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原文传递五体船型的性能与载荷研究

论文题名：	五体船型的性能与载荷研究
关键词：	多体船;五体船型;破舱稳性;阻力性能;波浪载荷;小水线面;横摇运动模型
摘要：	五体船是最新的船型之一，已有的多方面研究显示它具有优良的性能和广阔的应用前景。特殊的船型为其带来了性能上的优势，也带来了设计研究上的难度。本文针对五体船的特点，对其性能、载荷等方面进行了深入系统的研究，并初步探讨了特殊五体船型。 1．采用静力学方法进行了五体船完整稳性的专门研究，在三体船基础上推导了五体船的大倾角稳性公式，并分析了几种情况下的简化公式，计算比较了三体船和五体船的大倾角稳性，分析了侧体横向位置、垂向位置对复原力臂曲线的影响。 2．首次进行了五体船破舱稳性的定量分析。采用损失浮力法计算了五体船的破舱稳性；比较了三体船与五体船的破舱稳性特性，分析了五体船侧体横向位置、纵向位置、侧体大小等因素对全船破舱稳性的影响。关键性结论包括：五体船破舱稳性性能优于三体船，侧体横向位置远离主体、后侧体纵向位置靠近船舯、后侧体较大时破舱稳性性能较好。 3．通过试验途径研究了五体船的阻力性能特性，以及五体船后侧体型线形式、位置改变、对称形式、排水量改变、长宽比改变对阻力的影响。试验中曾对后侧体采用了较深的方尾，但出现了严重的“鸡尾”现象，通过修改型线使方尾变浅，型线过渡平滑，大大降低了总阻力。这是本文的意外发现。后侧体的长宽比、前侧体有无吃水等因素是首次考虑；并首次尝试降低后侧体排水量以使总阻力降至极低(由三体船中的3～4％降至本次试验中的1.3％)。为了考察五体船阻力的预报方法，本文采用了SHIPFLOW计算了兴波阻力，它采用严格满足非线性自由面条件的Rankine源法计算了兴波阻力。采用ITTC-1954公式计算摩擦阻力，采用经验公式从试验结果换算兴波阻力系数。采用试验和理论对比的方法，证明了非线性兴波理论在五体船侧体位置优化中的适用性。 4．在纵向(迎浪)运动中，针对五体船型的特点，首次将一种用于单体船大幅度运动预报的工程算法引入五体船运动计算，并取得了成功。本方法基于STF切片理论，计入船体运动时湿表面的变化及其对船体流体动力性能的影响，水动力系数和波浪力等均取瞬时值，采用四阶龙格-库塔法对运动微分方程求解。首次采用本理论分析了五体船纵向运动中的非线性特征，采用随机波方法考察了五体船纵向运动的非线性特征；采用试验方法比较了三体船和五体船的波浪增阻的特征；比较了三体船和五体船的纵向运动特征；得到了前侧体位置对纵向运动影响的一系列结论。关键性结论包括：垂荡运动非线性特征明显、纵摇运动不明显；低速下五体船波浪增阻特性优于三体船、高速下逊于三体船；中频区五体船运动幅度小于三体船；前侧体位于船中时对运动响应影响已经不大，位于船首、位置较低时对纵向运动作用较大。五体船与三体船的横摇运动也通过试验进行了对比，发现三体船的横摇优于五体船。鉴于五体船的特殊性，有必要建立船体横摇运动的理论预报模型。本文首次采用势流理论和经验公式相结合的方法建立了横摇运动模型。 5．根据五体船的特点，提出了一种新的纵向运动非线性水弹性分析的工程算法。首先在干模态分析中仍然将船体视为铁木辛柯梁，流体作用力采用原始切片理论得到，最终得到一个形式与线性水弹性相近、关于各阶主坐标的微分方程组，各刚度矩阵、广义质量矩阵、广义阻尼矩阵、波浪力矩阵均取瞬时值。微分方程采用四阶龙格-库塔法求解。在船体外力中还计入了外飘砰击力的影响。并对静水力作了一种新的处理方法。将在刚体模态下计算得到的运动响应与耐波性试验结果做了比较，证明了计算程序的可靠性。对船体波浪弯矩进行的计算分析得到一系列关键结论包括：在中低频下，五体船相对三体船船中弯矩幅值明显增大，五体船在全船范围内各站弯矩幅值都高于三体船；三体船与五体船的中拱弯矩差别并不大，而且基本上是线性关系；而中垂弯矩则五体船明显大于三体船，而且呈现较明显的非线性特性。五体船中垂弯矩明显大于中拱弯矩。首次比较了前侧体位置对船中弯矩幅值的影响，与位于船首时相比，得到了位于船中时较小、位置较低时较大的结论。 6．作为附带研究，构想了一种特殊的五体船型——小水线面中体五体船，并对这种船型进行了主尺度优化方面的初步研究。
作者：	贺俊松
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	肖熙
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文