高速无人艇设计与运动性能初步分析 毕业设计论文

高速无人艇设计与运动性能初步分析 毕业设计论文

江苏科技大学本科毕业设计（论文）学院船舶与海洋工程专业船舶与海洋工程学生姓名梁xx班级学号指导教师教授二零一零年六月\n江苏科技大学本科毕业论文高速无人艇设计与运动性能初步分析Thedesignofhigh-speedunmannedcraftandpreliminaryanalysisofmotionperformance\n毕业设计（论文）题目：高速无人滑行艇设计与运动性能初步分析\n一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）(1)针对高速无人滑行艇的设计特点及性能要求等开展调研分析，了解研究动态，重点关注滑行艇运动性能预报及流体动力的计算方法与相关公式，并撰写综述报告；(2)开展无人艇初步设计，确定主尺度、主要参数，以及其他功能模块；(3)在此基础上，利用Maxsurf软件完成高速无人滑行艇的设计及流体性能的初步计算分析；(4)以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析，并考虑风载荷因素建立滑行艇三自由度运动预报模型；(5)编制运动预报程序，开展滑行艇三自由度运动预报，分析高速滑行艇的运动特点；(6)完成相关内容的外文翻译一篇；(7)撰写毕业论文。\n二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1.毕业设计论文一份；2.滑行艇三自由度运动预报程序一套；3.外文译文一篇。三、完成日期及进度自2010年4月12日起至2009年6月18日止进度安排：4.12-4.18查阅资料、撰写综述报告4.19-4.25完成滑行艇的方案设计4.26-5.9利用Maxsurf软件完成滑行艇的流体性能初步计算5.10-5.23建立滑行艇三自由度运动预报数学模型5.24-6.6编制程序，开展滑行艇运动性能预报6.7-6.13整理论文、打印6.14-6.18毕业答辩四、同组设计者（若无则留空）：\n五、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1.盛振邦，刘应中.船舶原理（上下册），上海交通大学出版社，20032.吴秀恒.船舶操纵性与耐波性，人民交通出版社，19993.陈书海，近海攻击利器-高速攻击艇，国防工业出版社，20044.黄彩虹，军用快艇，人民出版社，19965.董祖舜，快艇动力学，华中理工大学出版社，19916.邵世明，高速艇动力学，上海交通大学出版社，19907.蒯挺适，军用快艇设计基础知识，国防工业出版社，19928.奚伟.翼滑艇运动智能控制仿真初步研究，江苏科技大学硕士论文，2006年系(教研室)主任：（签章）年月日学院主管领导：（签章）年月日\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）摘要高速无人滑行艇具有高速、隐身、智能等优点，因而能够用于灵活作战，目前，国外已有多种水面高速无人艇应用于军事领域，特别是以美国为代表的西方国家已将其列为重要的发展方向；国内在水面高速无人艇技术方面的研究还处在初级阶段，近年来研制出的无人驾驶船也只是应用于探测天气，为了更好低完善我国海军作战体系，带动相关军工业的发展。本文进行的主要工作有：一、针对目前国内外的高速无人艇研究发展现状展开了调查研究，并对我国目前滑行艇阻力、稳性、耐波性和新艇型的开发进行简单的介绍。二、从任务需求出发，结合现有条件，利用Maxsurf软件进行单体滑行艇模型的设计，并对模型进行了流体性能的初步计算分析。三、进行了推进器的设计，并对喷水推进器的种种要素对各个性能的影响进行了分析。四、以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析。五、建立了船前进、升沉、纵摇三自由度运动数学模型，开展了滑行艇三自由度运动预报，分析了高速滑行艇运动特点。关键词：无人滑行艇性能分析三自由度运动数学模型运动预报III\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）AbstractUnmannedSurfaceVehicle(USV)hassomegoodpropertiessuchashigh-speed,stealth,intelligence,etc,whichcanbeusedforflexibleoperations,currently,therearemanyforeignhigh-speedunmannedsurfacevesselsinthemilitaryfield,especiallytheUnitedStatesastherepresentativeoftheWesterncountrieshavetheirasanimportantdirectionofdevelopment;domestichigh-speedunmannedcraftonthewatertechnologyresearchisstillattheinitialstage,developedinrecentyearsofunmannedboatonlyapplydetecttheweather,inordertobetterimproveournavalcombatsystemoflow,promotethedevelopmentofmilitary-industrialrelated.Thismajorworkcarriedoutare:First，Aviewofthecurrentdomesticandforeignresearchanddevelopmentofhigh-speedunmannedcraftlaunchedasurveyonthecurrentsituation,andintroduceresistance,stability,seakeeping,andthedevelopmentofnewhullofourcountrycurrentplaningboat.Second,fromthemissionrequirements,combinedwithexistingconditions,useofMaxsurfsingleplaninghullmodelofsoftwaredesign,andmodeltheperformanceofthepreliminarycalculationoffluidanalysis.Third,forthepropellerdesign,andalltheelementsofwaterjetpropulsionofindividualperformancewasanalyzed.Fourth,inordertoslidetheboatforward,heaveandpitchmotiontargetingofplaningcraftapreliminaryanalysisoffluidproperties.Fifth,theestablishmentoftheboatforward,heave,pitchthreedegreesoffreedommathematicalmodel,carriedoutthree-DOFmotionplaningpredictionofhigh-speedplaningcraftmotor.Keywords:unmannedplaningcrafts;PerformanceAnalysis;numeralmodelofthreeIII\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）degreesoffreedommovement;reportExerciseofcrafts.目录第1章绪论11.1引言11.2课题背景21.2.1国外发展21.2.2国内发展41.2.3我国对于改善阻力性能的各种特殊措施方面的研究41.2.4我国对滑行艇关于耐波性的研究51.2.5我国对滑行艇关于稳性方面的研究51.2.6我国对滑行艇新艇型的开发与研究61.3论文研究的目的与意义61.4论文主要内容7第2章高速滑行艇maxsurf建模82.1滑行艇的maxsurf建模82.1.1单体滑行艇的主尺度82.1.2单体滑行艇的maxsurf建模视图82.1.3利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算102.1.4利用Hydromax对艇静止在水面时基本计算11第3章推进器设计173.1喷水推进器的概要173.2喷水推进器较常规螺旋桨推进技术的优点173.3喷水推进器的工作机理183.4喷水推进器理论203.5影响喷水推进器性能的重要参数213.5.1建立喷水推进器计算模型213.5.2重要参数21第4章滑行艇流体性能初步分析274.1引言274.2滑行艇水动力计算概述274.3滑行艇纵向受力分析284.4滑行平板的流体动力分析294.4.1姆雷（Murry）法估算滑行艇的阻力304.5模型阻力计算344.6滑行艇在静水中垂荡运动384.7滑行艇在静水中纵摇运动404.8滑行艇的纵向运动稳定条件42III\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）第5章滑行艇三自由度运动预报435.1滑行艇纵向运动耦合方程的数学模型435.1.1坐标系的选取435.1.4作用于滑行艇的非惯性类水动力（矩）455.2滑行艇所受各非惯性力（矩）的具体计算455.3高速滑行艇运动特点49结论51致谢52参考文献53III\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）第1章绪论1.1引言在过去十几年中，微电子技术、光电技术、计算机、通信、信息处理、新材料等高技术的发展,为无人机及其机载设备等提供了良好的发展条件，无人驾驶运载工具开始真正呈现复兴的势头。无人机也逐渐发展成可提供兵力倍增作战能力的系统方面过度。迄今为止，人们大多都将注意力集中在出尽风头的无人驾驶航空器（UAV）上。确实，无人驾驶航空器既可以执行远程空中监视，也可执行有限的攻击任务，而且直升机昨晚巡逻装备表现出色，令人叹服；但与水面无人艇相比，无人驾驶航空器目前在使用和回收方面还存在巨大困难，直升机的使用费用又非常昂贵，补充装备所需费用甚至更高……而无人艇确恰恰相反。不但具有很多突出的特点，教之运用环境，无人艇更是独具特色。所谓智能无人水面艇（USV）,就是指那些依靠遥控或自主方式在水面航行的小型无人化、智能化作战平台。它们可以通过大型舰艇携载,等到达预定地点后加以施放,也可以直接在近岸实现保护己方打击敌方的作用。无人水面艇作为一种新概念武器,较之传统水面舰艇具有一些突出的特点:Ø功能模式多样化Ø作战行动灵活化Ø艇体结构隐蔽化Ø作战人员零伤亡Ø网络作战中心化[1]50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）图1-1美国”水虎鱼“无人拖带艇”正是智能无人水面艇（USV）具有这么多突出特点，带动了无人艇的多向发展，它们在未来海洋国土安全发挥越来越大的作用。国内外都十分重视该领域的研究，并逐渐在军事和其他方面得到应用。1.2课题背景1.2.1国外发展无人水面艇虽然被认为是一种新概念武器,但其作战使用确可以一直追溯到第二次世界大战期间。在第二次世界大战诺曼底登陆战役期间,盟国为了实现其战略欺骗和作战掩护的目的,曾设计出一种形如鱼雷的无人水面艇,该艇上载有大量的烟幕剂,可按预先设定的航向机械地驶往欺骗海域,从而造成舰艇编队登陆的假相,同时盟军还利用大型舰艇携带其到达预定海域而后释放并引导其进入计划登陆的海滩施放烟幕,直至动力耗尽或被摧毁为止。在二战后期,美国海军也曾研制过一系列无人驾驶火箭扫雷艇,即在小型登陆艇上加装无线电控制的操舵装置和扫雷火箭弹,用于浅海雷区作业。二战结束后至五六十年代,苏联曾研制过小型遥控式无人水面艇,用于向敌舰发动自杀式的撞击爆炸性攻击,而美国同期开发的一些无人艇则主要用于搜集海上核试验后的环境数据。由于技术上的滞后,无人水面艇的发展在后来的30年间没有大的突破。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）图1-2美国“幽灵卫士”直到1991年海湾战争后,真正意义上的无人水面艇的开发才随着制导和控制技术的日渐成熟而被重新提上日程。美、法、日、以等国纷纷投入巨资发展这一装备(见表1-1),其作战系统也实现了由固定式向模块化的转变,作战功能也由单一的反舰、掩护编队、扫雷作战扩展到反恐、缉私、打击海盗、搜捕、通信等新兴领域。表1-1各国无人水面艇参数表艇名尺寸/m制造国制造/试验时间续航力最大航速功能海上猫头鹰3美国199310h/12kn、24h/5kn45雷区侦察、浅海监视、海上拦截斯巴达侦察兵7美国20028h/28kn50模块化、反水雷、情报、反舰、反潜幽灵卫士8美国2003>24h>40海上警戒和防护海虎鱼8美国2003>24h>40水面靶标AN\WLD–17美国200320~40h>10可水上、水下远程猎雷蓝色骑士40．4美国2005>24h50大型攻击艇海上斗士80美国2005>4000nm>50扫雷、反潜作战、摧毁水面舰艇或运送突击队保护者9以色列20033950nm40模块化:海上兵力保护、情报监视和侦察、反水雷战、电子战和精确打击海星11以色列200510h40监视、侦察、反水雷战和电子战黄貂鱼8以色列2005>8h40近岸情报侦察与监视、电子战电子侦察FDS—38.3法国1999>20h12半潜式反水雷艇OT—914.4日本2005>20h40喷水推进,海上情报侦察和反水雷50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）1.2.2国内发展在水面高速无人艇方面的研究目前我国还处于起步阶段。根据相关记载相似的研究如下：1972年中华造船厂曾经建造了一艘无人遥控扫雷艇，但其技术早已经落伍。2002年我过北方某基地装备通信修理厂将一艘退役导弹快艇改装为无人遥控靶船，通过远距离的遥控指挥，实现对靶船航速、航向、灯光信号识别等要素的战术控制，2008年，中国航天科工集团公司所属沈阳航天新光集团宣布，由该集团研制成功的中国第一艘无人驾驶海上探测船“天象一号”目前正在青岛，为北京奥运会的青岛奥帆赛提供气象保障服务，目前从所见报道分析，我国对水面无人舰艇尚未进行系统的研究，还停留在对现有舰艇改装为遥控靶船任务的阶段，在真正意义上的自主航行的无人艇方面，与欧美有着非常明显的差距。但是在刚性充气艇方面，我国有过多项相关研究。蚁口招发工程船务有限公司根据市场调查和对欧美90年代充气艇的充分研究，依据海上救生艇的设计要求和制造工艺要求，于1996年制定了“小鲸”牌充气艇系列和充气艇制造的企业标准，并于年末成功作出了一批样艇和完成试航性能测定。随着中国的崛起，特别是2000年北京取得奥运会的申办权之后，使用国产刚性充气艇的呼声很高。上海和福建曾经有船厂尝试生产刚性充气艇，结果因为关键的技术和材料没有过关而失败了。到了2004年初北京准备接棒奥运，北京奥运会的工作用艇也被提到了议事日程上来。北京奥运筹办委会呼吁国人生产自己的奥运船艇，并列出了刚性充气艇这个空缺项目，希望国内有厂家能够研制生产。作为南方最大的玻璃钢船生产企业江龙船舶和招发船务联手制造的这一艘植入法兰西技术的刚性充气艇，从外观，内在技术，都能达到标准，可谓是一步登天[2]。1.2.3我国对于改善阻力性能的各种特殊措施方面的研究我国还广泛开展了对改进滑行艇阻力性能的各种附加措施的研究，井取得了不少成果．如在滑行艇上加装尾压浪板或尾楔形板[3]．文献[5]还推荐采用双楔形板，它可以比通常的单楔形板获得更好的减阻效果．文献[6]则表明其耐波性也是良好的．华中理工大学杨素珍等人研究了滑行艇底面空气润滑的减阻效果，这是在滑行艇底部通过成排小孔导入空气，使其附着底部浸湿表面，以减小摩擦阻力的措施，称之为“50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）导风垫气”(SAFACUB)技术，文献[7]介绍了他们的研究成果。大量的研究集中在减少圆舭快艇阻力的措施上．很多文献都讨论了圆舭艇上加装尾压浪板的减阻效果，并分析了减阻机理．有些还利用实艇试验结果分折了尾压浪板对推进性能的影响．文献[8]进行了防溅条对圆舭快艇性能影响的研究．研究表明，在一定速度范围内，合理安装防溅条有可能使阻力下降．这与NPL的研究结论是一致的[4]。1.2.4我国对滑行艇关于耐波性的研究关于滑行艇在波浪中运动性能预报方面，在zanin的非线性运动方程的基础上，哈尔滨船舶工程学院的戴仰山等人提出了在规则波与不规则波中运动与弯矩预报方法．预报同时采用频域与时域两种方法计算，通过对系列62模型的计算．并将结果与Fridsma的试验结果进行了比较，表明在中等海况下．当航速不太高时(V/≤4)运动响应预报与试验结果符合得较好，垂向加速度则稍差．其变化规律尚一致，而阻力增值则差别甚大。当波高很大或航速很高(V/≤6)时，误差较大，这可能是由于非线性影响甚强所致。同时计算还表明．频域与时域计算结果的误差是相当的．从而说明在中等海况及中等速度下．采用频域计算是可行的。对于大波高及高航速时的强非线性影响目前尚无足够精度的预报方法．关于圆舭快艇在波浪中的运动性能预报，海军工程学院的彭英声和董祖舜采用切片法KKJ法和STF法)对Fn≤0.85的圆舭快艇作了计算，并将结果与模型试验结果进行了比较。结果表明，即使对于如此高的航速．采用切片法预报纵向运动，仍可以获得相当满意的结果．因此目前在中国．对圆舭快艇在波浪中的纵向运动响应仍普遍采用切片法。CSSRC的顾懋祥等在计算砰击响应时计及了水弹性的影响．并采用时域方法，这样可以更详细地显示砰击的作用时机及范围．但计算量显著地增加了。此外，采用防溅条，或首压浪条以及尾压浪板等也可在一定程序上改善耐波性。1.2.5我国对滑行艇关于稳性方面的研究50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）在滑行艇的交船试航中偶有发现静水中正直漂浮的艇在高速航行时产生横倾的现象．经检查发现是由于艇体左右不对称引起的，有的艇虽然艇体各部分的尺寸均在公差允许范围之内，但误差均为同向，其影响叠加后就可能使艇倾斜．这类情况在实用中是不难解决的，最简便的办法是改变舭防溅条尺寸以进行调节。但也有些艇并未发现有不对称超差而航行时倾斜，武汉船舶设计所李国佩等人对此进行了研究[4]，他们的研究表明，有些艇在高速航行时，底都会出现负压区，正是这一负压区．引起负扶正力矩使稳度下降，造成横顺。这就给艇底请行面形状设计提出了附加要求，当然对此尚需进一步深入研究。海军工程学院的张纬康等研究了滑行艇及圆舭快艇回转时的横烦及稳性问题，提出了回转时横倾角估算公式，井进行了实艇检验。1.2.6我国对滑行艇新艇型的开发与研究鉴于常规滑行艇耐波性不足，使用范围受到很大限制．因此开发滑行新艇型，以提高其耐波性就成了滑行艇发展的趋势。哈尔滨船舶工程学院的苏永昌，赵连恩等研究开发了新式槽道型滑行艇[4]。此外，CSSRC及上海沪东造船厂都对深V型艇型进行了研究，文献[9]介绍了深型艇的性能与设计特点。1.3论文研究的目的与意义目前在我国研究高速水面无人艇具有十分重大的意义：第一：为顺应现代武器发展的历史潮流，我国开展满足不同战术使命需求的高速无人水面艇已迫在眉睫，现代武器系统正朝着智能化、无人化等方面结构设计，无人艇正顺应这个发展趋势。目前水面无人艇正处在飞速发展阶段。无人艇已被公认为未来争夺信息优势，实施精准攻击，完成战场特殊任务的重要手段之一，西方国家都十分重视该领域的研究，并逐渐在军事和其他方面得到应用。第二：无人水面艇作为一种新概念武器，与一般舰艇相比有着得天独厚的优势，它费用比较低，应用广泛，顺应发展潮流。且能与大型舰艇相互配合，协同作战，因此我国针对无人水面艇的研究、发展已到刻不容缓的程度。第三，研制和开发水面高速无人艇也是维护国家统一、保卫国家主权的需要。我国是世界上唯一一个没有实现国家统一的大国，为维护国家统一的台海战争爆发的可能性始终存在。水面高速无人艇系统的建立，将在未来可能的台海战争中为大部队登录扫清海上障碍、建立快速海上通道以及快速布置多个水面信息站点，进行网络、电子干扰、信息中继以集群方式对重点目标进行控制。发挥不可比拟的作用[2]。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）第四，未来战场是信息战，无人艇在这个领域中也有它的很多优势：无人水面艇在“军事欺骗”任务中实现佯动掩护；无人水面艇在“实体摧毁”目的下完成对敌杀伤；无人水面艇在“网电一体战”环境下进行组网联通；无人水面艇在“指挥控制战”模式下完成编队指控……第五，无人艇其成本较低，风险比较小，可大批量装备海军，以较低的成本迅速弥补我军在非对称作战体系中的不足，提高我军在海上的作战能力。如果形成产业规划还能带动某一地区的经济发展，为我国的经济发展供出一份力量。1.4论文主要内容本论文主要内容有：（1）针对高速无人滑行艇的设计特点及性能要求等开展调研分析，开展无人艇初步设计，确定主尺度、主要参数，以及其他功能模块。（2）在此基础上，利用Maxsurf软件完成高速无人滑行艇的设计及流体性能的初步计算分析；（3）高效节能特种推进器的选定，以及优化推进器，改善推进效率。（4）以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析，并考虑风载荷因素简历滑行艇三自由度运动预报模型；（5）编制运动预报程序，开展滑行艇三自由度运动预报，分析高速滑行艇的运动特点。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）第2章高速滑行艇maxsurf建模2.1滑行艇的maxsurf建模2.1.1单体滑行艇的主尺度滑行艇长L=6.00m滑行型宽B=2.08m滑行型深D=1.60m设计吃水t=0.48m静止在水中的满载排水水量Δ=1.85t2.1.2单体滑行艇的maxsurf建模视图图2-1四个视窗的模型截图50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）图2-2纵剖面图图2-3横剖面图50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）图2-4半宽水线图图2-5立体视图2.1.3利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算排水量Displacement:1.85t水线之下容量Volume:1.81m350\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）进水深度Immerseddepth:0.48m设计水线长Lwl:5.38m水下湿表面积Waterplanearea:5.87m2棱形系数Cp:0.608方形系数Cb:0.455中横剖面系数Cm:0.772水线面系数Cwp:0.71浮心高度KB0.299m每厘米吃水吨数TPc:0.06t/cm每厘米纵倾力矩MTc:0.019t.m2.1.4利用Hydromax对艇静止在水面时基本计算用Hydromax建模分析计算，得到如下报告：Loadcase-Loadcase1（计算状态）DamageCase-IntactFreetoTrimRelativeDensity(specificgravity)=1.025;(Density=1.0252tonne/m^3)Fluidanalysismethod:UsecorrectedVCGItemNameQuantityWeighttonneLong.ArmmVert.ArmmTrans.ArmmFSMom.tonne.mFSMTypeLightship10.92502.7600.0640.0000.000TotalWeight=0.9250LCG=2.760VCG=0.064TCG=0.0000FScorr.=0VCGfluid=0.064HeeltoStarboarddegrees-30.0-20.0-10.00.010.020.0Displacementtonne0.92500.92500.92500.92500.92500.9250DraftatFPm0.3350.2930.2710.2640.2710.29350\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）DraftatAPm0.3350.2930.2710.2640.2710.293WLLengthm4.8754.8974.8894.8614.8894.897ImmersedDepthm0.3570.3410.3210.3090.3210.341WLBeamm1.3601.3571.3691.3741.3691.357WettedAream^25.5715.5855.6215.6355.6215.585Waterpl.Aream^24.7944.7814.8144.8314.8144.781PrismaticCoeff.0.5840.5890.5940.5990.5940.589BlockCoeff.0.3810.3980.4200.4370.4200.398LCBfromAmidsh.(+vefwd)m-7.240-7.240-7.239-7.239-7.239-7.240VCBfromDWLm-0.121-0.118-0.115-0.113-0.115-0.118GZm-0.356-0.245-0.1250.0000.1250.245LCFfromAmidsh.(+vefwd)m-7.316-7.354-7.383-7.393-7.383-7.354TCFtozeropt.m-0.381-0.251-0.1220.0000.1220.251Maxdeckinclinationdeg30.020.010.00.410.020.0Trimangle(+vebystern)deg0.00.00.00.00.00.0HeeltoStarboarddegrees30.040.050.060.070.080.0Displacementtonne0.92500.92500.92500.92500.92500.9250DraftatFPm0.3350.4030.5050.6710.9261.460DraftatAPm0.3350.4030.5050.6710.9261.460WLLengthm4.8754.8114.6774.4754.2234.458ImmersedDepthm0.3570.3650.3580.3280.2960.341WLBeamm1.3601.4021.5391.6101.4791.352WettedAream^25.5715.6305.8756.2566.4166.384Waterpl.Aream^24.7944.9135.2615.6175.4255.008PrismaticCoeff.0.5840.5760.5670.5590.5890.577BlockCoeff.0.3810.3670.3500.3820.4890.439LCBfromAmidsh.(+vefwd)m-7.240-7.239-7.235-7.226-7.211-7.193VCBfromDWLm-0.121-0.121-0.116-0.105-0.103-0.114GZm0.3560.4600.5710.7140.8360.906LCFfromAmidsh.(+vefwd)m-7.316-7.281-7.259-7.218-7.133-7.083TCFtozeropt.m0.3810.5180.6740.8170.8620.877Maxdeckinclinationdeg30.040.050.060.170.180.0Trimangle(+vebystern)deg0.00.00.00.00.00.050\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）HeeltoStarboarddegrees90.0100.0110.0120.0130.0140.0Displacementtonne0.92500.92500.92500.92500.92500.9250DraftatFPmN/A-0.105-0.620-0.860-1.015-1.130DraftatAPmN/A-0.105-0.620-0.860-1.015-1.130WLLengthm5.1445.6705.9695.9795.9515.934ImmersedDepthm0.4400.5140.5580.5740.5630.525WLBeamm1.2311.1100.9940.9180.8790.882WettedAream^26.3756.3246.3116.3576.4496.642Waterpl.Aream^24.6274.2533.9953.8763.8824.052PrismaticCoeff.0.5290.5160.5290.5670.6100.655BlockCoeff.0.3230.2790.2720.2860.3070.328LCBfromAmidsh.(+vefwd)m-7.175-7.161-7.154-7.157-7.168-7.186VCBfromDWLm-0.131-0.147-0.159-0.163-0.161-0.152GZm0.9170.8720.7780.6470.4880.313LCFfromAmidsh.(+vefwd)m-7.048-7.035-7.015-7.012-7.043-7.093TCFtozeropt.m0.8770.8530.7970.7030.5770.430Maxdeckinclinationdeg90.0100.0109.9119.9129.9139.9Trimangle(+vebystern)deg0.00.00.00.00.00.0HeeltoStarboarddegrees150.0160.0170.0180.0Displacementtonne0.92500.92500.92500.9250DraftatFPm-1.221-1.295-1.349-1.357DraftatAPm-1.221-1.295-1.349-1.357WLLengthm5.9245.9205.9195.920ImmersedDepthm0.4630.3720.2630.259WLBeamm0.9321.0601.3982.031WettedAream^26.9787.6069.06210.717Waterpl.Aream^24.4465.2296.9788.788PrismaticCoeff.0.7070.7730.8760.871BlockCoeff.0.3530.3860.4150.290LCBfromAmidsh.(+vefwd)m-7.208-7.231-7.248-7.250VCBfromDWLm-0.136-0.114-0.083-0.055GZm0.133-0.031-0.1330.000LCFfromAmidsh.(+vefwd)m-7.158-7.243-7.399-7.54350\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）TCFtozeropt.m0.2770.1390.0730.000Maxdeckinclinationdeg150.0160.0170.0179.5Trimangle(+vebystern)deg0.00.00.00.0Graph:2.1.4.1大倾角稳性(横倾)Resultes:50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）Graph:2.1.4.2平衡分析Resultes:50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）Graph:2.1.4.3垂向静水力Graph:50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）第3章推进器设计3.1喷水推进器的概要喷水推进装置的研究可以追溯到300多年以前，1661年Toogood与Hayes就获得了英国的专利。此后有关喷水推进装置的研究一直没有停止过。国际上有不少专门组织机构科研单位对喷水推进器喷水推进装置以及影响喷水推进性能的各种因素做了大量的研究和试验使喷水推进技术近几十年来有了突破性的发展.喷水推进已被广泛采用在高性能舰船上.为满足特殊用途和高性能需要一些新型喷水推进器及装置也相继出现。英国皇家造船工程学会分别于1994年1998年2001年和2004年组织并召开了国际喷水推进会议，这是专门交流近期世界各国喷水推进研究成果的国际性学术会议。[10]20世纪70年代以来喷水推进泵的水平有了较大的发展，主要体现在一下三个方面[11]：1.泵的比转速范围增加50年代的轴流泵比转速范围是500-1000，而20世纪60年代轴流泵比转速达到1600仍有很高的效率，而到了70年代轴流泵比转速可以高达3000，这对于采用轻型高速主机是有利的。2.泵的汽蚀比转速增加泵的汽蚀比转速定义为，其中Hr为汽蚀余量，它反应了泵的空泡特性，通常C值在800-1100的范围，在泵前串联诱导轮后可以使C值高达3000。3.泵的功率增加20世纪60年代末，单泵组的功率多为二三千瓦，而1975年交付试验的PHM导弹水翼艇单泵组功率达到11900kW（16200马力），瑞士研制的PT250水翼艇单泵组功率达到20600kW（28000马力）。3.2喷水推进器较常规螺旋桨推进技术的优点a)推进效率高50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）传统的螺旋桨在旋转时不仅产生推力，而且产生无用的扭矩。在航速较高时，螺旋桨还容易产生空泡，从而导致效率损失。而喷水推进装置的导管起到了分割流场，产生推力增值的作用，可以达到更高的效率。a)操纵性好喷水推进船舶的操纵不需要改变主机转速，而主要依靠改变喷射水流方向来实现船舶的转向和倒航。因而，在一定的主机转速下，喷水推进船舶可以做到无级变速、驻航和倒航。如果采用双机双桨，还可以实现船舶横移。b)噪声低噪声低喷水推进装置的动叶轮在泵壳内均匀流场中工作，可推迟空泡的产生，从而减小叶片的振动和噪声。而且，由于喷水推进装置的传动结构简单，可明显减低内部噪音，船体振动量也会有所降低。3.3喷水推进器的工作机理喷水式舰船推进装置包含有吸水装置、输水装置和喷水装置。吸水装置位于舰船的首部，含有吸水口、吸水口防护罩、吸水口开关，吸水口开设在舰船的首部，吸水口防护罩罩住吸水口的开口部分，联接在舰船的壳体上，吸水口开关的进水端联接吸水口的收口端，其出水端与输水装置中的输水管的前端相联，增压泵的出水端与增压输水管的前端相联。输水装置中的增压泵可为一个或多个，视舰船的长度、大小和增压的实际需要配置，若为多个，则从第一级到最后一级依次串联（一个增压泵为一级增压，多个增压泵则为多级增压）。喷水装置位于舰船的尾部，含有喷水机、调向阀门、正向喷头及开关、逆向喷头及开关，喷水机的进水端与增压输水管的出水端相联，其出水端与调向阀门的进水相联，调向阀门的两个出水端分别与正向喷头开关的进水端相联，正向喷头的出水端伸出舰船尾部正面壳体，出水喷射入承载舰船的后面水体中，逆向喷头的出水端伸出舰船尾部侧面壳体，出水喷射入承载舰船的侧面水体中。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）图3-1喷水推进装置工作流程示意图吸水装置、输水装置、喷水装置依次联接共同构成一套完整的喷水式舰船推进装置，吸水口、增压泵、喷水机、调向阀门等是其中的关键部件，吸水口呈喇叭型，开口端与舰船首部的壳体相联，利用舰船首部壳体曲成半开放的集水凹槽，凹槽迎水面有防护罩，吸水口的收口端位于舰船壳体内，与吸水口开关的进水端相联。吸水口此种设计既有利于增压泵主动吸水，又有利于消减舰船首部的兴波阻力。增压泵包含有泵体、叶轮、轴和动力，叶轮装在轴上，轴与动力相联。喷水机含有机壳、喷射轴和动力，喷射轴为锥状螺旋体，安装在锥状机壳内并与动力相联。喷水机的主要功能是产生高压高速水流，通过喷头喷射而出，使舰船获得强大的反冲动力。调向阀门含有球形阀体、球弧形阀瓣、圆柱形阀轴、进水端、正向出水端、侧向出水端、底座，阀瓣紧套在阀体内，通过阀轴转动改变出水方向，在关闭侧向出水端的同时开启正向出水端，或在开启侧向出水端的同时关闭正向出水端，使来自喷水机的高压水流或从正向喷头喷出，或从逆向喷头喷出，从而使舰船或前进、或转向、或倒退，达到调向目的。喷水式舰船推进装置中的吸水口开关和喷头开关（包括正向喷头开关和逆向喷头开关）主要因安全考虑而设置，为直通式开关，这些开关一旦关闭，即可阻止外界水体进入喷水式舰船推进装置，有利于设备的随时维修。喷水式舰船推进装置中的吸水装置、输水装置、喷水装置依次联接安装在舰船壳体的底面上。具体到每一艘喷水式舰船，可以根据实际需要组成一套或数套喷水式舰船推进装置，按照合适的规格和结构方式，组合成实用的喷水式舰船推进装置，按照合适的规格和结构方式，组合成实用的喷水式舰船推进系统。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）喷水式舰船的操纵简便灵活，利用动力系统调速，利用调向阀门调向，可实现无舵操纵。与传统的有舵操纵的螺桨式舰船相比，无舵操纵的喷水式舰船的机动性能要强得多，而且减少了许多不必要的能量和功率损耗，其潜在的经济价值和军事价值不可低估。3.4喷水推进器理论喷水推进系统的理想推力为Ti,则Ti应等于单位时间内动量的增量Ti,=则有效功为Ti，而输入功为动能的增量，即因此理想效率有为喷射速度与来流速度之比，即一般来说>，>1，<1，只有当=时=1。对于喷水推进器能量损失为此损失可称为损射损失。在实际流体中，喷水推进系统有多种损失，主要是管道系统和泵自身都有水力损失。设原动主机的功率为Np，水泵连轴节处的传送效率为，则推进泵的收到功率是水泵的主要作用是把机械能变为水力能，主要参数是流量Q和杨程H,因此，水泵的输出功率为,水泵的效率为管道系统在输入的功率后，输出推动船前进的功率为。因此，管道系统效率为喷水推进系统的推进效率为。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）3.5影响喷水推进器性能的重要参数3.5.1建立喷水推进器计算模型图3-2加导叶喷水推进器计算模型喷水推进模型包括进水段、动叶轮区域、导叶区和出水段，其中动叶轮和导叶的数目分别为：6个和7个，轮毂比为0．4，进口直径为200mm，转速为1450r／min．该叶轮模型以X轴为旋转。3.5.2重要参数1、叶片安装角当改变喷水推进的叶片安装角时，性能曲线也要随之变化。在一定转速下，把各个叶片安装角所对应的性能曲线包括H—Q曲线、一Q曲线和N—Q曲线绘制在同一张图上，便得到喷水推进的通用特性曲线[12]。喷水推进在最佳工况时叶片的装角度西角作为零度，叶片可向正的方向转动，即函角为正值，冲角加大；也可向负的方向转动，垂为负值，冲角减小．正角为叶片安装角增大的方向，流量增大；负角为叶片安装角减小的方向，流量减小．分别计算了叶片安装角为一4º、一2º、0º、+2º、+4º50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）的喷水推进在不同流量工况下的性能曲线见图3-5、3-6、3-7。随着叶片角度的增大，扬程、功率逐步增加。小流量工况时，负叶片安装角效率较高，当流量增大，安装角越大，效率越高。可见运行中叶片安装角在一定范围内调整可以扩大喷水推进的高效工作区。图3-5不同叶片角时的流量--扬程性能曲线图3-6不同叶片角时的流量--功率性能曲线图3-7不同叶片角时的流量--效率性能曲线50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）2、轮毂比喷水推进的轮毂比d为叶轮轮毂直径d与叶轮外径D的比值(d=d／D)。轮毂比是一个重要的结构参数，对喷水推进性能的影响很大。不同比转速的模型泵，流量基本相同而扬程相差很大，轮毂比起了很大的作用。由图3-8、3-9、3-10可以看到，小流量工况下，轮毂比为o．45时扬程较大，但是随着流量增大，轮毂比为O．35的喷水推进扬程很快超过轮毂比为o．4和o．45的喷水推进。从小流量到较大流量，轮毂比为o．35的喷水推进功率最大，轮毂比为o．4的次之，轮毂比为O．45的最小。在小于设计流量附近的工况下，轮毂比为o．45的喷水推进效率最大，轮毂比为O．4的次之，轮毂比为O．45的最小。当流量大于设计流量附近区，轮毂比为o．35的喷水推进效率最大，轮毂比为o．45的喷水推进效率随着流量的增大下降非常明显．总体来看，设计轮毂比为o．4的喷水推进高效范围区较大。图3-8不同轮毂比时的流量一扬程性能曲线50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）图3-9不同轮毂比时的流量一功率性能曲线图3-10不同轮毂比时的流量一效率性能曲线另外，比转速低的喷水推进，叶轮的叶片数较多，考虑强度和便于安装，以及对性能参数上的要求，轮毂比d要取大值；反之，轮毂比取小些。要特别注意的是，轮毂比减小受到结构强度方面的限制。此外，对于动叶可调节喷水推进，考虑叶片调节机构在轮毂体内的布置，轮毂比要适当取得大一些。3、叶片数合理的选择叶片数Z对喷水推进的性能影响是显著的。通过改变喷水推进的叶片数，研究叶片数对喷水推进性能的影响．由于只改变叶片数，反映的是叶栅稠密度的变化，故其他参数均保持不变。为了便于比较，计算过程中，导叶保持不变．在设计转速咒---1450r／min下，对叶片数Z一3、4、5、6、7、8的性能进行计算比较，如图3-11～3-12。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）图3-11同叶片数时的流量一扬程性能曲线图3-12同叶片数时的流量一功率性能曲线图3-13不同叶片数时的流量一效率性能曲线50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）数值模拟的结果表明[12]：1)随着叶片数的增加，扬程、功率和效率都逐渐增加，其中效率变化较缓，一般在1％左右。可见，叶片数的变化对喷水推进效率影响不大。2)喷水推进的叶片数从3叶变化到8叶的过程中，流量一扬程曲线在大流量趋于一点，这是由于大流量时，叶型趋于单翼型绕流，因为动叶轮的翼型是一样的，大流量时，必然趋于一点，叶片数越多(即z／￡越大)，Q—H曲线斜率越大，曲线越陡，最大扬程增高，6种叶片数最高效率点流量基本不变。3)由图11可以看出扬程、功率和效率增加的幅度随着叶片数的不断增加逐渐变小．当叶片数增加到8时，喷水推进的扬程、功率相对于叶片数为7时都开始下降，特别在大流量工况下，叶片数为8时，效率出现大幅下降。这是因为，叶轮旋转过程中，相邻叶片的相互干扰产生了涡流，叶片数的增加加剧了涡流的产生，这将引起叶栅升力系数的下降，并使流道内的流动损失迅速上升。当叶片数增加到一定个数时，由于摩擦面积增大，能量损失增加，扬程、效率将会逐渐下降．当然，如果叶片数过少，由叶片的基本方程式可以看出，每个叶片的负荷增大，从而使流动性能变坏，导致喷水推进的扬程、效率降低，这从叶片数为3时的性能曲线可以看出。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）第4章滑行艇流体性能初步分析4.1引言宇宙间，从微观领域到宏观领域的万物，其再复杂的运动都可以用六自由度运动耦合方程来描述。船舶当然也不例外。现假设某一船的航行状态：A.静水中；B.直航；C.无转向；D.无横向外力或者横向外力矩扰动。则在上述“理想情况”下，该船就不会有横向的线速度和角速度，也就不会产生横荡、艏摇与横摇。换句话说，在理想状态下，横荡、艏摇与横摇这3种横向运动可以跟纵荡、升沉和纵摇这3种纵向运动解耦。在上述4条假设的基础上，如果再假设：E.没有纵向外力或者纵向外力矩扰动。则船在这种“理想状况”下也不会产生升沉和纵摇，而是将保持某一航速以稳定的航态继续直航。然而，对于滑行艇这类非常规变排水量船来说，其运动特性决定了推进、升沉和纵摇这3种纵向运动是它本身所固有的，不可能像上述假设的那样通过创造所谓的“理想状况”来加以避免；而且这3种运动要么一个都不产生，要产生的话必然同时产生；也就是说它们不仅不能解耦，而且还是强解耦的，分开单独考虑就反映不了滑行艇这类排水量船的航行特点。4.2滑行艇水动力计算概述滑行艇以排水状态航行时，其水阻力计算基本上与普通的排水航行船只相同。但当它起飞后滑行于水的自由表面上，仅部分艇底与水面接触，从而支承面和浸湿面积随速度增大而减小。此时，适用于排水航行船只的阻力计算方法对滑行艇已不适用。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）进入过渡状态后，随着艇速的增加，艇首逐渐抬起，摩擦阻力成正比地随浸湿面积的减小而减少，此时，艇阻力的急剧增长主要是由于喷溅阻力和兴波阻力的增大而引起。过渡状态阶段的阻力曲线呈驼峰形状。处在阻力峰值区域航行的艇是不经济的，对动力装置和推进装置的运行带来不利影响。所以，设计良好的艇大都避开这个阻力峰区。当运动速度达到>3时，艇首抬出水面并开始沿自由表面滑行，艉纵倾减小，阻力越过峰值后迅速下降，这是由于除摩擦阻力减小外，兴波阻力也减小了[13]。滑行状态是指艇越过起飞阻力峰以后的航行状态。但严格地讲，只有少数赛艇能达到全滑行状态，大部分的实用艇仍然处于“亚滑行状态”。此时，艇的大部分重量依靠艇底水流产生的流体动举力来支撑，排水体积产生的浮力只占很小一部分。对滑行艇来说，其速度有一个下限：当用傅汝德数来衡量时，A．B．Marry认为FrB>2可作为滑行速度的下限。4.3滑行艇纵向受力分析静止时滑行艇静止时只受铅垂向下的重力mg和铅垂向上的浮力BH，并且由于要满足静平衡，所以我们很容易就知道BH等于mg，且两者的作用点G和B在同一条铅垂线上（见下图4-1）图4-1滑行艇静止时受力航行时当主机开始发出动力，逐渐使艇有了航速u50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文），由于艇体前部的所受水压力，产生一个向上的升力，使艇升高了某一段距离；又因为这个升力对艇的重心有一水平力臂，所以产生一个力矩，使艏部向上转动了某一个角度。那一段距离的升高和那一个角度的转动，改变了艇的状态，使得艇的排水体积变了，从而浮力也变了；同时，艇体后部的滑行面由于跟着艇艏绕重心转动了那一角度，所以也产生了升力。而且，这些力的产生或改变都引起了力矩的产生和改变。从而引起了升沉和纵摇，升沉和纵摇改变了艇体的排水体积和湿面积，而这两大因素的改变，直接影响了船体的直航总阻力，从而改变了航速u，u一变，又影响了升力的大小，升力变了，又跟着变，结果又间接影响了浮力。·GTp·LHRtMh图4-2滑行艇航行时受力直到变化到某一姿态，艇体各个方向所受合外力为零，这个姿态就是动平衡点，滑行艇就会保持这一姿态，稳定的航行下去，直到下次受到外界扰动。4.4滑行平板的流体动力分析最简单的滑行艇是一块半浸湿的矩形平板，沿着水面以小冲角a运动，前进速度为u，其载荷为G。此时，平板上作用有垂直于平板的水动压力P和平行于平板表面的水粘性摩擦力R。此外，作用于平板的还有平板排开水的浮力D。将水动压力P和摩擦力R的合力Q分解成垂直于水平面的升力L和平行于水平面的阻力R，则有：(4.4-1)在垂直于水平面的z轴上有力的平衡方程：G=L+D(4.4-2)此等式表明，艇的载荷G(相当于艇在静止吃水时的排水量△)50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）被流体动举力和小部分浮力所平衡。正如前面所述，艇达到起飞速度后，浮力所占的比例很小。将上述诸力再投影到平板的平面上，得到力的平衡方程：(4.4-3)(3)式中的G相当于艇在静止吃水时的排水量△，用△来置换G，于是得到阻力的常见表达式（4.4-4）因通常不小于0．985，所以，在小冲角的情况下，取摩擦阻力部份的≈1不会引起过大误差，所以，水动阻力的表达式可以写成：(4.4-5)RRfPQLLv静水面图4-3滑行平板水动力分析4.4.1姆雷（Murry）法估算滑行艇的阻力这个方法主要是通过一系列滑行艇平板试验，给出了几个滑行参数的具体函数关系、分别为：（1）滑行面压力中心位置的函数关系：（4.4-6）式中（4.4-7）50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）（4.4-8）（4.4-9）式中：ε为水压力中心（或重心）距艇尾的距离；为平均湿长度，即龙骨浸湿长度，与折角线浸湿长度的平均值，，如图4-4所示；τ为滑行时的纵倾角；β为平均斜升角，即艇中部和船尾斜升角的平均值；，湿长度与宽度之比。εL图4-4滑行面的几何参数上列关系式常用曲线表示，如图（4-5）所示。在应用时可以直接查图。（2）滑行面动载荷系数的函数关系对于底部斜升角为零的平底滑行面的动载荷系数为：（4.4-10）对于底部斜升角为β的V形滑行面则有：（4.4-11）50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）由此可见，平底艇的动载荷系数较V形滑行面者为大。上列关系式中用曲线表示如图4-6所示。根据上述函数关系式，可以估算滑行艇的阻力，具体步骤如下：1）已知艇的排水量，航速，艇宽和斜升角，则可以计算得：有已知的值，查图5.7得相应于滑行平板的动载荷系数。图4-5计算滑行面压力中心位置的曲线（Murry法）50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）图4-6确定滑行面动载荷系数的曲线（Murry法）2）取一系类纵倾角，，……，，……，并计算相应于各纵倾角时的；再由图4-6得对应于的一系列值。3）由图5.6可以查出：4）由于及相应的已求得，则相应的湿长度，湿面积均可得到，并可以计算雷诺数和摩擦阻力。5）按式5.2计算各纵倾角时的相应阻力，并作出曲线，6）计算得各纵倾角时在水压力中心位置。7）有已知艇体重心距尾板距离，在50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）曲线上得到对应水压力中心距尾板为时的纵倾角。此极为实艇在该计算航速下的航行纵倾角，同时由图得到相应的总阻力值[14]。4.5模型阻力计算用以上方法对已建的模型进行阻力预估和计算，其基本步骤和相关数据如下图表所示：1）所建模型的基本数据信息：排水量Δ1.85t1.79m15°2）通过图4-4可以得到值，如下表所示表4-1不同速度对应的值V（m/s）66.577.588.591.43261.55191.67131.79071.91002.02942.14890.03210.02730.02360.02050.01800.01600.01430.03740.03190.02750.02390.02100.01860.01663）计算值表4-2假设不同斜升角时的值τ(°)V=6V=6.5V=7V=7.5V=8V=8.5V=920.02150.01850.01520.01310.01130.00890.007030.01690.01450.01190.01020.00890.00700.005440.01380.01180.00980.00840.00720.00570.004550.01160.01000.00820.00710.00610.00480.003860.01010.00860.00710.00610.00530.00420.003270.00880.00760.00620.00540.00460.00370.002980.00790.00680.00560.00480.00410.00330.002550\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）4）通过图4-6可以得到值，如下表所示表4-3不同状态时的值τ(°)V=6V=6.5V=7V=7.5V=8V=8.5V=921.1521.1350.8340.7820.7340.5420.45330.6710.5710.4930.4290.3770.3340.29840.4890.4160.3590.3130.2750.2430.21750.3820.3260.2810.2450.2150.1900.16960.3130.2670.2290.2000.1760.1560.13970.2640.2250.1940.1690.1480.1310.11780.2280.1940.1670.1460.1280.1130.1015）通过公式可以求得值，如下表所示表4-4不同状态时的值τ(°)V=6V=6.5V=7V=7.5V=8V=8.5V=921.1521.1350.8340.7820.7340.5420.45330.6710.5710.4930.4290.3770.3340.29840.4890.4160.3590.3130.2750.2430.21750.3820.3260.2810.2450.2150.1900.16960.3130.2670.2290.2000.1760.1560.13970.2640.2250.1940.1690.1480.1310.11780.2280.1940.1670.1460.1280.1130.1016）通过公式可以计算得到值，如下表所示表4-5不同状态时的值τ(°)V=6V=6.5V=7V=7.5V=8V=8.5V=922.1342.1031.5451.4491.3601.0040.83931.2421.0580.9130.7950.6980.6190.55240.9050.7710.6650.5790.5090.4510.40250.7080.6030.5200.4530.3980.3520.31460.5790.4930.4250.3710.3260.2880.25770.4890.4160.3590.3130.2750.2430.21780.4220.3590.3100.2700.2370.2100.1877）在不同斜升角角时不同速度情况下的雷诺数表4-6不同状态时的值τ(°)6m/s6.5m/s7m/s7.5m/s8m/s8.5m/s9m/s21086258111594140917473292171649228165724014964072263632322158368205419904505857747424164463450421548150\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）44607929425347339496533686343345594732526563071953536049963327688308999628839972703747254470324033306294988727229732528475235991022124152082273196659172489797229827421341121991837186734817575041659865821496751984315184257817197401612256151741814331178通过ITTC公式计算摩擦阻力系数表4-7不同状态时的值τ(°)6m/s6.5m/s7m/s7.5m/s8m/s8.5m/s9m/s20.002950.002920.003040.003040.003040.003170.0032430.003250.003300.003340.003380.003430.003470.0035040.003450.003500.003550.003600.003640.003680.0037250.003610.003660.003720.003770.003820.003860.0039160.003750.003810.003870.003920.003970.004020.0040770.003880.003940.004000.004060.004110.004160.0042180.003990.004060.004120.004180.004230.004290.004349）通过公式摩擦阻力估算公式可以计算值（由于船体体型很小，取为0）表4-8不同状态时的值τ(°)6m/s6.5m/s7m/s7.5m/s8m/s8.5m/s9m/s2113.632129.927115.306124.013132.411115.217110.357372.78073.84674.85375.81076.72177.59378.428456.20957.05657.85858.62059.34660.04160.707546.05646.76747.44048.08048.69049.27349.833639.17039.78640.37040.92541.45541.96242.449734.17734.72435.24335.73636.20636.65737.089830.38430.87731.34531.79032.21532.62233.01310）通过公式可以可以计算出总阻力表4-9不同状态时的值τ(°)6m/s6.5m/s7m/s7.5m/s8m/s8.5m/s9m/s2178.203194.498179.876188.584196.981179.787174.9283169.685170.751171.758172.715173.626174.498175.3334185.508186.355187.157187.919188.645189.340190.0065207.828208.539209.212209.851210.461211.045211.6056233.513234.130234.714235.269235.799236.306236.79250\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）7261.213261.76262.278262.771263.241263.693264.1248178.203194.498179.876188.584196.981179.787174.92811）通过公式可求得不同冲角时的表4-10不同冲角时的值τ(°)6m/s6.5m/s7m/s7.5m/s8m/s8.5m/s9m/s21.5821.5601.1651.0961.0320.7740.65330.9000.7730.6720.5900.5220.4650.41740.6430.5530.4800.4210.3730.3320.29850.4950.4260.3700.3240.2870.2560.23060.4010.3440.2990.2630.2320.2070.18670.3340.2870.2490.2190.1940.1730.15580.2860.2460.2130.1870.1660.1480.13312）通过对各组数据的处理，整理成以下图标：从曲线图中，我们可以直观的看出各种状态之下的阻力变化，可以读出在特定速度、冲角情况下的阻力值，以及阻力的变化趋势。图4-7各冲角时不同速度对应的阻力曲线图4-8各速度时不同冲角对应的阻力曲线50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）4.6滑行艇在静水中垂荡运动假定：垂荡是微幅的，因此在吃水变化范围内认为船舷是直壁的；由于运动产生的阻尼主要是兴波阻尼，因此阻尼是线性的[15]。根据上述假定，作用与垂荡船体的三种力为：惯性力：阻尼力：复原力：式中：D-----------排水量；g----------重力加速度；-------垂荡附加质量；--------垂荡阻尼系数；----------水的重度；-------水线面面积；-----垂荡加速度、速度、位移。根据动平衡原理，可以得到垂荡运动方程：（4.4-1）式（4.4-1）等号两边除以，经整理得：（4.4-2）式中：---------垂荡运动衰减系数，（）----------垂荡固有圆频率，（）设初始条件是：t=0，Z=z0，=0，不难求方程4.4-2的解为：式中-----------垂荡有阻尼圆频率50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）垂荡固有周期为（4.4-3）垂荡固有周期的近似乎计算：垂荡运动的附加质量和船本身的质量是同一数量级，所以可以近似地认为：船的排水量为：式中：L、B、d---------船长、船宽、吃水；--------方形系数。水线面面积为：式中：--------水线面系数。将、D、代入（4.4-3）中，得：式中：--------竖向菱形系数。利用曲线拟合，表示出滑行艇垂荡固有周期随吃水的变化：图4-9滑行艇垂荡周期吃水变化图因为垂荡运动阻尼比较大，所以不能把静水有阻尼垂荡周期近似为垂荡固有周期。垂荡运动的无因次衰减系数为：50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）4.7滑行艇在静水中纵摇运动假定：纵摇是微幅的，纵摇运动主要产生的是兴波阻尼，因此纵摇阻尼力矩与纵摇角速度成线性关系。惯性力矩：（4.5-1）阻尼力矩：（4.5-2）复原力矩：（4.5-3）式中：-----------船体纵摇惯性矩；---------纵摇附加惯性矩；---------纵摇阻尼系数；--------垂荡阻尼系数；----------排水量；-------水线面面积；-----纵摇加速度、速度、纵摇角。根据动平衡原理，可以得到纵摇运动方程：（4.5-4）上式各项除以，得：（4.5-5）式中：---------纵摇衰减系数，（4.5-6）---------纵摇固有频率（4.5-7）解方程（4.5.5）得：（4.5-8）式中：----------有阻尼的纵摇圆频率，50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）纵摇的无因次衰减系数为：纵摇的固有周期为：式中：R----------纵稳心半径。纵摇固有周期近似计算：因为纵摇运动的附加质量惯性矩和船本身的质量惯性矩是同一数量级，所以可以近似地认为：所以关键在于确定船体本身的质量惯性矩：[15]式中：---------水线面系数。纵稳心半径R：[15]计算纵摇周期，即当设计吃水时有：1.573由此可知：船舶在静水中垂荡运动和纵摇运动的固有周期很接近的。4.8滑行艇的纵向运动稳定条件根据受力分析，排水型船在满足下面两个平衡条件时，则船的运动状态就是稳定的：a)流体压力在垂直方向的分力应等于艇的重量；b)流体动压力之合力的作用点应与艇的重心在同一垂直线上。但是，上面的条件是静力平衡条件，由于排水型船主要是受流体的静力作用，而惯性力比重很小，可以忽略。对于滑行艇在滑行状态时主要受到流体惯性力的作用，因此仅满足上述的静力平衡条件的滑行艇，其运动不一定会稳定。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）严格地说，上述纵向运动稳定性条件中的受力平衡问题应包括静浮力和推进器推力在竖直方向的分离作用在内，但由于它们与流体压力相比均为小量，故一般可以不考虑[16]。滑行艇在某一航速上出现这种不稳定的纵向运动，是由于滑行艇所受到的纵向惯性力太大，而且艇的纵向惯性半径又很小的结果。一般说来，对于普通滑行艇只有时较易发生海豚运动。第5章滑行艇三自由度运动预报5.1滑行艇纵向运动耦合方程的数学模型5.1.1坐标系的选取为了描述滑行艇的一般运动，根据滑行艇的纵向运动特性，择于地球的“定系”，固连于滑行艇重心G、随滑行艇一起运动的“动系”，正方向按右手系的规定：Gx轴水平指向艇艏部，Gz轴铅锤向下。滑行艇纵向转动角速度为。5.1.2建立模型通过上章几节的分析可知，滑行艇这类变排水量船型的推进、升沉和纵摇是相互紧密关联、不可分割的强耦合运动，所以本论文就先将他们与横荡、艏摇、横摇这3种横向运动解耦，建立滑行艇纵向运动的耦合数学模型。基于刚体六自由度余东耦合方程组：[17]现不计横荡、艏摇、横摇，则有：（5.1.2-1）要求解上式，需要知道等式左边的质量和转动惯量。质量就是滑行艇所求工况下的世纪载重量；可要精确地求出转动惯量是比较困难的，因为它和船艇的结构形式、型线设计、建造材料密度、质量分布、仪器设备的安装等有着，莫大的关系，本文采用近似的经验公式来估算对轴的纵摇转动惯量：50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）（5.1.2-2）式中：为滑行艇的长度。要求解式（5.1.2-2），还需知道等式右边的外力（矩）。这些力（矩）包括滑行艇船体、推进器等所受的流体动力。为了简化研究，本论文将滑行艇在实际流动中所受的水动力分为惯性力和非惯性力，并忽略其相互影响。5.1.3作用于滑行艇的惯性类水动力（矩）由流体力学知道：一物体在理想流体中运动时，其周围的动量（矩）为：（5.1.3-1）式中：为物体作方向平移运动时的水附加质量；物体作方向平移运动时的水附加质量；为物体绕轴转动时的水附加转动惯量。而物体所受的惯性水动力（矩）为：（5.1.3-2）将投影代入（5.1.2-1），则变为：（5.1.3-3）与转动惯量一样，附加质量和以及附加转动惯量的精确计算也非常复杂，所以本论文同样采用前人用切片法[25]归纳总结出的经验公式来估算。由于纵向附加质量的数值较之船的质量要小的多，仅为其值的，故近似认为：（5.1.3-4）而垂向的附加质量和船体本身的质量是同意数量级的，所以近似认为：50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）（5.1.3-5）纵摇的附加转动惯量也和船体本身的纵摇转动惯量是同一数量级，一次近似认为：（5.1.3-6）5.1.4作用于滑行艇的非惯性类水动力（矩）将式（5.1.3-1）代入式（5.1.3-3），有：（5.1.4-1）式中：、、为物体所受的非惯性类水动力（矩）。经整理后得：（5.1.4-2）在理想情况下运动的物体，其所受的非惯性类水动力（矩）取决于它的形状和运动情况。对于一艘具体给定的船体来说，其船型已经固定不变了，多以只取决于它的运动情况。5.2滑行艇所受各非惯性力（矩）的具体计算考虑滑行艇的推进、升沉和纵摇3个纵向运动，除主船体外，涉及的其他部分还有推进器，风载荷。则按照MMG方程，非惯性类力（矩）应该包含、、、、、，将它们各自的投影代入到（5.1.4-2），得到：（5.2-1）上式中的下标H、j、w分别代表主船体（Hull）、喷水推进（jetpropulsion）、风（waves）。将，，，代入方程组，并将等号右边的各项力（矩）展开，风只考虑在X方向的值，且设为定值Q,喷水推进器推力亦设为定值，为T。整理得：(5.2-2)(5.2-3)50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）(5.2-4)针对(5.2-2)，结合船舶总阻力为摩擦阻力和剩余阻力之和，即：式中，为摩擦阻力，为剩余阻力。其中且，,。式中，为排水量。利用与u的关系，曲线拟合：假定：；再代入m=1850kg，T=2300N,Q=100N，再利用四阶龙格库塔法，可得曲线：图5-1滑行艇速度-时间曲线针对(5.2-3),假定：，u为常数，得：结合：,式中，,可得：（5.2-5）利用与5组数据进行拟合：50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）4.293.622.872.231.6312.7611.4410.138.817.50与关系式为：=-0.00443+0.14432-1.0281+3.0901代入（5.2-5）中，可得：进行四阶龙格库塔法运算，再结合图5.2-1中，另：可得曲线：图5-2滑行艇升沉量-时间曲线针对(5.2-4),即其中，,，，50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）利用和之间的关系，进行曲线拟合，得：=-0.00463+0.0912-0.6275+1.7336进行四阶龙格库塔法运算，可得曲线：图5-3滑行艇纵倾角-时间曲线另，滑行艇总阻力和摩擦阻力随纵倾角变化曲线图5-4滑行艇总阻力和摩擦阻力随纵倾角变化曲线5.3高速滑行艇运动特点50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）从以上几章中分析可知，随着滑行艇速度的增加，滑行艇的纵倾角会逐渐增加，随之，相应的升力也会增加，滑行艇的浮力反而减少，浮力的变化是由排水体积引起的，可知，滑行艇的湿表面积是随速度增加而减少的，滑行艇的摩擦阻力也就会越来越小，这也与图（5.2-4）滑行艇摩擦阻力变化曲线想对应。速度的增加引起的滑行艇纵倾角的增加也在图（5.2-3）滑行艇纵倾角-时间曲线反应了出来。这也是滑行艇这类变排水量船的主要运动特性。滑行艇的升力，浮力，速度之间的相互影响，会促使滑行艇在运动过程中达到一个动平衡状态，直到遇到其他外力的扰动。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）结论本文在无人艇的设计和性能初步分析方面做了一些工作，主要工作有：一、针对目前国内外的高速无人艇研究发展现状展开了调查研究，并对我国目前滑行艇阻力、稳性、耐波性和新艇型的开发进行简单的介绍。二、从任务需求出发，结合现有条件，利用Maxsurf软件进行单体滑行艇模型的设计，并对模型进行了流体性能的初步计算分析。三、进行了推进器的设计，并对喷水推进器的种种要素对各个性能的影响进行了分析。四、以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析。五、建立了船前进、升沉、纵摇三自由度运动数学模型，开展了滑行艇三自由度运动预报，分析了高速滑行艇运动特点。六、在参考相关文献时，完成了关于“开槽船的流体水力性能及其对阻抗的作用”内容的外文翻译一篇。研究过程中存在的问题以及对未来工作的展望：1、在对滑行艇模型初步流体性能分析的时候，由于软件的语言理解的不足，在稳性分析方面未能分析的很透彻，以后学习熟练使用maxsurf软件，在未来的工作中更好地分析船舶性能。2、在对滑行艇的纵摇和升沉运动分析时，分析程度有所欠缺，未能详细地分析出这两种运动状态时他们的具体水动力数值。在以后的工作中有待加强。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）致谢经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师王志东教授。王老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计再到三自由度预报等整个过程中都给予了我悉心的指导。除了敬佩张老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢我的同学葛XX对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校——江苏科技大学，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！！！。50\n江苏科技大学本科毕业设计（论文）参考文献[1]周玺、高东华、马玉林.无人水面艇在信息战中的应用.电子对抗.2006(4)[2]况小梅.水面高速无人艇的概念设计研究.工程硕士学位论文.2007.[3]张济猛．李慧磕．尾升力板及尾嵌形扳对滑行艇性能影响响的预估方法．船舶工程-I983(3).[4]董祖舜.我国对滑行艇、半滑行艇流体动力性能方面的研究及其进展.武汉造船1995(2)[5]张侪猛．一种能显著降低无断级滑行艇阻力的有效措施．第二届高速艇学术讨论会论文集-1984．[6]张承霞．带双楔形艇的流体动升力．船舶工程，1989(2)。[7]梅毒珍等．滑行艇“导风垫气”减阻试验研究．中国造船．1985（4)[8]邵世明．王云才．防溅条对高速捧水量艇航行性能的影响．中国造船．1979(1)[9]钟本基.高速深V型艇的性能与设计．船舶工程-1990(5)[10]刘承江、王永生、丁江明.喷水推进研究综述.船舶工程-2006(4)[11]黄胜.船舶推进节能技术与特种推进器.哈尔滨工程大学出版社[12]胡健等.哈尔滨工程大学学报，影响喷水推进的若干因素.Vol.29.No.1[13]朱珉虎．滑行艇水动力计算．中外船舶科技2004年3月[14]盛振邦.刘应中．船舶原理（上册）．上海交通大学出版社2008年2月[15]吴秀恒.船舶操纵性与耐波性.人民交通出版社.第二版[16]赵连恩.高性能船舶水动力原理与设计.哈尔滨工程大学出版社.2007[17]奚炜．滑行艇运动只能控制仿真初步研究[D]．江苏科技大学硕士学位论文（2006年1月）50