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关于小水论文范文 小水线面双体船结构优化设计相关论文写作参考文献

分类:硕士论文 原创主题:小水论文 更新时间:2024-03-14

小水线面双体船结构优化设计是适合不知如何写小水方面的相关专业大学硕士和本科毕业论文以及关于С淘气包马小跳论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料下载。

摘 要:本文对小水线面双体船的应用现状以及其优缺点的分析,重点论述了其航海性能特点,并从外载荷分析和结构数值分析,探讨了水面航行和水下航行的小水线面双体船结构优化设计措施,并就未来发展进行了展望.

关键词:小水线面双体船;结构;优化设计

中图分类号:U662 文献标识码:A 文章编号:1006—7973(2017)11-0034-02

1 小水线面双体船概述

1.1 小水线面双体船

小水线面双体船,SmallWater planeAreaTwinHull,简称SWATH船,又叫半潜式双体船,其主要是由两个船体构成,且有水线面面积小等特点.2000年,由汕头大洋船舶工业总公司设计、建造了我国第一艘小水线面双体船——“海关201”艇(见表1),弥补了我国在此领域内高性能船型科技领域的空白.小水线面双体船的船体和支体均为流线型设计,舵和螺旋桨设在船体的主体后端支体宽度较小,小水线面双体船即便是满载其吃水线主要在支体中上部,所占的水线面面积小,航行时兴波阻力也小.从目前市场上投入运行的小水线面双体船的应用来看,其航速一般在20kn左右.

1.2 小水线面双体船优缺点

和常见的单体船舶相比,在相同排水量的设计参数下,小水线面双体船通常其船长小30%-40%,船宽则增大60%-70%;船舶吃水深度要大60%-70%;满载吃水线以下的船体面积大65%-85%.因此,从实际应用来看,小水线面双体船具有:①良好的耐波性.由于支柱和水面所接触的水线面很小,受到水中波浪的扰动力影响很小,运动周期长,运动加速度相对很小.②良好的操纵性.小水线面双体船的两个螺旋桨安装在船尾,能够保证两个螺旋桨有较大的回转力矩,回转性能良好.③较宽的甲板.虽然其排水量只有227t,但其甲板的总宽达到了13.3m,有利于船体布置.④生命力强.小水线面双体船上体采取的密闭箱形设计.具有很好的破损稳性和完整稳性,船体的复原力臂大等优势.此外,该船还具有快速性好、排水量变化敏感,适航性较强等优点.

但和此同时,小水线面双体船的不足也是显见的,主要表现在:和同等吨位的船舶相比,其停靠码头的吃水要更深,对码头水域环境要求更高;建造成本相对更高,船体的曲线设计和建造复杂,船舶建造工艺更复杂,增加了设计和建造的难度,对船舶重量控制技术要求更高;该类船舶不适宜于装载量以及变化明显的运输船应用要求;由于和水面接触水线面小,在遇到特大风浪的复杂海况时,容易受到横浪冲击,造成船体作业时摇摆周期短,特殊海况时的船体稳定性较差.

2 小水线面双体船航海性能分析

除“海关201艇”外,2003年,由上海船舶研究設计院设计出“新世纪1号”油田交通船,被誉为“全天候的不晕船”.2009年,由渤海船舶重工集团完成设计、建造的2500t小水线面双体船“实验1”号科考船建造完成,并交付使用,这也是我国第一艘加入CCS船级船舶.从应用情况来看,其具有很好的航海性能:

(1)快速性.和同等排水量的单体船舶相比,小水线面双体船的满足吃水线以下的船体表面积要增加65%-80%,因此,在同样的航速情况下,小水线面双体船的摩擦阻力要比单体船舶大很多,其低速航行时所遇到的阻力性能也比单体船舶差.但在高速航行时,小水线面双体船的兴波阻力小,其阻力性能要优于单体船舶.即,阻力->兴波干扰、阻塞效应;耐波性->螺旋运动(横摇和纵摇的耦合).因此,在设计、建造小水线面双体船时,其海上航速设计一般都较高,以突出其适航性.例如,“实验1”号其设计最大航速达到了15kn,“新世纪1”油田交通船的设计航速最大为18kn.

(2)浮性.小水线面双体船和海水面接触的面积较小,所以,即便很小的重量变化也会引起船体吃水面积的较大幅度的变化,这也是该类船舶表现出的又一特点.由于船体浮性受船舶重量影响较大,因此,小水线面双体船设计时一般都会设置完备的压载水舱,当船舶航行过程中燃油出现减少时,需要及时在压载水舱中打入一定量的压载水,以保证船体的正常吃水状态.此外,小水线面双体船的每1cm的吃水吨数和同等排水量的单体船相比,只有其20%-40%,一旦发生破舱会对船体浮性产生较大破坏.

(3)稳性.单体船一般需要考虑的是其横稳性,但小水线面双体船设计和建造时要充分考虑其横稳性和纵稳性.在横稳性方面,小水线面的横倾1°所需要的横倾力矩和单体船的要求相差不大,但纵倾时,小水线面双体船所需的恢复力矩只有单体船的10%-20%,因此,对于小水线面双体船的纵横稳性更要引起足够的重视.在保持较高航速时,该类船会出现较大幅度的艏倾,对船舶纵倾角很敏感.为了保证小水线面高速航行时的纵稳性,通常会在船体的艏或艉部内侧设定稳定鳍,以消除高速航行时产生的艏倾力矩,一般来说,艏鳍和艉鳍联合使用更有利于改善耐波性,且固定鳍设置会对船体的纵向运动影响大.

(4)耐波性.小水线面双体船具有良好的耐波性,和普通的单体船相比,其耐波性主要表现在:纵摇、横荡和垂荡运动的周期较长,能够有效避开了不规则海浪中产生的谐波,避免谐摇运动对船体的影响;在船艏或船艉安装减摇鳍便可很好实现了消除纵摇效果;在相同排水量下,航行时在波浪中的运动幅度、加速度都要小于单体船.良好的耐波性能,能够保证小水线面双体船在恶劣海况下也能保持平稳的航行,适航性较强.

3 小水面双体船结构优化

小水面双体船在耐波性、稳性、浮性以及快速性等方面具有其他单体普通船舶所不具备的优点,随着对水面航渡性能和适航性要求越来越高,在满足给定的各种约束条件下,解决结构重量等方面存在的不合理问题,通过对船舶的尺寸、形状、拓扑等因素,不断优化船舶结构设计,对提升小水面双体船的适航性能具有积极意义.

(1)外载荷分析.小水面双体船的航态主要有水面航行和水下航行两种,在进行外载荷航态下结构强度的影响时要充分考虑这2种航态.例如,当小水面双体船在水面进行航行时,船体的结构会受到波浪外载荷和静水力弯矩的影响,其横向波浪载荷是船舶的主要外载荷,包括横向波浪力、扭转力矩、首位分离力矩等需要根据CCS小水线面双体船设计、建造指南标准进行计算,并根据小水线面双体船的实际结构确定载荷的计算方法:浪向角90°——最大横向弯矩和垂向剪切;浪向角45°/135°——严重的扭矩组合工况;浪向角0°/180°——最大纵向弯矩.当建造好的小水面双体船下水航行时,低速航行所承受的主要外载荷来自于船体的深水压力,其压力大小和结构水深成正比例关系.为此,通过iSIGHT设计优化平台,嵌入遗传算法,集成Patran/Nastran软件,并选取了鳍板厚度、片体板厚(内/外侧)、上建板厚(上/下侧)、控制室板厚、控制室加强板厚、通道管板厚、通气管板厚、支柱板厚(内/外侧)、水舱板厚等多个变量.并定义要求结构最大应力≤优化前最大应力;结构重量<初值;结构重心低于初值等.经过结构优化,结构的总质量有了大幅降低,重心也比初值降低.结构性能方面,优化后的小水线面双体船的工况最大应力减少,结构重量和重心得到了优化目标.

(2)结构数值分析.船舶优化结构数值分析主要包括理论计算、实验验证和数值分析,通常使用的分析方法有有限元方法,计算船舶设计、建造的精度.具体来说,在对小水线面双体船的结构数值分析,经常使用到MSC系列的Patran/Nastran软件,通过其强大的建模、网络分析和响应数据后处理能力,以及计算和数据处理能力,对2种主要航态的小水线面双体船进行结构强度数值分析,从而得出尺寸、形状以及拓扑的具体优化结果.

4 展望

近年来,随着小水线面双体船在实际应用中越来越多,大多保持在百吨级,千吨级主要应用于海洋科考和海军方面.材质方面,大多选择应用铝合金材质.航速设计方面,最高航速一般都超过了20kn,海洋科考方面一般低于20kn.应用领域主要集中在客运、公务、科考等方面,近年来,海军装备方面也加大了小水线面双体船的应用.随着船舶设计和建造技术的不断提高,无论是船型还是结构方面都有了很大幅度的改进,出现了小水线面主体船的三体船型.船型也朝着大吨位方向发展,狭长的支柱和水下潜体得到了充分的利用,较宽的甲板和良好的耐波性更是成为游轮、远洋可靠以及作战舰艇应用的船型选择.未来,在船型、航速、航态设计和控制方面还有较大提升空间,也是提升我国小水线面双体船的设计、建造水平的重点研究领域和方向.

参考文献:

[1]刘志军,陈炉云,易宏.小水面双体船结构优化分析[J]船舶科学技术,2010(5):7-10

[2]尹群,朱安庆,朱克强.等. 小水线面双体船结构优化[J]船舶工程,2003(4):31-33

[3]任雅广.小水线面双体船的船型特点、应用现状和发展趋势[J]船舶设计通讯,2015(1):29-33

总结:本文是一篇关于小水论文范文,可作为相关选题参考,和写作参考文献。

参考文献:

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