地效翼船运动特性的数学仿真
三维地效翼展向效应数值模拟
三维地效翼展向效应数值模拟作者：杨韡杨志刚来源：《计算机辅助工程》2008年第03期摘要：为研究地效翼的展向效应，利用FLUENT软件求解定常不可压N-S方程和标准k-ε湍流模型，对在地面效应下三维地效翼的流场进行数值模拟. 首先，对给定面积和离地高度下不同展弦比的地效翼进行数值模拟；然后，对给定弦长和相对飞行高度下不同展弦比和带端板的地效翼进行数值研究. 计算结果给出不同展弦比和带端板地效翼的气动特性曲线，揭示展弦比和端板对翼尖涡涡核位置和下洗角的影响规律. 在地面效应下，机翼的展向效应更为明显，端板将进一步提高机翼的空气动力性能；翼尖涡的位置受地面影响向外移动，下洗角相应减小. 研究结果为地效飞行器的设计与优化提供理论依据.关键词：地效翼；展向效应；端板；下洗角；翼尖涡；数值模拟；FLUENT中图分类号：V211.51 文献标志码：ANumerical simulation on span-dominated ground effect of 3D wing in ground effectYANG Wei，YANG Zhigang(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Tongji Univ.，Shanghai 201804，China)Abstract：To study the Span Dominated Ground Effect (SDGE) of wing in ground effect，theN-S equations of steady incompressible flow and the standard k-ε turbulence model are solved by FLUENT，and the flow of 3D wing in ground effect is simulated under the ground effect. Firstly，given an area and a ground clearance，the wings in ground effect with different aspect ratios are simulated. Secondly，given a chord length and a relative ground clearance，the wings in ground effect with different aspect ratios and endplate are simulated. The curves of aerodynamic characteristics are provided for the wings in ground effect with different aspect ratios and endplate，the effects of aspect ratio and endplate on the position of wingtip vortex core and downwash angle are revealed. The SDGE is more prominent under the ground effect and the endplate further strengthens the aerodynamic performance of the wings；the wingtip vortex moves outwards due to the existence of the ground and the downwash angle is reduced. The simulation results provide theoretical basis for the design and optimization on the crafts of wing in ground effect.Key words：wing in ground effect；span-dominated effect；endplate；downwash angle；wingtip vortex；numerical simulation；FLUENT0 引言自20世纪60年代起，我国开始进行地效飞行器的研究工作.通过理论方法、风洞试验、实艇实验和数值模拟手段对地效飞行器气动特性方面进行研究[1，2]，积累了非常宝贵的经验.数值模拟作为重要的研究手段，能克服实艇实验和风洞试验成本高、周期长的缺点.屈秋林等[3]用有限体积法求解定常可压N-S方程和标准k-ε湍流模型，模拟某大型地效飞行器地面巡航全机流场；中国船舶科学研究中心的洪亮等[4]通过求解不可压N-S方程和非线性k-ε湍流模型，对该中心的“信天翁”号地效飞行器简化模型进行全机数值模拟.这些数值研究表明，通过数值模拟手段可获得具有一定精度的结果，并能节省大量物力和时间.飞行器升力主要由机翼产生，作为地效飞行器升力部件，地效翼的气动特性直接影响地效飞行器的气动特性.目前，通过数值计算方法已经对地效翼的气动特性作了一系列研究工作：XING等[5]利用数值方法对存在地面效应时二维机翼的空气动力特性进行研究；MOON等[6]针对AEV(Aero-levitation Electric Vehicle)系统的机翼设计，采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对在地面效应下不同参数的翼型进行研究；杨晨俊等[7]和HIRATA等[8]通过求解N-S方程研究带端板机翼的地面效应.通过这些研究人们已经认识到：地面效应可以使地效翼的升力和升阻比增加；并且相对飞行高度h/c越小，升力越大.当机翼靠近地面飞行时，伴随着升力增加和阻力减小，升阻比急剧上升.导致该现象的原因除了机翼的弦向效应(Chord-Dominated Ground Effect，CDGE)或称冲翼效应外，还有机翼的展向效应(Span-Dominated Ground Effect，SDGE).机翼的翼尖存在翼尖涡，在使来流产生下洗角的同时，给翼尖造成升力损失；在地面效应下，翼尖涡和下洗角发生变化.无论是地效翼的弦向效应还是展向效应，对地效飞行器的气动特性至关重要.本文忽略机身的干扰，通过对不同展弦比的三维地效翼和带端板的地效翼进行数值模拟，重点对地效翼的三维SDGE进行研究，加强对地面效应现象的认识.1 数值方法文献[6]通过对几种不同参数翼型的研究指出：NACA 4406翼型在相对飞行高度h/c=0.1，攻角2°时，升阻比L/D可以达到91.86，具有良好的气动特性.因此，这里选定此翼型进行三维机翼在地面效应下的SDGE数值模拟.利用FLUENT软件求解定常不可压N-S方程模拟地效翼的气动特性及周围流场.雷诺数Re=6×106(基于弦长)，采用标准k-ε湍流模型，机翼壁面满足无滑移边界条件，运动地面满足：(u，v，，0，0)，，n为地面法向方向.入口和出口分别选用速度入口和压力出口边界条件.带端板地效翼端板下缘与地面平行，到地面距离为展弦比为一不带端板和带端板的计算模型网格，见图1.2 计算结果及分析2.1 地面效应下三维展向效应传统飞行器的机翼三维气动特性与机翼展弦比有直接关系.当地面效应存在时，地效翼气动特性将同时受到弦向效应和展向效应的影响.考虑相同投影面积和离地高度所对应的不同相对飞行高度和展弦比下无端板三维地效翼，气动力数值模拟结果见图2.当机翼面积给定时，地效翼受到的升力大小完全取决于其升力因数.从图中可知：随着展弦比的增大，即使相对飞行高度也增大，地效翼的升力因数仍然增加；当相对飞行高度减小时，展弦比相应减小，地效翼的升力因数减小.地效翼的升阻比也具有相同的变化趋势.因此，对于三维地效翼，展弦比仍然是其气动特性的主要决定因素.2.2 展弦比和端板对地效翼气动特性的影响在相对飞行高度0.1，攻角0°下，二维地效翼、不同展弦比和带端板三维地效翼的气动特性曲线见图3.从图3可见，随着展弦比的增大，升力上升，阻力下降，升阻比增加；地面效应使升力明显升高，阻力下降，升阻比大幅度提高.由于端板较薄，带端板地效翼的形状阻力几乎不增加，而总阻力下降.无论从升力还是从阻力看，端板有增强地面效应的趋势；从展弦比增加到4开始，由于增加端板而引起的升阻比增加量基本保持恒定；在地面效应下，当机翼的展弦比增大到8时，升力、阻力和升阻比达到基本稳定的状态.图4所示为相对于无穷远空间的机翼，不同展弦比的地效翼和带端板的地效翼由于地面效应引起升阻比的增加率.从图中可见：当展弦比为1时，增加端板后地面效应几乎增强1倍；随着展弦比的增加，机翼地面效应增强，当展弦比为4时，在地面效应下，机翼和端板组合形式的升阻比与无穷远空间的机翼相比增加120%；展弦比再增加时，机翼的地面效应达到稳定状态，端板效应降低.图5所示为在弦向位置x/c=0.8，翼尖附近机翼表面压力因数沿展向的分布情况.翼尖涡附着在翼尖的上表面，形成相对较大的负压，而该负压区域的大小在展向不受地面效应影响，甚至不受端板效应的影响；在地面效应下，由翼尖涡造成的翼尖下表面的压力损失大于在无穷远空间的压力损失，展弦比越大，压力损失越大；端板使翼尖下表面的压力损失明显减小，提高有效展长.2.3 下洗角和翼尖涡的变化三维地效翼在靠近地面飞行时受地面效应影响，流场结构改变，机翼翼尖涡位置和气流下洗角大小与无穷远空间自由飞行相比都发生很大变化.展弦比为4的机翼在无地面效应、有地面效应和有地面效应带端板3种情况下，翼尖附近的总压分布见图6.从图6可以清晰地看出：由于上下翼面存在压差，气流从下翼面绕过翼尖在翼尖上翼面形成翼尖涡，并且拖向下游；当存在地面效应时，机翼下表面的流动变得更加复杂，上下翼面压差增大，翼尖涡被地面向外侧挤压；增加端板后，下翼面的气流受到阻挡，不能轻易绕过端板到达上翼面，因此在端板的下端和翼尖的上翼面同时出现拖曳涡，在拖向下游的过程中合并为1个涡系.翼尖涡是三维机翼升力损失的主要根源，随着在地面效应下地效翼流场结构的变化，翼尖涡的结构也相应变化，该变化有益于地效翼的气动特性.通过特征向量法[9]确定的翼尖涡涡核位置曲线见图7.坐标参考点位于机翼翼尖前缘.由于地面效应的存在，翼尖涡从机翼后缘开始迅速远离机翼对称面，展弦比越大，外移量越大；同时，翼尖涡受到地面的阻挡，在纵向上有一定上移，展弦比越大，上移量越大.在地面效应下，气流的下洗角明显减小；无论在地面效应下还是在无穷远自由空间，展弦比增加，该点的下洗角减小；在展弦比为1时，采用端板形式使下洗角有一定的降低，而在大展弦比下，由于端板造成的下洗角降低不明显.3 结论(1)给定面积和离地高度的三维地效翼，随着展弦比的增大相对飞行高度变大，升力和升阻比增加；展弦比是三维地效翼气动特性的主要决定因素.(2)在地面效应下，固定机翼的弦长、升力和升阻比随展长增加，增加率远大于在无穷远自由空间的计算结果.三维机翼在地面效应下更有效.(3)地效翼在近地面飞行时，由于地面阻挡，翼尖涡一方面沿展向外移，另一方面上移；气流的下洗角明显减小，随着展长的增加，这种变化更加明显.(4)带端板的地效翼的升力和升阻比有一定提高，这是由于端板能够保持翼尖下表面的高压、减少翼尖涡造成的升力损失所致；在小展弦比时，端板作用明显，随着展长的增加，端板效应相对降低；当展弦比为4时，机翼和端板的组合形式对地面效应的利用达到最优. 对三维地效翼的数值模拟可以深入揭示地效翼气动特性和翼尖涡结构及展弦比、端板对流场的影响规律，为地效飞行器设计和优化提供理论依据.参考文献：[1]恽良，邬成杰，谢佑农. 动力气垫地效翼船的流体空气动力性能研究[J]. 中国工程科学，2000，2(4)：48-52.[2]杨晖. 地效飞行器的发展和展望[J]. 飞行力学，2001，19(1)：13-17.[3]屈秋林，刘沛清. 地效飞行器地面巡航气动性能数值模拟及分析[J]. 航空学报，2006，27(1)：16-22.[4]洪亮，余秉汉，洪方文，等. 三维流场下地效翼船巡航状态非线性湍流气动的数值模拟[J]. 船舶力学，2003，7(1)：23-32.[5]XING Fu，WU Baoshan. Investigation on numerical prediction of WIG’s aerodynamics[J]. J Ship Mecha，2004，8(6)：19-30.[6]MOON Y J，OH Hyeon-Joon，SEO Jung-Hee. Aerodynamic investigation of three-dimensional wings in ground effect for aero-levitation electric vehicle[J]. Aerospace Sci & Technol，2005(9)：485-494.[7]杨晨俊，王国强，申明秀. 带端板地效应翼性能的数值研究[J]. 上海交通大学学报，2000，34(1)：51-55.[8]HIRATA N，KODAMA Y. Flow computation for three-dimensional wing in ground effect using multi-block technique[J]. J Soc Naval Architects Jpn，1995，177(1)：49-57.[9]SUJUDI D，HAIMES R.Identification of swirling flow in 3D Vector fields[C]// Proc AIAA 12th Computational Fluid Dynamics Conference，95-1715，San Diego，USA，1995.(编辑廖粤新)“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”。
地效翼船
地效飞行器的升阻比高，因此可获得更大的承载能力和经济性。其设计与制造对可靠性的要求、建设费用均 比飞机低，售价约为同级飞机的50%～60%。地效飞行器在水面起降，不占用宝贵的土地资源，并可节省大量的机 场和跑道建设费用，其通讯、导航、空地勤保障条件要求也较低，运营成本明显低于飞机；
地效飞行器的速度为每小时120～550公里，是船舶的数倍艘海洋地效翼船是702所设计的，上玻所制造的12座海上地效翼船XTW-2于1992年9月在珠海试飞成功， 第二艘12座海上地效翼船是702所设计北海达洋翼船开发的12座XTW-3海上地效翼船，1997年起在广西北海试飞成 功，第3艘是702所研制的20座XTW-4海上地效翼船，1999年在长江口，2000年在青岛进行了系统的试飞，第5艘 是由702所、北海达洋翼船有限公司设计，南京银河龙翼船公司制造的AB606海上地效翼船，2001年在海南分水海 面试飞成功，该地效翼船制造了2艘在南海海面进行了长期的运行。
2、隐蔽性能好，突防能力强。
地效飞机综合了舰船和飞机两者的优点，集高速性、隐蔽性和攻击性于一身，既能高速掠海飞行，又能有效 利用雷达盲区，神出鬼没，使对方难觅足迹；既可在水中机动，从水中、水上发起攻击，也可贴海飞行，实施精 确打击。这种得天独厚的优势和强大的突防能力远非一般作战舰船和飞机所能相比。
地效飞行器可用干海上救援，能够快速反应，及时到达出事地点，而且能够在水上降落、展开救生。俄罗斯 在建的“救生者”海上救护地效飞行器上，装有全套医疗设备如手术室、康复室及烧伤中心，可设150张病床、 载500名轻伤员，或承载700~800人等待援助。此外，地效飞行器还可用于海上搜索和反潜作战，其搜索效率远远 超过其他任何海上飞行器。
分类
动力气垫型
动力增升型
地效翼船复杂流场的计算与分析
Ｎｕｍ ｅ ｉ ａ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｓ ｏ ｓ Ｃｏ ｐ ｉ ａ ｅ ｏ Ｆｉ ｌ ｒ ｃ ｌＳｉ ｌ ｔｏ ｆ Ｖｉ ｃ ｕ ｍ ｌｃ ｔ ｄ Ｆｌ ｗ ｅ ｄ
Ａｒ ｕ ｄ Ｗ ｉ －ｎ Ｇｒ ｕｎ Ｅｆ ｅ ｔＣｒ ｆ ｏ ｎ ｎｇ ｉ － ｏ ｄ－ ｆ ｃ ａ ｔ
网格 的特有 的分块形式， 用标 准 一 湍流模 型计算 了ＸＴ 采 ￡ Ｗ４地效翼船 巡航状 态空气绕流流场 ， 同时将计算得到
的 结果 与 实验 值 进 行 对 比 ， 合 较 好 。 吻
关键词 ： 算流体动力 学； 效翼船； 计 地 附体 ； 准 ｋ￣湍流 模 型 标 － 中 图分 类 号 ： ７． ４ Ｕ６ ４ ９ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ；０ ５２ １ （０ ７ ０— １７Ｏ １０ ６ ５２ ０ ） １０ ｌ一４
Ｆ ｂ ｅ ．２ ０ ０７
地 效 翼船 复 杂流 场 的计 算 与分 析
洪 亮 陶 钢 洪 方 文 徐 秉 汉
（ ． 京 理 工大 学 动 力 工 程学 院 ，南 京 ，２０ ９ ；２中 国船 舶 科 学 研 究 中心 ，无锡 。 １０ ２ １南 １０４ ２４８ ）
摘 要 ： 用 数 值 计 算 方 法 对 含 有 全 部 附体 地 效 翼 船 粘 性 绕 流 进 行 计 算 分 析 。 据 地 效 翼船 的 复 杂 几 何特 性 ， 造 应 根 构
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第 ３ 卷第 １ ９ 期 ２０ 年 ２ ０７ 月
南
京
航
空
航 天 大 学 学 报
Ｖｏ１ ３９ Ｎｏ．１ ．
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮａ ｊ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆＡｅ ｏｎ ｕｔｃ Ｊ ｔｏ ａ ｔｃ ｏ ｒ ａ ｎｉ ｉｅ ｓｔ ０ ｒ ａ ｉ ｓ ＆ ｒ ｎ ｕ ｉｓ ｏ ｎ ｙ Ａｓ
(完整word版)船舶预测数学建模模型
武汉理工大学第十一届大学生数学建模竞赛承诺书我们仔细阅读了《武汉理工大学第十一届大学生数学建模竞赛的选手须知》。
我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。
我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。
我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。
如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。
我们的竞赛编号为： C 10我们的选择题号为：B参赛队员：队员1：刘晓辉队员2：刘春华队员3：黎燕燕评阅编号：中国船舶行业未来趋势发展预测摘要:本文建立了本文建立了关于中国船舶预测的数学模型，通过对船舶简单分类，并分析每类船舶的特点，进而分析了国际船舶市场需求的结构性变化、国际船舶市场需求、国内船舶企业造船业务比例等影响因素；采用了线性拟合和统计分析方法，运用回归方程对误差做了最小化、最优化处理；用改良模型对中国船舶业未来三年的发展做出了预测；并在最后给出了对有关部门建议的文章。
关键词：差方分析、线性拟合、统计回归、误差消除模型、结构变化。
中国船舶行业未来趋势发展预测一．问题重述中国船舶行业未来趋势发展预测2008年由于国际金融危机导致的航运业不景气，国内船舶企业相对过剩的产能使得产销率达到近几年的最低点。
从中国船舶行业的产销率看，近几年来也一直是下降的趋势。
中国船舶工业协会表示，2011年以来，国际船舶市场需求出现结构性变化，大型集装箱船、LNG(液化天然气船)及海洋工程装备等高附加值产品主导国际船舶市场，但上述高附加值产品订单基本为韩国、新加坡造船集团所垄断，国内船舶企业承接新订单难度增大。
今年以来约有半数以上的造船企业尚未获得新的订单合同，个别造船企业出现船台空置，无船可造的局面。
船舶操纵运动预报计算及三维仿真
船舶操纵运动预报计算及三维仿真刘 畅 朱仁庆 杨松林摘 要 以M M G 操纵性数学模型[1]为基础,严格导出该模型的无因次化方程组。
以Windows N T 为平台,采用Open GL 作为图形处理和三维仿真的技术基础,选择4阶定步长Runge -Kutta 法作为求解方程的数值计算方法,积分求解该数学模型,获得描绘船舶操纵运动诸参数在时域内的解。
考虑到程序的开放性以及后期进一步的扩充和完善,预留了接口,可以方便地加入其它诸如船舶耐波性等数学模型,为全面仿真船舶运动打下基础。
关键词 操纵性 仿真 数学模型 计算方法 Open GL1 纵性数学模型的建立111 简化的MMG 方程组(u,v,r 表达)以日本操纵性数学模型研讨组(简称MM G)提出的一个操纵性数学模型为基础,从工程应用角度建立简化形式,作为本文讨论的数学模型。
m #(Ûu -v #r )=X =X H +X P +X R m #(Ûv -u #r )=Y =Y H +Y R I z #Ûr =N =N H +N R(1)式中:m )))船舶本身的质量;I z )))船舶对通过重心的z 轴的惯性矩,取I z =L 216#m ,其中L 为船长;u,v )))航速V 在动系G -xy z 上沿G x 、G y 轴的投影;r )))角速度8在动系G -xy z 上沿G z 轴的投影;Ûu ,Ûv ,Ûr )))速度分量对时间的导数;X ,Y ,N )))分别为作用于船舶上的水动力和力矩沿G x 、G y 、G z 轴的投影;下标H 、P 、R 分别表示船体、螺旋桨和舵。
(1)式中右边的水动力表示为:X =-K 11#Ûu +(X v r +K 22)#v #r +X v v #v 2+X rr #r 2+X (u )+X R 0+(1-t)#T (J p )-F N #sin DY =-K 22#Ûv +Y v #v +(Y r -K 11#u)#r +Y N L +(1+A H )#F N #cos D N =-K 66#Ûr +N v #v +N r #r +N N L +x á#Y H +(x R +A H #x H )#F N #cos D(2)式中:X v v ,X vr ,X rr )))船体纵向水动力的二阶导数,X vv ,X rr 与(X v r +K 22)相比较为小量,一般可忽略;X (u ))))直航时的船体阻力曲线;X R 0)))零舵角时舵的阻力,一般很小,在快速性计算中归并在船体阻力中;t )))螺旋桨推力减额分数;F N )))舵水动力的法向分量(垂直于舵面);D )))舵角;F N #sin D ,F N #cos D )))F N 在G x 和G y 轴上的投影;作者单位:刘畅、朱仁庆、杨松林)))华东船舶工业学院。
地效翼船
11.1掠海地效翼船发展背景掠海地效翼船是一种能够贴着水面飞行，航速大于150kn的特殊船型。
它比飞机有更大的升阻比，气动效率高。
可以在海上随时起落，安全性高，具有飞机无法达到的载重量。
掠海地效翼船在贴近地面（地效区内）飞行时，具有一般舰艇不可比拟的耐波性和高航速。
从1897年法国人最早提出“地面效应飞行”概念至今，人类对地效翼船的理论研究和实验已有了上百年的历史。
20世纪20年代初，一些水翼艇和飞机专家分别从船舶和飞机技术延伸，开始对掠海地效翼船进行研究，如1923年，苏联科学家、世界上首批直升机设计者——尤里耶夫发表了“地面对水翼空气动力特性影响”的论文。
1935年，芬兰工程师卡里奥成功地实验了一种小展弦比的地效翼船。
3年后，瑞典工程师特罗因格研制了“飞翼”型地效翼船模型。
但此后由于地效翼船的一些关键技术问题，如纵向稳定性等没有得到很好地解决，因而进展迟缓，直到20世纪50年代之前，掠海地效翼船的发展进程不大。
从20世纪50年代，被誉为俄罗斯水翼船之父的P.E.阿列克塞耶夫及其高速船设计群体，成功地开发并批量生产了“火箭”号、“流星”号和“海燕”号等世界知名的水翼船型号，其航速高达60-100km/h，曾被广泛地用于内河、湖泊、水库等水域的交通运输中。
但是，高速航行时水翼上出现的空泡现象制约了水翼船航速的进一步提高，120km/h这一数值成了该型船航速的实际极限。
1959年，P.E.阿列克塞耶夫提出了将不受空泡干扰的气动机翼用于高速船的设想。
经过几年的探索研究，这一科学设想催生出了一个新的高速船型，即地效翼船。
1966年，最大起飞质量544t、最大航速500km/h的“里海怪物”号多用途艇等多个型号的舰艇，并正式编入俄海军服役。
其用途之一是作为超高速导弹攻击艇，以对付航空母舰编队。
继“里海怪物”号研制成功以后，阿列克谢耶夫等人又在20世纪70—80年代相继研制成功5个型号的地效翼船并投入使用，1974年，“雏鹰”号地效翼船首次试飞成功并取得成功。
新概念船舶：地效翼船
个地 效 翼进行 了世 界上 第一 次 前 苏联 的格 格霍 夫斯 基提 出 了 栖性 ，并 有可 能采 用优化 船身
风洞 试验 。后来德 国人 Ａ．ｅｚ 利 用动 态 气垫设 计两 栖地 效翼 设计 ，使 地效 翼船 的技 术得到 Ｂ ｔ 从 理论 上对地 效物 理现 象作 出 船 的设想 ，美 国的 Ｄ 沃纳设计 了飞速 的发展 。 ．
能提 高航速 ，是 因为 在船 底 下 研 制成 功 的最 大地效 翼船 已达 是 引起航 空界 特 别关注 的研 究 安装 了水翼 （ 即机翼 ） ，由于水
一
蠢 磊
翼在水 中运动产生 了水动升力 ， 其升 力与 机翼面 积 、攻 角航速
平方成正 比 ， 当达到一定值时 ， 即把 主船体 抬 出水面 ，而 大大 减 小 了船 体 所 生 产 的 水 阻 力 ，
地研制 出 了 Ｘ — ｌ ２型地效翼 １
船 ，基本 解决 了地 效翼 船的纵 向稳定性 问题 。 以后 ， 前苏联 与 美 国等 国家对 动 力增升 理论 的 研究 ， 应用动 力增升 原理 ， 更好 地解 决 了地效 翼船 起飞 与着陆 课题 。在 １ １ 年 ，航空界对 这 也 都在 进行 研究地 效 翼船 ，如 系统 ，从 而使地 效 翼船具 有两 ９２
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工艺技 术
新概 念船 舶 ：地效 翼 船
阮振 华 世界科 学技术的进 步 、经 在这 个新 概 念 设 想 已实 现 了 ， ５ ０ 、最快航 速达 ５ ０ ５吨 ０ 公里 ／ 济 的发展 、生 活水 平的提 高都 在 ２ 世纪 ６ 年 代国外研制成 功 小 时 ，地效 飞高 ０—２ 米 （ ０ ０ ０ 见 促进 各种 交通 工具 向高速 化 发 了这 样一 种新颖 超 高速 高性 能 图 １ 。 ） 展 ，具 有几 千年 历史的 水上 交 船舶 ：地 效翼船 。 通 工具船 舶也不例外 。从 ２ ０世 地 效翼船 的原理 探索应追 所谓地效 翼船就 是船舶具 溯到 ２ 世纪初 ，当时 在航空实 ０
船舶运动模型
X m(u v ) Y m(v u ) xG u cos v sin 两坐标系运动关系 N I z
yG u sin v cos
7
X mxG Y0 myG N I z
9 June 2013
二、运动坐标系统下的船舶运动微分方程
3、运动坐标系
O xyz (O G )
4、运动微分方程 u uG 速度关系 v vG xG
力矩关系 惯性矩关系
N NG m(vG uG ) xG
2 I z I zG mxG
G xyz
6 9 June 2013
二、运动坐标系统下的船舶运动微分方程
1、运动坐标系
.
G xyz
. .. ..
t 0
2、运动微分方程
t
X 0 , Y0 , N , xog , yog , xog , y og , I z
. .
X , Y , N , u, v, u, v, I z
X 0 X cos Y sin 两坐标系力关系 Y0 Y cos X sin
X m(u v ) Y m(v u ) xG u cos v sin 两坐标系运动关系 N I z
yG u sin v cos
8
X mxG Y0 myG N I z
11
O xyz (O G )
G xyz
X m(u v ) Y m(v u ) N I z
O x y z
X mxG Y myG N I z
9 June 2013
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ａ ｌ ２
，
△８ 一 ａ ｍ △８ 一 ａ２１３△８ ～ ａ２１ △８ ＋ ｚ ｙ ２ ｋ Ｘ Ｃ ｂ ５
的局部修 改和 自控 系统参 数 的选 择提 供依据 。 动数 学仿 真的基础 是地效 翼船空 间运 动方程 组 。因此 ， 运
建 立空 间运 动方程 组 ， 把各 种干 扰作 用用数 学 的方法 加 以描述 ， 并 作为 运动 方程 的输 入 ； 同时 由系统 的
输 出， 即空 间运动 方程组 的解 ， 可直 观地 了解地 效 翼船在 各种 干扰 下 的运动 特性 ， 而通 过修 改设 计 参 进
波 飞行 的升 沉运动 是否能 自行抑制 ； 中抛射 物体 （ 抛救 生物 品 、 空 如 布设 水听器 等等 ） 时地效翼 船 的运动 是 否容易控 制 ； 操纵 时 ， 地效 翼船 对各操 纵面偏 角 的响应特性 是 否符合使 用要求 等 等。这些 都牵涉 到地
效 翼船设计 方案 的稳定 回路和操 纵 回路 的形 成 。 在设计 阶段 ， 尚无 实船可 以进行 实地试 验验证 时 ， 学模 拟方法 ， 当 数 即所谓 运动 数学仿 真 的手 段 ， 可 以 比较直观 地研究 、 考察 和评价设 计方 案在各 种干 扰作用 下 的运 动特性 （ 稳定性 和操 纵性 ） 为气 动布 局 ，
４卷 ９
第 ３ （ 第 １ ２期 ） 期 总 ８
周 谦 ， ： 等 地效 翼 船 运 动 特 性 的 数 学仿 真
Ｘｌ 。一 △ ，Ｘ ｌ 】一 △ ，Ｘ 】 ２一 △ ，Ｘ ｌ ３一 △
，Ｘ ｊ ４一 △
，
Ｘｌ ５＝ △ 。
则 地 效 翼 船 空 间 运 动 无 量 纲 线 性 化 方 程 组 ～ 为 ：
文 章 编号 ：１ ０ — ８ ２ ２ ０ ） ３ ０ １ — ０ ０ ０４８ （０ ８ ０— １２０ ６
地 效 翼 船 运 动 特 性 的 数 学 仿 真
周 谦 ， 徐 新 发 ， 袁 昌华
（ 国船 舶 科 学研 究 中心 ， 苏 无锡 ２ ４ ８ ） 中 江 １ ０ ２
为今后 进行 地效翼船 动态 实时仿 真打下 了 良好 的基础 。 ・
２ 地效 翼 船 空 间运 动 的数 学模 型
从地效 翼船非 线性 空间运 动方程组 和运 动学方 程 出发 ， 借助 小扰 动线性 化理论 ， 并假 设初始运 动 条
件 为不 对称运 动 （ ≠ ０ ≠ ０ ， 结合地效 翼船 自控 系统 的控制方 程 ， 过线性 化和无 量纲化 处理 ， ， ）再 经 得 到地效 翼船空 间运 动的数学模 型 。
数（ 包括气 动 布局 参数 和 自控 系统参 数 ） 地 效翼 船 在各 种 干扰 作 用下 的稳定 性 和操 纵性 符合 使 用 要 使 求。 因此 ， 过建立地 效翼船 空 间运 动线性 方程 组 ， ＭＡ 通 在 ＴＩ ＡＢ平 台上建立 地效 翼船空 间运 动数学模
型， 进行地 效翼船 不 同干扰 下 的数学仿 真计 算 ， 一步 研究 和探讨 地 效翼 船运 动稳 定性 和操 纵性 问题 ， 进
，
．
ａ ｌ ｌ ｌ
，
△瓯 一 ａ ，△ 一 ａ ． △ ～ ａ １５△ ＋ ＡＣ ｌ １ ２ １ １ ３ １
，
ｄ ｌ＋ ａ １ ｌ＋ Ｘ Ｘ ２
＋
ｘ＋
ｄ ３＋ Ｘ
ｘ
。
＋ 孥＋ ＋ 案＋
，
．
口 ｊ＋ ａ２Ｘｅ＋ ａ ｖ ｚＸ ｓ ６ Ｘ ＋ ａ２Ｘ８＋ ａ ９ 。＋ ａ２１１Ｘ ｌ ２ ８ Ｘ ２ ｊ＋ ａ２１Ｘ １ ， ２ ２＋ ａ２ｌ￣ ３＋ ａ２１ Ｘ ：Ｘ 。一 一 ５
摘
要
通 过 对 各 种 干扰 输 入 信 号 进 行 数 学描 述 ， 立起 基 于地 效 翼船 空 间运 动 方 程 组 的数 学模 型 。 再 以 ＭＡＴ 建 —
Ｌ ＡＢ 为工 作 平 台， 用 Ｍ Ａ ／ ＵＩ Ｅ 编 制 地 效 翼船 的 数 学 仿 真 计 算软 件 。最 后 利 用 该 数 学仿 真 软 件 对 采 ＴＩ ＡＢ Ｇ Ｄ 地 效 翼船 的 设 计 方 案进 行 各 种 干 扰 作 用 下运 动特 性 的数 学 仿 真 计 算 。仿 真计 算 结 果 表 明 ： 效 翼船 的 数 学 仿 地
＋ ＋ ｘ 孥＋ ｘ ＋ ｘ ＋ ＋ 。 ＋ ＋
Ｊ＿ “
∞
．
ａｌ 。＋ ・Ｘｓ＋ ａｌＸ ＋ ａｌＸ８＋ ａ 。＋ ａ１１１ １ ｓ Ｘ Ｔ ８ ｌＸ ｇ Ｘ ｌ＋ ａ１１Ｘ ｌ ．２ ２＋ ａ１ Ｘ 。 。＋ ａ１１ Ｘ ；一 ～ １３ ５
设 Ｘ１ Ａ 一 Ｖ，Ｘ２ △ Ｘ３ △Ｈ ，Ｘ４ △ Ｘ５ △ 一 ａ， 一 一 ， 一 ，Ｘ６ △声 Ｘ７ △ ， 一 △∞ ， 一 △ 一 ， 一 Ｘ８ Ｘ９ ∞，
收稿 日期 ：０ ６１－ ９ 修改 稿 收 稿 日期 ：０ ７０ —２ ２０ —１０ ； ２０ —３２
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真可 以考 察 和 评 价设 计方 案 在 各 种 干 扰作 用 下 的 稳定 性 和 操 纵 性 。
关 键 词 ：船舶、 舰船工程； 地效翼船； 数学仿真， 稳定性 ， 操纵性
中图分 类号 ： ６．３Ｕ ７．４ Ｕ６１３ ； ６４９２
文献标 识码 ： Ａ
１ 引 言
地效翼 船在巡航 飞行 和进行 战术机 动时 ， 遇到 各种干 扰 ， 会 比如波 浪的连续 干扰 。此时地 效翼 船凌
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４ 卷 第 ３期 （ ９ 总第 １ ２期 ） ８ ２０ ０ ８年 ９月
中
国
造
船
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ． （ ｅ ｉｌＮｏ １ ２） １４ ３ Ｓ ｒａ ． ８
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