1、 本科毕业论文（20 届）片列五体船兴波干扰预报所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录摘 要 .31 前言 .51.1 立题背景及研究意义 .51.2“薄船”概念 .81.3 本文的主要工作 .82 船舶阻力 .102.1 船舶阻力成因 .102.2 船舶阻力分类 .102.3 船舶阻力研究方法 .122.4 船舶阻力预报方法 .143 五体船的研究分析 .163.1 五体船国内外研究概况 .163.2“薄船”的兴波阻力表达式 .184 用 RANKINE 波幅函数预报五体船兴波干扰 .194.1 基本理论 .194.2 公式推导 .205
2、 兰金体理论五体船波幅函数计算与分析 .266 五体船兴波阻力干扰因子计算及分析 .346.1 计算模型原始数据 .346.2 五体船兴波干扰因子计算与分析 .35结论与展望 .41致谢 .42参考文献 .43外文翻译 .44本科毕业论文 摘要3摘 要近年来, 三体船或五体船成为船舶界关注和研究的热点之一, 而且从概念研究阶段已进入到实用发展阶段。高速船的兴波阻力是阻力中的主要成分, 因此有关高速多体船阻力人们已经作了不少的实验研究工作。五体船型具有高速阻力小、耐波性优良、稳性好、有利于总布置、发展前景好等显著优点。本文对其兴波阻力预报和片体干扰特性进行研究。利用兴波阻力理论，将三体船线性兴波
3、阻力计算方法推广为五体船通用的兴波阻力计算方法，分析片体兴波干扰的特性和侧体布局对兴波阻力影响的规律及其减阻优化效果。关键词 兴波阻力；五体船；片体兴波干扰；减阻本科毕业论文 摘要4equi-demihull pentamaran the wave-making interference forecastAbstract In recent years, trimaran or pentamaran become one of concern and research hot spot in Shipping industry, and concept study phase has ente
4、red into practical stage of development. High-speed ship wave resistance is the main component of the resistance , Therefore, the resistance on high-speed multi-hull boats made a lot of people have been experimental studies. Pentamaran has less resistance in high speed, excellent seakeeping, Good st
5、ability, being benefit to the general design and, good development prospect. This prediction and its wave resistance characteristics of film interference. By using the linear the wave-making resistance theory, trimaran linear the wave-making resistance calculation method is extended to the pentamara
6、n general linear the wave-making resistance calculation method, and the accuracy of the verification method through calculation and pentamaran the wave-making resistance and five block simple stack the wave-making resistance from the difference worth of block wave-making interference resistance,anal
7、ysis of block wave-making interference characteristics and side body layout for the wave-making resistance influence law and Optimization effect drag reduction.Key Words wave-making resistance; pentamaran; Block the wave-making interference; Friction reduction 本科毕业论文 正文51 前言基于不同的原理，高性能船舶（HPV）有不同的船型或
8、者类型，它可以是基于阿米基德原理的排水型船，也可以是主要基于水动力原理的增升型船，还可以是基于多种不同流体动力原理构成的复合型船。不管是哪一种船型，追求高水平的综合航海性能及完善的使用功能是所有高性能船舶的基本共同点。所谓“高水平的综合航海性能” ，其中最重要的标志是优良的高速性能和耐波性能，其次是经济性、安全性好，载运能力大，一级环境舒适与形态美观等。高性能船舶不一定是高速船，高速船也不一定是高性能船舶。如高速的内河船舶，通常不被认为是高性能船，因为他们不具备令人满意的耐波性，只能在较平静的水面上航行；某些海船虽然也有很高的航速，但其耐波性能很差，晕船率很高，因此不能成为高性能船舶。为了提高
9、船舶的耐波性能和快速性，船舶可能采取非常规船型及特殊的航行状态与方式，以减小其兴波阻力和在波浪中的摇荡，这样便产生了新的不同设计概念。成功的船舶设计新概念将导致一种新船舶诞生，使船舶的航行性能有明显的提高。五体船就是一种比较成功的船型设计。1.1 立题背景及研究意义超细长多体船型 SSMH（Super Slender Multi hull）已日益引起国际造船界的广泛重视。五体船的研究开发最近几年已成为不少著名国际学术会议如 SNAME、FAST、RINA 等的热点议题。五体船的概念最早由英国船舶设计师 Nigel Gee 提出。五体船的基本含意是：一个经过水动力学优化的细长主船体两侧加上四个提
10、供稳性的小浮体（Outrigger or Sponson） ，静浮时后侧两个浮体有稍许浸沉前侧两个小浮体的龙骨线位于满载水线之上。国外已有的理论分析和模型试验结果表明，五体船船型具有如下几个显著特点：1) 高速阻力小；2) 适航性高；3) 稳性较好；4) 总布置和结构方面具有优势。作为一种新船型，首要问题之一是快速性，这是评价新船型优劣的基本依据之一。阻力研究途径包括理论计算方法和船模试验研究方法。兴波阻力理论有早期的线性兴波阻力理论和后期的严格满足自由面条件的非线性兴波阻力理论船舶兴波阻力是船舶在水中航行时,由于船体掀起波浪,即船行波，产生与船舶前进方向相反的阻力,这就是兴波阻力，船舶行驶时
11、，船首对水施加压力，把水劈开而前进，于是就激起了一组随船前进的波浪，这就是首波。船尾在前进时，水中留出了一个低压区，成为波本科毕业论文 正文6谷，形成了一组由船尾引起的波浪，称为尾波。由于船舶航行时,船体兴起了首波和尾波,需要能量，形成了兴波阻力。因为它是由于水的压力变化而引起的，所以又叫做压力阻力小水线面双体船兴波阻力计算可以通过扩展米切尔(Michell) 瘦船理论得到. 即通过在船体中纵剖面布置一系列点源 i , 在船体表面布置一系列偶极子 i ,来模拟船体周围流场,然后运用势流理论,即可得到船体所受到的兴波阻力.本次研究的是五体船的兴波阻力计算也可通过展米切尔(Michell) 瘦船理
12、论得到。五体船片体的合理布置可以显著地减小阻力，提高航速，节约成本。而船型设计的关键技术之一是其水动力性能(快速性、耐波性和操纵性)的预报。而其阻力预报是其水动力性能预报的重要内容。它为寻求设计低阻力优良船型以及决定主机功率、设计推进器等提供依据。因此，寻找可靠、准确的船舶阻力预估方法有着十分重要的意义。在主尺度和船型系数范围确定以后，需要估算船舶阻力，比较分析各方案的优劣。利用现行的阻力预估方法建立基于阻力预估的船舶主尺度选优模型有着十分重要的意义。五体船的船型优化对减小其兴波阻力有非常重要的意义。图 1.1 五体船的实船图本科毕业论文 正文7船型优化主要从三方面入手：采用不同的兴波理论和阻
13、力系数公式，以及为优化需要对这些理论所做的各种变形，或者结合试验方法(主要波形分析)修改船型。基于 Michell 理论的各种优化，由于船型函数(型值坐标)显含在兴波阻力公式中，目标函数(阻力)往往可以表示成型值坐标的二次型。因此，直接把型值坐标作为优化参数，二次规划是常采用的优化技术。日本人马场荣一 (EiiChBaBa)(1972)、堤孝行(1972)、松井政博(1980)等基于线性兴波阻力理论提出了以波形分析的方法改进船型。在他们的理论算法中，选择船型的横剖面面积曲线形状作为船型特征，把基本船型的横剖面面积曲线迭加到薄船的横剖面面积曲线上以构成改良船型的横剖面面积曲线，然后再根据一定的设
14、计程序设计出改良船型阁。熊继昭教授首先提出：在船舶阻力成分中，只考虑兴波阻力和摩擦阻力，兴波阻力采用 Michell 积分公式计算，把目标函数表示成船体型值的标准二次型，把型值作为设计变量，附加一组约束条件，并用二次规划技术求解此标准二次型。国内的叶恒奎同样以 Michell 积分公式为基础计算兴波阻力，利用薄船迭加原理改变船型，选择帐篷函数表达船型，并对 Wigley，S-60 进行了优化。基于 DAWS0N 理论的优化，因为兴波阻力只是通过边值问题和船型相联系，是一种高度非线性的优化问题，需要通过一系列问题的数值求解来完成目标函数的计算。高斌采用线性 DAWSON 方法作为理论计算工具，详
15、细的给出了 DAWSON 方法的数值实现手段，计算出船舶的兴波阻力。采用不同的数学形式表达船型：帐篷函数，多基点的 B 样条描述船体曲面或船体横剖面面积曲线，用某种级数表示船型的变更等。采用帐篷函数表达船型首先是由熊继昭教授提出来的；用一组单位帐篷函数表达船型，把兴波阻力公式用船体型值来表达，利用船体型值作为设计变量来优化船型。国内的学者叶恒奎阎，马坤、李作志等都是利用帐篷函数作为船体表面的表达形式研究船型优化问题。张轩刚、都绍裘等人在船型表达上突破帐篷函数在表征船体曲面网疏和较大近似性，应用双二次样条函数计算高速双体船的兴波阻力和改进船型方面进行研究与实现。黄金森基于线性兴波理论，用 NUR
16、BS 曲线来表达船体表面做船型优化研究。纪卓尚等建立的船体型值与船体 UV度间的映射函数，把船体优化的多变量问题化为单变量问题。铃木和夫的船型改进，在兴波理论上是基于 DAWSON 的 Rankine 源法，并首次提出了船型修改函数，利用设计好的船型修改函数来改进船型，利用较少的参数变量研究船型优化问题。应用各种近代的非线性规划技术。在众多的非线性规划方法中，有许多种曾在船型优化中得到应用，如二次规划，序列二次规划，MM 法，罚函数法结合 HOOK-JEEVES 直接法，以本科毕业论文 正文8及进化算法等。最早研究兴波阻力最小的当推 WEINBLUM，在数学上立足于经典的变分法，着眼点在于探讨
17、变分解的存在性。加拿大人熊继昭在研究船型优化问题时采用二次规划技术来求解兴波阻力公式，随后的叶恒奎选择 SUMT 混合罚因子优化方法，在一定约束条件下改良船型;马坤，田中一郎采用非线性规划中的 SUMT 法，即在目标函数中加入反映约束条件影响的附加项，使在形式上构成无约束最优化问题。然后利用梯度法探索极小点，得到最小阻力船型;在随后一段时间内，国内大多数学者都采用 SUMT 法做为优化算法来优化船型。铃木和夫在船型优化研究过程中，采用序列二次规划技术优化船型；随后安川宏纪改用遗传算法代替传统的优化方法研究船型；高斌采用遗传算法对船舶前体进行了优化，将型线和排水体积方面的约束条件转化为非约束条件
18、采用浮点数编码方式提高了优化的效率以保存最好的结果，并使该结果参与到遗传计算的方式，改变了遗传算法的典型过程，保证了计算的收敛以及确保能够得到历次计算中的最优结果。由于遗传算法本身的优点以及计算水平的发展，这几年利用遗传算法做船型优化得到了一定的推广，取得了一定的研究成果。1.2“薄船” 概念瘦长船舶亦称其为“薄船” 。 “薄船”或瘦长船舶是指船体长度 L 与船体宽度 B 的比值很大的船舶。一般高速排水型船舶，不论单体船还是多体船的每个浮体，都属于瘦长体（因此又称为片体） 。由于瘦长船首、尾两端的船体曲率变化较大，因此兴波最为严重。船舶具有不同的片体数目及其布局形式，决定了高速排水型船体不同的
19、构型和不同的水动力性能，其相应的兴波阻力表达式也不同。为减小阻力，提高快速性，这类船舶的排水体积在水面处有相应多种形式的分布，如将靠近水面处的船体排水体积向水深方向移动，使设计水线面变得非常狭小，以减小船舶在自由水面上的兴波，从而减小兴波阻力。这种通过改变船舶排水体积沿垂向分布的方法得到的船型，即形成所谓的小水线面船型；或将船舶的排水体积一分为二，形成有两个窄长片体的双体船；或者保持排水体积不变将其沿船长方向拉长分布，得到更加瘦长的单体船。为弥补这种瘦长单体船横向稳定性的不足，通常必须采用多个水下浮体（又称为稳定体）来辅助提高横稳性，从而构成所谓的三体船、四体船和五体船等。 1.3 本文的主要
20、工作选择合适的兴波阻力理论，定义本文中船舶阻力表达方法。线性兴波阻力理论己经有了本科毕业论文 正文9很长的发展历史，很多学者一直致力于 Michell 积分兴波阻力公式的应用与发展，尤其近来几年对以瘦长形的高速船船型研究颇多；Michell 积分适用于薄船理论，可以定性的分析中、高速船舶的兴波阻力性能。利用兰金体波幅函数代替实际船型的波幅函数，确定了高速五体船片体间的兴波阻力干扰计算，探讨主体、首尾侧体尺度及相对位置变化的对于兴波阻力干扰因子的影响及其变化规律。本文的研究方向是片列五体船的兴波阻力预报。利用线性兴波阻力理论，将三体船线性兴波阻力计算方法推广为五体船通用的线性兴波阻力计算方法，验
21、证方法的准确性，通过计算五体船兴波阻力与五个片体简单叠加兴波阻力的差值得出片体兴波干扰阻力，分析片体兴波干扰的特性和侧体布局对兴波阻力影响的规律及其减阻优化效果。并取一五体船作为算例，用 Excel 计算五体船的兴波阻力和片体兴波干扰、侧体布局对兴波阻力影响分析，并探讨得到的结论。本科毕业论文 正文102 船舶阻力船舶在航行过程中会受到流体（空气和水）阻止它前进的力，这种与船体运动方向相反的作用力称为船的阻力。2.1 船舶阻力成因船体在静水中运动时所受到的阻力与船体周围的流动现象密切有关。根据观察，船体周围的绕流运动情况相当复杂，但主要有以下三种流动现象：船体在运动过程中兴起波浪，简称兴波。兴
22、波包括产生稳定的船行波和不稳定的破波。由于船行波的产生，改变了船体表面的压力分布情况。船首的波峰使首部压力增加，而船尾的波谷使尾部压力降低，于是产生首尾流体动压力差，形成阻力。这种由于船体运动不断兴波而耗散能量所产生的阻力称为兴波阻力，一般用 Rw表示。必须指出，破波现象对于瘦削的船型并不明显，可以不必考虑。只有对于那些肥大型船舶，破波现象可能十分严重，相应的破波阻力不可忽视。实际上，破波现象十分常见：肥大船陡突的首部掀起波浪后很快破碎，则在船首及沿两舷侧附近产生白色的泡沫带，顺流而下汇合于尾流之中，这种破碎的波浪也要耗散船舶的能量而形成阻力，称为破波或碎波阻力。对于肥大船，它是兴波阻力的主要
23、构成部分。当船体运动时，由于水的粘性，在船体周围形成“边界层” ，从而使船体运动过程中受到粘性切应力作用，亦即船体表面产生了摩擦力，它在运动方向的合力便是船体摩擦阻力，用 Rf表示。在船体曲度骤变处，特别是较丰满船的尾部常会产生旋涡。旋涡产生的根本原因也是由于水具有粘性。旋涡处的水压力下降，从而改变了沿船体表面的压力分布情况。这种由粘性引起船体前后压力不平衡而产生的阻力称为粘压阻力，用 Rpv表示。从能量观点来看，克服粘压阻力所作的功耗散为旋涡的能量。粘压阻力习惯上也叫旋涡阻力。应该指出，由于实际流体的粘性作用，即使船体绕流在不产生分离的情况下，因为边界层在尾部的排挤厚度大，从而使船体前后部分存在压力差，因此同样存在粘压阻力。 32.2 船舶阻力分类船在静止水中作稳定运动所受到的阻力( Rt)可分为摩擦阻力( Rf)和以兴波阻力为主要成分的剩余阻力( Rr)两个独立分量，前者是雷诺数( Re)的函数，后者是傅汝德数( Fr)的函数。虽然这已是大家所熟悉的阻力分类方法，但这种阻力分类方法是没有充分理论根据，而且严
