潛艇指揮塔數(shù)學(xué)線型

齊 翔， 唐 曉， 齊 歡

( 1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心三室， 湖北 武漢 430064；2.空軍預(yù)警學(xué)院 預(yù)警情報系， 湖北 武漢 430012；3.華中科技大學(xué) 自動化學(xué)院， 湖北 武漢 430074 )

潛艇指揮塔數(shù)學(xué)線型

齊 翔*1， 唐 曉2， 齊 歡3

( 1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心三室， 湖北 武漢 430064；2.空軍預(yù)警學(xué)院 預(yù)警情報系， 湖北 武漢 430012；3.華中科技大學(xué) 自動化學(xué)院， 湖北 武漢 430074 )

潛艇指揮塔是潛艇最重要的組成部分，而其圍殼型線優(yōu)化設(shè)計(jì)是潛艇設(shè)計(jì)的重要步驟．不同于傳統(tǒng)研究中將潛艇指揮塔看作橫剖面是橢圓形的柱體，而是利用垂向函數(shù)法，研究了指揮塔剖面的弦長與半寬都隨高度變化時橫剖面為翼型的指揮塔的數(shù)學(xué)線型．針對梯形指揮塔和填角弧形指揮塔，通過求解超越方程組，得到指揮塔線型．對SUBOFF潛艇的算例，驗(yàn)證了所提出的潛艇指揮塔數(shù)學(xué)線型求解方法的有效性．該方法可以在缺乏母型船數(shù)據(jù)的情況下，快速獲得滿足靜水性條件的潛艇圍殼型線．

潛艇；梯形指揮塔；填角弧形指揮塔；數(shù)學(xué)線型；SUBOFF潛艇

0 引 言

潛艇指揮塔，又稱潛艇圍殼，或艦橋．它由耐壓的指揮室和非耐壓的水上指揮艦橋構(gòu)成，是現(xiàn)代潛艇執(zhí)行水面航行、離靠碼頭、收發(fā)信息、實(shí)施觀測和指揮的重要部位．祁一榮[1]描述了現(xiàn)代潛艇基本結(jié)構(gòu)中的指揮臺圍殼．袁泉[2]總結(jié)了一種新型潛艇設(shè)計(jì)示例．杜波等[3]研究了潛艇指揮室圍殼頂部型線構(gòu)型．柏鐵朝等[4]研究了基于操縱性的潛艇指揮室圍殼外形優(yōu)化．呂鳴鶴[5]研究了潛艇指揮臺圍殼優(yōu)化設(shè)計(jì)方案．

數(shù)學(xué)線型法是利用一些能代表船舶特征的參數(shù)建立數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式對船體型線進(jìn)行描述的方法，是當(dāng)今型線設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，由于指揮塔剖面的弦長與半寬都隨高度而變化，其數(shù)學(xué)描述比較困難．劉鈺[6]研究了回轉(zhuǎn)體外形的數(shù)學(xué)表示方法，林焰等[7]提出利用橫向函數(shù)的船舶型線設(shè)計(jì)方法，劉陽等[8]提出基于橫向函數(shù)法的船體型線設(shè)計(jì)方法，劉明靜等[9]研究了復(fù)雜回轉(zhuǎn)體的數(shù)學(xué)表示方法．本文利用垂向函數(shù)法研究潛艇指揮塔的數(shù)學(xué)線型．

1 指揮塔設(shè)計(jì)的基本參數(shù)

梯形指揮塔縱向位置如圖1所示.

圖1 梯形指揮塔剖面形狀及其特征參數(shù)

取描述指揮塔圍殼形狀的局部坐標(biāo)系為Ot-xtytzt，原點(diǎn)Ot位于艇舯坐標(biāo)系O-xyz中的點(diǎn)(xT，O，R)上．因此，xT(xT=LT)的大小就是決定指揮臺縱向位置的重要參數(shù)．xT的取值由如下兩個條件決定：

(1)使用條件．當(dāng)總布置設(shè)計(jì)確定出潛望鏡裝置等設(shè)備的位置后，指揮臺圍殼縱向位置也基本被確定．所以，xT與潛望鏡升降裝置的縱坐標(biāo)xS密切相關(guān)．

(2)阻力性能．當(dāng)指揮塔圍殼大小與形狀一定時，xT大小不同(指揮塔圍殼前后不同)對艇的阻力性能影響很大．應(yīng)該選擇滿足使用條件的，使Rt最小的xT，其中Rt=Rt0+ΔRT，ΔRT為指揮塔圍殼引起的附加阻力．

指揮塔的翼剖面形狀如圖2所示．

圖2 指揮塔的翼剖面形狀

2 填角弧形指揮塔

填角弧形指揮塔圍殼側(cè)面如圖3所示．

圖3 填角弧形指揮塔

填角弧形指揮塔是在梯形指揮塔基礎(chǔ)上，前后緣線的上端和下端有圓弧形變化的垂向短翼體，因此指揮塔在不同高度的弦長和半寬是變化的．其前后緣線和半寬的數(shù)學(xué)描述及各參數(shù)可表示如下：

(1)前緣線的數(shù)學(xué)描述

其中

即

另外，

即

(2)后緣線的數(shù)學(xué)描述

式中：LK(z)表示相應(yīng)梯形指揮塔在z處的去流段長度．其中

即

另外，

即

(3)指揮塔弦長

(4)翼剖面半寬厚度b′(z)

記b(z)為相應(yīng)梯形指揮塔剖面半寬厚度，b′(z) 為填角弧形指揮塔剖面半寬厚度．b′R=b′(R) 為z=R高度處翼剖面半寬厚度，b′T=b′(HT) 為z=HT高度處翼剖面半寬厚度．兩者均由指揮塔內(nèi)的總體布置決定．

其中

即

另外

即

(5)翼剖面形狀函數(shù)

，指揮塔的浮心與重心的橫坐標(biāo)重合．所以，決定

α

1

、

α

3

的約束條件方程組為

另有

令

-∫HTRb(z)L′(z)∫2μ3(z)-1-1[1-

求解超越方程F3(2α3)=F1(2α1)，得到參數(shù)α1、α3．

(6)指揮塔圍殼外形參數(shù)

在保證布置要求的前提下，指揮塔圍殼外形應(yīng)該是使阻力最小的對稱翼形．根據(jù)水滴形狀阻力最小的原理，令k(z)=L′E(z)/L′(z)，取k(z)=1/3或者35%．

3 填角弧形指揮塔設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

填角弧形指揮塔設(shè)計(jì)參數(shù)如下

：LRE=0．145m，LRK=0．295m，LTE=0．14m，LTK=0．28m，hT=0．254m，HT=0．508m，bR=0．127m，bT=0．11m，=0．0045m3，r1E=0．01m，r3E=0．02m，r1K=0．01m，r3K=0．024m，r1P=0．01m，r3P=0．02m．

有關(guān)函數(shù)的分段表達(dá)為

當(dāng)0.254 m≤z<0.274 m時，

當(dāng)0.274 m≤z<0.278 m時，

b′(z)=0.144-0.066 93z

當(dāng)0.278 m≤z<0.498 m時，

L′E(z)=0.15-0.019 69zL′K(z)=0.31-0.059 01zL′(z)=0.46-0.078 7zb′(z)=0.144-0.066 93z

當(dāng)0.498 m≤z≤0.508 m時，

圖4為根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制的填角弧形圍殼的線型圖．

圖4 填角弧形圍殼的線型圖

解得α1=0.2，α3=0.7．由此，可得填角弧形指揮塔的線型．

4 結(jié) 語

本文提出了潛艇指揮塔圍殼的數(shù)學(xué)線型求解方法，設(shè)計(jì)的線型滿足潛艇指揮塔圍殼的靜水性條件．該方法與CFD軟件相結(jié)合，可以對潛艇圍殼模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，綜合考慮水動力學(xué)、噪聲和制造工藝等多方面的問題，得到潛艇指揮塔的位置、高度及與艇體連接方式的優(yōu)化結(jié)果．

[1] 祁一榮. 現(xiàn)代潛艇的基本結(jié)構(gòu)(二)——指揮臺圍殼[J]. 現(xiàn)代艦船, 2000(10):40-41.

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[2] 袁 泉. 一種新型潛艇設(shè)計(jì)示例[J]. 國防技術(shù)基礎(chǔ), 2003(3):12-14.

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[3] 杜 波,黃建偉,陳 源. 潛艇指揮室圍殼頂部型線構(gòu)型[J]. 船海工程, 2007, 36(2):107-110.

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[5] 呂鳴鶴. 潛艇指揮臺圍殼優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究[J]. 中國水運(yùn), 2014, 14(1):1-4, 7.

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[7] 林 焰,紀(jì)卓尚. 船舶型線設(shè)計(jì)方法研究[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 1994, 28(1):16-23.

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[8] 劉 陽,林 焰. 基于橫向函數(shù)法的船體型線設(shè)計(jì)方法[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報, 2008, 48(1):95-97.

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LIU Mingjing, MA Yunyi, SHI Zhongkun. Mathematics description on complex revolution [J]. Ship Science and Technology, 2010, 32(4): 11-14. (in Chinese)

Mathematical lines of submarine commanding tower

QI Xiang*1, TANG Xiao2, QI Huan3

( 1.3rd Room, Chinese Ships Research Design Center, Wuhan 430064, China；2.Alert Information Department, Air Force Institute of Early Warning, Wuhan 430012, China；3.School of Automation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China )

The submarine commanding tower is the most important part of the submarine, and the fairwater lines optimum design is an important step of submarine design. Different from the traditional research method in which submarine commanding tower is seen as cylinder with an elliptic section, the mathematical lines of commanding tower with airfoil section are obtained using vertical function method when the chord length and a half-wide of commanding tower section change with height. To trapezoidal commanding tower and fillet arc commanding tower, the lines of commanding tower are obtained by means of solving transcend equations. SUBOFF submarine is a case to verify the effectiveness of the method. This method can get fairwater lines fast in the absence of the mother ship data, which satisfies the static water conditions.

submarine; trapezoidal commanding tower; fillet arc commanding tower; mathematical lines; SUBOFF submarines

1000-8608(2017)03-0266-05

2016-06-05；

2016-12-14．

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61364025).

齊 翔*(1976-)，男，博士，工程師，E-mail:18942940658@189.cn；齊 歡(1948-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:qihuan@mail.hust.edu.cn.

U661.3

A

10.7511/dllgxb201703008