高性能小水線面雙體船的船型設(shè)計(jì)及優(yōu)化

張旭杰 杜友威 張棟楠

摘 要：小水線面雙體船具有推進(jìn)效率高、耐波性能好、高速航行時(shí)阻力小等優(yōu)點(diǎn)，本文將針對小水線面雙體船在波浪中的阻力性能特點(diǎn)進(jìn)行分析，并根據(jù)片體支柱距離的變化設(shè)計(jì)出優(yōu)化方案，利用MAXSURF仿真模擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，得到不同支柱間距t時(shí)的興波阻力系數(shù)變化規(guī)律，并分析其優(yōu)化的合理性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：小水線面雙體船;減阻優(yōu)化;船型設(shè)計(jì)

ShipDesign and Optimization of High Performance SWATH

Zhang Xujie Du Youwei Zhang Dongnan

Qingdao Huanghai University ShandongQingdao 266427

Abstract：Small waterplane catamaran has the advantages of high propulsion efficiency，good wave resistance and low resistance during high-speed navigation.This paper will analyze the resistance performance characteristics of small waterplane catamaran in the wave，and according to the distance of the strut pillar.The change design is designed to optimize the design scheme by using MAXSURF simulation to obtain the variation law of the wave-making resistance coefficient when the distance between different pillars is t，and analyze the rationality and practicability of the optimization.

Key words：SWATH;drag reduction optimization;ship-form design

小水線面雙體船（small waterplane area twin-hull ship，簡稱為SWATH），又稱半潛式雙體船，是一種重要的高性能船型，具有推進(jìn)效率高、耐波性能好、高速航行時(shí)阻力小、操作靈活、生存性高等優(yōu)點(diǎn)[1][2]。過去人們想盡方法要制造一種具備良好的耐波性能使其滿足在惡劣海況下行駛的條件，同時(shí)又不能夠超出尺度使得建造運(yùn)營維護(hù)成本超額的船舶。在這種現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)下，SWATH應(yīng)運(yùn)而生。[3]

1 ?SWATH的阻力性能

SWATH的總阻力可表達(dá)為各個(gè)子阻力之和，除了普通單體船舶所受阻力外，還存在著興波干擾阻力，可以表達(dá)為：

Rt=Rf+Rr+ΔR ΔR=ΔRw+ΔRv （1）

其中：ΔRw—興波干擾;ΔRv—粘性干擾。

SWATH的阻力性能與普通的雙體船比較并無本質(zhì)區(qū)別，但在下體和支柱彼此之間存在普遍的興波干擾，故而興波阻力尤為復(fù)雜[4][5]。

國內(nèi)為許多學(xué)者都采用理論方法計(jì)算SWATH的興波阻力，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果十分接近。

2 船型設(shè)計(jì)

相比較于用水池進(jìn)行船模實(shí)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬分析能夠大大的減少分析的時(shí)間，并且，利用軟件得到的結(jié)果相比較于船模實(shí)驗(yàn)也更加的準(zhǔn)確可靠。[6]

利用軟件MAXSURF設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字化SWATH三維曲面計(jì)算模型。我們設(shè)定模型的相關(guān)主尺度為：船舶全長10.342m，船寬為4.884m，水下潛體長度為9.858m，吃水深度D=1.8m，船體左右片體間距2b=2.558m，潛體圓柱部分直徑1m，圓柱的長度l=7.698m，船尾設(shè)定為圓錐形，坐標(biāo)原點(diǎn)為水線與中垂線的交點(diǎn)。連接主甲板以及潛體的前后兩支柱長度都為LS=0.952m，兩支柱間距離為3.329m（圖1）。

3 船型優(yōu)化

對SWATH的優(yōu)化方向分別為主體形狀、片體間距、片體傾角、支柱數(shù)量及支柱外形等。本文主要從支柱間距離對興波阻力的影響入手，研究其在變化較大范圍內(nèi)（0-20kn）的興波阻力變化曲線，找出興波阻力隨著支柱間距的變化規(guī)律。

將兩支柱的間距依次減小0.2米，增加0.4米以及增加0.6米，與初始模型一道作模擬分析，將四組數(shù)據(jù)對比，得到不同支柱距離t的船舶興波阻力系數(shù)隨航速變化的對比關(guān)系曲線（圖2）。

我們設(shè)定船舶的最高時(shí)速為20kn。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，SWATH船舶模型在3節(jié)、6節(jié)、10節(jié)左右的航速下達(dá)到高峰值，在5節(jié)和7節(jié)左右航速下下降至低谷值，其中6節(jié)左右是船舶受到興波阻力最大的航速。支柱間距的變化基本不會改變船舶高峰值以及低谷值出現(xiàn)的前后位置。航速超過10節(jié)以后，興波阻力值隨航速的增大而逐漸減小。在低速狀態(tài)下，適當(dāng)增大主體支柱距離能夠明顯的減小興波阻力，且一定范圍內(nèi)間距增加，阻力減小的量就越多;船舶航速達(dá)到6節(jié)時(shí)，船舶所受的興波阻力達(dá)到峰值，可以看出支柱的距離增加使得最高點(diǎn)的興波阻力值有增加但不明顯，航速達(dá)到7節(jié)時(shí)阻力大大降低，此時(shí)距離的增大仍對興波阻力產(chǎn)生微弱的增幅。此后船舶航速提升至10節(jié)左右再次產(chǎn)生一個(gè)興波阻力的高峰值，但距離變化對阻力的影響極其微弱。因此適當(dāng)增加支柱距離能在低速下減小船舶興波阻力，但在此后航速逐漸增大的情況下影響不顯著，因此也就不適合優(yōu)化高速狀態(tài)下的SWATH。

4 總結(jié)

本文主要從支柱間距對船舶興波阻力的影響進(jìn)行分析研究，通過模擬分析可以得到以下結(jié)論：

（1）SWATH船舶在低航速下，由于興波干擾的影響，興波阻力反復(fù)出現(xiàn)高峰值和低谷值。

（2）主體支柱距離的變化對興波阻力的總體變化趨勢不會產(chǎn)生影響，且不會讓阻力曲線產(chǎn)生橫向偏移。

（3）改變支柱間的間距對興波阻力影響僅在低速狀態(tài)下較明顯，在高速狀態(tài)下差別不大。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙連恩.高性能船舶水動(dòng)力原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001：75-87.

[2]趙連恩，王慶.高性能船舶（艦）原理與技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2013：96-116.

[3]高曉敏.小水線面雙體船（SWATH船）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2017：7-9.

[4]王慶，黃德波.直/斜支柱SWATH的興波阻力預(yù)報(bào)[J].船舶工程，2004，26（4）：19-21.

[5]伊紹琳.船舶阻力[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001：184-196.

[6]劉華斌，趙勇杰.淺談海軍首艘小水線面雙體船[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，8（34）：70-72.

[7]王雪剛，鄒早建，張偉.小水線面雙體船操縱性預(yù)報(bào)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，（34）：83-87.

作者簡介：張旭杰（1998-），男，主要從事高性能船舶創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究。

*通訊作者：杜友威，男，講師。