航行中表面积的方法 （1） 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。 （2） 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。 （3） 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。 （4） 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。 （5） 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。 1.2 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： 1.2.1 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。 1.2.2 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。 1.2.3 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。 1.3 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。 1.3.1 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。 1.3.2 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