一種翼滑艇和滑行艇新型尾鰭研究

江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 鎮江 212003

目前，國內外使用的船舶減搖裝置主要有舭龍骨、減搖鰭、減搖水艙和舵減搖[1-4]。這些減搖裝置大都用于減小船舶的橫搖，且多數使用于大型的排水型船舶。快艇減搖裝置的研究工作尚顯滯后。在高速艇尾部安裝壓浪板和楔形板[5，6]，在一定程度上能夠起到調整艇航行縱傾角、改善艇阻力特性的作用，但動穩性和航行安全性下降，有時甚至沒有保障；具有首置割劃式水翼的翼滑艇航行時動穩性更存在不足。

1 新型尾鰭及其水動力模型

1.1 新型尾鰭結構簡介

該尾鰭主要與淺V型滑行面線型配合，成對布置于船尾，由主板和鰭板構成主板，通過鉸鏈或聯接軸與艇尾封板下邊緣相聯接，鰭板聯接于主板外側邊緣。其中鰭板與主板的聯接主要有兩種類型。一種為鰭板固接于主板外側邊緣，可整體繞艇尾封板下邊緣轉動；另一種為鰭板通過聯接軸與主板外側邊緣相聯，鰭板可繞其邊緣連接軸旋轉。主板和鰭板平面形狀為矩形、梯形或普通四邊形。主板縱剖截面為矩形，鰭板縱剖截面為機翼形或弓形或月牙形。結構見圖1。

1-鰭板；2-主板；3-伸縮油缸；4-鉸鏈；5-艇尾。圖1 新型尾鰭結構示意圖

1.2 新型尾鰭水動力模型

尾鰭的主板和鰭板兩部分的剖面形狀以及在流場中的受力特性差異很大，分別分析水動力。

主板是一塊平板，水動力分析借助于平板滑行理論，而鰭板是一水翼，其水動力分析則運用三元機翼理論[7]。

尾鰭減艇縱搖時，左右尾鰭同時起作用，主板部分同時向下或向上轉動相同的角度，主板與艇底的夾角即為安裝角ε。規定向下轉主板時ε>0；向上轉主板時ε<0。尾鰭減艇橫搖時，左右尾鰭同時起作用，主板部分向相反的方向轉動相同的角度，即保持左右尾鰭的安裝角分別為+ε和-ε。根據尾鰭的受力大小及其位置參數，可以計算出對艇搖心的力矩，該力矩即為尾鰭產生的搖動對抗力矩，起減搖及調整艇航行縱傾角的作用。

2 滑行艇及翼滑艇運動模型

目前國內外對于高速艇在波浪中的運動幾乎全部采用試驗的方法預報耐波性。因此，借鑒現有常規船舶運動方程資料，并結合滑行艇和翼滑艇的特點，分析受力求解縱搖及橫搖恢復力矩項。運動方程中所涉及的慣性力矩、阻尼力矩、波浪擾動力矩和尾鰭產生的對抗力矩可以參考文獻[8]。下面重點介紹縱搖恢復力矩的計算。

艇的縱搖恢復力矩計算可以參考圖2、3。

圖2 滑行艇縱搖恢復力矩計算

圖3 翼滑艇縱搖恢復力矩計

滑行艇縱搖恢復力矩M(θ)為：

M(θ) =-LHXT(Lg-0.75lT)cosθ

≈-Δ(Lg-0.75lT)cosθ

(1)

式中：LHXT——滑行面升力，N；

Lg——重心至尾距離, m；

lT——濕長度, m；

θ——縱傾角，(°)。

翼滑艇縱搖恢復力矩MY(θ)為：

MY(θ)= -[LHXM(Lg-0.75lT)cosθ-

LGHL(LH2END-Lg)/cosθ]

(2)

式中：LHXM——滑行面升力，N；

LGHL——水翼升力，N；

LH2END——水翼支柱至尾封板距離，m。

滑行艇和翼滑艇(安裝尾鰭)線性縱搖運動方程可以表示為：

(3)

式(3)中從左至右依次為縱搖慣性力矩、阻尼力矩、恢復力矩、縱搖波浪擾動力矩、尾鰭減縱搖力矩。

3 滑行艇及翼滑艇推進系統模型

3.1 阻力模型

利用前蘇聯中央流體動力中心ЦАГИ法求艇的阻力。使用該方法需要查力矩關系曲線和動載荷系數關系曲線[9]，為了便于仿真模型實時調用這些數據，利用曲線擬合的方法得到λ=f(FNB)函數關系式。利用Matlab編制函數庫，就可以得到在不同航速vs情況下(即不同的FNB)對應的濕長寬比λ。

3.2 螺旋槳推進模型

螺旋槳是高速艇最常用的推進器，有效推力為

(4)

式中：KT——螺旋槳推力系數；

DP—螺旋槳直徑，m；

n——轉速，r/s；

t——推力減額分數。

3.3 阻力和推進仿真模型

在平動方程的基礎上建立該推進系統的仿真模型。

(5)

式中：m——艇質量(含附加質量)，kg；

TP——推進器有效推力，N；

RT—艇的總阻力，N。

4 算例及分析

利用Matlab/Simulink[10]建立滑行艇和翼滑艇運動及尾鰭減搖聯合仿真模型。限于篇幅僅將滑行艇運動-尾鰭減搖聯合仿真模型分別示于圖4、5。

圖4 滑行艇縱搖運動-尾鰭減搖聯合仿真模型

圖5 滑行艇橫搖運動-尾鰭減搖聯合仿真模

以上仿真模型將艇的縱搖運動和橫搖運動分開考慮，研究在正橫規則波及迎浪條件下艇運動及尾鰭減搖仿真效果。

選用排水量Δ=1.4 t的滑行艇和翼滑艇作為算例，其主尺度及艇型參數、螺旋槳及波浪條件分別見表1～ 3。

不同艇型及用途(減橫搖或減縱搖)的尾鰭幾何尺寸以及控制器相應的參數存在差異。通過建立快速性及減搖特性綜合優化模型，對尾鰭及控制器進行優化計算。結果見表4、5。

滑行艇及翼滑艇安裝尾鰭后在波浪中的航行縱傾角以及橫搖角情況見圖6～9。

表1 1.4 t滑行艇/翼滑艇主尺度及艇型參數

表2 V型水翼主要參數

表3 螺旋槳及波浪參數

表4 滑行艇運動PID控制尾鰭優化結果

表5 翼滑艇運動PID及PD控制尾鰭優化結果

圖6 滑行艇(帶尾鰭)縱搖角變化曲線

圖7 滑行艇(帶尾鰭)橫搖角變化曲線

圖8 翼滑艇帶尾鰭縱搖角變化曲線

圖9 翼滑艇帶尾鰭橫搖角變化曲

通過尾鰭的作用，滑行艇能夠以很小的波動(±0.21°)沿最佳航行縱傾角航行；橫搖運動幅值非常小，僅為0.025°；翼滑艇能夠以±0.17°的波動沿最佳航行縱傾角航行；橫搖運動幅值為0.08°。說明該新型尾鰭應用在V型艇底的快艇上，具有十分強大的減搖及實時調整艇航行縱傾角，進而保證艇在波浪中的動穩性及快速性的功能。

5 結論

滑行艇和翼滑艇新型尾鰭由于主板和鰭板具有獨特的水動力特性，與壓浪板最大的區別就是：壓浪板僅能產生使艇縱傾角減小的力矩，而面對艇航行縱傾角過小，需增大縱傾角時，卻無能為力；仿真計算結果表明新型尾鰭能夠根據艇運動信息，實時調整艇的航態，以保證動穩性和快速性。該尾鰭結構簡單、控制系統及執行機構復雜度不高，自身重量較小，便于實際工程應用，能夠彌補現有快艇運動穩定裝置的許多不足。

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