小水線面雙體船縱向運(yùn)動穩(wěn)定性研究進(jìn)展

摘要：本文對目前小水線面雙體船縱向運(yùn)動穩(wěn)定性的研究理論、研究方法及研究成果進(jìn)行了綜述，并對其今后的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討和展望。

關(guān)鍵詞：小水線面雙體船；縱向運(yùn)動穩(wěn)定性；半潛首

1 前言

小水線面雙體船（small water-plane area twin-hull），又稱SWATH船，或半潛式雙體船，是近40年來才開發(fā)的一種高速船。由于這種船在船體結(jié)構(gòu)上的特殊性，其航海性能與其它高速船、常規(guī)單體船相比有很大不同。其結(jié)構(gòu)有兩個主要特點(diǎn)：一是有兩個船體，也稱兩個主體；二是水線面面積小，每一主體后端均設(shè)一個螺旋槳和舵，因而為雙車雙舵船。深沒于水中的船體與水面上方的平臺通過支體連接在一起。船體與支體均為流線型設(shè)計，支體的寬度較小，滿載吃水線在支體中上部，因此水線面面積小，興波阻力也小。船舶的航速較高，一般在25 kn以上[1]。

小水線面雙體船雖然具有快速性和優(yōu)良的耐波性等優(yōu)勢，但也存在一些缺點(diǎn)，比如中高速下航行時易發(fā)生縱向運(yùn)動失穩(wěn)現(xiàn)象，為了克服這一現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，目前成果也非常顯著。

2 小水線面雙體船穩(wěn)性問題的特點(diǎn)

小水線面雙體船穩(wěn)性的定義可作如下描述：對于處于靜止或航行狀態(tài)的船受到外來擾動力或力矩的作用而離開其初始平衡位置后，當(dāng)外來干擾力或力矩消失后船恢復(fù)到初始平衡位置的能力便是船的穩(wěn)性。如能回到初始平衡位置則船是穩(wěn)定的，否則船是不穩(wěn)定的。小水線面雙體船的穩(wěn)性問題分成橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性兩部分進(jìn)行討論。雖然在討論常規(guī)單體船的穩(wěn)性時也是這樣處理的，但是由于小水線面雙體船幾何形狀的特殊性，使它的穩(wěn)性問題與常規(guī)單體船相比差異很大，以致將其橫、縱穩(wěn)性分開討論是十分必要的。

小水線面雙體船的橫穩(wěn)性在力學(xué)意義上與常規(guī)單體船的橫穩(wěn)性并無本質(zhì)差別，處理方法也類似；而小水線面雙體船的縱穩(wěn)性問題要比常規(guī)船的縱穩(wěn)性問題更為復(fù)雜，是小水線面雙體船穩(wěn)性問題的特殊性之處。通常分為兩個方面研究：

靜縱穩(wěn)性。這和常規(guī)單體船的縱穩(wěn)性問題的內(nèi)容和含義相同，是以縱穩(wěn)性高度衡量的。

動縱穩(wěn)性或稱作縱向運(yùn)動穩(wěn)定性。是指考慮了由于船的航行引起的水動力縱傾力矩的作用后的縱向運(yùn)動（指縱搖運(yùn)動）的穩(wěn)定性問題。

3 小水線面雙體船縱向運(yùn)動穩(wěn)定性研究已取得的成果

3.1 縱向運(yùn)動失穩(wěn)的原因——水動力縱傾力矩

小水線面雙體船與傳統(tǒng)的單體排水船相比，具有較小的水線面積， 因此所受的干擾力較小，具有較長的固有周期、不易發(fā)生共振、運(yùn)動幅值較小、波浪中失速較小等；但是較小的水線面積導(dǎo)致縱傾恢復(fù)力減少，特別是在中高速時，作用在船舶上的蒙克（MUNK）力矩，容易使船舶失去縱向運(yùn)動穩(wěn)定性[2]。

人們對MUNK力矩的認(rèn)識源于航空業(yè)界，早在上世紀(jì)20年代，一些空氣動力學(xué)家已經(jīng)指出當(dāng)細(xì)長物體以某一小攻角在流體中作前進(jìn)運(yùn)動時，將受到一個不利于保持運(yùn)動穩(wěn)定的流體動力縱傾力矩的作用。由于該力矩是由早期的空氣動力學(xué)家MUNK首先研究分析的，所以該力矩被人們稱為MUNK力矩。

從側(cè)面看，小水線面雙體船與常規(guī)船沒有什么兩樣，但是從水下看，小水線面雙體船似兩艘并排飛行的飛艇，是非常典型的細(xì)長體，它航行時必將受到一個水動力縱傾的作用，這個縱傾力矩必然與MUNK力矩有關(guān)。因此在運(yùn)動穩(wěn)定性方面，小水線面雙體船有其與常規(guī)船相區(qū)別的特殊之處。MUNK力矩與速度的平方成正比，當(dāng)航速超過一定值后，這個縱傾力矩將增大到足以超過船的縱向恢復(fù)力矩，最終導(dǎo)致縱向穩(wěn)定性受損，還可能導(dǎo)致航向失穩(wěn)[3]。

為了保證小水線面雙體船的縱向運(yùn)動穩(wěn)定性，首先要做的就是確定水動力縱傾力矩與航速和縱傾角之間的關(guān)系。解決這個問題包括理論計算和模型實驗兩種方法。黃鼎良運(yùn)用勢流理論和切片理論，在考慮粘性作用的情況下對水動力縱傾力矩進(jìn)行了分析計算[4]。水動力縱傾力矩的模型實驗方面，李昌模和墨雷（Murray）做了比較完善的工作[5]。此外，開普曼（Chapman）[6]和黃鼎良也對小水線面雙體船的水動力縱傾力矩做過船模實驗測量。

3.2 靜水中縱向運(yùn)動穩(wěn)定性

小水線面雙體船的水線面積與相當(dāng)排水量的常規(guī)單體船或者雙體船相比是很小的，所以它對于引起垂蕩和縱傾的外干擾力的抵抗能力就較弱。當(dāng)航速達(dá)到一定值之后，就必須研究它在縱向平面內(nèi)的運(yùn)動（簡稱為縱向運(yùn)動）的穩(wěn)定性問題。

小水線面雙體船在縱向平面內(nèi)的運(yùn)動穩(wěn)定性的含義是：船受到一外來干擾之后離開其初始平衡位置后，當(dāng)這個外干擾力消失之后能否恢復(fù)到初始平衡位置的能力。如能回到初始平衡位置者就是縱向運(yùn)動穩(wěn)定的；否則就是不穩(wěn)定的?？v向運(yùn)動穩(wěn)定性問題是潛航行潛艇特有的一個性能問題。而對于常規(guī)水面排水量船來說，到目前也僅討論其在水平面內(nèi)的運(yùn)動穩(wěn)定性問題，即航向穩(wěn)定性問題。小水線面雙體船的縱向運(yùn)動穩(wěn)定性問題是這種船型性能研究中的一個特點(diǎn)，其本質(zhì)和討論方法與航向穩(wěn)定性問題是類似的。

很多計算和模型拖曳試驗表明，當(dāng)與航速相應(yīng)的傅汝德數(shù)超過0.38～0.44后，小水線面雙體船的縱向運(yùn)動一般是不穩(wěn)定的。這意味著當(dāng)引起產(chǎn)生縱傾的外干擾力消失之后，船將不能回來初始的平衡位置，而且其縱傾角將隨時間不斷增大，最后使船失去正常航行的能力。此外，很多研究工作還表明，即使船的縱向運(yùn)動是穩(wěn)定的，但引起縱傾的外力消失之后船是以振蕩形式回到初始平衡位置。這種振蕩運(yùn)動與一個有阻尼的線性彈性系統(tǒng)的自由振蕩相似。振蕩運(yùn)動的三個參數(shù)，即周期、半衰期和阻尼比對于小水線面雙體船在波浪中的縱向運(yùn)動有很大的影響[7]。因此，不論從確保船的縱向運(yùn)動穩(wěn)定性，還是從改善船在波浪中的運(yùn)動性能來說，必須采用一些措施來保證這兩個問題得到解決。至今為止，采用穩(wěn)定鰭是最好的辦法，也是目前研究比較成熟的方法[8]。

3.2.1 縱向運(yùn)動穩(wěn)定性方程

為分析SWATH船的縱向運(yùn)動穩(wěn)定性，目前都是從縱向運(yùn)動方程[9]入手。小水線面雙體船型為細(xì)長體，理論上很適合于用切片法來預(yù)報其在波浪中的運(yùn)動特性，但也有其特殊性，由于水下主體剖面寬度通常為水線寬的2倍左右，剖面垂向振蕩的粘性阻尼占很大的比例，因此，運(yùn)動預(yù)報中根據(jù)勢流理論得到的水動力系數(shù)還要附加部分粘性修正項。縱向運(yùn)動方程中的系數(shù)基本上都采用李昌模（Choung M.Lee）改進(jìn)的切片理論和公式求得，詳見參考文獻(xiàn)[10]。

3.2.2 縱向運(yùn)動穩(wěn)定性判別

由于縱向運(yùn)動穩(wěn)定性方程為常系數(shù)的齊次線性微分方程組，其特征方程為，為它的四個根。他們可能是實根；也可能是復(fù)根，但這必須是成對共軛。特征方程的四個根的形式?jīng)Q定了船在靜水中縱向運(yùn)動的特征及穩(wěn)定與否。C.M.Lee分析了SWATH的縱向運(yùn)動方程并給出了縱向運(yùn)動穩(wěn)定性判定的羅斯穩(wěn)定性判定式[10]。董祖舜在C.M.Lee的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了穩(wěn)定性判據(jù)，提出了適合工程應(yīng)用的SWATH縱向運(yùn)動穩(wěn)定性的簡化判據(jù)和臨界巡航速度計算公式[11]。

3.2.3 縱向運(yùn)動的三個特征參數(shù)

如果 是實部為負(fù)的復(fù)根，這時船的運(yùn)動是衰減的自由振蕩。從四個 的根，可得到三個重要表征船的縱向運(yùn)動（垂蕩和縱搖）的特征參數(shù)，即自然周期、半衰期和阻尼比。由于四組 是由水動力系數(shù)決定的，所以小水線面雙體船的縱向運(yùn)動的固有周期、半衰期和阻尼比也決定于上述所列的各水動力系數(shù)和恢復(fù)力系數(shù)。設(shè)計時，片體的幾何形狀和尺度的選取主要不是從滿足船的運(yùn)動特性需要出發(fā)，所以裸體小水線面雙體船的縱向運(yùn)動，一般是不穩(wěn)定的。這就需要采取一些措施來解決，目前主要采取的方法是通過設(shè)置合適面積的前后穩(wěn)定鰭來改變船的水動力系數(shù)，從而達(dá)到使船具有合適的固有周期、半衰期和阻尼比的值，以提高小水線面雙體船在波浪中的運(yùn)動性能[11]。

3.3 迎浪航行時縱向運(yùn)動

小水線面雙體船在靜水中航行時，縱向運(yùn)動的穩(wěn)定性由于設(shè)置了前后穩(wěn)定鰭而得到了保證。但應(yīng)該認(rèn)識到，它在波浪中運(yùn)動特性仍是其性能是否優(yōu)良的一個衡準(zhǔn)。而縱向運(yùn)動性能對于小水線面雙體船尤為重要。過大的縱向運(yùn)動的幅值和運(yùn)動的加速度將有損船的總的性能指標(biāo)。因此，設(shè)計工作者希望通過設(shè)置前后穩(wěn)定鰭或采取其他措施，不但能保證船縱向運(yùn)動的穩(wěn)定性，而且還應(yīng)能改進(jìn)船在迎浪航行時的運(yùn)動性能；進(jìn)一步還希望通過對前后鰭施加特定的控制，以產(chǎn)生一個與波浪擾動力方向相反的力或力矩，達(dá)到消減在波浪中的運(yùn)動這一目的。

關(guān)于船在迎浪航行時縱向運(yùn)動和運(yùn)動消減問題，似乎應(yīng)屬于耐波性問題的范疇[12]，但是，這個問題和船在靜水中的縱向運(yùn)動穩(wěn)定性問題有密切的聯(lián)系，因此，可以說是船縱向運(yùn)動穩(wěn)定性問題的某種延伸。

3.3.1 迎浪航行時縱向運(yùn)動特性

小水線面雙體船迎浪航行時的縱向運(yùn)動性能是其在波浪中航行性能的一個重要部分。對縱向運(yùn)動專門進(jìn)行研究將有助于對船耐波性能的了解；也將有助于從改進(jìn)船在波浪上的縱向運(yùn)動性能角度出發(fā)來合理選擇前后穩(wěn)定鰭的尺寸。

當(dāng)船的遭遇頻率等于船的固有頻率時，船便進(jìn)入諧搖狀態(tài)，運(yùn)動的幅值將達(dá)到最大。這時，可能產(chǎn)生尾部螺旋槳出水，首部抨擊；同時運(yùn)動加速度也將可能達(dá)到不能接受的量級。所以確定產(chǎn)生諧搖運(yùn)動的遭遇頻率，以及考察諧搖時的運(yùn)動幅值是一件有意義的工作。但是，從前面的介紹已知，垂蕩運(yùn)動的兩個穩(wěn)定性根是一對共軛復(fù)數(shù)，其實部和虛部的絕對值分別小于或大于縱搖穩(wěn)定性根的實部和虛部的絕對值。所以，垂蕩運(yùn)動將具有較小的固有周期和阻尼比，而半衰期則反而較大。這樣，小水線面雙體船迎浪航行時將更容易產(chǎn)生垂蕩的諧搖運(yùn)動，其運(yùn)動幅值也較大，而且衰減較慢。船模在波浪上運(yùn)動實驗結(jié)果也表明，在實際的波長范圍內(nèi)，首、尾部垂向運(yùn)動的幅值主要來源于處于諧搖狀態(tài)下的垂蕩運(yùn)動。

要減小諧搖運(yùn)動時的運(yùn)動幅值，目前采用具有一定面積的前后穩(wěn)定鰭是最好的辦法。黃鼎良在這方面做了大量的計算討論工作[4]。另外，黃鼎良、李向群對小水線面雙體船迎浪時縱向運(yùn)動消減的最優(yōu)控制問題也做了大量的研究工作[13]。廖銘聲對穩(wěn)定鰭的布置，包括鰭的位置及鰭面積的大小和穩(wěn)定鰭在迎浪時的控制問題也做了相應(yīng)的研究與討論[14]。

4 小水線面雙體船縱向運(yùn)動穩(wěn)定性研究的發(fā)展

前面綜述了對小水線面縱向運(yùn)動穩(wěn)定性研究的現(xiàn)狀，目前都是通過設(shè)置穩(wěn)定鰭來解決小水線面縱向運(yùn)動穩(wěn)定性及迎浪條件縱向運(yùn)動性能改善的問題。解決方法比較單一，特別是在迎浪中的縱向運(yùn)動時，控制鰭的復(fù)雜控制系統(tǒng)帶來使用維修上的不便，而且效果也不理想。因此，小水線面縱向運(yùn)動穩(wěn)定性的研究，特別是對提高縱向運(yùn)動穩(wěn)定性的措施應(yīng)該從更加實用與多樣化的角度出發(fā)。

4.1 帶SSB半潛首的小水線面雙體船概念的提出

基于上述原因，我們提出帶SSB半潛首的小水線面雙體船的概念，如圖1所示。以期能更好的解決小水線面雙體船的縱向運(yùn)動穩(wěn)定性問題。下面從半潛首的基本原理、研究現(xiàn)狀及帶SSB半潛首的小水線面雙體船在縱向運(yùn)動穩(wěn)定性方面擬采用的研究方法做簡單介紹。

4.2 半潛首（SSB）的研究現(xiàn)狀

半潛首（Semi-Submerged Bow，簡稱SSB）船型是20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)，近期得到發(fā)展的一種減搖新船型。它作為船舶的一個附體，可有效地減小船舶在風(fēng)浪中的縱向運(yùn)動，特別是減小縱搖運(yùn)動和首部加速度。日本三菱重工首先提出在快速客運(yùn)小船上設(shè)置SSB，并對其做了一系列的理論分析和船模試驗[15]。第一艘裝有半潛首的渡船已在1986年底進(jìn)入日本Koun Kaisha公司服務(wù)。這艘70客位單體船Sunline以廣島的福山市為基地，開往新居濱的愛媛縣港和伊予三島。該船與其它鋁合金單體船的主要區(qū)別是在首部下面增加了雪茄形懸體和支柱。其作用是在大浪中減少縱搖、垂搖和橫搖運(yùn)動，允許船在2米高的波浪中繼續(xù)運(yùn)送客人并保持相當(dāng)?shù)母咚傩阅躘16][17]。1988年長江船舶設(shè)計院、上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究院等單位對SSB船型也進(jìn)行了耐波性方面的系列模型試驗研究。之后，黃鼎良對圓舭船型上加裝SSB做過水動力計算并與試驗結(jié)果進(jìn)行比較。哈爾濱工程大學(xué)在尖舭深V船型上加裝SSB并對SSB半潛體的形狀、大小和相對于主船體的位置進(jìn)行過理論和模型試驗研究[15]。黃鼎良、艾之丹等介紹了半潛首船型耐波性能的理論預(yù)報方法，并針對一具體船型計算了半潛首的設(shè)置及其形狀對運(yùn)動性能的影響[18]。趙連恩、何義等在穿浪雙體船基礎(chǔ)上，加裝半潛體或帶被動式減縱搖鰭的半潛體使其成為消波穿浪多體船，航行性能大大提高[19]，如圖3所示。

試驗和計算結(jié)果均表明：增大半潛體的寬度對減小升沉、縱搖和加速度的幅值均有利；SSB船型對升沉幅值的響應(yīng)，短波時低于無SSB的常規(guī)船型，而在長波時則相反；SSB帶有固定減搖鰭的對減縱搖和升沉的效果最好；改變SSB的浸水深度對減小船的剩余阻力有明顯的效果，但對運(yùn)動性能影響不大[14]。

4.3 擬采用的研究方法

上一節(jié)中提到對于常規(guī)單體船和穿浪雙體船，國內(nèi)外學(xué)者有過基本的研究與實驗，證明了半潛首在船體縱向運(yùn)動方面的作用。由于本文是首次提出在小水線面雙體船上加裝半潛首，來優(yōu)化小水線面雙體船的縱向運(yùn)動穩(wěn)定性問題，特別是對在迎浪時的縱向運(yùn)動的改善，國內(nèi)外對于此種情況的研究基本屬于空白，也沒有相關(guān)的理論可以直接應(yīng)用或借鑒。所以我們可以首先運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，通過相關(guān)的CFD軟件或者編程來計算半潛首對于小水線面雙體船縱向運(yùn)動的作用，對比設(shè)置半潛首和沒有設(shè)置半潛首情況下，船體的運(yùn)動特點(diǎn)，以及半潛首的布置情況（大小、位置等）對于小水線面雙體船運(yùn)動的改善作用。當(dāng)然，僅僅采用數(shù)值模擬的方法是沒有足夠的可信度的，畢竟數(shù)值模擬的情況跟實際狀況有很大的不同，為此，接下來我們可以進(jìn)行船模實驗，船模實驗是研究船舶各項性能的最有效的手段之一。船模實驗的數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，這樣就能得到更加令人信服的結(jié)果。同時，在相關(guān)的理論計算方面，可以通過已有的對于在常規(guī)單體船設(shè)置半潛首減少縱向運(yùn)動的原理[16]的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的討論與計算。

5 結(jié)語

小水線面雙體船縱向運(yùn)動穩(wěn)定性問題主要包括下面幾個方面：

（1）縱向運(yùn)動失穩(wěn)的原因，水動力縱傾力矩與航速和縱傾角之間的關(guān)系；

（2）縱向運(yùn)動穩(wěn)定性方程的求解；

（3）由縱向運(yùn)動穩(wěn)定性方程判定小水線面縱向運(yùn)動的穩(wěn)定性；

（4）為了保證小水線面縱向運(yùn)動穩(wěn)定性及迎浪時縱向運(yùn)動性能的改善，采用包括穩(wěn)定鰭或者其他措施的方法。

對于前三個問題，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的理論推導(dǎo)和試驗工作，基本形成了比較成熟的理論。對于最后一個問題，也是解決小水線面雙體船縱向運(yùn)動穩(wěn)定性問題的最終目標(biāo)，目前研究主要集中在穩(wěn)定鰭的設(shè)置及控制方面，方法單一且控制操作比較復(fù)雜。我們可以考慮從其他方面入手，尋求問題解決的多樣性和易操作性，本文最后提到的帶SSB半潛首的小水線面雙體船就是一個比較大膽的嘗試，但是需要做的工作還有很多，包括理論方面的支持及模型的驗證等。

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