江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003

目前，國內(nèi)外使用的船舶減搖裝置主要有舭龍骨、減搖鰭、減搖水艙和舵減搖[1-4]。這些減搖裝置大都用于減小船舶的橫搖，且多數(shù)使用于大型的排水型船舶。快艇減搖裝置的研究工作尚顯滯后。在高速艇尾部安裝壓浪板和楔形板[5，6]，在一定程度上能夠起到調(diào)整艇航行縱傾角、改善艇阻力特性的作用，但動穩(wěn)性和航行安全性下降，有時甚至沒有保障；具有首置割劃式水翼的翼滑艇航行時動穩(wěn)性更存在不足。

1 新型尾鰭及其水動力模型

1.1 新型尾鰭結(jié)構(gòu)簡介

該尾鰭主要與淺V型滑行面線型配合，成對布置于船尾，由主板和鰭板構(gòu)成主板，通過鉸鏈或聯(lián)接軸與艇尾封板下邊緣相聯(lián)接，鰭板聯(lián)接于主板外側(cè)邊緣。其中鰭板與主板的聯(lián)接主要有兩種類型。一種為鰭板固接于主板外側(cè)邊緣，可整體繞艇尾封板下邊緣轉(zhuǎn)動；另一種為鰭板通過聯(lián)接軸與主板外側(cè)邊緣相聯(lián)，鰭板可繞其邊緣連接軸旋轉(zhuǎn)。主板和鰭板平面形狀為矩形、梯形或普通四邊形。主板縱剖截面為矩形，鰭板縱剖截面為機(jī)翼形或弓形或月牙形。結(jié)構(gòu)見圖1。

1-鰭板；2-主板；3-伸縮油缸；4-鉸鏈；5-艇尾。圖1 新型尾鰭結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 新型尾鰭水動力模型

尾鰭的主板和鰭板兩部分的剖面形狀以及在流場中的受力特性差異很大，分別分析水動力。

主板是一塊平板，水動力分析借助于平板滑行理論，而鰭板是一水翼，其水動力分析則運(yùn)用三元機(jī)翼理論[7]。

尾鰭減艇縱搖時，左右尾鰭同時起作用，主板部分同時向下或向上轉(zhuǎn)動相同的角度，主板與艇底的夾角即為安裝角ε。規(guī)定向下轉(zhuǎn)主板時ε>0；向上轉(zhuǎn)主板時ε<0。尾鰭減艇橫搖時，左右尾鰭同時起作用，主板部分向相反的方向轉(zhuǎn)動相同的角度，即保持左右尾鰭的安裝角分別為+ε和-ε。根據(jù)尾鰭的受力大小及其位置參數(shù)，可以計算出對艇搖心的力矩，該力矩即為尾鰭產(chǎn)生的搖動對抗力矩，起減搖及調(diào)整艇航行縱傾角的作用。

2 滑行艇及翼滑艇運(yùn)動模型

目前國內(nèi)外對于高速艇在波浪中的運(yùn)動幾乎全部采用試驗(yàn)的方法預(yù)報耐波性。因此，借鑒現(xiàn)有常規(guī)船舶運(yùn)動方程資料，并結(jié)合滑行艇和翼滑艇的特點(diǎn)，分析受力求解縱搖及橫搖恢復(fù)力矩項。運(yùn)動方程中所涉及的慣性力矩、阻尼力矩、波浪擾動力矩和尾鰭產(chǎn)生的對抗力矩可以參考文獻(xiàn)[8]。下面重點(diǎn)介紹縱搖恢復(fù)力矩的計算。

艇的縱搖恢復(fù)力矩計算可以參考圖2、3。

圖2 滑行艇縱搖恢復(fù)力矩計算

圖3 翼滑艇縱搖恢復(fù)力矩計

滑行艇縱搖恢復(fù)力矩M(θ)為：

M(θ) =-LHXT(Lg-0.75lT)cosθ

≈-Δ(Lg-0.75lT)cosθ

(1)

式中：LHXT——滑行面升力，N；

Lg——重心至尾距離, m；

lT——濕長度, m；

θ——縱傾角，(°)。

翼滑艇縱搖恢復(fù)力矩MY(θ)為：

MY(θ)= -[LHXM(Lg-0.75lT)cosθ-

LGHL(LH2END-Lg)/cosθ]

(2)

式中：LHXM——滑行面升力，N；

LGHL——水翼升力，N；

LH2END——水翼支柱至尾封板距離，m。

滑行艇和翼滑艇(安裝尾鰭)線性縱搖運(yùn)動方程可以表示為：

(3)

式(3)中從左至右依次為縱搖慣性力矩、阻尼力矩、恢復(fù)力矩、縱搖波浪擾動力矩、尾鰭減縱搖力矩。

3 滑行艇及翼滑艇推進(jìn)系統(tǒng)模型

3.1 阻力模型

利用前蘇聯(lián)中央流體動力中心ЦАГИ法求艇的阻力。使用該方法需要查力矩關(guān)系曲線和動載荷系數(shù)關(guān)系曲線[9]，為了便于仿真模型實(shí)時調(diào)用這些數(shù)據(jù)，利用曲線擬合的方法得到λ=f(FNB)函數(shù)關(guān)系式。利用Matlab編制函數(shù)庫，就可以得到在不同航速vs情況下(即不同的FNB)對應(yīng)的濕長寬比λ。

3.2 螺旋槳推進(jìn)模型

螺旋槳是高速艇最常用的推進(jìn)器，有效推力為

(4)

式中：KT——螺旋槳推力系數(shù)；

DP—螺旋槳直徑，m；

n——轉(zhuǎn)速，r/s；

t——推力減額分?jǐn)?shù)。

3.3 阻力和推進(jìn)仿真模型

在平動方程的基礎(chǔ)上建立該推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型。

(5)

式中：m——艇質(zhì)量(含附加質(zhì)量)，kg；

TP——推進(jìn)器有效推力，N；

RT—艇的總阻力，N。

4 算例及分析

利用Matlab/Simulink[10]建立滑行艇和翼滑艇運(yùn)動及尾鰭減搖聯(lián)合仿真模型。限于篇幅僅將滑行艇運(yùn)動-尾鰭減搖聯(lián)合仿真模型分別示于圖4、5。

圖4 滑行艇縱搖運(yùn)動-尾鰭減搖聯(lián)合仿真模型

圖5 滑行艇橫搖運(yùn)動-尾鰭減搖聯(lián)合仿真模

以上仿真模型將艇的縱搖運(yùn)動和橫搖運(yùn)動分開考慮，研究在正橫規(guī)則波及迎浪條件下艇運(yùn)動及尾鰭減搖仿真效果。

選用排水量Δ=1.4 t的滑行艇和翼滑艇作為算例，其主尺度及艇型參數(shù)、螺旋槳及波浪條件分別見表1～ 3。

不同艇型及用途(減橫搖或減縱搖)的尾鰭幾何尺寸以及控制器相應(yīng)的參數(shù)存在差異。通過建立快速性及減搖特性綜合優(yōu)化模型，對尾鰭及控制器進(jìn)行優(yōu)化計算。結(jié)果見表4、5。

滑行艇及翼滑艇安裝尾鰭后在波浪中的航行縱傾角以及橫搖角情況見圖6～9。

表1 1.4 t滑行艇/翼滑艇主尺度及艇型參數(shù)

表2 V型水翼主要參數(shù)

表3 螺旋槳及波浪參數(shù)

表4 滑行艇運(yùn)動PID控制尾鰭優(yōu)化結(jié)果

表5 翼滑艇運(yùn)動PID及PD控制尾鰭優(yōu)化結(jié)果

圖6 滑行艇(帶尾鰭)縱搖角變化曲線

圖7 滑行艇(帶尾鰭)橫搖角變化曲線

圖8 翼滑艇帶尾鰭縱搖角變化曲線

圖9 翼滑艇帶尾鰭橫搖角變化曲

通過尾鰭的作用，滑行艇能夠以很小的波動(±0.21°)沿最佳航行縱傾角航行；橫搖運(yùn)動幅值非常小，僅為0.025°；翼滑艇能夠以±0.17°的波動沿最佳航行縱傾角航行；橫搖運(yùn)動幅值為0.08°。說明該新型尾鰭應(yīng)用在V型艇底的快艇上，具有十分強(qiáng)大的減搖及實(shí)時調(diào)整艇航行縱傾角，進(jìn)而保證艇在波浪中的動穩(wěn)性及快速性的功能。

5 結(jié)論

滑行艇和翼滑艇新型尾鰭由于主板和鰭板具有獨(dú)特的水動力特性，與壓浪板最大的區(qū)別就是：壓浪板僅能產(chǎn)生使艇縱傾角減小的力矩，而面對艇航行縱傾角過小，需增大縱傾角時，卻無能為力；仿真計算結(jié)果表明新型尾鰭能夠根據(jù)艇運(yùn)動信息，實(shí)時調(diào)整艇的航態(tài)，以保證動穩(wěn)性和快速性。該尾鰭結(jié)構(gòu)簡單、控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)雜度不高，自身重量較小，便于實(shí)際工程應(yīng)用，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有快艇運(yùn)動穩(wěn)定裝置的許多不足。

[1] 馮鐵城, 朱文蔚, 顧樹華. 船舶操縱與搖蕩[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1989:130-133.

[2] 金鴻章, 王科俊, 吉 明. 智能控制在船舶減搖鰭系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2003:6-8.

[3] LEE B S, VASSALOS D V. Investigation into the stabilization effects of anti-roll tanks with flow obstructions [J] .InternationalShipbuildingProgress,1996 (43):71-88.

[4] 楊承恩, 田 園, 畢英君. 船舶舵阻搖技術(shù)的回顧與展望[J]. 世界海運(yùn), 2002, 25(4):4-7.

[5] 裘泳銘, 顧敏童, 李培勇. 改善小型高速艇總體性能的措施研究[J]. 船舶工程, 2000(4):9-11,16.

[6] 郭值學(xué). 高性能船的發(fā)展與前景之管見(一) [J]. 中國造船, 2001,42(4):73-82.

[7] 董祖舜. 快艇動力學(xué)[M]. 武漢:華中理工大學(xué)出版社, 1991:93-97.

[8] 李積德.船舶耐波性[M].哈爾濱:哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,1992:34-66.

[9] 邵世明, 王云才. 高速艇動力學(xué)[M]. 上海:上海交通大學(xué)出版社, 1990:90-93.

[10] 張志涌.精通MATLAB 6.5版[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2003:361-383.