劉 偉,侯國祥,許 晟,王永寧,楊 帥,吳啟瑞

(1.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心, 湖北 武漢 430064)

帶自控翼穿浪雙體船縱向運(yùn)動(dòng)研究

劉 偉1,侯國祥1,許 晟2,王永寧2,楊 帥2,吳啟瑞2

(1.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心, 湖北 武漢 430064)

減小穿浪雙體船在波浪上的縱向運(yùn)動(dòng)對(duì)提高其性能具有非常重要的意義。本文在傳統(tǒng)固定水翼和尾壓浪板的基礎(chǔ)上引入自控翼系統(tǒng)，根據(jù)切片理論，利用Matlab編程計(jì)算穿浪雙體船的縱向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果分析得到水翼的最佳運(yùn)動(dòng)控制方式，進(jìn)而得到穿浪雙體船帶自控翼時(shí)的縱向運(yùn)動(dòng)。對(duì)比結(jié)果表明，自控翼系統(tǒng)可以較大地減小穿浪雙體船的縱搖幅值。

穿浪雙體船;減搖效果;自控翼;切片理論

0 引 言

船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)性能是衡量其性能是否優(yōu)良的一個(gè)重要標(biāo)志，而縱向運(yùn)動(dòng)性能對(duì)穿浪型雙體船來說尤為重要，過大的縱向運(yùn)動(dòng)幅值將嚴(yán)重?fù)p害船的航行性能指標(biāo)。在雙體船上設(shè)置前后穩(wěn)定鰭[1-3]，不但能保證船的縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，而且還能改進(jìn)船在迎浪航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)性能，進(jìn)而消減船的縱向運(yùn)動(dòng)，減小其在波浪上運(yùn)動(dòng)的幅值。

為進(jìn)一步改進(jìn)穿浪雙體船的縱向運(yùn)動(dòng)性能，必須對(duì)前后鰭施加控制，從而使鰭產(chǎn)生的升力和恢復(fù)力矩始終與波浪擾動(dòng)力矩相反。通常需要設(shè)計(jì)一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)置在船上某些特定位置的傳感器所測(cè)得的船運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度信號(hào)，按一定規(guī)律對(duì)鰭的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作指令，控制鰭的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到消減縱向運(yùn)動(dòng)的目的，這正是本文所要研究的自控翼系統(tǒng)。

1 基本理論

加水翼和尾壓浪板控制后船的縱向運(yùn)動(dòng)方程為：

該方程是在微幅波及細(xì)長(zhǎng)體理論假設(shè)下的二階常微分方程組，表示船舶在微幅規(guī)則波中逆浪運(yùn)動(dòng)時(shí)縱搖和升沉的耦合運(yùn)動(dòng)。

由于水翼和尾壓浪板的作用，原方程左邊各水動(dòng)力系數(shù)發(fā)生了變化，這些水動(dòng)力系數(shù)由船運(yùn)動(dòng)引起的勢(shì)流運(yùn)動(dòng)、粘性作用、水翼和尾壓浪板的水動(dòng)力效應(yīng)組成。其中，勢(shì)流引起的可按切片理論計(jì)算，粘性和鰭所產(chǎn)生的水動(dòng)力系數(shù)是以試驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)半理論方法推出的[4-5]。

方程右邊加進(jìn)了由水翼和尾壓浪板工作提供的恢復(fù)力和恢復(fù)力矩，其中Ff(t)為鰭升力所產(chǎn)生的恢復(fù)力，Mf(t)為鰭升力產(chǎn)生的力矩，用以抵消波浪擾動(dòng)力矩，達(dá)到消減縱向運(yùn)動(dòng)的目的。

設(shè)水翼力矩導(dǎo)前縱搖運(yùn)動(dòng)的相位為εθf，縱搖滯后于波浪力矩的相位為εθw，則水翼的力矩為可表示為：

Mf(t)=Mfae-i(wet-εθw+εθf)。

其中縱搖滯后于波浪力矩相位εθw可由船的縱向運(yùn)動(dòng)方程組解得：

εθw=tan-1(-ξ5S/ξ5C)。

由于水翼和尾壓浪板分別位于船的首尾部，為了使二者產(chǎn)生的力矩都能夠抵消波浪干擾力矩，需要保持壓浪板與水翼運(yùn)動(dòng)方向相反，即相位差始終為180°。因此問題的關(guān)鍵就是確定水翼力矩導(dǎo)前縱搖相位角εθf。當(dāng)保持水翼的運(yùn)動(dòng)周期與船的遭遇周期相同時(shí)，水翼的轉(zhuǎn)角可以設(shè)為

αf(t)=αfe-j(ωet-εθw+εθf)。

其中αf為水翼運(yùn)動(dòng)的幅值。

在小攻角下，鰭的升力可表示為：

式中：A(f)為水翼的投影面積；CLα為水翼的升力曲線斜率；ρ為水密度；U為船速。

假定水翼壓力中心位于水翼導(dǎo)緣后1/4平均弦長(zhǎng)與展長(zhǎng)中線的交點(diǎn)(l,0,-d1(l))，不計(jì)船體和水翼對(duì)波的繞射效應(yīng)，在小攻角假設(shè)下， 水翼壓力點(diǎn)的攻角為：

當(dāng)水翼的轉(zhuǎn)角為αf(t)=αfe-j(ωet-εθw+εθf)，水翼壓力點(diǎn)的攻角[6]為：

αf·e-j(ωet-εθw+εθf)。

水翼的慣性力可表達(dá)為：

水翼的橫向粘性阻力可表達(dá)為：

由水翼引起的縱搖力矩為：

則縱向運(yùn)動(dòng)由水翼引起的水動(dòng)力系數(shù)和波浪擾動(dòng)力為：

2 控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)布局情況

水翼和尾板位置如圖1所示，水翼的構(gòu)造以及尾板伺服機(jī)構(gòu)如圖2所示?？刂七^程中，主水翼固定，襟翼和尾板根據(jù)命令轉(zhuǎn)動(dòng)。控制系統(tǒng)設(shè)備布局情況如圖3所示。

圖1 水翼和尾板安裝位置Fig.1 Installation location of hydrofoil and stern flap

圖2 水翼和尾板結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of hydrofoil and stern flap

圖3 設(shè)備布置Fig.3 Equipment layout

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖4所示，通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收并顯示水翼艇當(dāng)前的姿態(tài)、前水翼的轉(zhuǎn)角、后尾板位置。然后可以由操作人員通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)下達(dá)前翼、后尾板的轉(zhuǎn)角指令(遙控)，或根據(jù)控制程序自主控制并且準(zhǔn)確定位(自控)。進(jìn)而同步到控制器進(jìn)行伺服控制，并將電機(jī)運(yùn)動(dòng)和編碼器信息反饋到同步控制器?？刂葡到y(tǒng)如圖5所示。

圖4 工作原理框圖Fig.4 Working principle diagram

圖5 控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Control system block diagram

3 水翼導(dǎo)前縱搖相位角研究

3.1 模型參數(shù)

文中研究的某穿浪雙體船為WPC-X，船模與實(shí)船縮尺比是1∶25，船模主要尺度和參數(shù)如表1所示。

表1 WPC-X船模參數(shù)表Tab.1 Parameter table of WPC-X

3.2 程序可靠性驗(yàn)證

穿浪雙體船WPC-X在迎浪狀態(tài)下，實(shí)船航速35kn(Fn=0.597)，光體和帶固定翼的縱搖運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)函數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較分別如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，因此該程序能夠較好地預(yù)報(bào)穿浪雙體船的縱搖運(yùn)動(dòng)。

圖6 WPC-X光體縱搖頻響曲線比較Fig.6 Pitch frequency response curve of light body model

圖7 WPC-X帶固定翼縱搖頻響曲線比較Fig.7 Pitch frequency response curve of WPC-X model with fixed wing

3.3 導(dǎo)前縱搖相位角研究

通過程序計(jì)算得到雙體船在不同的導(dǎo)前縱搖相位角εθf時(shí)的縱搖運(yùn)動(dòng)如圖8所示。

圖8 計(jì)算得到的縱搖幅值與導(dǎo)前縱搖相位角關(guān)系Fig.8 Relationship between pitching amplitude and the phase angle ahead pitching by calculating

由計(jì)算結(jié)果可以看出，水翼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)前縱搖相位角εθf=90°時(shí)能達(dá)到最好的減縱搖效果。而在實(shí)際問題中，由于控制系統(tǒng)在工作過程中存在一定的延遲問題，往往最佳的導(dǎo)前縱搖相位角是需要大于90°的。于是通過模型試驗(yàn)來探究最佳的導(dǎo)前縱搖相位角同時(shí)證明理論計(jì)算的可靠性。

圖9 試驗(yàn)得到的縱搖幅值與導(dǎo)前縱搖相位角關(guān)系Fig.9 Relationship between pitching amplitude and the phase angle ahead pitching by tests

其中波長(zhǎng)5m，水翼超前縱搖相位角0°和100°時(shí)的縱傾角度和水翼返回角度關(guān)系如圖10和圖11所示(圖中幅值較小的為縱搖角度，較大的為水翼返回角度)。

圖10 εθf=0°時(shí)縱搖角和水翼角度關(guān)系Fig.10 Relationship between pitching angle and hydrofoil angle when εθf=0°

圖11 εθf=100°時(shí)縱搖角和水翼角度關(guān)系Fig.11 Relationship between pitching angle and hydrofoil angle when εθf=100°

從模型試驗(yàn)結(jié)果可看出，當(dāng)設(shè)定的水翼轉(zhuǎn)角導(dǎo)前縱搖相位角為100°左右時(shí)，實(shí)際水翼的轉(zhuǎn)角剛好超前縱搖運(yùn)動(dòng)90°相位，此時(shí)的減縱搖效果最明顯。因此在后面的試驗(yàn)中都將控制系統(tǒng)中的水翼導(dǎo)前縱搖相位角設(shè)為100°。

4 自控翼系統(tǒng)減縱搖效果比較

4.1 規(guī)則波結(jié)果

穿浪雙體船WPC-X在迎浪狀態(tài)下，實(shí)船航速35kn(Fn=0.597)，采用前述最佳導(dǎo)前縱搖相位角自控翼系統(tǒng)時(shí)的規(guī)則波縱搖計(jì)算與實(shí)驗(yàn)頻響曲線如圖12所示。圖中計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，說明該程序不僅可以計(jì)算光體和帶固定翼的狀態(tài)，對(duì)帶自控翼狀態(tài)也有較好的計(jì)算精度。

WPC-X迎浪狀態(tài)時(shí)，實(shí)船航速35 kn(Fn=0.597)，在規(guī)則波中試驗(yàn)得到的各狀態(tài)縱搖幅值頻響曲線如圖13所示。

圖12 WPC-X 帶自控翼縱搖頻響曲線比較Fig.12 Pitch frequency response curve of WPC-X model with automatic control flap

圖13 規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.13 Comparing of regular wave test results

4.2 非規(guī)則波結(jié)果

WPC-X迎浪狀態(tài)下，實(shí)船航速35 kn(Fn=0.597)，5級(jí)海況非規(guī)則波試驗(yàn)得到的各狀態(tài)縱搖有義幅值及減搖效果如表2所示。

表2 縱搖角有義幅值對(duì)比表Tab.2 The comparison table of pitch angle amplitude

5 結(jié) 語

程序計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)的結(jié)果能較好地吻合，可以看出該程序不僅能夠很好的預(yù)報(bào)穿浪雙體船光體或加固定翼時(shí)的縱向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也能較好的模擬加自控翼后雙體船的縱向運(yùn)動(dòng)。從試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果可以看出，自控翼系統(tǒng)能夠較大幅度地降低穿浪雙體船的縱搖幅值，在對(duì)縱向耐波性能要求較高的船上有很好的應(yīng)用前景。

[1] 常進(jìn).帶T型翼的穿浪船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2] 朱海燁.小水線面雙體船穩(wěn)定鰭優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[3] 李元暉.小水線面雙體船減搖鰭系統(tǒng)控制分析與初步設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006.

[4] 劉應(yīng)忠，繆國平.船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1987.

[5] LEE C M.Prediction of motion，stability，and wave loads of small-waterplane-area twin-hull ships[J].Trans.SNAME，1977，85:94-130.

[6] 蔡新功，李積德.加裝減縱搖組合附體艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)[J] .水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯)，2003(2):25-32.

CAI Xin-gong，LI Ji-de.Prediction of motion of ships with built-up stabilizing appendage[J].Journal of Hydrodyn-amics(A series)，2003(2):25-32.

Research on longitudinal motion of WPC with automatic control flap

LIU Wei1,HOU Guo-xiang1,XU Sheng2,WANG Yong-ning2,YANG Shuai2,WU Qi-rui2

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China；2.China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China)

To reduce the longitudinal motion in waves of wave piercing catamaran is very important for improving its performance. In this paper,automatic control flap system is introduced based on the traditional hydrofoil and stern flap. The Matlab program based on strip theory is written for calculating longitudinal motion of WPC. Optimal mode of motion of flap can be found according to the calculation and experiment analysis. Then the longitudinal motion of WPC with automatic control flap can be

. The comparison results show that, automatic control flap system can greatly reduce the pitching amplitude of WPC.

WPC；damping effect；automatic control flap；strip theory

2013-10-12；

2013-12-16

劉偉(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

U661

A

1672-7649(2014)06-0026-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.06.005