畢業(yè)論文 高速無人艇設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)性能初步分析

1、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）高速無人艇設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)性能初步分析 the design of high-speed unmanned craft and preliminary analysis of motion performance學(xué) 院 船舶與海洋工程 專 業(yè) 船舶與海洋工程 學(xué)生姓名 班級(jí)學(xué)號(hào) 06船海2班 指導(dǎo)教師 教授 二零一零年六月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：高速無人滑行艇設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)性能初步分析 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達(dá)到的指標(biāo)和應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)等）(1) 針對(duì)高速無人滑行艇的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及性能要求等開展調(diào)研分析，了解研究動(dòng)態(tài)，重點(diǎn)關(guān)注滑行艇運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)及流體動(dòng)

2、力的計(jì)算方法與相關(guān)公式，并撰寫綜述報(bào)告；(2) 開展無人艇初步設(shè)計(jì)，確定主尺度、主要參數(shù)，以及其他功能模塊；(3) 在此基礎(chǔ)上，利用maxsurf軟件完成高速無人滑行艇的設(shè)計(jì)及流體性能的初步計(jì)算分析；(4) 以滑行艇前進(jìn)、升沉及縱搖運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)開展滑行艇流體性能的初步分析，并考慮風(fēng)載荷因素建立滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)模型；(5) 編制運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)程序，開展滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，分析高速滑行艇的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)；(6) 完成相關(guān)內(nèi)容的外文翻譯一篇；(7) 撰寫畢業(yè)論文。二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份；2. 滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)程序一套；3. 外文譯文一篇。 三、完成日期

3、及進(jìn)度自2010年4月12日起至 2009年6月18日止進(jìn)度安排：4.12-4.18 查閱資料、撰寫綜述報(bào)告 4.19-4.25 完成滑行艇的方案設(shè)計(jì) 4.26-5.9 利用maxsurf軟件完成滑行艇的流體性能初步計(jì)算 5.10-5.23 建立滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型 5.24-6.6 編制程序，開展滑行艇運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào) 6.7-6.13 整理論文、打印 6.14-6.18 畢業(yè)答辯 四、同組設(shè)計(jì)者（若無則留空）： 葛珅瑋 五、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）:1.盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理（上下冊(cè)），上海交通大學(xué)出版社，20032.吳秀恒.船舶操縱性與耐波性，人民交通出版社，19

4、993.陳書海，近海攻擊利器-高速攻擊艇，國防工業(yè)出版社，20044.黃彩虹，軍用快艇，人民出版社，19965.董祖舜，快艇動(dòng)力學(xué)，華中理工大學(xué)出版社，19916.邵世明，高速艇動(dòng)力學(xué)，上海交通大學(xué)出版社，19907.蒯挺適，軍用快艇設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，國防工業(yè)出版社，19928.奚偉.翼滑艇運(yùn)動(dòng)智能控制仿真初步研究，碩士論文，2006年 系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日 學(xué)院主管領(lǐng)導(dǎo)： （簽章） 年 月 日摘 要高速無人滑行艇具有高速、隱身、智能等優(yōu)點(diǎn)，因而能夠用于靈活作戰(zhàn)，目前，國外已有多種水面高速無人艇應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，特別是以美國為代表的西方國家已將其列為重要的發(fā)展方向；國內(nèi)在水面高速

5、無人艇技術(shù)方面的研究還處在初級(jí)階段，近年來研制出的無人駕駛船也只是應(yīng)用于探測(cè)天氣，為了更好低完善我國海軍作戰(zhàn)體系，帶動(dòng)相關(guān)軍工業(yè)的發(fā)展。本文進(jìn)行的主要工作有：一、 針對(duì)目前國內(nèi)外的高速無人艇研究發(fā)展現(xiàn)狀展開了調(diào)查研究，并對(duì)我國目前滑行艇阻力、穩(wěn)性、耐波性和新艇型的開發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。二、 從任務(wù)需求出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有條件，利用maxsurf軟件進(jìn)行單體滑行艇模型的設(shè)計(jì)，并對(duì)模型進(jìn)行了流體性能的初步計(jì)算分析。三、 進(jìn)行了推進(jìn)器的設(shè)計(jì)，并對(duì)噴水推進(jìn)器的種種要素對(duì)各個(gè)性能的影響進(jìn)行了分析。四、 以滑行艇前進(jìn)、升沉及縱搖運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)開展滑行艇流體性能的初步分析。五、 建立了船前進(jìn)、升沉、縱搖三自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)

6、模型，開展了滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，分析了高速滑行艇運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：無人滑行艇 性能分析 三自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型 運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)abstractunmanned surface vehicle (usv) has some good properties such as high-speed, stealth, intelligence, etc, which can be used for flexible operations, currently, there are many foreign high-speed unmanned surface vessels in the milita

7、ry field, especially the united states as the representative of the western countries have their as an important direction of development; domestic high-speed unmanned craft on the water technology research is still at the initial stage, developed in recent years of unmanned boat only apply detect t

8、he weather, in order to better improve our naval combat system of low, promote the development of military-industrial related.this major work carried out are:first，a view of the current domestic and foreign research and development of high-speed unmanned craft launched a survey on the current situat

9、ion, and introduce resistance, stability, seakeeping, and the development of new hull of our country current planing boat.second, from the mission requirements, combined with existing conditions, use of maxsurf single planing hull model of software design, and model the performance of the preliminar

10、y calculation of fluid analysis.third, for the propeller design, and all the elements of water jet propulsion of individual performance was analyzed.fourth, in order to slide the boat forward, heave and pitch motion targeting of planing craft a preliminary analysis of fluid properties.fifth, the est

11、ablishment of the boat forward, heave, pitch three degrees of freedom mathematical model, carried out three-dof motion planing prediction of high-speed planing craft motor.keywords: unmanned planing crafts; performance analysis; numeral model of three degrees of freedom movement; report exercise of

12、crafts.目 錄第1章 緒論11.1引言11.2課題背景21.2.1國外發(fā)展21.2.2國內(nèi)發(fā)展41.2.3我國對(duì)于改善阻力性能的各種特殊措施方面的研究41.2.4我國對(duì)滑行艇關(guān)于耐波性的研究51.2.5我國對(duì)滑行艇關(guān)于穩(wěn)性方面的研究51.2.6我國對(duì)滑行艇新艇型的開發(fā)與研究61.3論文研究的目的與意義61.4論文主要內(nèi)容7第2章 高速滑行艇maxsurf建模82.1滑行艇的maxsurf建模82.1.1單體滑行艇的主尺度82.1.2單體滑行艇的maxsurf建模視圖82.1.3利用muxsurf對(duì)艇靜止在水面時(shí)基本計(jì)算102.1.4利用hydromax對(duì)艇靜止在水面時(shí)基本計(jì)算11第3章

13、推進(jìn)器設(shè)計(jì)173.1噴水推進(jìn)器的概要173.2噴水推進(jìn)器較常規(guī)螺旋槳推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)173.3噴水推進(jìn)器的工作機(jī)理183.4噴水推進(jìn)器理論203.5影響噴水推進(jìn)器性能的重要參數(shù)213.5.1建立噴水推進(jìn)器計(jì)算模型213.5.2重要參數(shù)21第4章 滑行艇流體性能初步分析274.1引言274.2滑行艇水動(dòng)力計(jì)算概述274.3滑行艇縱向受力分析284.4滑行平板的流體動(dòng)力分析294.4.1姆雷（murry）法估算滑行艇的阻力304.5模型阻力計(jì)算344.6滑行艇在靜水中垂蕩運(yùn)動(dòng)384.7滑行艇在靜水中縱搖運(yùn)動(dòng)404.8滑行艇的縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定條件42第5章 滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)435.1滑行艇縱向運(yùn)動(dòng)耦

14、合方程的數(shù)學(xué)模型435.1.1坐標(biāo)系的選取435.1.4 作用于滑行艇的非慣性類水動(dòng)力（矩）455.2滑行艇所受各非慣性力（矩）的具體計(jì)算455.3高速滑行艇運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)49結(jié) 論51致 謝52參考文獻(xiàn)53第1章 緒論1.1引言在過去十幾年中，微電子技術(shù)、光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、信息處理、新材料等高技術(shù)的發(fā)展,為無人機(jī)及其機(jī)載設(shè)備等提供了良好的發(fā)展條件，無人駕駛運(yùn)載工具開始真正呈現(xiàn)復(fù)興的勢(shì)頭。無人機(jī)也逐漸發(fā)展成可提供兵力倍增作戰(zhàn)能力的系統(tǒng)方面過度。迄今為止，人們大多都將注意力集中在出盡風(fēng)頭的無人駕駛航空器（uav）上。確實(shí)，無人駕駛航空器既可以執(zhí)行遠(yuǎn)程空中監(jiān)視，也可執(zhí)行有限的攻擊任務(wù)，而且直升機(jī)昨

15、晚巡邏裝備表現(xiàn)出色，令人嘆服；但與水面無人艇相比，無人駕駛航空器目前在使用和回收方面還存在巨大困難，直升機(jī)的使用費(fèi)用又非常昂貴，補(bǔ)充裝備所需費(fèi)用甚至更高而無人艇確恰恰相反。不但具有很多突出的特點(diǎn)，教之運(yùn)用環(huán)境，無人艇更是獨(dú)具特色。所謂智能無人水面艇（usv）,就是指那些依靠遙控或自主方式在水面航行的小型無人化、智能化作戰(zhàn)平臺(tái)。它們可以通過大型艦艇攜載,等到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)后加以施放,也可以直接在近岸實(shí)現(xiàn)保護(hù)己方打擊敵方的作用。無人水面艇作為一種新概念武器,較之傳統(tǒng)水面艦艇具有一些突出的特點(diǎn): 功能模式多樣化 作戰(zhàn)行動(dòng)靈活化 艇體結(jié)構(gòu)隱蔽化 作戰(zhàn)人員零傷亡 網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)中心化1 圖1-1 美國”水虎魚“無

16、人拖帶艇”正是智能無人水面艇（usv）具有這么多突出特點(diǎn)，帶動(dòng)了無人艇的多向發(fā)展，它們?cè)谖磥砗Ｑ髧涟踩l(fā)揮越來越大的作用。國內(nèi)外都十分重視該領(lǐng)域的研究，并逐漸在軍事和其他方面得到應(yīng)用。1.2課題背景1.2.1國外發(fā)展無人水面艇雖然被認(rèn)為是一種新概念武器, 但其作戰(zhàn)使用確可以一直追溯到第二次世界大戰(zhàn)期間。在第二次世界大戰(zhàn)諾曼底登陸戰(zhàn)役期間,盟國為了實(shí)現(xiàn)其戰(zhàn)略欺騙和作戰(zhàn)掩護(hù)的目的,曾設(shè)計(jì)出一種形如魚雷的無人水面艇,該艇上載有大量的煙幕劑,可按預(yù)先設(shè)定的航向機(jī)械地駛往欺騙海域,從而造成艦艇編隊(duì)登陸的假相,同時(shí)盟軍還利用大型艦艇攜帶其到達(dá)預(yù)定海域而后釋放并引導(dǎo)其進(jìn)入計(jì)劃登陸的海灘施放煙幕,直至動(dòng)力耗

17、盡或被摧毀為止。在二戰(zhàn)后期,美國海軍也曾研制過一系列無人駕駛火箭掃雷艇,即在小型登陸艇上加裝無線電控制的操舵裝置和掃雷火箭彈,用于淺海雷區(qū)作業(yè)。二戰(zhàn)結(jié)束后至五六十年代,蘇聯(lián)曾研制過小型遙控式無人水面艇,用于向敵艦發(fā)動(dòng)自殺式的撞擊爆炸性攻擊,而美國同期開發(fā)的一些無人艇則主要用于搜集海上核試驗(yàn)后的環(huán)境數(shù)據(jù)。由于技術(shù)上的滯后,無人水面艇的發(fā)展在后來的30年間沒有大的突破。圖1-2 美國“幽靈衛(wèi)士”直到1991 年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后,真正意義上的無人水面艇的開發(fā)才隨著制導(dǎo)和控制技術(shù)的日漸成熟而被重新提上日程。美、法、日、以等國紛紛投入巨資發(fā)展這一裝備(見表1-1) ,其作戰(zhàn)系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了由固定式向模塊化的轉(zhuǎn)變,

18、作戰(zhàn)功能也由單一的反艦、掩護(hù)編隊(duì)、掃雷作戰(zhàn)擴(kuò)展到反恐、緝私、打擊海盜、搜捕、通信等新興領(lǐng)域。表1-1各國無人水面艇參數(shù)表艇 名尺寸/m制造國制造/試驗(yàn)時(shí)間續(xù)航力最大航速功 能海上貓頭鷹3美國199310h/12kn、24h/5kn45雷區(qū)偵察、淺海監(jiān)視、海上攔截斯巴達(dá)偵察兵7美國20028h/28kn50模塊化、反水雷、情報(bào)、反艦、反潛幽靈衛(wèi)士8美國200324h40海上警戒和防護(hù)海虎魚8美國200324h40水面靶標(biāo)an wld 17美國20032040h10可水上、水下遠(yuǎn)程獵雷藍(lán)色騎士404美國200524h50大型攻擊艇海上斗士80美國20054000nm50掃雷、反潛作戰(zhàn)、摧毀水面艦艇

19、或運(yùn)送突擊隊(duì)保護(hù)者9以色列20033950nm40模塊化:海上兵力保護(hù)、情報(bào)監(jiān)視和偵察、反水雷戰(zhàn)、電子戰(zhàn)和精確打擊海星11以色列200510h40監(jiān)視、偵察、反水雷戰(zhàn)和電子戰(zhàn)黃貂魚8以色列2005 8h40近岸情報(bào)偵察與監(jiān)視、電子戰(zhàn)電子偵察fds 38.3法國1999 20h12半潛式反水雷艇ot914.4日本2005 20h40噴水推進(jìn),海上情報(bào)偵察和反水雷 1.2.2國內(nèi)發(fā)展在水面高速無人艇方面的研究目前我國還處于起步階段。根據(jù)相關(guān)記載相似的研究如下：1972年中華造船廠曾經(jīng)建造了一艘無人遙控掃雷艇，但其技術(shù)早已經(jīng)落伍。2002年我過北方某基地裝備通信修理廠將一艘退役導(dǎo)彈快艇改裝為無人遙控

20、靶船，通過遠(yuǎn)距離的遙控指揮，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶船航速、航向、燈光信號(hào)識(shí)別等要素的戰(zhàn)術(shù)控制，2008年，中國航天科工集團(tuán)公司所屬沈陽航天新光集團(tuán)宣布，由該集團(tuán)研制成功的中國第一艘無人駕駛海上探測(cè)船“天象一號(hào)”目前正在青島，為北京奧運(yùn)會(huì)的青島奧帆賽提供氣象保障服務(wù)，目前從所見報(bào)道分析，我國對(duì)水面無人艦艇尚未進(jìn)行系統(tǒng)的研究，還停留在對(duì)現(xiàn)有艦艇改裝為遙控靶船任務(wù)的階段，在真正意義上的自主航行的無人艇方面，與歐美有著非常明顯的差距。但是在剛性充氣艇方面，我國有過多項(xiàng)相關(guān)研究。蟻口招發(fā)工程船務(wù)有限公司根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查和對(duì)歐美90年代充氣艇的充分研究，依據(jù)海上救生艇的設(shè)計(jì)要求和制造工藝要求，于1996年制定了“小鯨”牌充

21、氣艇系列和充氣艇制造的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并于年末成功作出了一批樣艇和完成試航性能測(cè)定。隨著中國的崛起，特別是2000年北京取得奧運(yùn)會(huì)的申辦權(quán)之后，使用國產(chǎn)剛性充氣艇的呼聲很高。上海和福建曾經(jīng)有船廠嘗試生產(chǎn)剛性充氣艇，結(jié)果因?yàn)殛P(guān)鍵的技術(shù)和材料沒有過關(guān)而失敗了。到了2004年初北京準(zhǔn)備接棒奧運(yùn)，北京奧運(yùn)會(huì)的工作用艇也被提到了議事日程上來。北京奧運(yùn)籌辦委會(huì)呼吁國人生產(chǎn)自己的奧運(yùn)船艇，并列出了剛性充氣艇這個(gè)空缺項(xiàng)目，希望國內(nèi)有廠家能夠研制生產(chǎn)。作為南方最大的玻璃鋼船生產(chǎn)企業(yè)江龍船舶和招發(fā)船務(wù)聯(lián)手制造的這一艘植入法蘭西技術(shù)的剛性充氣艇，從外觀，內(nèi)在技術(shù)，都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，可謂是一步登天2。1.2.3我國對(duì)于改善阻力

22、性能的各種特殊措施方面的研究我國還廣泛開展了對(duì)改進(jìn)滑行艇阻力性能的各種附加措施的研究，井取得了不少成果如在滑行艇上加裝尾壓浪板或尾楔形板3文獻(xiàn)5還推薦采用雙楔形板，它可以比通常的單楔形板獲得更好的減阻效果文獻(xiàn)6則表明其耐波性也是良好的華中理工大學(xué)楊素珍等人研究了滑行艇底面空氣潤(rùn)滑的減阻效果，這是在滑行艇底部通過成排小孔導(dǎo)入空氣，使其附著底部浸濕表面，以減小摩擦阻力的措施，稱之為“導(dǎo)風(fēng)墊氣”(safacub)技術(shù)，文獻(xiàn)7介紹了他們的研究成果。大量的研究集中在減少圓舭快艇阻力的措施上很多文獻(xiàn)都討論了圓舭艇上加裝尾壓浪板的減阻效果，并分析了減阻機(jī)理有些還利用實(shí)艇試驗(yàn)結(jié)果分折了尾壓浪板對(duì)推進(jìn)性能的影響

23、文獻(xiàn)8進(jìn)行了防濺條對(duì)圓舭快艇性能影響的研究研究表明，在一定速度范圍內(nèi)，合理安裝防濺條有可能使阻力下降這與npl的研究結(jié)論是一致的4。1.2.4我國對(duì)滑行艇關(guān)于耐波性的研究關(guān)于滑行艇在波浪中運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)方面，在zanin的非線性運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)上，哈爾濱船舶工程學(xué)院的戴仰山等人提出了在規(guī)則波與不規(guī)則波中運(yùn)動(dòng)與彎矩預(yù)報(bào)方法預(yù)報(bào)同時(shí)采用頻域與時(shí)域兩種方法計(jì)算，通過對(duì)系列62模型的計(jì)算并將結(jié)果與fridsma的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，表明在中等海況下當(dāng)航速不太高時(shí)(v/4)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)與試驗(yàn)結(jié)果符合得較好，垂向加速度則稍差其變化規(guī)律尚一致，而阻力增值則差別甚大。當(dāng)波高很大或航速很高(v/ 6)時(shí)，誤差較大，

24、這可能是由于非線性影響甚強(qiáng)所致。同時(shí)計(jì)算還表明頻域與時(shí)域計(jì)算結(jié)果的誤差是相當(dāng)?shù)膹亩f明在中等海況及中等速度下采用頻域計(jì)算是可行的。對(duì)于大波高及高航速時(shí)的強(qiáng)非線性影響目前尚無足夠精度的預(yù)報(bào)方法關(guān)于圓舭快艇在波浪中的運(yùn)動(dòng)性能預(yù)報(bào)，海軍工程學(xué)院的彭英聲和董祖舜采用切片法kkj法和stf法)對(duì)fn 0.85的圓舭快艇作了計(jì)算，并將結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較 。結(jié)果表明，即使對(duì)于如此高的航速采用切片法預(yù)報(bào)縱向運(yùn)動(dòng)，仍可以獲得相當(dāng)滿意的結(jié)果因此目前在中國對(duì)圓舭快艇在波浪中的縱向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)仍普遍采用切片法。cssrc的顧懋祥等在計(jì)算砰擊響應(yīng)時(shí)計(jì)及了水彈性的影響并采用時(shí)域方法，這樣可以更詳細(xì)地顯示砰擊的作用時(shí)

25、機(jī)及范圍但計(jì)算量顯著地增加了。此外，采用防濺條，或首壓浪條以及尾壓浪板等也可在一定程序上改善耐波性。1.2.5我國對(duì)滑行艇關(guān)于穩(wěn)性方面的研究在滑行艇的交船試航中偶有發(fā)現(xiàn)靜水中正直漂浮的艇在高速航行時(shí)產(chǎn)生橫傾的現(xiàn)象經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于艇體左右不對(duì)稱引起的，有的艇雖然艇體各部分的尺寸均在公差允許范圍之內(nèi)，但誤差均為同向，其影響疊加后就可能使艇傾斜這類情況在實(shí)用中是不難解決的，最簡(jiǎn)便的辦法是改變舭防濺條尺寸以進(jìn)行調(diào)節(jié)。但也有些艇并未發(fā)現(xiàn)有不對(duì)稱超差而航行時(shí)傾斜，武漢船舶設(shè)計(jì)所李國佩等人對(duì)此進(jìn)行了研究4，他們的研究表明，有些艇在高速航行時(shí)，底都會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，正是這一負(fù)壓區(qū)引起負(fù)扶正力矩使穩(wěn)度下降，造成橫順

26、。這就給艇底請(qǐng)行面形狀設(shè)計(jì)提出了附加要求，當(dāng)然對(duì)此尚需進(jìn)一步深入研究。海軍工程學(xué)院的張緯康等研究了滑行艇及圓舭快艇回轉(zhuǎn)時(shí)的橫煩及穩(wěn)性問題，提出了回轉(zhuǎn)時(shí)橫傾角估算公式，井進(jìn)行了實(shí)艇檢驗(yàn)。1.2.6我國對(duì)滑行艇新艇型的開發(fā)與研究鑒于常規(guī)滑行艇耐波性不足，使用范圍受到很大限制因此開發(fā)滑行新艇型，以提高其耐波性就成了滑行艇發(fā)展的趨勢(shì)。哈爾濱船舶工程學(xué)院的蘇永昌， 趙連恩等研究開發(fā)了新式槽道型滑行艇4。此外，cssrc及上海滬東造船廠都對(duì)深v型艇型進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)9介紹了深 型艇的性能與設(shè)計(jì)特點(diǎn)。1.3論文研究的目的與意義目前在我國研究高速水面無人艇具有十分重大的意義：第一：為順應(yīng)現(xiàn)代武器發(fā)展的歷史潮流

27、，我國開展?jié)M足不同戰(zhàn)術(shù)使命需求的高速無人水面艇已迫在眉睫，現(xiàn)代武器系統(tǒng)正朝著智能化、無人化等方面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無人艇正順應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。目前水面無人艇正處在飛速發(fā)展階段。無人艇已被公認(rèn)為未來爭(zhēng)奪信息優(yōu)勢(shì)，實(shí)施精準(zhǔn)攻擊，完成戰(zhàn)場(chǎng)特殊任務(wù)的重要手段之一，西方國家都十分重視該領(lǐng)域的研究，并逐漸在軍事和其他方面得到應(yīng)用。第二：無人水面艇作為一種新概念武器，與一般艦艇相比有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，它費(fèi)用比較低，應(yīng)用廣泛，順應(yīng)發(fā)展潮流。且能與大型艦艇相互配合，協(xié)同作戰(zhàn)，因此我國針對(duì)無人水面艇的研究、發(fā)展已到刻不容緩的程度。第三，研制和開發(fā)水面高速無人艇也是維護(hù)國家統(tǒng)一、保衛(wèi)國家主權(quán)的需要。我國是世界上唯一一個(gè)沒有實(shí)

28、現(xiàn)國家統(tǒng)一的大國，為維護(hù)國家統(tǒng)一的臺(tái)海戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)的可能性始終存在。水面高速無人艇系統(tǒng)的建立，將在未來可能的臺(tái)海戰(zhàn)爭(zhēng)中為大部隊(duì)登錄掃清海上障礙、建立快速海上通道以及快速布置多個(gè)水面信息站點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)、電子干擾、信息中繼以集群方式對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行控制。發(fā)揮不可比擬的作用2。第四，未來戰(zhàn)場(chǎng)是信息戰(zhàn)，無人艇在這個(gè)領(lǐng)域中也有它的很多優(yōu)勢(shì)：無人水面艇在“軍事欺騙”任務(wù)中實(shí)現(xiàn)佯動(dòng)掩護(hù)；無人水面艇在“實(shí)體摧毀”目的下完成對(duì)敵殺傷；無人水面艇在“網(wǎng)電一體戰(zhàn)”環(huán)境下進(jìn)行組網(wǎng)聯(lián)通；無人水面艇在“指揮控制戰(zhàn)”模式下完成編隊(duì)指控第五，無人艇其成本較低，風(fēng)險(xiǎn)比較小，可大批量裝備海軍，以較低的成本迅速彌補(bǔ)我軍在非對(duì)稱作戰(zhàn)體系中

29、的不足，提高我軍在海上的作戰(zhàn)能力。如果形成產(chǎn)業(yè)規(guī)劃還能帶動(dòng)某一地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展供出一份力量。1.4論文主要內(nèi)容本論文主要內(nèi)容有：（1）針對(duì)高速無人滑行艇的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及性能要求等開展調(diào)研分析，開展無人艇初步設(shè)計(jì)，確定主尺度、主要參數(shù)，以及其他功能模塊。（2）在此基礎(chǔ)上，利用maxsurf軟件完成高速無人滑行艇的設(shè)計(jì)及流體性能的初步計(jì)算分析；（3）高效節(jié)能特種推進(jìn)器的選定，以及優(yōu)化推進(jìn)器，改善推進(jìn)效率。（4）以滑行艇前進(jìn)、升沉及縱搖運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)開展滑行艇流體性能的初步分析，并考慮風(fēng)載荷因素簡(jiǎn)歷滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)模型；（5）編制運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)程序，開展滑行艇三自由度運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)，分析高速滑行艇

30、的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。第2章 高速滑行艇maxsurf建模2.1滑行艇的maxsurf建模2.1.1單體滑行艇的主尺度滑行艇長(zhǎng)l=6.00m滑行型寬b=2.08m滑行型深d=1.60m設(shè)計(jì)吃水t=0.48m靜止在水中的滿載排水水量=1.85t2.1.2單體滑行艇的maxsurf建模視圖圖2-1四個(gè)視窗的模型截圖圖2- 2 縱剖面圖圖2-3橫剖面圖圖2-4半寬水線圖圖2-5立體視圖2.1.3利用muxsurf對(duì)艇靜止在水面時(shí)基本計(jì)算排水量displacement:1.85t水線之下容量volume:1.81m3進(jìn)水深度immersed depth:0.48m設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)lwl:5.38m水下濕表面積wate

31、rplane area:5.87m2棱形系數(shù)cp:0.608方形系數(shù)cb:0.455中橫剖面系數(shù)cm:0.772水線面系數(shù)cwp:0.71浮心高度kb0.299m每厘米吃水噸數(shù)tpc:0.06t/cm每厘米縱傾力矩mtc:0.019t.m2.1.4利用hydromax對(duì)艇靜止在水面時(shí)基本計(jì)算用hydromax建模分析計(jì)算，得到如下報(bào)告：loadcase - loadcase1（計(jì)算狀態(tài)）damage case - intactfree to trimrelative density (specific gravity) = 1.025; (density = 1.0252 tonne/m3)f

32、luid analysis method: use corrected vcgitem name quantity weight tonnelong.arm mvert.arm mtrans.arm mfs mom. tonne.mfsm type lightship10.92502.7600.0640.0000.000total weight=0.9250lcg=2.760vcg=0.064tcg=0.0000fs corr.=0vcg fluid=0.064heel to starboard degrees-30.0-20.0-10.00.010.020.0displacement ton

33、ne0.92500.92500.92500.92500.92500.9250draft at fp m0.3350.2930.2710.2640.2710.293draft at ap m0.3350.2930.2710.2640.2710.293wl length m4.8754.8974.8894.8614.8894.897immersed depth m0.3570.3410.3210.3090.3210.341wl beam m1.3601.3571.3691.3741.3691.357wetted area m25.5715.5855.6215.6355.6215.585waterp

34、l. area m24.7944.7814.8144.8314.8144.781prismatic coeff.0.5840.5890.5940.5990.5940.589block coeff.0.3810.3980.4200.4370.4200.398lcb from amidsh. (+ve fwd) m-7.240-7.240-7.239-7.239-7.239-7.240vcb from dwl m-0.121-0.118-0.115-0.113-0.115-0.118gz m-0.356-0.245-0.1250.0000.1250.245lcf from amidsh. (+ve

35、 fwd) m-7.316-7.354-7.383-7.393-7.383-7.354tcf to zero pt. m-0.381-0.251-0.1220.0000.1220.251max deck inclination deg30.020.010.00.410.020.0trim angle (+ve by stern) deg0.00.00.00.00.00.0heel to starboard degrees30.040.050.060.070.080.0displacement tonne0.92500.92500.92500.92500.92500.9250draft at f

36、p m0.3350.4030.5050.6710.9261.460draft at ap m0.3350.4030.5050.6710.9261.460wl length m4.8754.8114.6774.4754.2234.458immersed depth m0.3570.3650.3580.3280.2960.341wl beam m1.3601.4021.5391.6101.4791.352wetted area m25.5715.6305.8756.2566.4166.384waterpl. area m24.7944.9135.2615.6175.4255.008prismati

37、c coeff.0.5840.5760.5670.5590.5890.577block coeff.0.3810.3670.3500.3820.4890.439lcb from amidsh. (+ve fwd) m-7.240-7.239-7.235-7.226-7.211-7.193vcb from dwl m-0.121-0.121-0.116-0.105-0.103-0.114gz m0.3560.4600.5710.7140.8360.906lcf from amidsh. (+ve fwd) m-7.316-7.281-7.259-7.218-7.133-7.083tcf to z

38、ero pt. m0.3810.5180.6740.8170.8620.877max deck inclination deg30.040.050.060.170.180.0trim angle (+ve by stern) deg0.00.00.00.00.00.0heel to starboard degrees90.0100.0110.0120.0130.0140.0displacement tonne0.92500.92500.92500.92500.92500.9250draft at fp mn/a-0.105-0.620-0.860-1.015-1.130draft at ap

39、mn/a-0.105-0.620-0.860-1.015-1.130wl length m5.1445.6705.9695.9795.9515.934immersed depth m0.4400.5140.5580.5740.5630.525wl beam m1.2311.1100.9940.9180.8790.882wetted area m26.3756.3246.3116.3576.4496.642waterpl. area m24.6274.2533.9953.8763.8824.052prismatic coeff.0.5290.5160.5290.5670.6100.655bloc

40、k coeff.0.3230.2790.2720.2860.3070.328lcb from amidsh. (+ve fwd) m-7.175-7.161-7.154-7.157-7.168-7.186vcb from dwl m-0.131-0.147-0.159-0.163-0.161-0.152gz m0.9170.8720.7780.6470.4880.313lcf from amidsh. (+ve fwd) m-7.048-7.035-7.015-7.012-7.043-7.093tcf to zero pt. m0.8770.8530.7970.7030.5770.430max

41、 deck inclination deg90.0100.0109.9119.9129.9139.9trim angle (+ve by stern) deg0.00.00.00.00.00.0heel to starboard degrees150.0160.0170.0180.0displacement tonne0.92500.92500.92500.9250draft at fp m-1.221-1.295-1.349-1.357draft at ap m-1.221-1.295-1.349-1.357wl length m5.9245.9205.9195.920immersed de

42、pth m0.4630.3720.2630.259wl beam m0.9321.0601.3982.031wetted area m26.9787.6069.06210.717waterpl. area m24.4465.2296.9788.788prismatic coeff.0.7070.7730.8760.871block coeff.0.3530.3860.4150.290lcb from amidsh. (+ve fwd) m-7.208-7.231-7.248-7.250vcb from dwl m-0.136-0.114-0.083-0.055gz m0.133-0.031-0

43、.1330.000lcf from amidsh. (+ve fwd) m-7.158-7.243-7.399-7.543tcf to zero pt. m0.2770.1390.0730.000max deck inclination deg150.0160.0170.0179.5trim angle (+ve by stern) deg0.00.00.00.0graph:2.1.4.1大傾角穩(wěn)性(橫傾) resultes:graph:2.1.4.2平衡分析 resultes:graph:2.1.4.3垂向靜水力 graph:第3章 推進(jìn)器設(shè)計(jì)3.1噴水推進(jìn)器的概要噴水推進(jìn)裝置的研究可以追溯

44、到300多年以前，1661年toogood與hayes就獲得了英國的專利。此后有關(guān)噴水推進(jìn)裝置的研究一直沒有停止過。國際上有不少專門組織機(jī)構(gòu)科研單位對(duì)噴水推進(jìn)器噴水推進(jìn)裝置以及影響噴水推進(jìn)性能的各種因素做了大量的研究和試驗(yàn)使噴水推進(jìn)技術(shù)近幾十年來有了突破性的發(fā)展.噴水推進(jìn)已被廣泛采用在高性能艦船上.為滿足特殊用途和高性能需要一些新型噴水推進(jìn)器及裝置也相繼出現(xiàn)。英國皇家造船工程學(xué)會(huì)分別于1994 年1998 年2001 年和2004 年組織并召開了國際噴水推進(jìn)會(huì)議，這是專門交流近期世界各國噴水推進(jìn)研究成果的國際性學(xué)術(shù)會(huì)議。1020世紀(jì)70年代以來噴水推進(jìn)泵的水平有了較大的發(fā)展，主要體現(xiàn)在一下三個(gè)

45、方面11：1. 泵的比轉(zhuǎn)速范圍增加 50年代的軸流泵比轉(zhuǎn)速范圍是500-1000，而20世紀(jì)60年代軸流泵比轉(zhuǎn)速達(dá)到1600仍有很高的效率，而到了70年代軸流泵比轉(zhuǎn)速可以高達(dá)3000，這對(duì)于采用輕型高速主機(jī)是有利的。2. 泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速增加 泵的汽蝕比轉(zhuǎn)速定義為，其中hr為汽蝕余量，它反應(yīng)了泵的空泡特性，通常c值在800-1100的范圍，在泵前串聯(lián)誘導(dǎo)輪后可以使c值高達(dá)3000。3. 泵的功率增加 20世紀(jì)60年代末，單泵組的功率多為二三千瓦，而1975年交付試驗(yàn)的phm導(dǎo)彈水翼艇單泵組功率達(dá)到11900kw（16200馬力），瑞士研制的pt250水翼艇單泵組功率達(dá)到20600kw（28000

46、馬力）。3.2噴水推進(jìn)器較常規(guī)螺旋槳推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)a) 推進(jìn)效率高 傳統(tǒng)的螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)不僅產(chǎn)生推力，而且產(chǎn)生無用的扭矩。在航速較高時(shí)，螺旋槳還容易產(chǎn)生空泡，從而導(dǎo)致效率損失。而噴水推進(jìn)裝置的導(dǎo)管起到了分割流場(chǎng)，產(chǎn)生推力增值的作用，可以達(dá)到更高的效率。b) 操縱性好噴水推進(jìn)船舶的操縱不需要改變主機(jī)轉(zhuǎn)速，而主要依靠改變噴射水流方向來實(shí)現(xiàn)船舶的轉(zhuǎn)向和倒航。因而，在一定的主機(jī)轉(zhuǎn)速下，噴水推進(jìn)船舶可以做到無級(jí)變速、駐航和倒航。如果采用雙機(jī)雙槳，還可以實(shí)現(xiàn)船舶橫移。c) 噪聲低噪聲低噴水推進(jìn)裝置的動(dòng)葉輪在泵殼內(nèi)均勻流場(chǎng)中工作，可推遲空泡的產(chǎn)生，從而減小葉片的振動(dòng)和噪聲。而且，由于噴水推進(jìn)裝置的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

47、單，可明顯減低內(nèi)部噪音，船體振動(dòng)量也會(huì)有所降低。3.3噴水推進(jìn)器的工作機(jī)理噴水式艦船推進(jìn)裝置包含有吸水裝置、輸水裝置和噴水裝置。吸水裝置位于艦船的首部，含有吸水口、吸水口防護(hù)罩、吸水口開關(guān)，吸水口開設(shè)在艦船的首部，吸水口防護(hù)罩罩住吸水口的開口部分，聯(lián)接在艦船的殼體上，吸水口開關(guān)的進(jìn)水端聯(lián)接吸水口的收口端，其出水端與輸水裝置中的輸水管的前端相聯(lián)，增壓泵的出水端與增壓輸水管的前端相聯(lián)。輸水裝置中的增壓泵可為一個(gè)或多個(gè)，視艦船的長(zhǎng)度、大小和增壓的實(shí)際需要配置，若為多個(gè)，則從第一級(jí)到最后一級(jí)依次串聯(lián)（一個(gè)增壓泵為一級(jí)增壓，多個(gè)增壓泵則為多級(jí)增壓）。噴水裝置位于艦船的尾部，含有噴水機(jī)、調(diào)向閥門、正向噴頭

48、及開關(guān)、逆向噴頭及開關(guān)，噴水機(jī)的進(jìn)水端與增壓輸水管的出水端相聯(lián)，其出水端與調(diào)向閥門的進(jìn)水相聯(lián)，調(diào)向閥門的兩個(gè)出水端分別與正向噴頭開關(guān)的進(jìn)水端相聯(lián)，正向噴頭的出水端伸出艦船尾部正面殼體，出水噴射入承載艦船的后面水體中，逆向噴頭的出水端伸出艦船尾部側(cè)面殼體，出水噴射入承載艦船的側(cè)面水體中。 圖3-1噴水推進(jìn)裝置工作流程示意圖 吸水裝置、輸水裝置、噴水裝置依次聯(lián)接共同構(gòu)成一套完整的噴水式艦船推進(jìn)裝置，吸水口、增壓泵、噴水機(jī)、調(diào)向閥門等是其中的關(guān)鍵部件，吸水口呈喇叭型，開口端與艦船首部的殼體相聯(lián)，利用艦船首部殼體曲成半開放的集水凹槽，凹槽迎水面有防護(hù)罩，吸水口的收口端位于艦船殼體內(nèi)，與吸水口開關(guān)的進(jìn)水

49、端相聯(lián)。吸水口此種設(shè)計(jì)既有利于增壓泵主動(dòng)吸水，又有利于消減艦船首部的興波阻力。增壓泵包含有泵體、葉輪、軸和動(dòng)力，葉輪裝在軸上，軸與動(dòng)力相聯(lián)。噴水機(jī)含有機(jī)殼、噴射軸和動(dòng)力，噴射軸為錐狀螺旋體，安裝在錐狀機(jī)殼內(nèi)并與動(dòng)力相聯(lián)。噴水機(jī)的主要功能是產(chǎn)生高壓高速水流，通過噴頭噴射而出，使艦船獲得強(qiáng)大的反沖動(dòng)力。調(diào)向閥門含有球形閥體、球弧形閥瓣、圓柱形閥軸、進(jìn)水端、正向出水端、側(cè)向出水端、底座，閥瓣緊套在閥體內(nèi)，通過閥軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變出水方向，在關(guān)閉側(cè)向出水端的同時(shí)開啟正向出水端，或在開啟側(cè)向出水端的同時(shí)關(guān)閉正向出水端，使來自噴水機(jī)的高壓水流或從正向噴頭噴出，或從逆向噴頭噴出，從而使艦船或前進(jìn)、或轉(zhuǎn)向、或倒退，達(dá)

50、到調(diào)向目的。噴水式艦船推進(jìn)裝置中的吸水口開關(guān)和噴頭開關(guān)（包括正向噴頭開關(guān)和逆向噴頭開關(guān)）主要因安全考慮而設(shè)置，為直通式開關(guān)，這些開關(guān)一旦關(guān)閉，即可阻止外界水體進(jìn)入噴水式艦船推進(jìn)裝置，有利于設(shè)備的隨時(shí)維修。 噴水式艦船推進(jìn)裝置中的吸水裝置、輸水裝置、噴水裝置依次聯(lián)接安裝在艦船殼體的底面上。具體到每一艘噴水式艦船，可以根據(jù)實(shí)際需要組成一套或數(shù)套噴水式艦船推進(jìn)裝置，按照合適的規(guī)格和結(jié)構(gòu)方式，組合成實(shí)用的噴水式艦船推進(jìn)裝置，按照合適的規(guī)格和結(jié)構(gòu)方式，組合成實(shí)用的噴水式艦船推進(jìn)系統(tǒng)。 噴水式艦船的操縱簡(jiǎn)便靈活，利用動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)速，利用調(diào)向閥門調(diào)向，可實(shí)現(xiàn)無舵操縱。與傳統(tǒng)的有舵操縱的螺槳式艦船相比，無舵操縱

51、的噴水式艦船的機(jī)動(dòng)性能要強(qiáng)得多，而且減少了許多不必要的能量和功率損耗，其潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和軍事價(jià)值不可低估。3.4噴水推進(jìn)器理論噴水推進(jìn)系統(tǒng)的理想推力為ti,則ti應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)量的增量ti,=則有效功為ti，而輸入功為動(dòng)能的增量，即因此理想效率有為噴射速度與來流速度之比，即一般來說，1，1，只有當(dāng)=時(shí)=1。對(duì)于噴水推進(jìn)器能量損失為此損失可稱為損射損失。在實(shí)際流體中，噴水推進(jìn)系統(tǒng)有多種損失，主要是管道系統(tǒng)和泵自身都有水力損失。設(shè)原動(dòng)主機(jī)的功率為np，水泵連軸節(jié)處的傳送效率為，則推進(jìn)泵的收到功率是水泵的主要作用是把機(jī)械能變?yōu)樗δ?，主要參?shù)是流量q和楊程h,因此，水泵的輸出功率為, 水泵的效率

52、為管道系統(tǒng)在輸入的功率后，輸出推動(dòng)船前進(jìn)的功率為。因此，管道系統(tǒng)效率為噴水推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率為。3.5影響噴水推進(jìn)器性能的重要參數(shù)3.5.1建立噴水推進(jìn)器計(jì)算模型圖3-2 加導(dǎo)葉噴水推進(jìn)器計(jì)算模型噴水推進(jìn)模型包括進(jìn)水段、動(dòng)葉輪區(qū)域、導(dǎo)葉區(qū)和出水段，其中動(dòng)葉輪和導(dǎo)葉的數(shù)目分別為：6個(gè)和7個(gè)，輪轂比為04，進(jìn)口直徑為200 mm，轉(zhuǎn)速為1 450 rmin該葉輪模型以x軸為旋轉(zhuǎn)。3.5.2重要參數(shù)1、葉片安裝角 當(dāng)改變噴水推進(jìn)的葉片安裝角時(shí)，性能曲線也要隨之變化。在一定轉(zhuǎn)速下，把各個(gè)葉片安裝角所對(duì)應(yīng)的性能曲線包括hq曲線、一q曲線和nq曲線繪制在同一張圖上，便得到噴水推進(jìn)的通用特性曲線12。噴水推進(jìn)在最佳工況時(shí)葉片的裝角度西角作為零度，葉片可向正的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即函角為正值，沖角加大；也可向負(fù)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，垂為負(fù)值，沖角減小正角為葉片