雙車廂兩棲車靜水直航下的水動(dòng)力性能研究

王少新，金國(guó)慶，王涵，孫蕊，劉賀

(1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連馭海佳藝咨詢科技有限公司,遼寧 大連 116000；3.哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056)

0 引言

水陸兩棲車依靠車輪或履帶實(shí)現(xiàn)陸地上行走，依靠推進(jìn)式螺旋槳或噴水推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)水上航行，無(wú)論在國(guó)防還是民生經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有較大的市場(chǎng)需求，如軍事上可作為突擊登陸、巡邏運(yùn)輸和資源補(bǔ)給等；在民用上可用于抗洪救災(zāi)、運(yùn)送人員和物資等[1-2]。兩棲車在陸地上的行進(jìn)過(guò)程與普通車輛無(wú)異，但在水中航行時(shí)受水動(dòng)力環(huán)境影響較大，如存在對(duì)航行速度的要求，由于兩棲車屬于鈍體結(jié)構(gòu)物，流線型較差，導(dǎo)致水阻力大，此時(shí)必須考慮車輛外形設(shè)計(jì)以減小水阻力，以及采用高效的推進(jìn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)航速要求。此外，海洋環(huán)境的惡劣對(duì)兩棲車輛的穩(wěn)性和耐波性提出了更高要求[3]。近年來(lái)，為提高兩棲車的運(yùn)載能力，有關(guān)單位研究開(kāi)發(fā)了某型號(hào)雙車廂水陸兩棲車，車身長(zhǎng)18.5 m，最寬處寬度5.2 m，設(shè)計(jì)吃水線距離輪轂中心線1.472 m，在靜水正浮狀態(tài)下橫傾角和縱傾角均為0°；滿載排水量約為88 t，前車廂排水量38 t，主要布置車用行進(jìn)設(shè)備和駕駛?cè)藛T，后車廂排水量50 t，主要用于存放運(yùn)載貨物與人員；前后兩車廂中間采用鉸接形式連接，鉸接設(shè)備安裝在水密箱體內(nèi)部；前后車廂各布置兩個(gè)推進(jìn)裝置，用以克服雙車廂存在的水阻力；對(duì)于兩棲車，為防止出現(xiàn)大幅度埋首現(xiàn)象(該現(xiàn)象通常會(huì)導(dǎo)致兩棲車在水中縱傾角太大而傾覆)，防浪板[4]的設(shè)計(jì)安裝必不可少。本文研究的兩棲車模型選用具有一定厚度的方形板作為防浪板，安裝角度為35°.雙車廂的設(shè)計(jì)可大幅改善兩棲車輛的運(yùn)輸能力，本文研究的兩棲車計(jì)算簡(jiǎn)化模型主視圖和俯視圖如圖1所示?；谠摫尘?，本文主要基于數(shù)值方法對(duì)雙車廂兩棲車的水動(dòng)力性能進(jìn)行仿真研究，以服務(wù)于工程設(shè)計(jì)。

圖1 雙車廂兩棲車計(jì)算簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of a double-carriage amphibious vehicle

對(duì)于兩棲車水中阻力與運(yùn)動(dòng)性能的測(cè)量，傳統(tǒng)做法是基于相似理論，采用縮尺模型進(jìn)行拖曳水池試驗(yàn)[5]，該試驗(yàn)方法的可靠性較高，但是試驗(yàn)成本較高、周期較長(zhǎng)，大量的工況無(wú)法全部通過(guò)試驗(yàn)完成。近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，船舶運(yùn)動(dòng)與水動(dòng)力性能計(jì)算的精度大幅提高，此外，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)性能的提升也進(jìn)一步推動(dòng)了CFD方法在船舶工程中的實(shí)際應(yīng)用。李玉良等[6]采用CFD多相流模型對(duì)不同車體方案在不同速度下的水上性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明適當(dāng)增大車輛縱傾角和在裙板上增加平板薄翼有助于減少阻力。徐一新[2]基于Fluent軟件對(duì)兩棲車的黏性繞流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了車體尾部形狀對(duì)流場(chǎng)的影響，證明了行駛環(huán)境的改變對(duì)阻力的影響。萬(wàn)曉偉等[7]基于k-ε(k為湍流動(dòng)能，ε為湍動(dòng)能耗散率)湍流模型和流體體積函數(shù)(VOF)方法實(shí)現(xiàn)了良好的兩棲車水上阻力預(yù)測(cè)。袁瀟龍等[8]采用CFD方法研究了防浪板對(duì)兩棲車水上航行性能的影響，驗(yàn)證了新型防浪板的減阻效果。酒永勝[9]基于CFX商業(yè)軟件，采用Level Set方法模擬自由液面并采用剪切應(yīng)力傳輸(SST)k-ω湍流模型計(jì)算兩棲車迎浪直航運(yùn)動(dòng)，分析了航速、波高和波長(zhǎng)等要素對(duì)兩棲車航行姿態(tài)和受力特性的影響。劇冬梅等[10]同樣采用CFX軟件和多相流模型研究了縱傾角對(duì)兩棲車阻力特性的影響，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)吻合良好，結(jié)果表明隨著航速的增加，車體縱傾角的適航范圍變小，但對(duì)阻力的影響幅度變大。彭錕[11]和彭錕等[12]基于CFD技術(shù)結(jié)合代理模型，對(duì)兩棲車輛外形減阻優(yōu)化進(jìn)行了研究，得到了車體最優(yōu)航行傾角、最優(yōu)長(zhǎng)寬比等設(shè)計(jì)方法，此外還研究了加裝尾翼板對(duì)航行阻力的影響，結(jié)果表明在低傅汝德數(shù)時(shí)加裝尾翼板可以起到很好的減阻效果。趙彬等[13]采用k-ε湍流模型和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，研究了兩棲車在靜水直航中的航行姿態(tài)變化規(guī)律，模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好。鄭翔玉等[14]采用Fluent商業(yè)軟件研究了車輪收放前后對(duì)兩棲車減阻增速的影響，結(jié)果表明車輪收起后，車輛水上行駛阻力減小，增速效果明顯。蔡宇峰等[15]基于可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型、VOF方法和重疊網(wǎng)格技術(shù)建立了兩棲車三維非定常數(shù)值模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的有效性。王麗麗等[16]同樣采用上述數(shù)值模型研究了尾壓浪板的減阻效果，且表明VOF方法捕捉到的自由液面與實(shí)際情況較為相符。孫旭光等[17]基于CFD技術(shù)提出了以改進(jìn)疊模為技術(shù)路線的形狀阻力分離方法，計(jì)算結(jié)果與拖曳模型航行阻力試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，建議在兩棲車的總體設(shè)計(jì)中應(yīng)力求優(yōu)化車尾形狀使得車后部收縮平緩，同時(shí)增大長(zhǎng)寬比以減小形狀阻力；車首優(yōu)化時(shí)應(yīng)改善與水流交界的入流角，使其盡量小以達(dá)到減小車輛興波阻力的效果。

綜上所述可知，近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)兩棲車的水動(dòng)力性能研究主要集中在采用商業(yè)CFD軟件計(jì)算兩棲車在靜水下的阻力和快速性等問(wèn)題，以及通過(guò)大量數(shù)值模擬研究影響兩棲車水動(dòng)力性能的各要素并提出具體的優(yōu)化方案。研究對(duì)象主要集中在單車廂兩棲車的靜水航行運(yùn)動(dòng)，而新型網(wǎng)格技術(shù)如重疊網(wǎng)格的模擬計(jì)算則較少。由于雙車廂兩棲車可大幅提升貨物運(yùn)載能力，但國(guó)內(nèi)外缺乏對(duì)此類新穎的兩棲車水動(dòng)力學(xué)性能的設(shè)計(jì)研究，本文采用CFD方法和重疊網(wǎng)格技術(shù)對(duì)雙車廂的實(shí)尺度水陸兩棲車在靜水下的直航運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，建立多體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值仿真模型，雙車廂之間采用具有3自由度的球形鉸接點(diǎn)進(jìn)行連接；研究車體總阻力、縱搖和垂蕩等運(yùn)動(dòng)性能以及球鉸對(duì)前后車體在3個(gè)方向的作用力。數(shù)值計(jì)算與拖曳水池試驗(yàn)的總阻力結(jié)果基本一致，表明該數(shù)值模型可以較好地預(yù)報(bào)雙車廂兩棲車的水動(dòng)力性能和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；由靜水海況下的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，總體上雙車廂兩棲車的縱搖角度保持在1°以內(nèi)，車體縱穩(wěn)性能優(yōu)良。

1 CFD模型設(shè)置

1.1 物理模型設(shè)置

本文借助CFD商業(yè)軟件STAR-CCM計(jì)算雙車廂兩棲車在靜水直航下的水動(dòng)力性能。假定計(jì)算域中的水和空氣均為不可壓縮流體，控制方程主要包括質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程。采用有限體積法(FVM)進(jìn)行空間離散，采用分離流模型和隱式非定常求解器求解流體方程。湍流模型選擇適用于復(fù)雜幾何外部流動(dòng)問(wèn)題求解的可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型。自由液面的捕捉和模擬采用VOF方法[18]，通過(guò)在入口邊界給定流速和液面位置的設(shè)置來(lái)模擬靜水自由液面。對(duì)于靜水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，用流速代替車體航速，以保證車體模型在有限區(qū)域內(nèi)完成較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)模擬。

1)不可壓縮流體質(zhì)量守恒方程

(1)

式中：vx、vy、vz分別為流體速度矢量v在x軸、y軸、z軸上的速度分量。

2)動(dòng)量守恒方程(Navier-Stokes方程)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為流體密度，是1個(gè)常數(shù)；p為流體微元體上的壓力；div為散度符號(hào)；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)，是1個(gè)常數(shù)；grad為梯度符號(hào)；fx、fy、fz分別為微元體上x(chóng)軸、y軸、z軸方向的質(zhì)量力，質(zhì)量力只有重力，且z軸方向豎直向上，因此fx=0、fy=0、fz=ρg，g為重力加速度。

兩棲車的6自由度運(yùn)動(dòng)模擬利用動(dòng)態(tài)流體與固體相互作用模塊(DFBI)求解完成。使用該方法求解需指定雙車廂兩棲車為多體運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)模式可以確保前車體和后車體之間通過(guò)球形鉸接(見(jiàn)圖2)存在相互耦合作用。球形鉸接是一種具有3個(gè)轉(zhuǎn)向自由度的裝置，通過(guò)球鉸相互連接的物體無(wú)相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)，只存在相對(duì)角度的變化，適合作為兩棲車前后車體的連接裝置來(lái)模擬雙車廂耦合運(yùn)動(dòng)。流場(chǎng)對(duì)前后車廂的作用力均可以通過(guò)球鉸聯(lián)系起來(lái)。因此，單個(gè)車廂主要受到重力、流體水動(dòng)力和鉸接力三者的作用。兩棲車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在縱蕩、橫蕩和垂蕩3種平移運(yùn)動(dòng)以及橫搖、縱搖和艏搖3種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此必須指定前后車體各自的質(zhì)量和慣性矩，以及兩車廂的吃水和重心位置。本文所有模擬只研究垂蕩和縱搖2個(gè)方向的自由度，對(duì)于橫搖運(yùn)動(dòng)，由于車體形狀對(duì)稱設(shè)計(jì)且方形系數(shù)較大，其橫搖角度較小，不對(duì)其橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。因此必須控制其他3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在實(shí)際靜水直航運(yùn)動(dòng)中，縱蕩速度是固定的，因?yàn)閿?shù)值模擬的計(jì)算域大小和網(wǎng)格數(shù)量有限，數(shù)值計(jì)算采用大小相等、方向相反的流體運(yùn)動(dòng)代替車體的縱向運(yùn)動(dòng)，并添加與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有一定函數(shù)關(guān)系的外部作用力，以保證縱蕩位移在計(jì)算穩(wěn)定段保持在平衡位置；實(shí)際靜水直航中兩棲車按照一定航線行駛，其橫向運(yùn)動(dòng)幾乎不變，因此在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中引入了控制策略，添加外部作用力，以保證橫蕩位移在計(jì)算穩(wěn)定段保持在平衡位置；對(duì)于艏搖運(yùn)動(dòng)，兩棲車實(shí)際直航運(yùn)動(dòng)中可通過(guò)控制轉(zhuǎn)向裝置舵使車體按固定直線行駛，因此在數(shù)值計(jì)算中通過(guò)施加外部作用力矩，以保證艏搖角度在計(jì)算穩(wěn)定階段保持在0°位置。

圖2 雙車廂兩棲車計(jì)算簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of a double-carriage amphibious vehicle

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置

本文計(jì)算采用重疊網(wǎng)格技術(shù)[19-20]，計(jì)算域分為背景流域和重疊網(wǎng)格區(qū)域兩部分，其中重疊網(wǎng)格域又可以分成前車廂重疊網(wǎng)格域和后車廂重疊網(wǎng)格域兩部分，兩兩之間都設(shè)有重疊網(wǎng)格交界面。使用3套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)為407萬(wàn)，各網(wǎng)格區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量如表1所示。網(wǎng)格劃分需考慮當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)變化是否劇烈以及物面的復(fù)雜程度，因此本文研究的網(wǎng)格劃分方法需在全局網(wǎng)格的基礎(chǔ)上對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密操作。

表1 各區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量Tab.1 Quantity of grid in each region

自由液面對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常大，因此對(duì)自由液面處網(wǎng)格進(jìn)行了加密，尤其是尾流興波區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)加密；車體物面網(wǎng)格，尤其是復(fù)雜位置如防浪板、履帶、車輪以及側(cè)浮箱的形狀變化劇烈，需要單獨(dú)設(shè)置加密區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密；車體表面邊界層網(wǎng)格對(duì)摩擦阻力的計(jì)算影響較大，本文計(jì)算選取y+=80進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)y+是CFD中用來(lái)計(jì)算物面處第1層網(wǎng)格厚度的無(wú)量綱數(shù)，在計(jì)算過(guò)程中需要根據(jù)所選擇的湍流模型、流體屬性、物體運(yùn)動(dòng)參數(shù)等因素綜合確定，計(jì)算選取的邊界層總厚度為5 mm；此外，物面附近流場(chǎng)變化比較復(fù)雜，因此需要對(duì)物面周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密；考慮到物面周圍網(wǎng)格尺寸與流域網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸之間差異較大，需在背景計(jì)算域內(nèi)設(shè)置網(wǎng)格過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格逐層過(guò)渡細(xì)化，一般網(wǎng)格以2倍變化率進(jìn)行過(guò)渡，但要注意最好保持過(guò)渡區(qū)域的網(wǎng)格尺寸和重疊區(qū)域的網(wǎng)格尺寸一致。本文網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方式，最終的網(wǎng)格劃分截面示意圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

邊界條件的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果也有十分重要的影響。本文研究的流域邊界條件由5個(gè)速度入口和1個(gè)壓力出口組成，對(duì)于速度入口均給定兩棲車航速，方向與車體運(yùn)動(dòng)方向相反；車體物面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件；自由液面采用VOF方法設(shè)置靜水面。為了減弱由于出口數(shù)值反射造成的回流現(xiàn)象，在距離壓力出口6 m范圍內(nèi)采用VOF波阻尼方法進(jìn)行消波，具體的邊界條件設(shè)置如圖4所示，圖中L為兩棲車的車身長(zhǎng)度。

圖4 邊界條件設(shè)置Fig.4 Setup of boundary conditions

圖5 數(shù)值模擬與拖曳試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of numerically simulated result and model towing test result

綜上所述，本文使用基于有限體積法的CFD流體計(jì)算軟件STAR-CCM+，采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型和重疊網(wǎng)格技術(shù)建立了以球鉸方式連接的雙車廂兩棲車多體運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型?；谠摂?shù)值模型計(jì)算了6 km/h、8 km/h、10 km/h、12 km/h、13 km/h共5種航速下的靜水總阻力，并與船模拖曳水池的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖5所示。拖曳試驗(yàn)在大連理工大學(xué)船模拖曳水池完成，試驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示，模型試驗(yàn)的結(jié)果根據(jù)傅汝德數(shù)相似條件換算到實(shí)尺度上。由圖5可以看出，數(shù)值計(jì)算的總阻力與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，低航速下的相對(duì)誤差較大?？紤]到兩棲車的履帶等復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致建模過(guò)程存在簡(jiǎn)化，本文研究的計(jì)算誤差仍在合理范圍內(nèi)，因此該模型可以用于兩棲車的水動(dòng)力性能計(jì)算。

圖6 兩棲車模型拖曳試驗(yàn)Fig.6 Towing test of an amphibious vehicle model

2 雙車廂兩棲車水動(dòng)力性能研究

兩棲車在靜水中的直航運(yùn)動(dòng)模擬需采用VOF方法來(lái)建立自由液面，需指定氣體與液體兩相流體屬性、水線位置、流速大小和方向。本文研究計(jì)算了兩棲車在靜水下的阻力、縱搖、垂蕩運(yùn)動(dòng)以及球鉸3個(gè)方向的受力情況。圖7所示為典型工況12 km/h航速下兩棲車的阻力系數(shù)變化時(shí)程曲線，本文均選取計(jì)算穩(wěn)定段內(nèi)10 s的計(jì)算結(jié)果平均值進(jìn)行對(duì)比研究。車體航速包括6 km/h、8 km/h、10 km/h、12 km/h、13 km/h共5種，各航速下水動(dòng)力性能的計(jì)算結(jié)果分別如圖8～圖10所示。對(duì)于低航速工況，兩棲車的運(yùn)動(dòng)性能計(jì)算可以更快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，本文以典型工況12 km/h航速為例，研究了球鉸在x軸、y軸、z軸3個(gè)方向?qū)η昂筌圀w的作用力情況，其中x軸方向?yàn)檐囄仓赶蜍囶^的縱向方向，y軸方向?yàn)檠剀噷挼臋M向方向，豎直向上為z軸方向(見(jiàn)圖4坐標(biāo)系)。計(jì)算結(jié)果的時(shí)程曲線如圖11～圖13所示。

圖7 12 km/h航速下阻力系數(shù)時(shí)程曲線Fig.7 Drag coefficient versus time at 12 km/h

阻力系數(shù)的計(jì)算公式為

(5)

式中：Cd為兩棲車的阻力系數(shù)；Fd為兩棲車總阻力；S為兩棲車水下的濕表面積。

圖8 阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculated results of drag coefficients

圖9 縱搖運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculated results of pitching motions

圖10 垂蕩運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果Fig.10 Calculated results of heaving motions

圖11 12 km/h航速下球鉸x軸方向作用力時(shí)程曲線Fig.11 Applied force of spherical joint in x-direction at 12 km/h

圖12 12 km/h航速下球鉸y軸方向作用力時(shí)程曲線Fig.12 Applied force of spherical joint in y-direction at 12 km/h

圖13 12 km/h航速下球鉸z軸方向作用力時(shí)程曲線Fig.13 Applied force of spherical joint in z-direction at 12 km/h

由圖8可知，兩棲車的阻力系數(shù)是較大的，原因主要是車體型線是非流線型的，方形系數(shù)大，且水下濕表面積較大，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的壓差阻力和摩擦阻力。由圖9可知，兩車廂在球鉸連接的情況下通常保持中垂或中拱狀態(tài)，以埋首方向?yàn)榭v搖正方向，低航速下前車體埋首而后車體仰首，高航速下前車體仰首而后車體埋首，原因是高航速下傾斜的防浪板提供了較大升力。此外，總體上可以看出前后車體的縱搖角度均保持在1°以內(nèi)，車體縱穩(wěn)性能優(yōu)良。由圖10可知，兩棲車航速越高，車體平均下沉深度越大，且前后車體的垂蕩值相近，原因主要是周圍流速的增大導(dǎo)致車體上下壓差變大，因此車體吃水在高航速下會(huì)增加。

由圖11～圖13可知，靜水直航穩(wěn)定狀態(tài)下，以一定控制策略施加外力(螺旋槳推力)作用時(shí)，球鉸在x軸方向?qū)η昂筌圀w的作用力可以達(dá)到很小。在實(shí)際兩棲車航行時(shí)，因?yàn)榍昂筌圀w自身均配置有推進(jìn)器，所以可通過(guò)調(diào)節(jié)各自推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速，以使得鉸接裝置在縱向受力最??；在y軸方向的作用力在穩(wěn)定段的波動(dòng)幅值較大，原因可能是前后車體的橫蕩運(yùn)動(dòng)不同步造成的；在z軸方向的作用力較大，主要是前后車體埋首方向不一致，導(dǎo)致兩棲車總體上出現(xiàn)中垂或中拱現(xiàn)象引起的，工程中需重點(diǎn)考量z軸方向作用力對(duì)球鉸的影響。需要說(shuō)明的是，兩棲車在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中水平方向(x軸和y軸方向)會(huì)產(chǎn)生較大的作用力，此外，兩棲車在波浪中的運(yùn)動(dòng)對(duì)球鉸垂向(z軸方向)作用會(huì)更大，因此實(shí)際工程中需要結(jié)合多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和海況條件來(lái)設(shè)計(jì)鉸接裝置。

3 結(jié)論

本文基于CFD方法和重疊網(wǎng)格技術(shù)建立了以球鉸方式連接的雙車廂兩棲車多體運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型，采用VOF和DFBI方法實(shí)現(xiàn)了兩棲車在靜水海況下的多自由度直航運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬，并與兩棲車樣機(jī)模型的拖曳試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；獲得了兩棲車的阻力、縱搖角、垂蕩距離和球鉸3個(gè)方向受力數(shù)據(jù)并進(jìn)行了比較。得出主要結(jié)論如下：

1)數(shù)值計(jì)算與拖曳水池試驗(yàn)的總阻力結(jié)果基本一致，表明采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型、重疊網(wǎng)格技術(shù)以及球鉸連接方式建立的數(shù)值模型，可以較好地實(shí)現(xiàn)雙車廂兩棲車的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)。

2)低航速下前車體埋首而后車體仰首，高航速下前車體仰首而后車體埋首，原因主要是高航速下傾斜的防浪板提供了較大升力?？傮w上可以看出，雙車廂兩棲車的縱搖角度保持在1°以內(nèi)，車體縱搖性能優(yōu)良。

3)在靜水直航工況中，前后車體的縱搖結(jié)果表明兩車廂在球鉸連接的情況下通常保持中垂或中拱狀態(tài)，因此導(dǎo)致球鉸在z軸方向?qū)η昂筌圀w的作用力最大，球鉸和對(duì)應(yīng)的連接桿件設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮z軸方向的作用力問(wèn)題。

4 展望

水陸兩棲車在水中速度一般可達(dá)到12～13 km/h[1]，兩棲車目前存在的一個(gè)較大問(wèn)題就是如何提高水中航速，解決該問(wèn)題可以通過(guò)改進(jìn)水下推進(jìn)裝置增加推力、增加車輪收放裝置以及優(yōu)化車體尤其是車頭的型線設(shè)計(jì)以降低車身阻力等方法實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)問(wèn)題是如何改善水動(dòng)力性能，主要是減小縱傾和垂蕩運(yùn)動(dòng)，改善措施主要包括優(yōu)化防浪板形狀與安裝角度、增加減搖裝置或者優(yōu)化車身設(shè)計(jì)等。

對(duì)于排水量較大的雙車廂兩棲車，這類問(wèn)題同樣亟待解決，未來(lái)的工作將主要采用CFD數(shù)值模擬方法實(shí)現(xiàn)兩棲車的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合少量模型試驗(yàn)來(lái)改善其水動(dòng)力性能。此外，目前對(duì)于兩棲車回轉(zhuǎn)性能和耐波性能的研究較少，這也是未來(lái)工作的重點(diǎn)。