小水線面雙體船結構及優(yōu)化設計研究

周少仙

摘 要：本文對小水線面雙體船的應用現(xiàn)狀以及其優(yōu)缺點的分析，重點論述了其航海性能特點，并從外載荷分析和結構數(shù)值分析，探討了水面航行和水下航行的小水線面雙體船結構優(yōu)化設計措施，并就未來發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：小水線面雙體船；結構；優(yōu)化設計

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）11-0034-02

1 小水線面雙體船概述

1.1 小水線面雙體船

小水線面雙體船，SmallWater planeAreaTwinHull，簡稱SWATH船，又叫半潛式雙體船，其主要是由兩個船體構成，且有水線面面積小等特點。2000年，由汕頭大洋船舶工業(yè)總公司設計、建造了我國第一艘小水線面雙體船——“海關201”艇（見表1），彌補了我國在此領域內高性能船型科技領域的空白。小水線面雙體船的船體與支體均為流線型設計，舵和螺旋槳設在船體的主體后端支體寬度較小，小水線面雙體船即便是滿載其吃水線主要在支體中上部，所占的水線面面積小，航行時興波阻力也小。從目前市場上投入運行的小水線面雙體船的應用來看，其航速一般在20kn左右。

1.2 小水線面雙體船優(yōu)缺點

與常見的單體船舶相比，在相同排水量的設計參數(shù)下，小水線面雙體船通常其船長小30%-40%，船寬則增大60%-70%；船舶吃水深度要大60%-70%；滿載吃水線以下的船體面積大65%-85%。因此，從實際應用來看，小水線面雙體船具有：①良好的耐波性。由于支柱與水面所接觸的水線面很小，受到水中波浪的擾動力影響很小，運動周期長，運動加速度相對很小。②良好的操縱性。小水線面雙體船的兩個螺旋槳安裝在船尾，能夠保證兩個螺旋槳有較大的回轉力矩，回轉性能良好。③較寬的甲板。雖然其排水量只有227t，但其甲板的總寬達到了13.3m，有利于船體布置。④生命力強。小水線面雙體船上體采取的密閉箱形設計。具有很好的破損穩(wěn)性和完整穩(wěn)性，船體的復原力臂大等優(yōu)勢。此外，該船還具有快速性好、排水量變化敏感，適航性較強等優(yōu)點。

但與此同時，小水線面雙體船的不足也是顯見的，主要表現(xiàn)在：與同等噸位的船舶相比，其?？看a頭的吃水要更深，對碼頭水域環(huán)境要求更高；建造成本相對更高，船體的曲線設計和建造復雜，船舶建造工藝更復雜，增加了設計和建造的難度，對船舶重量控制技術要求更高；該類船舶不適宜于裝載量以及變化明顯的運輸船應用要求；由于與水面接觸水線面小，在遇到特大風浪的復雜海況時，容易受到橫浪沖擊，造成船體作業(yè)時搖擺周期短，特殊海況時的船體穩(wěn)定性較差。

2 小水線面雙體船航海性能分析

除“海關201艇”外，2003年，由上海船舶研究設計院設計出“新世紀1號”油田交通船，被譽為“全天候的不暈船”。2009年，由渤海船舶重工集團完成設計、建造的2500t小水線面雙體船“實驗1”號科考船建造完成，并交付使用，這也是我國第一艘加入CCS船級船舶。從應用情況來看，其具有很好的航海性能：

（1）快速性。與同等排水量的單體船舶相比，小水線面雙體船的滿足吃水線以下的船體表面積要增加65%-80%，因此，在同樣的航速情況下，小水線面雙體船的摩擦阻力要比單體船舶大很多，其低速航行時所遇到的阻力性能也比單體船舶差。但在高速航行時，小水線面雙體船的興波阻力小，其阻力性能要優(yōu)于單體船舶。即，阻力->興波干擾、阻塞效應；耐波性->螺旋運動（橫搖與縱搖的耦合）。因此，在設計、建造小水線面雙體船時，其海上航速設計一般都較高，以突出其適航性。例如，“實驗1”號其設計最大航速達到了15kn，“新世紀1”油田交通船的設計航速最大為18kn。

（2）浮性。小水線面雙體船與海水面接觸的面積較小，所以，即便很小的重量變化也會引起船體吃水面積的較大幅度的變化，這也是該類船舶表現(xiàn)出的又一特點。由于船體浮性受船舶重量影響較大，因此，小水線面雙體船設計時一般都會設置完備的壓載水艙，當船舶航行過程中燃油出現(xiàn)減少時，需要及時在壓載水艙中打入一定量的壓載水，以保證船體的正常吃水狀態(tài)。此外，小水線面雙體船的每1cm的吃水噸數(shù)與同等排水量的單體船相比，只有其20%-40%，一旦發(fā)生破艙會對船體浮性產生較大破壞。

（3）穩(wěn)性。單體船一般需要考慮的是其橫穩(wěn)性，但小水線面雙體船設計和建造時要充分考慮其橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性。在橫穩(wěn)性方面，小水線面的橫傾1°所需要的橫傾力矩與單體船的要求相差不大，但縱傾時，小水線面雙體船所需的恢復力矩只有單體船的10%-20%，因此，對于小水線面雙體船的縱橫穩(wěn)性更要引起足夠的重視。在保持較高航速時，該類船會出現(xiàn)較大幅度的艏傾，對船舶縱傾角很敏感。為了保證小水線面高速航行時的縱穩(wěn)性，通常會在船體的艏或艉部內側設定穩(wěn)定鰭，以消除高速航行時產生的艏傾力矩，一般來說，艏鰭和艉鰭聯(lián)合使用更有利于改善耐波性，且固定鰭設置會對船體的縱向運動影響大。

（4）耐波性。小水線面雙體船具有良好的耐波性，與普通的單體船相比，其耐波性主要表現(xiàn)在：縱搖、橫蕩和垂蕩運動的周期較長，能夠有效避開了不規(guī)則海浪中產生的諧波，避免諧搖運動對船體的影響；在船艏或船艉安裝減搖鰭便可很好實現(xiàn)了消除縱搖效果；在相同排水量下，航行時在波浪中的運動幅度、加速度都要小于單體船。良好的耐波性能，能夠保證小水線面雙體船在惡劣海況下也能保持平穩(wěn)的航行，適航性較強。

3 小水面雙體船結構優(yōu)化

小水面雙體船在耐波性、穩(wěn)性、浮性以及快速性等方面具有其他單體普通船舶所不具備的優(yōu)點，隨著對水面航渡性能和適航性要求越來越高，在滿足給定的各種約束條件下，解決結構重量等方面存在的不合理問題，通過對船舶的尺寸、形狀、拓撲等因素，不斷優(yōu)化船舶結構設計，對提升小水面雙體船的適航性能具有積極意義。

（1）外載荷分析。小水面雙體船的航態(tài)主要有水面航行和水下航行兩種，在進行外載荷航態(tài)下結構強度的影響時要充分考慮這2種航態(tài)。例如，當小水面雙體船在水面進行航行時，船體的結構會受到波浪外載荷和靜水力彎矩的影響，其橫向波浪載荷是船舶的主要外載荷，包括橫向波浪力、扭轉力矩、首位分離力矩等需要根據(jù)CCS小水線面雙體船設計、建造指南標準進行計算，并根據(jù)小水線面雙體船的實際結構確定載荷的計算方法：浪向角90°——最大橫向彎矩和垂向剪切；浪向角45°/135°——嚴重的扭矩組合工況；浪向角0°/180°——最大縱向彎矩。當建造好的小水面雙體船下水航行時，低速航行所承受的主要外載荷來自于船體的深水壓力，其壓力大小與結構水深成正比例關系。為此，通過iSIGHT設計優(yōu)化平臺，嵌入遺傳算法，集成Patran/Nastran軟件，并選取了鰭板厚度、片體板厚（內/外側）、上建板厚（上/下側）、控制室板厚、控制室加強板厚、通道管板厚、通氣管板厚、支柱板厚（內/外側）、水艙板厚等多個變量。并定義要求結構最大應力≤優(yōu)化前最大應力；結構重量<初值；結構重心低于初值等。經(jīng)過結構優(yōu)化，結構的總質量有了大幅降低，重心也比初值降低。結構性能方面，優(yōu)化后的小水線面雙體船的工況最大應力減少，結構重量和重心得到了優(yōu)化目標。

（2）結構數(shù)值分析。船舶優(yōu)化結構數(shù)值分析主要包括理論計算、實驗驗證和數(shù)值分析，通常使用的分析方法有有限元方法，計算船舶設計、建造的精度。具體來說，在對小水線面雙體船的結構數(shù)值分析，經(jīng)常使用到MSC系列的Patran/Nastran軟件，通過其強大的建模、網(wǎng)絡分析和響應數(shù)據(jù)后處理能力，以及計算和數(shù)據(jù)處理能力，對2種主要航態(tài)的小水線面雙體船進行結構強度數(shù)值分析，從而得出尺寸、形狀以及拓撲的具體優(yōu)化結果。

4 展望

近年來，隨著小水線面雙體船在實際應用中越來越多，大多保持在百噸級，千噸級主要應用于海洋科考和海軍方面。材質方面，大多選擇應用鋁合金材質。航速設計方面，最高航速一般都超過了20kn，海洋科考方面一般低于20kn。應用領域主要集中在客運、公務、科考等方面，近年來，海軍裝備方面也加大了小水線面雙體船的應用。隨著船舶設計和建造技術的不斷提高，無論是船型還是結構方面都有了很大幅度的改進，出現(xiàn)了小水線面主體船的三體船型。船型也朝著大噸位方向發(fā)展，狹長的支柱和水下潛體得到了充分的利用，較寬的甲板和良好的耐波性更是成為游輪、遠洋可靠以及作戰(zhàn)艦艇應用的船型選擇。未來，在船型、航速、航態(tài)設計和控制方面還有較大提升空間，也是提升我國小水線面雙體船的設計、建造水平的重點研究領域和方向。

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