双体船的总体性能设计
高速穿浪双体船船型及性能研究_何义（1）
⾼速穿浪双体船船型及性能研究_何义（1）⾼速穿浪双体船船型及性能研究*何义赵连恩(哈尔滨⼯程⼤学船舶与海洋⼯程系,哈尔滨150001)摘要穿浪双体船(WPC)是在⼩⽔线⾯双体船和⾼速双体船的基础上发展起来的⼀种新型⾼性能船,它保留了SWATH 船型的低阻⾼速、甲板⾯积宽敞等优点,同时融合了深V 船型优良耐波性作者对穿浪双体船的船型及阻⼒和耐波性等⽅⾯进⾏了研究关键词穿浪双体船;耐波性;阻⼒分类号 U 661.3Study of Form and Performance of High SpeedWave Piercing CatamaranHe Yi Zhao Lianen(Dept.of Naval Architecture and Ocean Eng.,Harbin Eng ineering U niversity ,Harbin 150001)Abstract Wave piercing catamaran is a new type of high speed multi-hull ship w hich is different from conventional high speed catamaran.In this paper the hydrody -namic research of w ave piercing catamaran is described.It includes the study of resis -tance and seakeeping perform ance.The results are compared w ith those of round-bilge and deep-Vee hulls.Key words wave piercing catamaran;seakeeping;resistance图1 艇体型线图0 引⾔穿浪双体船(WPC)是80年代在⼩⽔线⾯双体船(SWATH)和⾼速双体船的基础上发展起来的⼀种新型⾼性能船,它保留了SWATH 船型的低阻⾼速、甲板⾯积宽敞等优点,同时融合了深V 船型优良耐波性,克服了SWATH 船⽚体⽆储备浮⼒和空间⼩等缺点因此WPC 具有⾼效节能,综合性能优良,建造⼯艺简单,使⽤成本低,技术风险⼩等特点,已为许多先进国家所采⽤[1]收稿⽇期:1996-05-31* 船舶⼯业国防科技预研基⾦资助项⽬责任编辑:刘⽟明第18卷第4期哈尔滨⼯程⼤学学报 Vol.18, .41997年8⽉ Journal of H arbin Engineering University Aug.,19971 性能与船型1.1 主尺度及⽚体形状在排⽔量已确定的情况下,选择穿浪双体船的长宽⽐L /B ,或确定修长系数L / 1/3,应以付⽒数F 为根据,在F =1.0~3.0的过渡航态范围,其修长系数越⼤则对阻⼒性能越有利,因此相应的长宽⽐L /B 值就越⼤穿浪双体船的容积付⽒数通常在1.5~2.5的范围,较⼤的修长系数可获得较好的阻⼒性能⽚体采⽤深V 形的横剖⾯形状,艏部龙⾻甚⾄可下沉到基线以下,以增加V 形的程度,形成极深V 形,可避免艇艏底部出⽔,从⽽减⼩波浪的拍击⽔线进⾓,根据付⽒数和结构⽅⾯的允许,取得越⼩越好对⾼速轻型穿浪双体船艉底横向斜升⾓,可以根据阻⼒性能和耐波性能来确定,通常采⽤较⼩的的值可获得较⼤的动升⼒,能提⾼艇的快速性能,同时有利于采⽤喷⽔推进器但对于航速较低、排⽔量较⼤的⼤型穿浪双体船,采⽤使后体变平来产⽣有效升⼒的⽅法是不可取的,这是因为升⼒正⽐于尺度的平⽅⽽排⽔量正⽐于尺度的⽴⽅这不仅不能获得所谓的滑⾏特性,改善阻⼒性能,反⽽会使耐波性恶化因此,对于此类船可以采⽤较⼩的艉端收缩系数和较⼤的艉底部横向斜升⾓ 1.2 浮体⼲舷与常规双体船相⽐,WPC 具有较⼩浮体⼲舷,尤其在艏艉两端,⼲舷⼤幅度减⼩,甚⾄为负值,这使得浮体的储备浮⼒沿船长具有合理的纵向分布,以减⼩船体对波浪运动的响应,避免发⽣失速这使穿浪双体船在波浪中具有较⾼的航速,提⾼耐波能⼒,改善船体运动性能,在较⾼的海情下减⼩晕船率,能正常使⽤和发挥武备的威⼒1.3 连接桥和中央船体的形状连接桥和中央船体的形状与船舶在波浪中的运动性能有密切关系连接桥的形状关系到储备排⽔量的分布,因此影响到穿浪双体船的航态控制和耐波性能连接桥的⽔线⾯尖瘦,能提供的附加储备浮⼒很⼩,特别是在靠近艏艉端部连接桥采⽤拱形的横剖⾯形状,有利于减⼩波浪对船体的冲击作⽤,也有利于船体的横向强度中央船体在艏部的龙⾻采⽤下垂的形式,横剖⾯呈深V 形,可缓和在⼤波浪中中央船体艏底部所受到波浪的砰击,同时提供附加的储备浮⼒在⼀般海情下,中央船体不与波浪接触,只有在很⼤的海浪中,其图2 剩余阻⼒系数曲线附加的储备浮⼒可防⽌由于浮体的储备浮⼒不⾜,⽽使船艏过于陷⼊波涛中,以⾄甲板上浪或发⽣埋艏现象1.4 浮体间距浮体间距增⼤,当F r <0.5时,对于静⽔阻⼒的影响,规律性不太明显;当F r >0.5时,⼀般对静⽔阻⼒有利,对耐波性也有利,间距越⼤对艇在横浪中的运动越有利,可使其横向和纵向加速度明显减⼩,特别是在较短横波长的情况下更为有利同时,使甲板⾯积增⼤,有利于舱室布置9 第4期何义等:⾼速穿浪双体船船型及性能研究图3 阻⼒⽐较和甲板载货但是过⼤的浮体间距对船体的横向强度不利,使艇的结构重量增加2 船模试验及结果2.1 船模尺⼨及试验状态试验模型为玻璃钢材料制作,外观光滑平顺,尺度为船模总长1.740m ,⽔线长1.560m ,总宽0.744m ,⽚体宽0.136m ,吃⽔0.036m ,型线图见图1 2.2 试验数据处理2.2.1 阻⼒试验及数据处理阻⼒试验在静⽔中进⾏,试验前对模型重量、吃⽔和浮态等参数进⾏了严格调整,完成了三种排⽔量时,不同航速下阻⼒的测量试验结果见图2 将阻⼒曲线换算成600t 实船的阻⼒曲线,并与同吨位单体船进⾏⽐较,见图32.2.2 耐波性试验及数据处理试验前对重⼼位置和纵横向惯性矩进⾏了仔细调整和校验,完成了迎浪航⾏三种航速不同波长的试验,同时测量记录了纵摇、升沉、艏加速度、艉加速度、波浪增阻,还完成了正横波浪中静⽌横摇试验,测量记录了横摇、升沉值,试验结果见图4,其它结果见⽂献[2] 为了解实船在⼀定海情下的耐波性,需将船模在⽔池规则波试验结果换算成不规则波条件的运动响应,采⽤ITTC 单参数谱,根据试验值可确定幅频响应函数,从⽽计算出不同有义波⾼和航速下对应的运动有义值,计算通过编程在微机上完成图4 耐波性试验曲线3 理论计算由于穿浪双体船⽚体间距⽐较⼤,如计算迎浪情况,可忽略⽚体间的相互影响,细长的⽚体较好地满⾜了切⽚理论的假设,可采⽤切⽚理论进⾏耐波性计算10 哈尔滨⼯程⼤学学报第18卷(a +A 11) Z +A 12 Z +A 13Z +A 12 +A 13 +A 14 =F Zc cos e t +F Zs sin e t(J +A 21) Z +A 22 Z +A 23Z +A 22 +A 23 +A 24 =M c cos e t +M s sin e t⽅程两边除2,满⾜(a +A 11) Z /2+A 12 Z /2+A 13Z /2+A 12 /2+A 13 /2+A 14 /2=F Zc cos e t /2+F Zs sin e t /2(J +A 21) Z /2+A 22 Z /2+A 23Z /2+A 22 /2+A 23 /2+A 24 /2=M c cos e t/2+M s sin e t /2式中, Z Z Z 分别为升沉加速度、速度、位移;分别为纵摇⾓加速度、⾓速度、⾓度;a 船本⾝的质量;J 船本⾝的纵向转动质量;F =F Zc cos e t +F Zs sin e t 是分解成余弦项和正弦项的升沉波浪扰动⼒;M =M c cos e t +M s sin e t 是分解成余弦项和正弦项的纵摇波浪扰动⼒矩;系数A 11,A 12 ,A 21,A 22 是流体动⼒系数,与频率有关其它符号说明参见⽂献[3]由于两⽚体完全对称,因此可按单体船的切⽚理论进⾏⽔动⼒系数计算及求解,但当对该船计算时应做湿表⾯修正,此修正应根据试验进⾏另外,由于艏部的特殊性,也应特殊处理程序说明见⽂献[4] 本计算在单体计算的基础上计算其耐波性能,包括纵摇、升沉、艏艉加速度、波浪增阻等理论计算及试验⽐较见表1表1 穿浪双体船理论计算与试验⽐较(浪⾼2.0m )纵摇/( )升沉/m 艏加/g艉加/g波浪增阻速度/kn 18301830183018301830理论2.331.300.760.700.400.440.160.251.441.85试验2.481.440.850.730.600.450.240.300.951.51理论计算结果接近试验结果,可以作为迎浪时的耐波性预报4 结果分析及结论(1)由剩余阻⼒系数曲线可知(见图2),此船的阻⼒峰现象明显 F r =0.5时不利⼲扰相互叠加,剩余阻⼒达到峰值,阻⼒⽐同吨位单体船⾼10%,⽆效⼲扰点F r 0据有关资料分析,此类船为0.7附近当F r >F r 0以后,剩余阻⼒曲线明显平坦,所以对于⾼速双体船设计状态取在0.7以后与⼀般单体船⽐较,低速时阻⼒性能稍差⼀些,⾼速时阻⼒性较优(2)通过计算600t 穿浪双体船在航速18kn 和30kn ,波⾼为2.0m (4级海情)和3.5m (5级海情)下的耐波性,并与常规圆舭船及深V 船的⽐较可知(见表2,表3):低速时,由于不11 第4期何义等:⾼速穿浪双体船船型及性能研究能充分有效发挥其穿浪性能,因此耐波性较差;当⾼速时,由于船型发挥了穿浪性能,⽚体象尖⼑⼀样穿过波浪,⼩的⽚体⼲舷更增加了其过浪性能,其运动性能除升沉外,普遍优于⼀般船型表2 穿浪双体船耐波性(浪⾼2.0m )纵摇/( )升沉/m 艏加/g艉加/g波浪增阻速度/kn 18301830183018301830穿浪船2.481.440.850.730.600.450.240.300.951.51深V 船2.172.100.430.570.410.580.240.372.483.06圆舭船2.752.560.650.820.620.740.300.422.632.92表3 穿浪双体船耐波性(浪⾼3.5m )纵摇/( )升沉/m 艏加/g艉加/g波浪增阻速度/kn 18301830183018301830穿浪船5.253.871.842.060.830.820.370.573.317.30深V 船4.334.541.141.470.641.030.390.655.439.08圆舭船5.135.331.461.920.831.330.450.745.779.23(3)波浪增阻在各种速度海情下均优于⼀般船型,因此,该船在波浪中可保持⾼航速通过研究表明,穿浪双体船在⾼速时是⼀种耐波性优良的船型,特别适合于车客渡船和其它对耐波性要求较⾼的船型因此,作者认为穿浪双体船是我国⾼速船发展的重要⽅向,具有⼴阔的应⽤前景参考⽂献1 赵连恩⾼性能穿浪双体船的发展与军事应⽤前景 94⾼性能船学术会论⽂西安,19942 哈尔滨⼯程⼤学新型船舶研究室穿浪双体船模型试验报告哈尔滨⼯程⼤学,19933 李积德船舶耐波性哈尔滨:哈尔滨⼯程⼤学出版社,19924 戴遗⼭船舶适航性计算⽅法船⼯科技,1977,(1)12 哈尔滨⼯程⼤学学报第18卷。
双体起重工作船总强度有限元分析
本模 型 坐标 系为 ： 坐标 系统 的原 点 取 在船 体 中 心线 与基线 相 交处 。ｘ轴 指 向船 首 为 正 ； Ｙ轴 由原
点 指 向左舷 为 正 ； Ｚ轴垂直 向上 为正 。
第 ３期
张
彬： 双体起重工作船 总强度有 限元分 析
等均 采用 二维 ３ ４节 点壳单 元模 拟 ， 他纵 骨 、 强 、 其 加
双体交通艇 总强度进行 了有 限元分析 ， Ｊ管义锋 、 黄涣青 、 谷家扬等 根据 《 海上 高速船人级 与建造
规 范 （０５ 》 沿 海 航 区 的 ２ ． 双 体 铝合 金 高 ２０ ） 对 ７ ６ｍ 速 客船 强度进 行 了分 析 ， 据 计 算结 果 对 船 体 的结 根 构 设计 提 出了合理 建议 。
图 ４ 有 限元模 型板厚分布 图
Ｍ， １．２ ￣ ＝ ９６ Ｃ
芝
６
２ ２ 边界条 件及 载荷 施加 ．
式 中 ： 为 横 向扭 矩 ，Ｎ ・ｎ； 。为水 线 面 修 正 系 肘 ｋ ａＣ 数， “ 按 规范 ” 中表 １ ．． ． 定 ；、 分 别 为双 体 ４６ ２３确 ６ｂ 船 片体 宽度 和 连 接 桥 宽 度 ， ｂ＝８ ６ｍ，， ４ｍ； ． ６ ＝２ ｄ
强度计 算 中发现 ， 尾部 上层 建筑 对于 强度影 响很 大 。
由于 强度需 要 ， 层 建 筑 的 部分 区 域 板 厚 从 ４ ｍｍ 上 增 厚 到 了 ６ｍｍ。
分析应 力结 果 汇 总见 表 １ 。表 中 ： 为 板 单元 中面
相 当应力 ； 为板单元 与 板格 长 边 和短 边 平行 方 向 的表 面力 ； 为表 示板 或 梁 构件 剪 应 力 。７ ０ｔ 体 ０ 双 起重 工作 船整体 变 形如 图 ５ 图 ６所 示 。 、
双体船的总体性能设计
双体船的总体性能设计双体船，也称为双体船只，通过采用两个船体并行排列的设计，具有较高的稳定性和良好的操纵性能。
总体性能设计在双体船的设计过程中起着关键的作用，旨在确保船只的运输效率、舒适性、安全性和可靠性。
以下是双体船的总体性能设计的要点和考虑因素。
1.水动力性能：包括船只的阻力、航速、船体稳定性和操纵性能等。
通过对水动力性能的分析和计算，可以确定出船只的最佳尺寸、型线和布局。
双体船的双船体结构使得其具有较低的阻力和较好的航速性能，但也需要确保船体之间的流体动力特性协调一致。
2.结构设计：包括船体强度、船体刚度和船体的耐久性等。
双体船的结构设计需要考虑两个船体之间的连接和相互作用，在保证结构强度的同时，还需要平衡船体的重量和稳定性。
3.载重能力：双体船具有较高的载重能力，可以满足不同的运输需求。
在总体性能设计中，需要对船只的载重能力进行估算和计算，以确保船只能够安全、稳定地携带所需的货物或乘客。
4.舒适性设计：双体船的双船体结构可以提供更好的平稳性和减少颠簸感，从而提高乘坐舒适性。
在总体性能设计中，需要考虑船舶内部的布局设计、客舱的舒适性和设施等，以提供更好的乘坐体验。
5.安全性设计：双体船的设计应确保船只能够在不同的海况条件下保持稳定，并具备良好的自救能力。
在总体性能设计中，需要对船只的稳定性、操纵性和防浸能力等进行评估和优化，从而提高船只的安全性能。
6.可靠性设计：双体船需要具备良好的可靠性，确保在长时间运输过程中能够保持正常的运营状态。
总体性能设计中，需要考虑船只的系统设计、设备选型和维护保养等，以确保船只的可靠性和故障率的控制。
总体性能设计是双体船设计过程中的一个重要环节，需要综合考虑不同的因素并进行优化。
通过合理的总体性能设计，可以使双体船具备较高的运输效率、舒适性、安全性和可靠性，满足不同的航运需求。
海上高速双体风电维护船结构方案及其强度分析
海上高速双体风电维护船结构方案及其强度分析随着全球对清洁能源的需求不断增加，风电成为了一种广泛应用的清洁能源。
但随之而来的维护难题也愈发凸显，因此海上高速双体风电维护船就应运而生。
这种船可以快速到达风电场，对风力发电设备进行维护和修理。
本文将介绍海上高速双体风电维护船的结构方案及其强度分析。
1. 结构方案海上高速双体风电维护船是一种具有双体结构的船舶，它由上部和下部两个船体组成。
下部船体负责船体稳定性和浮力提供，上部船体则负责机器设备的安装和操作。
下部船体是一个宽厚的双漂浮体，可以提供足够的浮力和稳定性，减少在风力发电设备维护时的晃动。
双漂浮体中间采用空腔设计，确保船只在任何情况下都能保持浮力平衡，同时增加了防波性能。
上部船体采用全天候船舶的设计，主要用于设备的安装和操作。
上船体在工作时需要稳定，因此在设计上采用了抵抗动力的方式来增加防倾斜性能。
船体内部结构设计合理，便于机器设备的安装，大大提高了船体的适应性。
2. 强度分析为了保证海上高速双体风电维护船的强度和稳定性，在设计时需要对其进行强度分析。
下面将从以下两个角度进行分析。
2.1. 船体受力分析在设计海上高速双体风电维护船时，需要考虑船体所承受的一个最大载荷，即在航行过程中，船体所受的最大作用力。
常见的船体载荷有惯性载荷、水动力载荷、风载荷和重力载荷等。
强度分析的目的就是为了确定船体在承受这些载荷时是否稳定，承受能力是否足够，并在此基础上选择合适的材料和结构。
2.2. 船体安全性分析海上高速双体风电维护船有着复杂的船体结构，在进行设计时需要考虑安全因素。
对于海上高速双体风电维护船而言，涉及到的主要安全因素有抗风能力、防波性能、抗倾斜能力等。
在安全性方面的分析主要是为了保证海上高速双体风电维护船在工作过程中保持平稳、稳定的状态，避免出现意外情况。
综上所述，通过良好的结构设计，并加上恰当的强度及安全性分析，可以保障海上高速双体风电维护船在风力发电设备维护时的安全性和可靠性，同时也可以提高工作效率，减少维护成本。
对玻璃钢双体游艇结构可靠度设计的分析
对玻璃钢双体游艇结构可靠度设计的分析玻璃钢双体游艇是一种现代化的船艇设计，具有轻质、高强度、抗腐蚀等优点，因此备受游艇爱好者的青睐。
对于这种复杂的结构设计来说，可靠度是一个至关重要的因素。
在设计玻璃钢双体游艇结构时，需要考虑许多因素，以确保其在各种环境条件下都能够安全可靠地运行。
本文将针对玻璃钢双体游艇结构可靠度设计进行分析，探讨其设计原则、关键技术以及未来发展趋势。
一、设计原则玻璃钢双体游艇结构设计的基本原则是确保其在使用过程中能够满足安全性、稳定性和可靠性的要求。
要保证游艇的整体结构具有足够的强度和刚度，能够承受各种海上条件下的载荷作用。
要考虑到材料的耐久性和抗腐蚀性，在海水中长时间使用下，游艇的结构材料需要能够保持稳定的性能。
还需要考虑到游艇的航行性能和舒适性，确保设计的结构能够满足用户对于航行体验的要求。
二、关键技术为了实现玻璃钢双体游艇结构的可靠度设计，需要运用许多关键技术来保证其设计的合理性和实用性。
需要进行结构的有限元分析与强度计算，通过模拟不同工况下的受力情况，确定结构的强度和刚度要求。
需要选用合适的玻璃钢材料，并进行有效的防腐保护措施，以延长游艇结构的使用寿命。
还需要对游艇的水动力性能进行充分考虑，通过流场仿真和实验验证，优化游艇的外形设计，提高其航行性能和稳定性。
三、未来发展趋势随着科技的不断进步和船舶工程技术的发展，玻璃钢双体游艇结构可靠度设计也将面临新的挑战和发展机遇。
未来，随着材料科学和工程技术的发展，新型的玻璃钢材料将会被应用到游艇结构设计中，以满足更高的强度和轻量化要求。
智能化技术也将被引入到游艇设计中，通过船舶自动化系统和智能化监测设备，提高游艇的安全性和可靠性。
还有望通过先进的制造工艺，实现游艇结构的模块化设计和定制化生产，以满足用户个性化需求。
玻璃钢双体游艇结构可靠度设计涉及到多个方面的技术和理论知识，在实际应用中需要综合考虑材料选择、结构设计、水动力性能等多个方面的因素。
双体船的总体性能设计
2 2
1 双体船的性能特点
1. 1 甲板面积大
IX =
2Χ
双体船单位排水量甲板面积比单体船大 50% , 如果考虑到双体船可以有效地增加上层建筑层次, 上述比例可达100% , 而不用担心稳性不够。 对需要 足够甲板面积和追求多层次上层建筑的客船、 游览 [1][2] 船、 渡船来讲, 双体船具有独特的优越性。 双体船连接桥增加了大量甲板面积, 但亦带来 了钢料重量明显增加, 因此, 双体船不宜于要求载货 能力大的货船和冷藏船。 1. 2 兴波小 双体船将片体宽度做得很瘦削, L b = 8～ 15, 甚至达 22。 当 F n > 0. 3 时, L b 大者, 对降低兴波阻 力和减少船波具有明显效果。 当选择的主尺度范围 使双体船处于低兴波状态的所谓有利干扰区, 双体 船的快速性能明显优于相同排水量的单体船。 尤其 是当高速单体船掀起巨大船波, 严重危害内河道中 过往小船及冲刷两岸河堤时, 内河双体船成了人们 [3] 期望发展的船型。 1. 3 稳性好 它又是双体船显著突出的特点。 双体船有两个 分开的片体组成, 使水线面的横向惯性矩大大增加, 所以复原力矩很大, 稳性极好, 稳性储备比单体船大
L) L)
高速双体船适航性研究表明[ 5 ] , 高速时的横摇 角和横摇加速度分别比低速时缓和3- 3. 5 倍和22. 5倍; 高速时双体船纵摇角和纵摇加速度超过相同 参数的单体船。 图1是常规单体船和双体船横摇和纵
33
摇3% 保证率的角度摆幅。
图1 单体船和双体模型横摇纵摇3% 保证率的角度摆幅
排水体积佛氏数 F b 谐摇时 qm 谐摇时 am
双体船 单体船
45 45
k b
对玻璃钢双体游艇结构可靠度设计的分析
对玻璃钢双体游艇结构可靠度设计的分析
玻璃钢双体游艇是一种以玻璃纤维增强塑料（FRP）为基材的船体结构，具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点。
如何设计其结构的可靠度成为制造商和设计师们需要考虑的重要问题。
玻璃钢双体游艇的结构可靠度设计需要考虑船体的强度和刚度。
由于双体船体的船身相对较窄，所以在设计过程中需要合理确定船体的纵向和横向强度。
这可以通过采用适当的纵向和横向加强结构来实现，例如加强梁和纵梁等。
玻璃钢双体游艇的结构可靠度设计还要考虑到船体的稳定性。
稳定性是指船体在静态和动态条件下保持平衡的能力。
为了确保船体的稳定性，设计师们需要充分考虑船体的形状、船宽、船重，以及船体上部结构的分布等因素，使船体能够在不同的条件下保持稳定。
玻璃钢双体游艇的结构可靠度设计还需要考虑到船体的耐久性和耐候性。
游艇通常会在各种不同的环境中使用，包括咸水、淡水和恶劣天气条件下。
设计师们需要选择合适的材料和涂层来增强船体的防腐蚀能力和抗紫外线能力，以延长船体的使用寿命。
玻璃钢双体游艇的结构可靠度设计涉及到船体的强度、刚度、稳定性、耐久性、耐候性和安全性等多个方面。
设计师们需要综合考虑这些因素，并采取合适的设计措施，以确保游艇的结构在各种不同的条件下都能保持稳定和安全。
高速双体船的总体性能
高速双体船的总体性能摘要：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。
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到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、装载量大等特点，因而被世界各国广泛应用于军用和民用船舶。
以船舶结构力学、静力学、流体力学为基础，运用计算方法，简单分析高速双体船的结构性能，从而证明双体船在未来的实用性。
关键字：高速双体船；结构力学；结构性能；结构材料随着科学技术的发展和生活水平的提高，以及军事应用方面的要求，高性能船在世界上获得了蓬勃的发展。
在50至60年代，水翼船优先得到了发展；在60年代中后期，气垫船进入使用领域，占领了部分水上高速客运市场；在70年代后期，高速双体船迅速崛起，并在北欧地区首先得到发展，澳大利亚后来居上。
据并不完全统计，目前全世界已有40多个国家和地区的200多家公司经营水上高速客运业务。
双体船作为高性能船舶的重要成员之一，其发展尤其令人瞩目。
高速双体船是一种集优良的耐波性、快速性、稳性和回转等各种航海性能于一身的高性能船型。
它既保留了小水线面双体船的低阻，高耐波性及常规双体甲板面积宽敞的优点，同时融会变通了深V船型的特点，克服了小水线面双体的片体无储备浮力、空间狭小和要求复杂的航态控制系统和传动系统等缺点克服了常规双体船的片体干舷高储备浮力过大，对波浪响应敏感，船体纵摇和摇周期接近，易出现“螺旋状”摇摆而引起乘客不适等缺点。
1.高速双体船的性能特点[1]双体船，即由两条船型一样，尺度相同的船体又名片体，中间采用连结桥将它们连结起来的一种船型。
这类船舶的一大特点是甲板宽敞、平坦。
在每个片体尾部各装一台主机和推进器石直线航行时，左右两只螺旋桨可同时运转发出推力。
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图3 平均破损吃水和破损舱长度, 它沿船长的位置和 渗透系数的关系
(m )
L 船长 (m )
Λ 破损舱的渗透率 计算步骤: ( 1) 参数
a ′ ′ d = f (X L . Λl L ) →Η d Η B
950 t L B = 1. 961 L b = 5. 12 b T = 1. 79
K b= 1. 61。
同时测试的海上救助拖船 ( 功率588 kW , 排水 量 880 t ) , 平均横摇角达 18° - 20° , 谐摇时达 27° 30° 。
中国船舶及海洋工程设计研究院双体船模型摇 摆试验[ 7 ] 结果见表2。 双体船横摇自摇周期随间距比 k b 增大而略有减小, k b 愈大, 如 k b> 2. 5时, 不仅 横摇角大大下降, 而且舷边加速度接近于单体船, 这 点尤为人们注意。 表 2
5级海 5级海 况下 Η况下 a 10° 0. 25 g 45° 0. 25 g
2
双体船的横摇特点是: (1) 当波长等于片体间距时, 双体船的两个片 体始终同时处在波峰、 波谷或者其他波浪斜率相同 的位置, 这时双体船只会作升沉运动而不产生横摇。 当波长等于2 ～ 3 倍片体间距时, 一个片体处于 波峰, 另一个片体处于波谷, 这时双体船横摇最激 烈。 我国沿海多此海况, 故旅客对沿海双体船持批评 态度。 (2) 双体船在大风浪中将如小木筏随波面运 动, 这时双体船最大横摇角等于最大波面斜度 180 如长波的 Κ h ≥20, 则双 h Κ( h Κ为波浪的坡度比) 。
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1. 6 不沉性
双体船破损时极大多数为不对称破损, 甲板边 缘入水角及破损横倾角较难满足 SOLA S 客船规范 要求。 因此, 在双体船总布置时, 应缩短片体内舱室 长度, 尤其应尽可能缩短机舱长度; 进入片体内的主 甲板上开口尽可能靠中, 门槛和舱口围板高度要适 当提高; 片体内力求不设置旅客舱; 适当提高干舷以 [9] 及采取必要的扶正措施。 。 在方案初始阶段, 采用下述图谱估算双体船的 不沉性。 符号说明: a 片体纵中剖面至双体船纵中剖面 的距离 (m ) B 1 片体宽 (m )
L (m ) B (m ) b (m ) D ( t ) k b 谐摇时 qm 谐摇时 am
双体船 单体船
45 45
k b
16. 5
5. 5 2×511 2 5. 5 1023 1. 5 1. 24 21° 1. 432 0. 7 2 1. 16 15° 1. 365 0. 5
15° 30° 2. 5 1. 12 11° 1. 2 0. 37
高速双体船适航性研究表明[ 5 ] , 高速时的横摇 角和横摇加速度分别比低速时缓和3- 3. 5 倍和22. 5倍; 高速时双体船纵摇角和纵摇加速度超过相同 参数的单体船。 图1是常规单体船和双体船横摇和纵
33
摇3% 保证率的角度摆幅。
图1 单体船和双体模型横摇纵摇3% 保证率的角度摆幅
排水体积佛氏数 F r△ =
DC b (m 4 ) 11. 4C bT CW
2 2
1 双体船的性能特点
1. 1 甲板面积大
IX =
2Χ
双体船单位排水量甲板面积比单体船大 50% , 如果考虑到双体船可以有效地增加上层建筑层次, 上述比例可达100% , 而不用担心稳性不够。 对需要 足够甲板面积和追求多层次上层建筑的客船、 游览 [1][2] 船、 渡船来讲, 双体船具有独特的优越性。 双体船连接桥增加了大量甲板面积, 但亦带来 了钢料重量明显增加, 因此, 双体船不宜于要求载货 能力大的货船和冷藏船。 1. 2 兴波小 双体船将片体宽度做得很瘦削, L b = 8～ 15, 甚至达 22。 当 F n > 0. 3 时, L b 大者, 对降低兴波阻 力和减少船波具有明显效果。 当选择的主尺度范围 使双体船处于低兴波状态的所谓有利干扰区, 双体 船的快速性能明显优于相同排水量的单体船。 尤其 是当高速单体船掀起巨大船波, 严重危害内河道中 过往小船及冲刷两岸河堤时, 内河双体船成了人们 [3] 期望发展的船型。 1. 3 稳性好 它又是双体船显著突出的特点。 双体船有两个 分开的片体组成, 使水线面的横向惯性矩大大增加, 所以复原力矩很大, 稳性极好, 稳性储备比单体船大
2 ～ 4倍。
现提供两个近似公式, 在初步设计中校核稳 性
[4]
CW T CW + C b 2 b 1 k 2 横稳心高度 BM = C w [ ( ) + 0. 06 ] T Cb 4 b 式中 CW 、 C b —片体水线面系数和方形系数
浮心距基线高度 K B =
b、 T —片体水线宽度和吃水 (m ) K —双体船的片体间距 (m ) 或参考文献[ 9 ] 一个片体实际水线面积 S = 0. 793 L b (m 2 ) 一个片体水线面自身惯性距
0. 355 g 0. 26 g 3. 0 1. 1 8°
静水自由横摇周期 T Υ( s) 谐摇时最大横摇角 Η m 舷边加速度 am am a 单体船 Η m a 单体船
0. 37g 0. 355g 0. 31g 0. 25 g
～1 0. 27
申温线 1 500 客双体船的耐波性试验结果见表
3。
表 1
34
( 单幅) 。 体船最大横摇角≤9° ( 3 ) 双体船横摇阻尼系数比单体船大 4- 7 倍, 双体船横摇衰减强有力。 如果遇到强浪, 双体船将很 快地从横摇中恢复原状 ( 单体船还将继续摇摆, 会与 第二个强浪来时叠加, 情况危险) 。 由此可见, 在大风浪中双体船的横摇程度比单 体船好。 上述资料, 从适航性角度对选择双体船主尺度 提供依据。 (1) 双体船片体间距比增大到一定程度, 不仅 横摇角大大下降, 舷边加速度反向单体船接近。 因 此, 选择双体船宽度 B 时, 不必担心舷边加速度与 船宽之间的矛盾。 (2) 必须阻止双体船横摇周期和纵摇周期接 近, 以防形成人们难以承受的 “扭摇” , 即对角线摇 摆。 若双体船的 L B > 3, 并在片体上设置舭龙骨来 延长横摇周期, 可以减缓或防止扭摇。 (3) 由于双体船片体瘦削, 升沉和纵摇均比单 体船大。 为防止波浪对连接桥的迫击, 必须适当抬高 连接桥距水面高度, 并将连接桥首部向后移。
1
V
c
{ 2 [ ( ix + (
1
n
K
2
)2 Sx ]
Χ x Χ
式中 V C —给定吃水下双体船排水体积 (m 3 )
n —液舱数目 I x —液舱自由液面 S x 对此纵轴的自身惯性
矩 (m 4 )
2 S x —液舱自由液面 (m ) 3 Χ x —液舱内液体密度 ( t m ) —船舷外水密度 ( t m 3 ) Χ
V g △1
3
参考文献 [ 5 ] 介绍的船模试验结果见表4。 波浪 ( 波长×波高) = 36. 6 m ×2. 44 m 表 4
L (m ) B (m ) b (m ) D ( t ) k b
海洋调查 双体船 40. 4 7. 6 2. 53 2×254 海洋调查 5. 06 508 单体船 40. 4
1. 4 操纵性好
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双体船的两个片体保证它有良好的航向稳定 性, 即使单机航行, 仍然在很小舵角下保持直线航 行。 两个片体造成两个桨之间和两个舵之间的间距 大, 使双体船获得很好操纵性。 当一车正一车倒时, 船能原地回转或作侧向移动。 航向稳定性和迥转性跟双体船片体间距在正常
Α最大 0. 4g 0. 35g 0. 5g 0. 25g 0. 2g 海浪 舷边加速度 Α 横浪 Η = 90° V = 8. 6 kn 时 Α平均 Α最大3 3 平均横摇角 横摇角3
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5 0. 07g 0. 24g 2. 7° 8. 4°
6 0. 17g 0. 5g 3. 3° 9. 6°
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双体船重心高度 Z g = H (m ) 双体船的浮心位置
Zc =
1 1+
Cb Cw
T (m )
双体船的初稳性高度
GM =
2Χ( I x &
)2
s
+ Z C - Z g (m )
式中 D c —双体船的排水量 ( t ) H —型深 (m ) —海水比重 ( t m 3 ) Χ 双体船液舱自由液面修正 ∃GM =
1
= f (x L , Λl L ) →d d ′d dd′ = f ( x L . Λl L ) →Υ Υ d′ d′ 分别由图2、 图3、 图4求得。
图4 破损纵倾角与破损舱长度, 它沿船长的位置和渗 透系数的关系
( 2) 修正系数 K 1Η= f (C B , X K d = f (C B , X
7 0. 12g 0. 36g 3. 7° 7- 12°
纵摇角 升沉 (m ) 艏加速度舯部加速度 2. 25° 0. 58 0. 22g 0. 13g 3. 9° 1. 19 0. 39g 0. 23g 横摇角 升沉 (m ) 艏加速度舯舷加速度 9. 2° 0. 75 0. 06g 0. 17g 13. 5° 1. 24 0. 1g 0. 25g
[ 20 ] 范围内变化几乎没有影响。
航速 (kn )
5级海况横浪下的平均摇角
0 2. 5° 5. 6 0. 09g 0. 26g
3. 8 3. 2° 5. 8 0. 07g 0. 2g
8. 6 2. 7° 5 0. 07g 0. 24g
平均横摇周期 ( s)
Α 平均
最大 Α
3 每小时仅出现5- 6次, 7 级海浪及以上的横摇角仅是 推算, 实际上均未超过波倾角。 3 3 出现次数少, 时间短, 船员对此加速度反应不敏感, 甚至没有反应。