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        船舶拖帶情形下的操縱性試驗(yàn)研究

        2007-01-28 08:11:20
        船海工程 2007年6期
        關(guān)鍵詞:拖帶拖纜舵角

        (海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院,武漢 430033)

        因海洋運(yùn)輸、科考及勘測(cè)業(yè)的需要,船舶拖帶作業(yè)越來(lái)越頻繁,研究拖帶對(duì)船舶操縱性能的影響,探索和開(kāi)發(fā)操縱性優(yōu)良的拖帶船型具有重要的應(yīng)用價(jià)值。迄今為止國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于拖帶對(duì)船舶操縱性能影響方面的試驗(yàn)研究見(jiàn)諸報(bào)告,也沒(méi)有能夠比較準(zhǔn)確地用于預(yù)報(bào)拖帶情形下船舶操縱性能的理論方法。而模型試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單、科學(xué)、可靠并且能夠檢驗(yàn)理論分析的正確性。為此,制作自航船模,在檢驗(yàn)其操縱性能的基礎(chǔ)上分別對(duì)比進(jìn)行了未拖帶與在不同拖纜長(zhǎng)度下拖帶的相關(guān)操縱性試驗(yàn),研究單船雙側(cè)拖帶操作對(duì)船舶操縱性能的影響。

        1 拖帶運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象

        自航模拖帶兩拖帶物進(jìn)行直航運(yùn)動(dòng)時(shí),兩拖纜分開(kāi)一定的角度,并隨著船模航速的增加,拖纜所拖帶的拖帶物逐漸“外漂”,拖纜間張開(kāi)的角度增大。在進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)拖纜滯后而外側(cè)拖纜向內(nèi)回旋,兩拖帶物間距離減小,兩拖纜逐漸靠近;同時(shí)自航模的漂角與未拖帶時(shí)相比變小,船模轉(zhuǎn)首同未拖帶時(shí)相比變得相對(duì)困難;自航模航速降低,在船首轉(zhuǎn)過(guò)角度接近90°時(shí),內(nèi)側(cè)拖纜失效。

        在拖帶操作時(shí),船體除了受到流體作用于自身的力和力矩外,還受到拖纜施加于船體的力和力矩。直航時(shí)由于采用單船雙側(cè)拖帶系統(tǒng),拖纜對(duì)船舶的作用僅相當(dāng)于增加船模航行的阻力;回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),由于兩側(cè)拖纜作用力的不對(duì)稱,船體受到拖纜施加力矩的作用,回轉(zhuǎn)性能發(fā)生改變。

        2 基本運(yùn)動(dòng)方程

        2.1 基本假設(shè)

        船舶航行在無(wú)限深廣水域,自由液面為靜水面。視船體為剛體,忽略船的縱搖及升沉[1]。

        2.2 坐標(biāo)系

        圖2 坐標(biāo)

        2.3 基本公式

        在以上基礎(chǔ)上建立船舶拖帶操縱運(yùn)動(dòng)基本公式[1]。

        假定α1、α2及ψ分別為拖纜1和拖纜2在定坐標(biāo)系中與X0軸夾角及船舶航向角。

        因此船在拖帶時(shí),其操縱性能受到拖纜拉力及力矩的影響,且這種影響與拖纜拉力大小及其與船航向所夾角度有關(guān)。

        如圖2所示,若在拖纜拉力一定時(shí)進(jìn)行回轉(zhuǎn)試驗(yàn),則因(α1-ψ)↑,YT1↑,XT1↓而(α2-ψ)↓,YT2↓,XT2↑,因而產(chǎn)生一個(gè)與回轉(zhuǎn)方向相反的力矩,阻礙船舶的回轉(zhuǎn)。

        3 試驗(yàn)對(duì)象和設(shè)備

        3.1 自航模要素

        自航模為雙舵、雙槳、帶軸支架木質(zhì)船模,表面光滑,無(wú)舭龍骨和減搖鰭。

        船模長(zhǎng)3.72 m,水線寬0.567 m,重136.5 kg,吃水138.9 mm,縱搖周期2.56 s,橫搖周期16.20 s。

        3.2 螺旋槳槳模要素

        試驗(yàn)采用機(jī)翼型螺旋槳,該槳的主要特征及參數(shù)如下:

        直徑 105 mm; 側(cè)斜 39.11°

        葉數(shù) 5; 縱斜 非線性

        螺距比 1.4; 螺距分布 非線性

        盤面比 0.75; 旋向 內(nèi)旋

        轂徑比 0.33; 材料 巴氏合金

        3.3 舵模型要素

        舵模剖面形式為NACA0015,安裝位置為舵軸向船中內(nèi)偏11 mm。

        3.4 拖帶要素

        拖帶物為漂浮于水面的特制小浮體,拖纜拉力為28 N。

        3.5 試驗(yàn)設(shè)備

        船模遙控設(shè)備FP-T8SGA-P;數(shù)據(jù)遙測(cè)設(shè)備YCF-3C;數(shù)據(jù)采集設(shè)備DH-5932;數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備為航向陀螺C-12、YT-3;操舵設(shè)備為MD3-2舵機(jī)。

        4 試驗(yàn)內(nèi)容

        1) 回轉(zhuǎn)操縱性試驗(yàn)。在未拖帶時(shí)進(jìn)行高速(v=2.18 m/s)和低速(v=1.46 m/s)的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)及在拖纜長(zhǎng)分別為10、20、30 m時(shí)進(jìn)行低速(v=1.46 m/s)回轉(zhuǎn)試驗(yàn),舵角分別為±10°、±15°、±20°、±25°、±30°、±35°(受條件限制±5°的回轉(zhuǎn)無(wú)法進(jìn)行)。

        2) Z形操縱試驗(yàn)。在未拖帶情形下進(jìn)行高速(v=2.18 m/s)和低速(v=1.46 m/s)的Z形操縱試驗(yàn)及在拖纜長(zhǎng)度分別為20、30 m時(shí)進(jìn)行低速(v=1.46 m/s)的Z形操縱性試驗(yàn),舵角分別為±10°、±20°,試驗(yàn)過(guò)程記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

        3) 航向穩(wěn)定性試驗(yàn)。在未拖帶情形下進(jìn)行低速(v=1.46 m/s),舵角為±15°的航向穩(wěn)定性試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程記錄數(shù)據(jù)并繪制出首向角隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線圖。

        4) 保持航跡能力操縱性試驗(yàn)。在未拖帶情形下進(jìn)行舵角為±15°的回直操縱性試驗(yàn)和在拖纜長(zhǎng)為20 m時(shí)進(jìn)行兩次零度舵角的直航試驗(yàn),航速均為v=1.46 m/s[3]。

        5 試驗(yàn)結(jié)果分析

        5.1 回轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

        相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑對(duì)比試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖3。

        圖3 相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑對(duì)比曲

        由圖3知,未拖帶時(shí),當(dāng)船以35°舵角高速進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑約為3.0,以低速回轉(zhuǎn)時(shí)約為2.8,由Davidson 所提出的船舶在最小相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑約為3.0時(shí)回轉(zhuǎn)性,能優(yōu)良的結(jié)論可知[4],該船具有良好的操縱回轉(zhuǎn)性能。拖帶時(shí)船的相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑與未拖帶時(shí)相比有明顯變化,當(dāng)船以小舵角低速進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí),相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑幾乎增大一倍,而在大舵角時(shí)也增大了約50%,顯然拖帶使得船舶回轉(zhuǎn)性能惡化。

        同時(shí),由圖3可知回轉(zhuǎn)速度及拖纜長(zhǎng)度對(duì)回轉(zhuǎn)性能的影響不大,原因有:

        1) 自航模操舵回轉(zhuǎn)時(shí),由于拖纜拉力的作用,產(chǎn)生了一個(gè)與回轉(zhuǎn)方向相反的回轉(zhuǎn)力矩,該力矩阻礙了船舶的回轉(zhuǎn),使得船舶航行時(shí)的漂角減小,回轉(zhuǎn)半徑增大。

        2) 改變拖纜長(zhǎng)度,在自航?;剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中并未改變拖纜拉力的大小及拉力的方向,而且拖纜拉力一定,所以拖纜長(zhǎng)度對(duì)回轉(zhuǎn)性能的影響不大。

        相對(duì)縱距和相對(duì)橫距的對(duì)比曲線見(jiàn)圖4、5。

        圖4 相對(duì)縱距對(duì)比曲線

        圖5 相對(duì)橫距對(duì)比曲

        由圖4、5可知,拖帶使得相對(duì)回轉(zhuǎn)縱距和相對(duì)橫距發(fā)生較大的改變,變化趨勢(shì)與相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑的相同,即在小舵角時(shí)增加約1倍,而在大舵角時(shí)也增加了約50%。拖帶長(zhǎng)度對(duì)相對(duì)縱距和相對(duì)橫距的影響不大,在大舵角時(shí)基本相當(dāng),并相互交錯(cuò)。

        5.2 轉(zhuǎn)首特性結(jié)果分析

        為了更好表示船舶對(duì)舵作用的應(yīng)答性,將其從執(zhí)行操舵點(diǎn)起至回轉(zhuǎn)圈中心的距離,稱為進(jìn)程R′,R′=v(T+t1/2)=S3-R0。式中:S3、R0分別為回轉(zhuǎn)縱距和定?;剞D(zhuǎn)半徑。R′越小則應(yīng)答性越好。若用操舵來(lái)改變船的航向,則R′可代表在原航向上,由轉(zhuǎn)舵瞬時(shí)的重心位置直至新、舊航向交點(diǎn)之距離。當(dāng)R′/L<1時(shí),船具有很好的應(yīng)答性[4]。

        由圖6知,不論是拖帶還是未拖帶,該船均有良好的應(yīng)答性。

        圖6 相對(duì)進(jìn)程對(duì)比曲

        5.3 Z形操縱試驗(yàn)結(jié)果分析

        以低速進(jìn)行Z形試驗(yàn)所得結(jié)果見(jiàn)表1。

        經(jīng)驗(yàn)表明,一般壓載船和油船K′為0.7~1.3、T′為0.4~1.1時(shí),具有較好的操縱性[4],顯然未拖帶時(shí)K′、T′均在上述范圍內(nèi),可知該船操縱性良好;而在拖帶時(shí)K′、T′均減小,其中K′減小了20%~50%,而T′改變不太明顯。

        表1 Z形操縱試驗(yàn)性能指數(shù)

        5.4 轉(zhuǎn)首性能結(jié)果分析

        5.5 保持航跡能力試驗(yàn)結(jié)果分析

        由圖7、圖8知,自航模以低速v=1.46 m/s進(jìn)行±15°舵角的回直試驗(yàn),最終都能達(dá)到直航,顯然其具有零舵角穩(wěn)定直航能力。

        圖7 自航模低速右15°回直曲線

        圖8 自航模低速左15°回直曲

        由圖9可知,自航模以v=1.46 m/s、零度舵角及拖帶20 m航行歷時(shí)約40 s、行程60 m(約16倍船長(zhǎng)),僅偏航8°??紤]到自航模拖帶回轉(zhuǎn)時(shí),兩拖帶物不可能做到完全相同,而且拖帶開(kāi)始時(shí)兩拖纜與船模航向所成角度不一樣,由此造成小角度偏斜,仍可認(rèn)為其保持航跡能力很好[6]。

        圖9 20 m拖帶低速直航航向角變化曲

        6 結(jié)論

        1) 該船自航模具有良好的回轉(zhuǎn)性能,滿足相對(duì)回轉(zhuǎn)半徑小于3.5的要求且直線穩(wěn)定性能、轉(zhuǎn)首性能、應(yīng)舵性能均良好。

        2) 拖帶使船回轉(zhuǎn)性能惡化,在小舵角使相對(duì)回轉(zhuǎn)半徑、相對(duì)橫距和相對(duì)縱距值增加了近1倍,而在大舵角時(shí)也近50%。

        3) 在拖帶情形下,該船自航模仍具有直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

        4) 除必須緊急回轉(zhuǎn)外,不允許作大舵角(大于15°)、長(zhǎng)時(shí)間回轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)。

        [1] 樂(lè)美龍.船舶操縱性預(yù)報(bào)與港航操縱運(yùn)動(dòng)仿真[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2004.

        [2] 李殿璞.船舶運(yùn)動(dòng)與建模[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1999.

        [3] 郝亞平.船舶性能試驗(yàn)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1988.

        [4] 吳秀恒.船舶操縱性與耐波性[M].北京:人民交通出版社,1999.

        [5] 盛振邦.劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2004.

        [6] 范尚雍.船舶操縱性[D].武漢:海軍工程大學(xué),2004: 120-124.

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