1、 本科毕业论文（20 届）气垫双体船航行性能计算所在学院 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 引 言 .61.1 立题背景及研究意义 .61.2 气垫双体船的概念 .91.3 本文的主要工作 .112 船舶的航行性能 .122.1 船舶快速性 .122.2 船舶阻力 .122.3 船舶快速性的研究方法 .162.4 船舶阻力预报方法 .173 兴波阻力理论 .193.1 兴波阻力特性 .193.2 双体“薄船”的兴波阻力表达式 .203.3 气垫船的兴波阻力表达式 .224 气垫双体船的兴波阻力理论推导 .244.1 双体船的兴波阻
2、力理论 .244.2 气垫双体船的兴波阻力理论 .265 算 例 .295.1 用 RANKINE波幅函数计算船体部分的兴波阻力 .295.2 用数值积分计算气垫部分的兴波阻力 .42结论与展望 .47致 谢 .48参考文献 .49外文翻译 .50本科毕业论文 摘要3摘 要船舶在航行过程中，特别是在海洋中，由于海况非常复杂，所以经常会遇到狂风骇浪或急流险滩，因此要求船舶坚固耐用、性能良好，能高速、平稳、安全地航行。所谓船舶的航行性能就是船舶本身所应具备的在海上安全航行的能力，它包括浮性、稳性、抗沉性、快速性、耐波性和操作性。快速性是船舶诸性能中的重要性能之一，船舶阻力是在造船工程实际密切联系，
3、对设计性能良好的船舶具有重要意义。气垫双体船包括有两个长宽比高的侧体支撑着一个长宽比低的平台。作为一种高性能新船型，气垫双体船具有极大的发展潜力，目前国内外正加速这种船型的研制。气垫双体船的兴波性能是多年来人们关注和研究的重要课题之一，尤其是针对该船型的大型化趋势。本文的研究方向是阻力，主要为兴波阻力的计算。用线性化水波理论，建立了气垫双体船兴波的数学模型。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很长的发展历史，Michell 积分适用于薄船理论，可以定性地分析中、高速船舶的兴波阻力性能。以 Michell 积分公式为基础，经过推导，从而得到气垫双体船的兴波
4、阻力公式。基于兴波阻力的薄船理论，用“兰金体”波幅函数（RWAF）代替实际船型的波幅函数，计算气垫双体船侧体之间的兴波阻力干扰，结合双体船、气垫船的阻力等的相关资料，并以实际算例来计算气垫双体船的阻力。关键词 气垫双体船；Michell 积分；兰金体波幅函数；兴波阻力；兴波干扰本科毕业论文 摘要4The navigational performance calculation of surface effect catamaran Abstract When ships are sailing, especially in the sea, because the state of the s
5、ea is very complicated, often meet storms and rough waters, so require the ships have durable, good performance, high speed, stability, and can sail safely. The so-called ship navigational performance is the ship itself should have the ability of safe voyage at sea, which includes buoyancy, stabilit
6、y and unsinkability, the rapidity, sea keeping performance and operability. The performance of quickening the ship is one of the important performance in shipbuilding, ship resistance is closely linked to actual engineering, design performance good ship to have the important meaning.The surface effe
7、ct catamaran incorporates twin high length-to-beam hulls to support a low length-to-beam platform. As a kind of high-performance new ship ,surface effect catamaran has great development potential.Recently the development of ship is accelerating at home and abroad and. The wave-making performance of
8、surface effect catamaran is one of the important topics that years people attention and research, especially in this ship type units trend.The direction of the research is resistance, mainly for the wave-making resistance calculation. The numerical model for wave profile of surface effect catamaran
9、presented in this paper is based upon linearized water wave theory. Choose the appropriate wave-making resistance theory, to express the resistance of ship in this article. Linear wave-making resistance theory has had a long history. Michell integral is appropriate for thin ship theory, can analyze
10、the high-speed ships, the wave-making resistance performance qualitatively. Based on Michell integral formulas, using the simple mathematical functions to express the hull form which to get the wave-making resistance formula of surface effect catamaran .On the basis of “thin ship” theory of wavemaki
11、ng resistance, the paper use Wave Amplitude Function (RWAF) to replace Michell Wave Amplitude Function(RWAF) of reality hull in calculating wavemaking interference factor between demi-hulls of asymmetric catamaran, and to determine wavemaking resistance interference, wave-making resistance of surfac
12、e effect catamaran can be determined by model resistance 本科毕业论文 摘要5test data or diagram of demihull and surface effect ships, and with actual example to calculate the resistance of the surface effect catamaran.Key Words surface effect catamaran; Michell integral; Rankine wave amplitude function; Wav
13、e-making resistance; Wave-making interference 本科毕业论文 正文61 引 言船舶阻力是影响船舶快速性的重要内容之一，影响着船舶的航行性能，因此船舶阻力作为船舶工程中一项重要的研究内容，长期以来都是国内外船舶专家学者所重视。最早对船舶阻力的研究，可以追溯到 19 世纪。经过几代学者不断的探索，对船舶阻力的计算准确已大大提高，但由于船舶本身是复杂的三维曲面，加之船体首位部剧烈的曲率变化，想要完全精确地给出船舶在某海况下运行过程中所受的阻力，目前还无法做到。阻力性能良好的船舶可以提高运输效率，节约能源，也直接关系到船舶的经济性能。船舶阻力性能评估是船型优
14、化的重要依据，阻力的预报方法也是一直是船舶工程界永恒的研究主题之一，因此船舶阻力计算和预报研究同时具有重要的学术意义和工程实用价值。1.1 立题背景及研究意义高性能船舶，是当今世界造船业的热门课题，近些年来，世界各国对高性能船舶的研究极为重视。这些船舶无论在军用上，还是在民用交通运输都占有相当重要的地位。基于不同的原理，高性能船舶有不同的船型或类型，它可以是基于阿基米德原理的排水型船，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。高性能船舶不一定是高速船，高速船也不一
15、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，因为它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，因此也不能称其为高性能船舶。为了提高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型船舶诞生，使船舶的航行性能有明显的提高。概括来说，高性能船舶的设计概念主要有双体和多体船型设计概念、半潜水体船型设计概念、动力增升船型设计概念以及复合船型设计概念。双体气垫船属于复合船型，由基本的船型设计概念有效地组合起来
16、，从多个途径来考虑减小船体阻力，提高航海性能而形成的复合船型。高性能船舶（如图 1.1）是现代高科技应用与发展的产物。在各种高性能新船型开发研制之初，以船舶水动力学为基础的各种水动力分析、计算方法被广泛引用于船舶的性能研究工作中，而且取得了良好的效果。其原因大致有如下几点：（1）20 世纪 70 年代初，船舶水动力学的一些分支，如线性兴波阻力理论及计算技术、浮体运动时的兴波及受力分析计算方法、势流理论、升力线与升力面理论等都已发展得较为完善和成熟，加上计算机的应用与普及，这些方法稍加改进便可用于高性能船舶性能的分析和计算。例如“薄船”兴波阻力的计算原理与方法，也许是最早被用于小水线面双体船性能
17、本科毕业论文 正文7计算的理论方法。其他如脉动源兴波速度势函数、源汇分布法等在小水线面双体船、穿浪双体船等的运动性能分析计算方面都得到了成功的应用。（2）单体船性能的理论研究方法的发展和已取得的成功为排水式高性能船舶性能的理论研究提供了基础和借鉴。例如，1971 年以切片理论为基础的单体船在波浪上运动性能计算预报方法（STF 方法） ，在使用过程中已被证明是很有效的。 1974 年，经李昌模（Lee C.M.）等人的改进，将其应用与小水线面双体船的波浪上运动性能计算。（3）由于排水型高性能船舶，如小水线面双体船、高速双体船或穿浪双体船等，它们的水下浮体都具有细长（或窄长）的几何特征，更接近于理
18、论计算模型所采取的“细长体”或“薄船”兴波阻力理论、细长船兴波阻力理论和切片理论对船体几何特征的要求，使计算结果更接近实际；所以其兴波阻力的计算结果和海浪上运动性能的计算预报能达到满意的程度。（4）因为小水线面双体船下体和稳定鳍的几何特征与飞机机体及尾翼相似，特别是水翼艇的水翼、地效翼船的机翼的流体动力原理，与飞机更为相近。所以，航空科学中的一些研究成果，包括理论计算方法、试验数据以及在此基础上建立的一些经验公式，都可以被引用到高性能船舶相应的性能计算中。 体体 体体体体体体体体体体体体体体体体体体体图 1.1 高性能船舶分类本科毕业论文 正文8船舶在水中具有排水量，运动时会产生阻力。大约在本
19、世纪初，出现了许多方法以在船体与水面之间形成一层空气层以降低或减小各种阻力影响。不过，当时的技术还不能把这些想法应用于实践，气垫船作为高性能船的一种应运而生，气垫船又称为表面效应船（Surface Effect Ship， SES） ，利用气垫作为运输工具的设想已有百年历史，但气垫船的发展时间并不长，真正出现气垫船还是 20 世纪 50 年代末的事。气垫船首先在马路上行驶的车上进行试验。1956 年英国工程师考克莱尔开始研究气垫船（周边射流式） ，并于 1959 年 7 月 12 日第一次横渡英吉利海峡获得成功。我国气垫船研究亦开始于 1957 年，并于 1959 年 7 月 12 日于旅顺海
20、面（从羊头洼到旅顺西港）成功地进行了长距离航行试验。因此，从某种程度上可以说，我国是首个在海面上进行气垫船长航试验取得成功的国家。在短短的三十多年时间中，气垫船的发展十分迅速，至今已有 2000 艘以上的各种类型的气垫船投入使用（其中苏联在北极区和海上油田使用的气垫船就达 1000 艘以上） ，涵盖军用和民用的许多领域，其发展速度远远超过了其他类型的快艇。世界各大国对气垫船都非常重视，而且研究进展也都相当迅速。气垫船就是利用船舶和水面/地面之间产生的空气压力即气垫来支撑其重量，使之部分脱离水面，从而实现减小阻力高速航行的一种新型船舶。气垫船的基本组成部分为运载舱、气垫围裙、推进系统和升力系统。
21、按照围裙的结构、推进方式和航行情况可分为三大类，即全垫升式两栖型气垫船、全垫升式非两栖型气垫船和侧壁式气垫船（前两种船型都属于全垫升式气垫船） 。无论是全垫升式还是侧壁式，都有宽广的甲板和舱室空间。在各种船型之中，只有气垫船尽管体积庞大仍然不致产生过大的阻力。众所周知，在军舰设计中容积矛盾非常突出，由于军舰的武备很多，尽管这些武器装备本身的质量并不大，但为了有足够的容积装载某些武器装备而不得不增大船的排水量。这样，由于船重增加，就不得不采用大功率发动机，并大大增加造价及日常消耗。气垫船的发展较彻底地解决了这一矛盾。与常规排水船相比，气垫船由于具有航速快、稳性较好、使用灵活、负载较大等优点，故而
22、在许多领域都具有广阔的用途。在军事上，气垫船可被广泛用作各种军用舰船。在名用领域，气垫船广泛用于交通运输及工业等方面。目前已有数十个国家将气垫船用于复杂水域、地域的高速客货运输。阻力问题和空泡问题是高性能艇发展的两个主要障碍。从流体力学的观点看，气垫船可以不受这两方面的限制，它是一种完全靠气垫托在水面上的航行器，它的吨位从原则上讲也并不受到限制，因而很有发展前途。随着气垫船技术的日益成熟，各种气垫船正向大型化、高速化、舒适化、低成本方向发展。为了适应远洋运输需要，气垫船的航程也将不断增大。同时还将不断提高适航性、稳性，改善经济性，降低噪声、减少维护工作量等。随着混合船型的出现，这一技术在气垫船
23、上夜得到了广泛应用。如组合式气垫船，首部及两侧前半部采用全垫升式的柔性围裙，前侧后部为浅侧壁并采用水动力推进，既具有两栖性，经济性又比全垫升气垫船明显提高，有广泛的发展前景。穿浪双体气垫船（WACC） ，即组合了穿浪艇在中低速时的耐波性和气垫船在中本科毕业论文 正文9高速时的快速性。以及由半潜式小水线面双体船和气垫船组合而成的半潜式小水线面气垫船（SSACV）等。复合船型这一信息表明，为了全面提高各种性能，未来的气垫船很可能不是单一的 ACV 或 SES，而有可能是由多种船型相互取长补短复合而成的复合船型气垫船。 1图 1.2 气垫船1.2 气垫双体船的概念气垫双体船就是属于高性能船型之一。2
24、005 年 6 月 29 日7 月 3 日，俄罗斯圣彼得堡市举办第二届国际海军展，俄海军“欧洲野牛”级气垫登陆艇闪亮登场，其优越的外观设计特别是尾部的 3 座巨型风扇格外醒目，吸引了众多外国游客，并引起了外国官方和公司的极大兴趣。气垫船是 20 世纪发明的一种水上高速运载工具，它是指利用船上的大功率风机，产生高于大气压的空气压入船底，与水面或地面之间形成气垫，使船体全部或大部脱离水面（或地面）而高速航行的船只。气垫船具有航速快、隐蔽性能好和垂直登陆相适应的机动性和灵活性等优点，能够在极短的时间内将登陆士兵和装备物资快速投送到敌方意想不到的岸滩，将潜在优势迅速转化为实际战斗力，达成“超越”和“震
25、慑”之目的。如今，气垫船这种世界各国竞相发展的高技术舰船已成为信息化条件下立体登陆作战中名副其实的“两栖轻骑” ，是未来战争中不可缺少的重要力量。近年来，越来越多的双体船占据了民用和军用船舶市场。它们新颖的外观、独特的综合性能受到世界各国的瞩目。顾名思义，我们一般把由两个单船体横向固联在一起而构成的船称为双体船。人类最早使用双体船是由于发现将两艘船横向连接在一起，可以从内河到海上航行而不容易翻船，早期曾将这种方法用在帆船上，建造了双体帆船，这种帆船在海上可以本科毕业论文 正文10承受较大的风浪。在此基础上，人们又发现双体船与同样吨位的单体船相比，具有更大的甲板面积和舱容，因此而被用于货船。20
26、 世纪 60 年代后，随着海上高速客运的迅速发展，高速双体船由于有宽大的甲板面积、空间和便于豪华装饰而被普遍看好，成为近几十年来高性能船中发展最快、应用最广、建造数量最多的一种。 典型的高速双体船由两个瘦长的单体船（称为片体）组成，上部用甲板桥连接，体内设置动力装置、电站等设备，甲板桥上部安置上层建筑，内设客舱、生活设施等。高速双体船由于把单一船体分成两个片体，使每个片体更瘦长，从而减小了兴波阻力，使其具有较高的航速，目前其航速已普遍达 35-40 节；由于双体船的宽度比单体船大得多，其稳定性明显优于单体船，且具有承受较大风浪的能力；双体船不仅具有良好的操纵性，而且还具有阻力峰不明显、装载量大
27、等特点，因而被世界各国广泛应用于军用和民用船舶。人们，一直梦想着能设计出那种可以克服阻碍其前进的某些物理特性的船舶。这导致了诸如水翼艇、地效应飞行器、双体船、气垫船以及一些混合船型的出现。双体气垫船作为一种高性能新船型，具有极大的发展潜力，目前国内外正加速这种船型的研制。近年来，在侧壁式气垫船基础上发展起来的气垫双体船受到了广泛的重视。这种船型可近似地看作为高速双体船与气垫船杂交的一种混合船型，它在许多方面可扬二者之长而避二者之短。从目前的实际应用来看，这种船型具有大气垫长宽比、深气垫、宽侧壁的特征，这些特征不仅改善了船舶的耐波性、中低速流体动力的品质、减少了波浪对围裙的冲击、提高了围裙的寿命
28、，而且改善了船舶的超载特性，使该船型易于向大型化发展，同时，由于双体气垫船具有宽大的片体，主机可直接置于片之中，也使传动装置大为简化。国内外正加速这种船型的研制，我国目前已有几艘船投人营运，可以预见这种船型将具有广阔的发展前景。2010 年 8 月英国国防部试验一种采用全新混合设计的双体气垫登陆船，该船由英国奎奈蒂克公司研发，主要满足英国皇家海军高速转运部队和装备（由两栖舰到滩头）的需要。这种先进登陆平台的学名为“局部气垫双体船” ，它具有航速高、载重量大和适航性能优越的特点。所谓“局部气垫双体船” ，是一种以瘦长型双体船为基础，辅以局部气垫作为支撑的双体船结构。这种船型的侧船体比一般的侧壁式气垫船的侧船体要宽，气垫位于侧船体和尾部密封装置之间，使用时由船上的升力风扇充气。借助这种宽大的气垫式侧船体，船只在航行过程中可以拥有较大的浮力和较高的航速，吃水也比较浅，因此该种船型结构在高速运载方面具有很大的应用价值。目前，各海上强国都在发展两栖突击能力，对各型登陆转运平台性能的要求也随之提升。英国海军将双体船和气垫船的优势结合，研发出“局部气垫双体船”，正是这一趋势的体现。
