三體船橫搖運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究

劉宇辰任毅蔡新功王平

（1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001；2.七○八研究所 上海 200011）

三體船橫搖運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究

劉宇辰1，2任毅2蔡新功2王平2

（1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001；2.七○八研究所 上海 200011）

三體船；橫搖；試驗(yàn)研究；運(yùn)動(dòng)性能

三體船的側(cè)體對(duì)其周?chē)牧鲌?chǎng)及其自身的耐波性能會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的影響，導(dǎo)致三體船橫搖運(yùn)動(dòng)的純理論計(jì)算比較困難。因此，采用耐波性模型試驗(yàn)（包括自由衰減試驗(yàn)、規(guī)則波及不規(guī)則波中的航行試驗(yàn)）考察側(cè)體橫向位置、舭龍骨的設(shè)置以及航速等因素對(duì)三體船橫搖運(yùn)動(dòng)的影響，研究結(jié)論對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員具有較好的參考價(jià)值。

0 引言

近年來(lái)，三體船型引起了人們的廣泛關(guān)注。軍用方面，英國(guó)海軍于2000年建成了長(zhǎng)98.7m的三體試驗(yàn)艦“RV-Triton”號(hào)，并在該艦下水后進(jìn)行了一系列實(shí)船試驗(yàn)。此后，美國(guó)海軍提出瀕海戰(zhàn)斗艦計(jì)劃，目前第一艘三體瀕海戰(zhàn)斗艦獨(dú)立號(hào)已經(jīng)建成并開(kāi)始服役。民用方面，澳大利亞于2003年設(shè)計(jì)建造了長(zhǎng)126m的三體高速客船“Benchijigua Express”號(hào)，該船營(yíng)運(yùn)于Canary群島［1］。

三體船水下部分由中體和兩個(gè)側(cè)體共三個(gè)細(xì)長(zhǎng)船體組成，兩個(gè)側(cè)體通過(guò)連接橋與中體連接成一體。中體為超細(xì)長(zhǎng)的排水型船體，長(zhǎng)寬比介于12~18之間，使得其在高速航行時(shí)可以顯著降低興波阻力，提高航速。大多高速三體船側(cè)體的排水量占總排水量的10%以下，長(zhǎng)度約占船舶總長(zhǎng)的1/3，能夠提供足夠的穩(wěn)性及較好的橫搖性能。連接中體和側(cè)體的連接橋還能保證足夠的總縱強(qiáng)度，并且容易形成寬闊的甲板面積，方便布置。

橫搖是船舶在波浪中最容易發(fā)生的運(yùn)動(dòng)形式，而且在各種搖蕩運(yùn)動(dòng)中幅值最大。三體船的側(cè)體對(duì)其周?chē)牧鲌?chǎng)和其自身的耐波性能會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的影響，導(dǎo)致三體船橫搖運(yùn)動(dòng)的純理論計(jì)算比較困難，因此目前預(yù)報(bào)三體船橫搖運(yùn)動(dòng)較為可靠的方法仍是模型試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皟?nèi)容

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文對(duì)小側(cè)體高速三體船型開(kāi)展了耐波性試驗(yàn)。實(shí)船總長(zhǎng)73.0m、總寬15.5m、吃水2.85m、總排水量640 t，船?？s尺比為23.33。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

此次三體船型的橫搖運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)主要包括：

（1）側(cè)體不同橫向位置的自由衰減試驗(yàn)；

（2）側(cè)體不同橫向位置的零速橫浪不規(guī)則波試驗(yàn)；

（3）不同舭龍骨設(shè)置方案的有航速自由衰減試驗(yàn)；

（4）規(guī)則波及不規(guī)則波中的航行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 側(cè)體不同橫向位置的自由衰減試驗(yàn)

模型主體兩側(cè)加裝舭龍骨，未安裝其他附體。

如圖1所示，側(cè)體橫向位置CL指?jìng)?cè)體縱向中心線與主體縱向中心線間的橫向距離；側(cè)體縱向位置ST指?jìng)?cè)體設(shè)計(jì)水線尾部與主體設(shè)計(jì)水線尾部的縱向距離。

圖1 三體船側(cè)體位置參數(shù)示意圖

考慮到側(cè)體縱向位置對(duì)三體船型的橫向運(yùn)動(dòng)影響不大，因此試驗(yàn)中重點(diǎn)考察側(cè)體不同橫向位置對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)阻尼的影響，此時(shí)ST=0 m，CL分別為6.5m、7.0m、7.5m三個(gè)方案。

在橫搖初始階段，橫搖幅度較大，阻尼力矩中非線性特征較為顯著［2］。為便于進(jìn)行三種方案下阻尼系數(shù)的比較分析，對(duì)橫搖角衰減至小幅的消滅曲線進(jìn)行擬合，得到線性化阻尼系數(shù)，表示成無(wú)因次橫搖阻尼系數(shù)2μφφ的形式［3］。

式中：ΔφA=φAn-φA（n+1）為相鄰兩次幅值之差；

φAm=為相鄰兩次幅值的平均值。

表1為零速靜水自由橫搖衰減試驗(yàn)三種方案試驗(yàn)結(jié)果的比較。

表1 側(cè)體不同橫向位置對(duì)阻尼系數(shù)、固有周期的影響

從表1可以看出，CL=7.0 m時(shí)的橫搖固有周期和無(wú)因次橫搖阻尼系數(shù)均略大于其他兩個(gè)方案。整體上講，由于三個(gè)方案?jìng)?cè)體橫向位置差別不是很大，試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出的差異也不是特別明顯。但是值得注意的是，三體船型橫向運(yùn)動(dòng)阻尼和橫搖固有周期并非隨著側(cè)體相對(duì)主體橫向間距的增大而單調(diào)增大，而是存在一個(gè)較優(yōu)的位置。究其原因，應(yīng)當(dāng)是側(cè)體橫向位置對(duì)穩(wěn)性及橫搖附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的綜合影響所致，這為綜合平衡三體船型穩(wěn)性和橫向運(yùn)動(dòng)的需求來(lái)確定側(cè)體的橫向位置提供了優(yōu)化可能。

2.2 側(cè)體不同橫向位置的零速橫浪不規(guī)則波試驗(yàn)

進(jìn)一步測(cè)試上述三個(gè)方案在h1/3=2.0m、T1=6.8 s，零航速下的橫搖角、垂蕩、加速度有義值。試驗(yàn)采用的不規(guī)則波為ITTC雙參數(shù)譜，即：

式中：ω為波浪頻率；h1/3為有義波高；T1為譜心周期。

試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)線性方法換算至實(shí)船。表2給出了三種方案下的橫搖、垂蕩和三點(diǎn)垂向加速度的試驗(yàn)結(jié)果，其中三個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)分別位于主體重心位置及主體重心橫向剖面與兩個(gè)片體中心線的交點(diǎn)上，左舷側(cè)體靠近來(lái)波方向。

從表2來(lái)看，CL=7.0m的橫搖運(yùn)動(dòng)和垂向加速度均略小于其他兩方案，而三個(gè)方案的垂蕩運(yùn)動(dòng)則較為接近。

表2 側(cè)體不同縱向位置對(duì)橫搖、垂蕩、垂向加速度的影響

2.3 不同舭龍骨設(shè)置方案的有航速自由衰減試驗(yàn)

為了考察舭龍骨對(duì)三體船橫搖運(yùn)動(dòng)的影響，設(shè)置了三種試驗(yàn)方案：

（1）主體與側(cè)體均不設(shè)置舭龍骨；

（2）側(cè)體內(nèi)側(cè)設(shè)置舭龍骨，主體不設(shè)置舭龍骨；

（3）主體設(shè)置舭龍骨，側(cè)體不設(shè)置舭龍骨。

其中安裝在主體的舭龍骨長(zhǎng)22m、寬0.5m；安裝在側(cè)體內(nèi)側(cè)的舭龍骨長(zhǎng)17m、寬0.4m。

圖2和圖3分別為10 kn和18 kn航速時(shí)，不同舭龍骨設(shè)置方案在靜水中橫搖衰減情況的比較。

圖2 10 kn航速不同方案在靜水中的橫搖衰減曲線

圖3 18 kn航速不同方案在靜水中的橫搖衰減曲線

由圖2和圖3可以看出，該三體船主體兩側(cè)加裝舭龍骨方案的橫搖性能要優(yōu)于舭龍骨設(shè)置于側(cè)體內(nèi)側(cè)的方案以及不設(shè)置舭龍骨的方案。這可能是由于主體上加裝的舭龍骨面積比側(cè)體上的舭龍骨面積增大了約62%的緣故，同時(shí)，側(cè)體內(nèi)側(cè)設(shè)置舭龍骨所產(chǎn)生的阻尼力的力臂也未必大于主體上設(shè)置的舭龍骨。需要注意的是，實(shí)際上三體船型側(cè)體的線型非常瘦削，長(zhǎng)度只有主體長(zhǎng)度的1/3左右，結(jié)構(gòu)也較為薄弱，能設(shè)置的舭龍骨尺寸不可能很大，因此，三體船型舭龍骨以設(shè)置在主體為宜。

將三體船橫搖阻尼分為與橫搖角速度成正比的線性項(xiàng)和與橫搖角速度平方成正比的平方項(xiàng)兩部分，此時(shí)靜水中的橫搖自由衰減方程為以下形式：

根據(jù)等效線性化原理，令：

則線性無(wú)因次衰減系數(shù)為：

等效線性化無(wú)因次衰減系數(shù)：

根據(jù)圖2和圖3的靜水衰減曲線，可以得到線性項(xiàng)和平方項(xiàng)的橫搖阻尼系數(shù)，并進(jìn)一步計(jì)算得到等效線性化的阻尼系數(shù)。表3和表4是10 kn和18 kn航速下三個(gè)方案橫搖阻尼系數(shù)的比較。

從表3和表4的比較結(jié)果來(lái)看，在10 kn和18 kn航速下，都是主體設(shè)置舭龍骨方案的阻尼系數(shù)最大，說(shuō)明主體設(shè)置舭龍骨能夠明顯增大橫搖阻尼，改善目標(biāo)船的橫搖性能。而側(cè)體內(nèi)側(cè)設(shè)置舭龍骨方案的橫搖阻尼相比不設(shè)置舭龍骨的方案略大，進(jìn)一步說(shuō)明了對(duì)于試驗(yàn)船來(lái)說(shuō)，舭龍骨設(shè)置在側(cè)體的內(nèi)側(cè)并不能明顯改善橫搖運(yùn)動(dòng)。

表3 10 kn航速不同方案的橫搖阻尼系數(shù)

表4 18 kn航速不同方案的橫搖阻尼系數(shù)

2.4 規(guī)則波及不規(guī)則波中的航行試驗(yàn)

圖4為試驗(yàn)船在0 kn、10 kn、18 kn航速時(shí)，橫浪規(guī)則波試驗(yàn)中橫搖運(yùn)動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)的比較。

表5列出了利用以上橫搖頻率響應(yīng)函數(shù)推算得到的4~6級(jí)海況下橫搖運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)值與4級(jí)、5級(jí)海況不規(guī)則波的模型試驗(yàn)值。同時(shí)，本文應(yīng)用法國(guó)BV船級(jí)社基于三維線性勢(shì)流理論開(kāi)發(fā)的水動(dòng)力分析軟件Hydrostar對(duì)試驗(yàn)船的橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果也列入了表中。

由圖4和表5可以看出，該船在所考察的中低航速范圍內(nèi)、橫浪情況下，航速對(duì)橫搖有影響，但是影響并不明顯。整體上講，隨著航速的增大，橫搖阻尼增大、橫搖幅值有減小的趨勢(shì)。此外，通過(guò)比較也說(shuō)明了采用三維線性勢(shì)流理論計(jì)算低速三體船型的橫搖運(yùn)動(dòng)是可行的。

圖4 橫浪橫搖頻率響應(yīng)函數(shù)的比較

表5 橫浪中橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果的比較

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某小側(cè)體三體船型的橫搖試驗(yàn)分析，可以得到如下主要結(jié)論：

（1）三體船側(cè)體的橫向位置對(duì)其橫搖性能有一定影響，但是，三體船型橫向運(yùn)動(dòng)阻尼和橫搖固有周期并非隨著側(cè)體橫向間距的增大而單調(diào)增大，而是存在一個(gè)較優(yōu)的位置；

（2）設(shè)置舭龍骨有助于改善三體船的橫搖運(yùn)動(dòng)性能。對(duì)于試驗(yàn)船來(lái)說(shuō)，主體設(shè)舭龍骨能明顯增加橫搖阻尼。側(cè)體內(nèi)側(cè)設(shè)舭龍骨由于其作用力矩較小，對(duì)改善橫搖運(yùn)動(dòng)方面的作用不明顯；

（3）相同海況下，三體船的橫搖幅值在無(wú)航速時(shí)最大。隨著航速的增加，三體船周?chē)牧鲌?chǎng)發(fā)生變化，橫搖阻尼也會(huì)隨之變化。整體上講，橫搖幅值會(huì)隨著航速的增加而降低；

（4）利用基于三維線性勢(shì)流理論的Hydrostar軟件來(lái)預(yù)報(bào)低航速時(shí)三體船的橫搖運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)可行，其結(jié)果是偏于保守的。

［1］盧曉平，酈云，董祖舜.高速三體船研究綜述［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17（2）:43-48.

［2］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2004.

［3］李培勇，馮鐵城，裘泳銘.三體船橫搖運(yùn)動(dòng)［J］.中國(guó)造船，2003，44（3）:25-30.

［4］李培勇，裘泳銘，顧敏童，王文富.超細(xì)長(zhǎng)三體船耐波性試驗(yàn)研究［J］.海洋工程，2002，20（4）:1-10.

［5］姜宗玉，宗智，陳小波，等.三體船橫搖運(yùn)動(dòng)性能三維數(shù)值研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯，2009，24（4）:527-534.

Experimental research on trimaran rolling

Liu Yu-chen Ren Yi Cai Xin-gong Wang Ping

trimaran；rolling；test research；sea keeping and maneuvering behavior

As the trimaran’s side hull has complicated influence on fluid field all around and on sea keeping behavior of itself，the rationalistic calculation on trimaran rolling is hard to make.Therefore，it is advisable to apply the sea keeping model test（including free-attenuation test，sea trial both in regular wave and irregular wave）to investigate the influence of transverse position，bilge keel location and ship speed on trimaran rolling.The conclusion could be reference for designers.

U661.32

A

1001-9855（2011）02-0020-04

2010-12-17

劉宇辰（1985-），男，漢族，碩士研究生，主要從事船舶總體設(shè)計(jì)工作。

任毅（1980-），男，漢族，工程師，主要從事船舶總體設(shè)計(jì)工作。

蔡新功（1974-），男，漢族，高級(jí)工程師，主要從事船舶總體性能研究工作。

王平（1968-），男，漢族，研究員，主要從事船舶總體設(shè)計(jì)工作。