三體船側(cè)體位置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

鄭 律 叢 剛 王耀輝

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

0 引 言

三體船的兩個(gè)側(cè)體一般對(duì)稱(chēng)布置于主體兩側(cè)，不會(huì)有錯(cuò)位現(xiàn)象。理論計(jì)算和模型試驗(yàn)均表明主船體和側(cè)體間的興波干擾對(duì)三體船的阻力有較大影響。如果側(cè)體位置恰當(dāng)，阻力可能大大減小。三體船濕表面面積較單體船稍大，如果通過(guò)側(cè)體位置變化，在減小阻力的同時(shí)可改善三體船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)性能，那么三體船的側(cè)體位置優(yōu)化布局則尤顯重要［1-3］。

本論文將基于二維半理論［4-6］，應(yīng)用TRIMARAN計(jì)算軟件研究側(cè)體縱向、橫向位置的變化對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，并計(jì)算分析了船體橫搖慣性半徑對(duì)三體船橫搖性能的影響，從而提出一套三體船側(cè)體位置優(yōu)化方案。

1 低航速下側(cè)體位置優(yōu)化分析

1.1 側(cè)體縱向位置變化對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響

取一艘三體船作為船模進(jìn)行比較分析。該船主體船長(zhǎng)2.5 m、型寬0.178 m、吃水0.106 3 m，側(cè)體船長(zhǎng)0.7 m、型寬0.03 m、吃水0.05 m。

主體、側(cè)體的船尾間距s分別取為0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m四種情況。考慮到實(shí)際航行狀態(tài)及本論文重點(diǎn)研究方向，我們選擇浪向角為135°、180°兩種情況有針對(duì)性地比較不同側(cè)體位置對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響。由于浪向角為180°時(shí)，船體屬于迎浪航行，這時(shí)波浪對(duì)船體的橫搖性能幾乎無(wú)影響，所以本文不考慮浪向角為180°時(shí)，側(cè)體對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響。

側(cè)體與主體中心線間距選為0.5 m。因?yàn)樵摋l件下，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算子的曲線變化較明顯，方便進(jìn)行對(duì)比，但這個(gè)橫向位置不一定是最優(yōu)的側(cè)體橫向位置。

圖1中垂蕩是以垂蕩幅度比遭遇波波幅的無(wú)因次比值形式給出，文中再次出現(xiàn)的垂蕩均按此給出。通過(guò)圖中四種情況下的垂蕩比較，可以看出：在遭遇波波長(zhǎng)較船長(zhǎng)小的情況下，四種側(cè)體縱向位置的垂蕩性能相差不多，而當(dāng)遭遇波波長(zhǎng)大于船長(zhǎng)0.6倍后，將側(cè)體位置布置得靠向主體前部更為適合。尤其是在0.75～1.25倍船長(zhǎng)的遭遇波波長(zhǎng)情況下，其垂蕩性能明顯優(yōu)于其他情況。

圖1 側(cè)體縱向位置對(duì)三體船垂蕩性能的影響（Fn=0.2，浪向角 135°）

圖2中縱搖是以縱搖角度比波傾角的無(wú)因次比值形式給出，文中再次出現(xiàn)的縱搖均以此形式給出。圖2對(duì)比了四種不同縱向位置的側(cè)體對(duì)三體船縱搖的影響。可以看到，側(cè)體位置較靠前或者靠后均對(duì)三體船的縱搖性能十分有利，其縱搖幅度一直低于將側(cè)體放置于主體中間部位的情況。當(dāng)以縱搖為主要考慮因素時(shí)，將側(cè)體放置于主體船的船首或者船尾均可行。

圖2 側(cè)體縱向位置對(duì)三體船縱搖性能的影響（Fn=0.2，浪向角 135°）

圖3中橫搖是以橫搖角度比波傾角的無(wú)因次比值形式給出的，論文中再次出現(xiàn)的橫搖均以這種形式給出。由圖3可以看出：四種側(cè)體縱向位置對(duì)橫搖的影響曲線比較集中，將側(cè)體放置于靠近主體船首的位置是最優(yōu)選擇，該種情況下的橫搖幅度總是小于其他三種側(cè)體分布方案。

圖3 側(cè)體縱向位置對(duì)三體船縱搖性能的影響（Fn=0.2，浪向角 135°）

綜合圖1～3的對(duì)比，低航速下側(cè)體縱向位置應(yīng)放置于靠近主體船首位置。同時(shí)要注意，我們所有的對(duì)比都是在Fn=0.2的低航速下進(jìn)行的，而對(duì)于Fn＞0.4的高航速情況可能并不適用。

在圖4和圖5中，可以明顯看到在浪向角180°時(shí)，三體船處于穿浪航行這一特殊的航行狀態(tài)，四種側(cè)體縱向位置對(duì)垂蕩和縱搖的影響曲線已很分散，將側(cè)體放置于靠近主體船首的位置是最優(yōu)選擇，該情況下的垂蕩和縱搖性能都最有優(yōu)勢(shì)。

圖4 側(cè)體縱向位置對(duì)三體船垂蕩性能的影響（Fn=0.2，浪向角 180°）

圖5 側(cè)體縱向位置對(duì)三體船縱搖性能的影響（Fn=0.2，浪向角 180°）

1.2 側(cè)體橫向位置變化對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響

橫向位置的變化不僅對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)性能有影響，也影響三體船的甲板空間大小，且對(duì)船舶構(gòu)件強(qiáng)度有較高的要求，尤其是當(dāng)主體與側(cè)體距離較遠(yuǎn)的情況下，連接構(gòu)件的強(qiáng)度尤其重要。側(cè)體橫向位置以其與船長(zhǎng)的比例n/L形式給出；對(duì)于橫向位置n的選取，則在n/L=0.1～0.3的區(qū)間內(nèi)選擇，分別取n/L=0.10、n/L=0.15、n/L=0.16、n/L=0.24、n/L=0.30 五種情況分析對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響。這組比較中，我們選取主體船尾與側(cè)體船尾間距s=0.65 m，因?yàn)樵诖宋恢孟拢兓瘋?cè)體橫向位置會(huì)引起較大波動(dòng)，三體船運(yùn)動(dòng)性能也較差，故方便比對(duì)。

圖6對(duì)比了五種不同橫向位置的側(cè)體對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響。

圖6 側(cè)體橫向位置對(duì)三體船垂蕩性能的影響（Fn=0.2，浪向角 135°）

從峰值、曲線波動(dòng)兩方面來(lái)看，橫向間距較大的n/L=0.30、n/L=0.24和橫向間距較小的 n/L=0.10，對(duì)于三體船的運(yùn)動(dòng)性能影響都比較理想，這幾種情況除了在橫向坐標(biāo)中顯示的遭遇波波長(zhǎng)為船長(zhǎng)0.75倍附近差距較大外，其他波長(zhǎng)情況中都差不多。因此在遭遇波波幅較小的海況中，這幾種側(cè)體位置都可應(yīng)用。

圖7 側(cè)體橫向位置對(duì)三體船縱搖性能的影響（Fn=0.2，浪向角 135°）

圖8 側(cè)體橫向位置對(duì)三體船橫搖性能的影響（Fn=0.2，浪向角 135°）

通過(guò)圖7、圖8（見(jiàn)下頁(yè)）縱搖和橫搖性能對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)n/L=0.10時(shí)是比較好的選擇，因?yàn)榇藭r(shí)三體船的橫搖和縱搖都較小。尤其是橫搖，其幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他情況，這一點(diǎn)在圖8中十分明顯。而在圖8中，根據(jù)n值從小到大的變化和其橫搖峰值的關(guān)系中，可以推測(cè)當(dāng)n值進(jìn)一步增大時(shí)，其橫搖波動(dòng)峰值仍會(huì)下降，而其縱搖不會(huì)有很大變化。所以，如果可以保證連接構(gòu)件強(qiáng)度，我們?cè)谶M(jìn)行主體、側(cè)體橫向間距選擇時(shí)可以選擇一個(gè)較大的間距，這樣也可以增大船體的甲板空間。

可以看到，側(cè)體橫向位置變化對(duì)三體船垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)性能影響較小，頂浪情況下對(duì)橫搖又無(wú)影響，故在浪向角180°下的橫向位置變化對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響在此可不作考慮。

2 高航速下側(cè)體位置優(yōu)化分析

所謂的高航速，即Fn＞0.4情況下的航行速度。船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與船舶航速有關(guān)，不同的航速下，船舶的航態(tài)不同，而在不同的航態(tài)中，船舶的尺度變化（三體船中包括主體尺度和側(cè)體尺度及側(cè)體位置）對(duì)船舶的影響也將不同。前文中對(duì)比了低航速下側(cè)體位置對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響，但此方法對(duì)于高航速狀態(tài)下的三體船可能并不適用。因此，為了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)三體船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與側(cè)體位置的關(guān)系，有必要對(duì)高航速下的三體船側(cè)體位置也進(jìn)行比較。

2.1 縱向位置變化的側(cè)體對(duì)高航速下三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響

為與前文中低航速下縱向位置變化的側(cè)體對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響作一比較，從而得到更準(zhǔn)確的結(jié)論，故將這里所進(jìn)行的側(cè)體縱向位置變化與低航速下的三體船側(cè)體縱向位置的變化保持一致，即取主體船尾與側(cè)體船尾間距s=0 m、s=0.5 m、s=1.0 m、s=1.5 m四種情況下對(duì)比。這四種情況分別對(duì)應(yīng)于船舶尾部、船舶中后部、船舶中部，船舶中前部，對(duì)于將側(cè)體放置于主體首部的情況，一般不予考慮。在這組比較中，側(cè)體與主體中心線距離仍取0.5 m。

圖9 側(cè)體縱向位置對(duì)垂蕩性能的影響（Fn=0.5，浪向角 135°）

圖10 側(cè)體縱向位置對(duì)縱搖性能的影響（Fn=0.5，浪向角 135°）

圖11 側(cè)體縱向位置對(duì)橫搖性能的影響（Fn=0.5，浪向角 135°）

在圖9～11中可以看到，在高航速下，側(cè)體縱向位置對(duì)于三體船高航速下運(yùn)動(dòng)性能的影響較大，尤其是在縱搖和橫搖兩組比較中。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，將側(cè)體放置于主體船尾是最理想的情況。

由圖12、圖13可以看出，在完全迎浪的情況下，船體側(cè)向位置變化對(duì)三體船的影響差異較大，且高航速下將側(cè)體放置于主體船尾最佳。結(jié)合135°浪向角下的運(yùn)動(dòng)性能比較，可以得到結(jié)論：在高航速下，將側(cè)體放置于主體船尾有利于三體船運(yùn)動(dòng)性能的提高。這一點(diǎn)與低航速下側(cè)體縱向位置的選擇正好相反。

圖12 側(cè)體縱向位置對(duì)垂蕩性能的影響（Fn=0.5,浪向角 180°）

圖13 側(cè)體縱向位置對(duì)縱搖性能的影響（Fn=0.5,浪向角 180°）

2.2 側(cè)體橫向位置變化對(duì)高航速下三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響

為方便比對(duì)，側(cè)體縱向位置均選為側(cè)體船尾與主體船尾間距0.65 m。從圖14～16中我們看到，不同的側(cè)體橫向位置對(duì)于三體船的垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)的影響很小，故在此不作過(guò)多說(shuō)明。

圖14 側(cè)體橫向位置對(duì)三體船垂蕩性能的影響（Fn=0.5,浪向角 135°）

圖15 側(cè)體橫向位置對(duì)三體船縱搖性能的影響（Fn=0.5,浪向角 135°）

圖16 側(cè)體橫向位置對(duì)三體船橫搖性能的影響（Fn=0.5,浪向角 135°）

對(duì)于橫搖，曲線顯示得很明顯，當(dāng)n/L=0.10時(shí)擁有最小的橫搖，鑒于在垂蕩運(yùn)動(dòng)、縱搖運(yùn)動(dòng)中影響不大，因此以橫搖為主要考慮對(duì)象，選擇n/L=0.10的主體與側(cè)體間距。

由于側(cè)體橫向位置的變化對(duì)高航速下的垂蕩性能和縱搖性能影響十分微弱，在浪向角180°情況下橫搖性能不受影響，所以浪向角180°下橫向位置變化的影響在此也不列出。

3 結(jié) 論

本文主要研究在高速與低航速下，改變側(cè)體的橫向、縱向位置對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響，并對(duì)比了在最適合主體船型、側(cè)體橫向、縱向位置下135°浪向角時(shí)，船體橫搖慣性半徑對(duì)三體船運(yùn)動(dòng)性能的影響。可以得到以下結(jié)論：

（1）低航速時(shí)，側(cè)體應(yīng)放置于靠近主體船首的位置，有利于三體船運(yùn)動(dòng)性能的提升；高航速下則應(yīng)將側(cè)體放置于主體船尾。

（2）側(cè)體橫向位置變化對(duì)三體船垂蕩、縱搖兩方面的性能影響較小，橫搖性能成為側(cè)體橫向位置主要考慮因素。

（3）三體船的側(cè)體重心位置應(yīng)向三體船中部集中，這樣能夠減少三體船的橫搖。

［1］周廣利.三體船型阻力預(yù)報(bào)、優(yōu)化與系列性試驗(yàn)分析研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.

［2］Bingham A E，Hampshire J K，Miao J K，et al.Motions and Loads of a Trimaran Traveling in Regular Waves［C］//Proceedings of the 6th International Conference on Fast Sea Transportation.Southampton：［s.n.］，2001：167-176.

［3］李培勇，馮鐵成，裘泳銘.三體船橫搖運(yùn)動(dòng)［J］.中國(guó)造船，2003，44（1）：24-30.

［4］馬山.高速船舶運(yùn)動(dòng)與波浪載荷計(jì)算的二維半理論研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

［5］鄧銳，黃德波，周廣利.三體船阻力的數(shù)值計(jì)算研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（7）：673-676.

［6］孫善春.二維自由面條件的數(shù)值模擬［D］.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.