Resistance and Seakeeping Numerical Performance Analyses of a Semi-Small Waterplane Area Twin Hull at Medium to High Speeds

The hydrodynamic analysis of a new semi-small waterplane area twin hull （SWATH） suitable for various applications such as small and medium size passenger ferries is presented. This may be an attractive crossover configuration resulting from the merging of two classical shapes： a conventional SWATH and a fast catamaran. The final hull design exhibits a wedge-like waterline shape with the maximum beam at the stem; the hull ends with a very narrow entrance angle, has a prominent bulbous bow typical of SWATH vessels, and features full stern to arrange waterjet propellers. Our analysis aims to perform a preliminary assessment of the hydrodynamic performance of a hull with such a complex shape both in terms of resistance of the hull in calm water and seakeeping capability in regular head waves and compare the performance with that of a conventional SWATH. The analysis is performed using a boundary element method that was preliminarily validated on a conventional SWATH vessel.

侧体尺度对小水线面三体船纵向运动影响研究

小水线面三体船主、侧体尺度相差较大,因此,理论上侧体尺度具有无数种方案。目前,多数学者侧重于对侧体位置的研究,而对小水线面三体船侧体尺度对其水动力性能影响的研究还不够广泛。采用基于势流理论的AQWA软件进行数值模拟计算。首先,为确保计算过程中参数设置的准确性,对AQWA软件计算船舶耐波性的可靠性进行验证;然后,研究系列傅汝德数Fr下侧体尺度变化对小水线面三体船的耐波性响应。结果显示,在波长船长比变化时,垂荡纵摇RAO随侧体尺度改变产生了非单调的变化。不同航速下,垂荡和纵摇性能最优的侧体尺度不一致。综合所有航速考虑,L_(c)/L为0.3和0.35的侧体方案耐波性能较好。研究结果可为小水线面三体船的设计提供借鉴。

基于有限元法的小水线面双体船结构优化

小水线面双体船结构复杂,需要有效的工具对其进行优化设计,在满足强度刚度要求的情况下控制结构重量。本文利用优化软件Altair.OptiStruct、Msc.Nastran、iSIGHT对一艘小水线面双体船结构进行了尺寸优化、形状优化、和拓扑优化。结构优化基于有限元法完成,以结构重量作为目标函数,结构应力作为约束条件。优化结果表明,通过选择适当的设计变量,能够在结构应力不超过规定上限的条件下使结构重量显著降低并达到最小值。

小水线面四体船的阻力特点分析

从粘性阻力、兴波阻力和旋涡阻力3个方面分析小水线面四体船(以SLICE为代表)的阻力特点,讨论了浮体横向错位、支柱和潜体形状、航速和吃水对兴波阻力的影响.结果表明,在浅水中一定航速范围内,与等排水量的小水线面双体船(SWATH)相比,SLICE有一定优势.

小水线面双体船五自由度运动建模与仿真

[目的]为了提高航海模拟器中小水线面双体船(SWATH)的模拟精度,更好地掌握此类船舶的操纵特性,[方法]根据SWATH船型的运动特点,在MMG三自由度模型的基础上,较为完整地计入耦合的纵荡、横荡、艏摇、横摇及纵摇运动,建立SWATH的五自由度运动数学模型。基于此应用模型建立SWATH的实船数学模型,对该数学模型进行微分求解,仿真模拟SWATH的旋回运动、Z形运动,并进行定性分析。[结果]分析显示:仿真模拟结果符合SWATH操纵运动原理及实际运动特征,验证了数学模型的准确性。[结论]该模型可真实反映实船的运动规律,可应用于航海模拟器中。

基于移动脉动源格林函数的小水线面双体船耐波性频域计算

基于三维移动脉动(3DTP)源格林函数,针对安装稳定鳍的小水线面双体船(SWATH),计入两片体之间的水动力干扰、黏性和稳定鳍的影响,建立了SWATH耐波性频域计算方法.通过与SWATH试验模型(SWATH-M)的试验结果对比,验证了计算方法的可靠性,进而研究了航速对SWATH-M耐波性的影响,并分析了黏性和稳定鳍对SWATH-M整船所受水动力的贡献.结果表明,基于3DTP的船体运动计算结果与试验结果吻合良好.船体的运动响应算子随波长变化呈现出双极值.随着航速提高,短波共振区附近的运动响应算子极值增大,而长波共振区附近的运动响应算子极值降低.黏性和稳定鳍对阻尼系数的影响主要体现在垂荡-垂荡阻尼系数和纵摇-纵摇阻尼系数上,对波浪干扰力的影响主要体现在垂荡力虚部和纵摇力矩实部.

沈括号小水线面双体科考船综合航行性能优化

沈括号小水线面双体型(SWATH)科考船由上海泰和海洋科技有限公司委托,中国船舶科学研究中心(CSSRC)自主研发设计。该船总长63.0 m,满载排水量2246.0 t,已于2019年3月份建成交船。该SWATH船型围绕设计要求,应用中国船舶科学研究中心在SWATH研究领域系统研发的最新研究成果,开展了综合优化设计及性能预报工作。本文针对设计螺旋线,介绍了"沈括号"的优化研究设计及优化方案的快速性、耐波性、操纵性评估及预报结果,其优秀的综合航行性能在实船试航及马里亚纳海沟海域处女航中得到了充分验证和展示。

带首鳍斜支柱SWATH水动力的数值研究

该文是将CFD软件FLUENT用于带首鳍斜支柱SWATH粘性流场计算的一个尝试和探索性研究,重点在对有自由液面模型的研究。文中详细模拟了不带自由表面和带有自由表面的情况下有首鳍和不带首鳍,以及在带有自由表面的情况下首鳍0度攻角和5度攻角时SWATH周围的粘性流场,计算了其所受到的阻力和力矩,数值模拟与实验结果大体上吻合良好。

基于STAR-CCM+的小水线面三体船阻力数值仿真

[目的]小水线面三体船因具有良好的耐波性、快速性及稳定性而在民用和军用领域受到青睐,但不同的水下潜体形状及不同侧体位置在不同航速时的阻力变化规律还有待研究。由于开展船模试验所需时间较长、成本较高,难以将全部可能的方案都进行试验,因此利用STAR-CCM+平台对小水线面三体船周围的粘性流场进行数值模拟。[方法]考虑到自由表面效应的影响,首先验证采用STAR-CCM+平台进行阻力数值计算的可行性和可靠性;其次,研究系列傅汝德数下不同侧体位置时,潜体横剖面为圆形的小水线面三体船阻力的变化规律。[结果]结果表明,随着航速的增加,侧体布置于主体后部并向主体靠拢时,小水线面三体船的总阻力较小;在Fr=0.338~0.494范围内,小水线面三体船的总阻力较细长型三体船总阻力的降低最为显著。[结论]研究结果可为同类型船舶的设计提供一定的借鉴和参考作用。

鳍结构对SWATH船纵向稳定性及运动性能的影响

针对保持SWATH船纵向运动稳定鳍的结构尺寸难以确定的特点,从实船对鳍的展长和弦长取值的约束条件出发,利用计算机仿真出SWATH船在40kn的航速范围内保持纵向运动稳定的鳍结构尺寸的变化范围,然后,从这一范围内确定出不同航速且具有一定运动性能要求的鳍尺寸变化范围。以此为基础仿真出了对应于不同航速SWATH船在静水中的升沉和纵摇运动性能指标的变化范围。结果表明,此方法直观、有效,能初步确定稳定鳍尺寸并分析静水中鳍尺寸对SWATH船运动性能影响。

基于多目标遗传算法的SWATH船稳定鳍优化设计

针对稳定鳍的各参数对SWATH船纵向运动性能具有较大影响的特点,建立了稳定鳍的多目标优化模型,并运用基于Pareto解的多目标遗传算法对其求解。然后,以SWATH-6A为例对稳定鳍进行了优化设计。从仿真结果来看,在相同条件下优化得到的稳定鳍能使SWATH船具有更好的纵向运动性能。因此,本文的优化方法是合理的、有效的,有一定应用价值。

小水线面双体船的发展及在海军舰船领域中的应用前景

阐述了小水线面双体船的发展现状和动向,以及小水线面船的技术特点,结合其特点和国内外应用情况,提出了在海军舰船领域的应用前景。

基于参数化子模型的SWATH船典型节点抗疲劳设计

复杂的交变载荷、特殊的结构形式和高强度钢的大量使用使小水线面双体船连接桥结构的疲劳强度问题尤为突出。针对此问题,研究在整船有限元分析的基础上,采用子模型法对SWATH船支柱体高应力集中区域的典型节点进行基于Miner线性累积损伤理论和Weibull分布连续模型的疲劳强度分析。并通过有限元分析软件Ansys及其参数化编译语言APDL建立该典型节点的参数化子模型,结合以表征结构疲劳寿命的累积损伤度和影响疲劳强度的形状和尺寸参数建立的优化模型进行优化设计研究。算例结果表明,该方法能够在提高结构疲劳强度的情况下,提出结构重量较轻的节点形状和尺寸方案,为此类结构的抗疲劳设计提供参考。

SWATH船纵向运动的鲁棒H_∞控制研究

建立了SWATH船纵向运动控制系统的数学模型,并针对模型和外部扰动的不确定性,在SWATH船纵向运动控制中引入了状态反馈H∞控制方法;充分利用LMI(Linear Matrix Inequality)理论处理方法的优点对控制规律进行了优化。仿真结果表明,利用此方法设计的控制器对SWATH船所受到的外部扰动具有较好的抑制作用,能满足系统纵向运动性能的要求,具有一定的实用性。

基于扩张状态观测器的小水线面双体船终端滑模控制

针对小水线面双体船运动控制问题,设计了带有扩张状态观测器的终端滑模控制器。首先,针对小水线面双体船在随机海浪作用下的运动问题,建立了带有系统复合扰动的非线性运动模型;进而,考虑到系统存在的参数摄动和海浪扰动的复杂性、随机性,将系统分为内环观测器和外环控制器分别设计;利用一个线性扩张状态观测器对系统的复合扰动进行估计,并在外环终端滑模控制器中进行补偿;最后,利用Lyapunov理论得到了系统的渐进稳定结论。仿真结果表明,带有扩张状态观测器的终端滑模控制方法能够有效实现小水线面双体船的运动控制,线性扩张状态观测器能够准确估计出系统的复合扰动,且终端滑模控制器能够使系统状态快速收敛。

小水线面三体船耐波性数值模拟

[目的]小水线面三体船与普通三体船相比具有较大的潜体并极大地减少了水线面面积,因此普通三体船的耐波性规律不完全适用于小水线面三体船,小水线面三体船的耐波性还有待研究。[方法]因模型试验具有周期长、成本高、环境要求苛刻的特点,难以对所有方案进行试验与分析,故采用STAR-CCM+平台模拟船体周围的黏性流场。首先,考虑到网格设置、流场模型选择的影响,验证采用STAR-CCM+平台进行耐波性计算的可行性与可靠性;然后,研究系列弗劳德数Fr下不同侧体位置时小水线面三体船耐波性的变化规律。[结果]结果显示,Fr=0.234(低速)时,小水线面三体船的耐波性优于普通三体船,Fr=0.494~0.797(中、高速)时情况较复杂;小水线面三体船侧体靠近船艏时耐波性更优。[结论]研究结果可为小水线面三体船的设计提供一定的借鉴。

小水线面中体五体车客渡船的主尺度优化

结合常规五体船型和小水线面船型的优点,提出小水线面中体五体船(PentaSWACH)的新船型概念.针对该型船主尺度参数众多而不易优化的问题,提出了一套主尺度优化方法.以航速和空船重量为目标函数,对一小水线面中体五体车客渡船的主尺度方案进行了初步优化,为进一步开展该型船的研究提供了可供参考的主尺度优化途径.

横向载荷作用下小水线面双体船结构校核与优化

采用有限元仿真方法对一艘新型小水线面双体船进行强度校核,研究该船形在横向载荷作用下的结构强度和应力分布特性,进而给出结构优化设计方案,在确保结构安全的基础上达到严格控制重量的目的,形成的校核流程方法及优化设计方案可为同类船舶提供设计与校核指导。

SWATH船稳定鳍的优化设计

建立了SWATH船稳定鳍优化的数学模型,并针对模型多设计变量、非线性和多约束等特点采用了遗传算法对其进行了优化求解.然后,以SWATH-6A为实例对稳定鳍的安装位置、展长和弦长进行了优化,并将优化结果跟已有的一对鳍进行了比较研究.从仿真结果来看,在相同的条件下文中优化得到的稳定鳍能使SWATH船的各方面性能都更好.

SWATH船纵向运动的分数阶PI^(λ)D^(μ)控制

针对小水线面双体船(SWATH)的纵向运动稳定性问题,对某SWATH船设计了一种分数阶PI^(λ)D^(μ)控制器。首先,在控制器设计过程中,引入ITAE准则获得分数阶PID控制器的优化参数,并以类似方式得到优化参数的最优PID控制器。然后,以SWATH船为研究对象,分别采用分数阶PI^(λ)D^(μ)控制器和最优PID控制器对其等效Nomoto模型和考虑风浪干扰后的模型进行仿真研究。最后,对它们的控制性能及控制能量消耗进行比对分析。通过分析发现,本文所提出的分数阶PI^(λ)D^(μ)控制器的控制效果明显优于最优PID控制器,且分数阶PI^(λ)D^(μ)控制器更为节能。