基于最小阻力的某大型船舶型線優(yōu)化

方馨悅，黃 勝，張 超，廖全蜜

(1．哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱150001;2．總裝備部汽車試驗場，江蘇 南京210028)

0 引 言

大型船舶作為高度機動的海上飛機場和海軍基地，它的出現(xiàn)受到了各國海軍的重視。對大型船舶來說，在戰(zhàn)爭中最重要的任務是奪取制海權和制空權，而大型船舶的快速性很大程度決定了它在戰(zhàn)爭中的地位和作戰(zhàn)使命［1］。本文在保證某大型船舶其他性能不變的前提下改善其快速性，對未來大型船舶的發(fā)展具有重要意義。本文的工作基于船體設計軟件Maxsurf 完成［2］。

1 排水量不變時長寬比變化對快速性的影響

1.1 長寬比對快速性的影響

對于航速較高的船舶，當排水量、航速給定后，船長的改變會使阻力發(fā)生相應的變化，將總阻力最低的船長定義為最佳船長。在最佳船長范圍內，船長的增加會降低船的總體阻力［3］。

根據(jù)資料統(tǒng)計，大型船舶的Lω/Bω值在7.10 ～8.10［4］范圍內。在此范圍內，保證模型排水量不變，對船長、船寬進行仿似變換，得到如表1 所示方案。

表1 排水量不變船型變換方案Tab.1 Ship transformation scheme with constant displacement

根據(jù)表1 中的5 種模型方案，在Maxsurf 設計軟件Hullspeed 模塊［5］中計算得出32 kn 航速下的阻力曲線，如圖1 所示。從圖1 可看出，該大型船舶在排水量不變，Lω/Bω在7.20 ～8.10 范圍內變化時，隨著Lω/Bω增加，總阻力變小。

圖1 設計航速下Lω/Bω 阻力曲線圖Fig.1 Lω/Bωresistance curve of designed speed

1.2 飛行甲板寬對最小寬度的限制

大型船舶作為可以攜帶大量艦載機的特殊艦船，需要考慮Lω/Bω的變化對穩(wěn)性、艙室布置、機庫內飛機擺放及飛行甲板飛機布列的影響，因此飛行甲板的布列約束主尺度的變換。

大型船舶最小設計水線寬與飛行甲板寬有關，國外斜角甲板大型船舶的水線寬與飛行甲板寬的比值約為0.525。飛行甲板的寬度由降落跑道寬度和停機區(qū)取得足夠面積確定。而最小設計水線寬需通過尾部降落跑道的寬度確定。

圖2 航渡狀態(tài)下尾部降落跑道飛機布列Fig.2 The aircraft arrangement on the tail landing runway under the navigation state

考慮到航渡狀態(tài)下尾部降落跑道的布列，如圖2所示，至少擺放4 架折疊后的F －18。折疊后的F －18 的寬度為8.38 m，遵循飛行甲板布列艦載機靜態(tài)停放時的空間要求，停放在停機區(qū)內技術站位上的艦載機相互之間的安全間距不小于750 mm［6］，因此根據(jù)航渡狀態(tài)下尾部至少擺放4 架飛機確定最小尾部降落跑道寬度為35.8 m。該大型船舶尾部降落跑道的寬度為37.9 m，飛行甲板的寬度為72.3 m，近似的取比例關系，當降落跑道寬度為35.8 m 時，飛行甲板的寬度為68.3 m。該大型船舶設計水線寬與飛行甲板的寬度為0.544［7］，因此優(yōu)化后的水線寬為37.2 m。

1.3 機庫寬對最小寬度的限制

機庫的寬度與大型船舶的大小、總體布局對機庫寬度的限制等因素有關，一般為設計水線寬度的72% ～80%［8］。通常大型船舶的機庫寬度都不延伸到兩舷，在機庫側壁與艦舷之間留出一定寬度的空間，供布置艦船的縱向通道、艦船動力裝置的進排氣道，以及服務于艦載機維護維修的艙室和航空備件庫等。該大型船舶的機庫寬/設計水線寬的值為0.827，超出了機庫與設計水線寬的統(tǒng)計范圍。對于該大型船舶來說，基于機庫布列的考慮，設計水線寬已經(jīng)為最小值，設計水線寬為39.4 m。

2 基于模型方形系數(shù)的優(yōu)化

方形系數(shù)的選取主要考慮它對阻力的影響［9］。因此在對大型船舶航速進行優(yōu)化時，需要考慮方形系數(shù)變化對總阻力的影響。

表2 同一船型方形系數(shù)變化方案Tab.2 The scheme of block coefficient variation in same ship

通過對模型進行仿似變換，計算不同航速下5種模型的阻力與功率，如圖3 所示。

圖3 不同方形系數(shù)的航速功率曲線Fig.3 Speed power curve of different block coefficient

從圖3 可知，對應于方形系數(shù)最小的船型阻力性能最好。隨著方形系數(shù)增加，船型的阻力明顯增大。

3 排水量的變化對其功率變化的影響

不考慮機庫、飛行甲板的布列對主尺度的影響，現(xiàn)對該大型船舶進行仿似變換得到不同噸級的船型，設計水線長與設計水線寬在7.66 ～7.82 之間選取，吃水按照設計水線寬與平均吃水之比在3.45 ～3.77之間進行選取，得到如表3 所示方案。

表3 不同噸排水量船型變換方案Tab.3 Scheme of different ton displacement ship

將表3 建立的船型進行計算，繪制不同航速下功率曲線圖。

由圖4 可以得出結論:航速略大于35 kn 時，各噸級功率曲線匯交到一點，隨著航速繼續(xù)增加，小噸級所需要的功率大于大噸級的功率。國外研究發(fā)現(xiàn)，當大型船舶航速為35 kn 時，其排水量對推進功率的影響很?。?0］，本文的研究結果與國外研究結果相符。

4 優(yōu)化船型的性能分析

在主尺度的分析中，在統(tǒng)計范圍內取最大的Lω/Bω值阻力性能最好。因此新船的Lω/Bω值為8.10，即Lω= 8.10 Bω，設計水線寬的最小值為39.4 m。從快速性的角度出發(fā)，增加吃水可以提高螺旋槳的性能。取設計水線寬/吃水比為3.45，因此Bω=3.45 T ;方形系數(shù)Cb取為統(tǒng)計范圍內的最小值0.58。

滿載排水量的計算公式為:

Δ = Lω× Bω× T × Cb×1.025。

當吃水一定時，型深的大小反映了干舷的大小，根據(jù)統(tǒng)計資料型深與吃水比，確定優(yōu)化船型的型深為29.7 m。

優(yōu)化方案中的船長為319.2 m，當新船速長比處于1.0 ～1.1 范圍內時［10］，算得新船的航速為32.4 ～35.6 kn 之間，綜合考慮排水量優(yōu)化中得到的經(jīng)濟航速35 kn，將新船的最大航速取為35 kn。

根據(jù)以上分析，得出一艘新船型的主尺度如表4所示。機庫及飛行甲板尺寸根據(jù)設計水線長與設計水線寬的統(tǒng)計規(guī)則選取最佳值，如表5 所示。

表4 優(yōu)化船型與母型主尺度比較Tab.4 The comparison of principal dimensions between optimized ship type and parent pattern

表5 優(yōu)化船型與母型飛行甲板及機庫尺度比較Tab.5 The comparison of the flight deck scale and hangar scale between optimized ship and parent pattern

根據(jù)估算公式分別計算母型船和優(yōu)化船型的橫搖周期、升沉周期、初穩(wěn)心高，校合新船的初穩(wěn)性及耐波性，結果如表6 所示。

表6 估算公式結果比較Tab.6 The comparison of estimation formula results

由表4 ～表6 可知:新船的航速得到優(yōu)化，最大航速從32 kn 增加到35 kn，排水量增加5 000 t 左右，機庫內增加5 架飛機，大型船舶的作戰(zhàn)性能得到提高，且初穩(wěn)性和耐波性與原型相比無變化。

計算優(yōu)化后的船型阻力性能。圖5 為大型船舶原型與優(yōu)化船型功率阻力曲線對比圖。

圖5 大型船舶原型與優(yōu)化船型航速功率比較圖Fig.5 The comparison chat between parent pattern and optimized ship of speed power curve

由圖5 可看出，優(yōu)化船型在最大航速35 kn 時，所需功率小于母型，所以新船在航速上得到優(yōu)化。

5 結 語

排水量不變時，在設計航速下阻力隨著長寬比的增加而減小，可通過增加大型船舶號的長寬比使航速得到優(yōu)化。然而大型船舶作為特殊艦船，需要考慮到艦載機在機庫內的擺放及飛行甲板的布列，對設計水線寬度加以限制，通過分析，認為最小設計水線寬為39.4 m。在水線長與水線寬不變的前提下，阻力隨方形系數(shù)的增加而增大。在保證長寬比在統(tǒng)計范圍內變換大型船型的排水量，航速在35 kn 時，排水量的變化對功率影響很小。優(yōu)化后的船型在保證了初穩(wěn)性和耐波性的前提下，攜帶飛機的數(shù)量增加，且航速從32 kn 增加到35 kn，相同航速下所需功率減少，明顯提高了大型船舶的作戰(zhàn)性能。

［1］楊璞．世界航空母艦大觀［M］．北京:科學普及出版社，1993:12 －14．

［2］蔣毅文．Maxsurf 及相關設計程序在船舶設計中的應用［J］．船海工程，2005(4):39 －41．JIANG Yi-wen． Application of maxsurf and corresponding software in ship design［J］． Ship ＆ Ocean Engineering，2005(4):39 －41．

［3］盛振邦，劉應中．船舶原理［M］．上海:上海交通大學出版社，2003:45 －47．

［4］王義山，俞東海．世界航空母艦圖鑒［M］．北京:解放軍出版社，1997:28 －30．

［5］Formation Design Systems． Hullspeed user manual［Z］．Australia，2004．

［6］孟祥?。w行甲板總布置設計中的若干問題研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2009．

［7］黃勝，孟祥印，常欣．基于遺傳算法的船體主甲板外展程度尋優(yōu)［J］．海軍工程大學學報，2009(4):34 －39．HUANG Sheng，MENG Xiang-yin，CHANG Xin．Main deck extending degree optimization based on GA method［J］．Journal of Naval University of Engineering，2009(4):34－39．

［8］胡玉龍，黃勝，侯遠杭，等．航空母艦機庫主尺度要素設計方法［J］．上海交通大學學報，2012，46(8):1184－1189．HU Yu-long，HUANG Sheng，H0U Yuan-hang，et al．Research on design of principal dimension elements of hangar in aircraft carriers［J］． Journal of Shanghai Jiao Tong University，2012，46(8):1184 －1189．

［9］邵開文，馬運義．艦船技術與設計概論［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2005:102 －104．

［10］孫詩南． 現(xiàn)代航空母艦［M］． 上海:上海科學普及出版社，2000:195 －196．