BZ0110101潜般时波性设计佑算方法.pdf

C 日/2中国船舶l业 i=司指导性技术文件c 盯Z.1。6-8 2潜 般 时 波性设 计 佑 算方 法1 9 8，一。2 一0 1 发 布中国船舶工业总公司批 准中国翩舶工业总公司指导 性技术文件潜 艇耐波性设计 估算方法C B 友 t，一 8 2储朋1 2本 指导性 技术 文件适 用于潜 艇水面和 水下 近水 面)耐波性 设计 估孰1 潜艇 设计的 耐波性枯 算问 题 1 1 根据潜艇的战 术技术要求，在方案 论证和 各研制阶段中，应 对设计方案进 行 耐波 性理 论估算，以助 于合理选择 艇体的 尺度、线型 和附 体方案。1.2 潜艇耐波性 理论枯 算方法 正在发展，完普.其 塞本内 容 展望 如下:a 建立适 用于初 始 论证阶 段的 简易 估算 方法;、建 立适用 于方案确定阶段的 较 猎确的 理论 枯算方 法;。、结 合战术使用要 求，建立潜 艇耐波性 综 合评 价标准和 相应的 枯 算方法;d 在 保证潜 艇主 要性能寸 Y*前提下，建立实用的 耐放 性优化设封 方法，实现潜 艇性能 的优 化设计;、根据潜 艇战 相 拐胜肩 拔 展 的需要.建立 相应的 耐波性 设计估 算 方法2 对潜 艇耐玻 性理 论预报 方法的 要求与 建议.潜艇耐坡性理 论与方法，是一般 水面 舰 淞耐波性理 论与 方法的 推 广 和应用，具 有共同性同时，也有其 特点.据 此就潜 艇运动的 理 论预报提 出以下的要求与 建议.中国犯 舶工业总公司 1 9 e 3 一 0 2一。ICH/Z1 96 一82 2 1.第4 章)。潜 艇在 规别波中 运动响 应的 理论估算.1 艇 体运 动方程，可 采用切 片 理论方法，如 S T，方汰(见 21 2 剖面的 二因次 流体动力的计 算，宜采 用裸分 布法，如F r a n k源分布汰 2.1.3 对艇 体运动中 枯性成份 力的 形 响应 加以 考 成主要限 于 横摇阻尼 2 1 4 潜 艇的 附 体(指 挥合 圈 壳 包 括在内 羲 t 较 多，.尺 度 较 大，水动 力举响应予 考息:附 体影响包括势 流成份 和枯性成份;作力升力 面的 流 体动 力以 及 对渡 浪扰 动力的形响等，应采 用适当 方法进行 估算或修 正，以 保证潜 艇时放性 估算具有必要的 精魔 2 0 1.5 横摇阻 尼最 好采 用试脸资料，在缺乏 试脸资 科(船模试 脸或实 斑试脸)情况下，可 采用 适当 的 枯算 方法 确定 2.1.6 估 算 应 朋 可 盆 的 初 横 称 性 高 和 艇 体 的 横 摇 转 动 愤 全 值，以保证预报的可 旅性 a1。7 计算航 速一般 取该状 态下的 巡航 邃度，考虑 到潜 艇的故 术使命，应将 使用武器的航 速列 为计 算航 逸 2I 8 计算的漫 深状态 一般应包 括水面状 态(浸深 力 零)，水 下潜望 镜 深 度 状 态(或 通 气 苦 状 态)氛 根 据战 术 使 用要 求，应 对 使 用 武 器的 其它 浸 深状态进 行计象 21.9 计算的 相 对浪向角可 取1 8。.(顶浪)、15。1 1 2 d、9。、6。、3。和。.为了 与 实艇试脸结 果进行比较，可 报 据奋要计算 1 3 5 和4 5.情几 :11。横向 运动士 博 时 波高的 选取 由 于横摇运动 具有明 显的 非 线性，力了 应用线 性登加原 理估算不规 侧波中的 运动，需要 合理选取计算波商，建议取为L/5。，L-船长C B/Z1 9 6-82 22 潜 艇在 不规则渡中 运 动响应的枯 算.2。2.1 不规则放中 潜艇 运动响 应的 估算 采用一 般线 性亚加原 理进氮 2.2.2 除使 用实际 海区 的海 浪谱 资科外，一般 应采用国 际船 模水池会议(I.T.T.C)挂荐的 海 浪谱，并采用两 参数 谱和姐峰 波麟 由 展函级。2.2.3 海浪的 分 级应 按照国 家海洋局烦 发的 浪 级标准 2 3 潜 艇耐放性 运动响 应枯 算内 容 2.3.1 塞本内 容包括各种漫深，咨种航速 和浪向下 般体峨 NPIR的各种自 由度的 运动响应，以 及相应情况下 对不14 侧 放(长峰 和短峰)运动响应的统 计 特征 位 2 32 其他内 容包括:、般 体 指 定 位 里 点(重 要 部 位)的 运 动 位 移、速 度 和 加 速 度 焦 、水面 航行时 簇体的 上浪、首 底$S 水，相对 浪面的 运动和胶浪中 班 力增 加 等，气 操 舵 对 艇 体 运 动 的 影 喊 、谈 体 表 面 点 钓 脉 动 水 压 力 焦 、不 规则波中 挺体运动 的时 间 历程 等.:4 枯算方法的 使用要 求 对不同主 尺度、线 型和附 体方案、估 算结 果 应能显 示出 时玻 性能定 性 和定t上的 变 化，分辨出 方案的 优嗽 根据藉要，可在舰 淞运动枯 算的 羞础 上，依 据使用海域的 海浪资 科结 合作战 使命要求，借助于 耐放性粽 合评价方 法，对褚 方案的性能作出 综合 评像 2 S 估算 方法的 检脸 潜艇时波 性估算 方法应经 过考 核，当 估 算结 果与 模型试 脸和实艇 试验结果较符合戏 接近 后，方能正式使 用.CB/z 19 6 一8z3 潜艇耐波性 理论估 算方 法一 例。31 理论模型的 选取 二、假 定横向 运动和 纵向 运动 彼此独立，3 A处 理的原 则可以 适用 于水面状态和水下(近水 面)状态的 艇体运硫 b，运动方 程、系 数和波浪扰动 力的表达 形式 采用S T F 方法的 体 系，考 虑航速和 端面 的 影响.。、剖面的 二因次流 体动 力采 用，r a n k源分布法计 孰 d、可考虑操舵对艇体运动的 影呱 。、采用 半经验 的估 算方法创 算艇体和附 体的 横摇阻 尼，考 虑了 升力项的贡献。f,对不规则波中 运 动响 应的 计算，应 用线性 叠加原理采 用工 TT,C两参数谱和扩展函数形式 在计 算响应的 统 计值时，采 用狭训R E 定 32 耐波性估 算内 容 a、各种浸 深和摇摆颇率下剖 面的二因次 流体动 力(附 加质量、阻 尼系数)和水压 力 分布.、艇 体 对规 则波 的运动 响应及 相位、速度和 加速度响 应，操舟 hJ 才 运动响应的影 响.“、变 化海 浪特征 周期 和波高下 艇 体运动 的统计 傀 d、指定位置 处的 运动、速度 和 加速 度统计 值.、水面 航 行时的 上浪、出 水概率 和相对放面 运动 东4 波 浪中 潜艇水 面和水下(近水面)运动 计算 参考公式简it 4.1 规则波中 潜艇 运动方 程的一 般 衰达丸CB/Z 1 9 6 一8 2图1 座标系与 位移 的 规 定 如图(X、Y、Z)为固 定在艇 体(水面 状态)平 均位置 上的 右 手座 标系，原点。在水面 上，并与 艇 体重心a 处在同 一 铅垂 线上 潜艇在规 则波中的 六 个自 由 度 运 动 为 R 弃.J 二1、“、一，.、6)，分 别 为 进 退、横荡、垂荡、横摇、纵 摇和 首摇，其运动 方程的一般 表达式 为:nE (AI+，)。+、+C,+).:一 F R O-+Fj R式中:M J 尺 潜 艇(相应 状 态 下 的)广义 质 量矩 阵的 元;A y,B，一 一潜 艇(相 应状 态 下的)附 加 质 量 和 阴 泥系 数;C J K 一一流体静力回复 系 数;F J 一 放 浪 扰 动 力(力 矩)的 复 振 幅，力(力 矩)由 R e(F i Q i w t)给 出 为 旅 起 见，简 记 成F e i w 七;F J R 一一 操 舵(鳍)引 起的 力 和 力 矩.c旦/Z 1 9 6-S Z 对于 具有横向对称性，重心位 于(。、。、2 )的 潜艇，在水面状 态时其广义质t矩阵力:万00对0 00 -M=.3 1 r.00 0 0-MZ.0 I 今 0-1,.Ms.00 00 00 -1 9 i1 00 .一.(2J00M00o尸llee于ee.十11.一一 介 刀式中:I f.-JV 艇(相应状态，以 下同 此)质i t;工 J 一 一 第i 个 模 式 运 动 的 愉 性 矩;工。w，一 惯 性 权对于水下状 态，当 运动 座 标系原点 放在!心。上时 相应的Z。取为 零。横向 对称潜 艇的附 加 质t(或阻 尼)系羲 力:A.。A，0 A.s。”“月“A m!凡.0 A M 0 A 0 I，.、似 或”，一 。“。“:.“二“”A s i 0 .A r s 0 A,r 0!戈 0 A,t 0 A 0 A p J对 于水面状 态的潜 艇，非 零的线 性流 体静 力回 复系 数 只有:r n n.C w,C s r，和C u=C s s一，一“”“”“”“二”.4 C E/么1 9 6-8 2对于水 下状态的潜 长，非零的回 复系 教只有:C“。C“=D，了 下”“”一”.(5)其中a 万为重 心与浮心 的竖向 距离，D 为水下状态的 排水量.潜 艇艇型除具 有横向 对称性外，还是个细长 体.在这 种情 况下运 动方程可 化力由垂荡 和 纵摇 组成的 纵向 运动方 程组，和亩 横荡、横摇、首摇 组成的 横向运 动方程组.4 2 纵向 运动方 程及系数的 表 达 在考 虑操舵(鳍 情况下，水面和 水下状 态潜 艇的纵向 运动方程均可表达为:(oW+-4 n)fl,+B o h s+C n Tij+A*%+B z k+C n T ls m F 3 t;*t+F o ot而4p+B n q,+G,T l,+(h+A W)i i,+B,T i k 不 C p,n s-凡。政。F S R.(6)。.。二。二。(7)其中，水 面 状 态 时F 3 R 二万 5 R。(不 操 水 平 舵，忽略 垂 宜 舵的 影 响”水 下 状 态 时 7 3 R、F 5 R为 水 平 舵 之 舵 力 与 力 矩，C 3 3=C 3 5=气3=o，C 5 5.D GC 如采 用S T F 方 法 的 体系，则 上 述 方 程中 的 系 数 表达式 如下:、小 d-黔 ;,小.d F+U a二。8)。.。.。.。二。.。.。.。二，.。.(9 。一 J:、，心 一 W s 3,，券 X Ae.U 一!.l q 二 一 J;b d 4 4 U、一、一 子b A。.。.。G a Q 1)曲昭甲A$，一J。a d i 4 _,5 0+备 x 6 i.匆.，.，.-.，.”一J t b d i-U A W,一 u x 4“AU x,u.，.，.CB/Z1 9 6 一8 2433 二 扮,、十-g-W,、一 W 小;，u 2、AW 7 X Aa33，时”。一 。:，】，+U IW l。，u，:AU X 1 A 433 U 、;C”一 P 9 J“、一。A,p .。.，一 c o 一p 9 f g b d 一P 9 a l w p .。;C =p g j g=b d 一“9 1,p”二”二 二 “”(i s式中:二，3.和 ”一 一二 二 因次剖 面的垂荡附 加质t和阻 尼系 数;U 潜 艇的 前 进速度;、遭遇频率;八;，和B 3 3 一 一 为“”和B”的 与 速 度 无 关 部 分;XA 一一 船月 摄后 横剖面 的x 座标;二 A7 3和。A6 33 一一 最后 剖面 的附 加质量 和阻 尼系数;艇 剖面宽度;。水的密度;夕一一重力加速度;A w p 一 一 水 线面 的 面 积;蝙D 水 线面 的 静矩;工 w。一 一水 线面 的惯 性矩;式中 的积分均 沿船长进 行.波浪扰动 力(力矩)的 复振幅 为:凡 二 尸 钟f 3 子 h 3)d t*尸 J 斋 h 3.U 9Q i wF-:二 一 p r 小(t 3 h 3)斋 卜尸:f ed x n h i.,2 o)d t-p r.C 月/乙1 9 6-8 2其中 剖 面的傅 汝德 克雷 洛夫“力”定义 力:M x)=3 一 w 1i 二 N s e xrjp 、.(2 1)剖面的 绕射“力”定义 为:l3”二 .e 姗 co p 上，UN,一 N=sin/s)e;sr,P e?y,d(，式中:心a一一 入射 波的波 幅;寿波数;a 浪向 力(顶浪 为 1 8。);r 沿 横剖面浸 水边 界的 积分元;。一 波 浪 圈 濒 率，。一 月 丁 它 与 遭 遇 频 率。的 关 系 九w.二.十圣u C o s 日 3 a-#g 狮 的 3 值;N 2 和N:一 二 因 次 剖 面 的 单 位 外 法 线 矢 量 在 Y 和 Z 方 向 的 分 量;4 3 一一 具 有与 横 剖 面C x 相同 形 状 的 柱 体 在自 由 表 面 上 或 相应 浸 深 处作垂荡 时的 二因 次问 题的 速 度 势.潜艇剖面 处于 不同 浸深状 态时，流 体动力系 数，、吞”及速 度势中 3蒯廿 算，可采 用 F r a n(源分 布法进 行.水下 状态操 舵(水平舵)的 7)t 体动 力F j，和F s:可 通 过适当的 公式 估算.4.3 横向运动方程及 系数的表达 在考 虑操 舵的 情 况下，潜 艇水面 和 水下的 横向 运 动方程 为:C B/Z1 9 6-8 2(A n+M)?=+B n 9 2，(As,一 M Z.)7,B x j.+19 4 9 4+B u ,=F=e.t+F t t.一 2 3)(A l l-M k)1=+B u iq,+(A w+习i l.1 16 44.C ,(A K 一 J.)1 4-f P a l 二 F.e m+F s a.一“-.一(Z 4)A A=-,6 4.4,+(一 )孙，80,i,-(A K+I 4)4+几。P.产 爪.(2 5)式 中:A n=f pu d t 一 子 6n.(2 6)s.-f b d I+U ey._ _.一。”二 =j 4=,d g 一 u b A 二 可、。，“唱 .(2 9)乎cn d g+一:x w b A，器 4.4.“.(3 0)一，。一“二，。刁 口 盛，(A .4.-f a4,d;一 器 b;.4 3 2=)“一“小“心，一(3 3)A,b-f t 4,d$+V B 一 器、够，U z7rw bx ,7 ay,.一(3 4)e a-f i bb。一 u.4+U Y,4.纂 by，一(3 5)、，介、心 一 u 一,xw bu “-一(3 6)Bu-f E b=d i+U.4u，U x,a x (3 7)一 J，、。一 U 一 g xw b,”(3 8)二 介 b4 di f U A;,+U ir,ax (3 9)4=f=add+A x w 一 u，:，书 cw a.(4 0)8 44-1 Z=bn d，L+_ Bee 今 U r,=I a*，U.7.X.hA A)以 上公式中 的符 号 规定与 纵向 运动 相同，脚 标中 的E、4、6 勇 例代 农横荡、横摇和首提月 0C B/Z1 9 6 一8 2C 4 4，P，。坦.(4 2)式中:?-一排水体积;，而 0-经 过自 由液 面 修正的 初横称性离，水下状 态下的 飞a 址.0C。渡 浪扰 动力的 复报 福为:F z=邸fz+“。带b2.(4 3)F4 一 可(I.+h,)小P 3,i t h,.(4 4)F,=P 硕 g(t.+h=)，诺司d;+Ps u x,h;o t 4 5)式中，例 面的傅 汝德-充，洛夫.力”为:一，e:o r一 叮 ca”(4 6)侧面的 绕射.力”为:h;-hl,e 4 x F(。:(iN,J c x 一 N z sin(i e x;.r e/jd l 二 .4 .(4，)这里，4,2 和4+4速 度氛 在(33)式中 的分别力剖 面为C，的 柱 体作 单位振幅 横荡 和横摇时的B 4 4.系 横 摇 枯 性 阻 尼 的 拟 线 性 系 魏B 4 4.K t 4 m a x “.”(4 8)CB/Z1 9 6 一82 其中 系数K 与振荡 of 率。，枯性、P ff 1沐(鳍、舵、指 挥台围 壳、底龙骨等)的 尺度，位 里、形状以 及 艇体的 线型 有 关，并住往 是 速度的 函数.宜;二 二 二 为 最 大 横 摇 角 速 t L 气4 朋 适 当 的 经 验 公 式 枯 算.B 4 4 也 可 用 试 验 方 法 确 定 当 使 用 国际 上一般 流行的 舰 A 横摇阻 尼的估 算公 式和 方法时，应 注意结 合潜 艇的 实际情况，作必要的修正 对于附 体(如指挥台围 壳)作 为升 力面 处理时，对于有航速时的 横摇 阻尼的 贡献，可 试用R e a n 提出的 公式 估算:若 将指挥台 围壳作 为 短机 奚 看待，则单 位厚度的机 翼元以g it U 前进，同时以h 幅度 作垂直 其孩 的简 谐摇摆 运动，当 攻角为 零时 所受的 举力为:L 二n p b (d h/d t I)+2 n p U b C I K,(d h/d t)，(4 9)式中一(k一伦凡:C(k)一 阶 亨 充 尔 函 数H 1(2)C(、)一 F(k)+“(k，一 二 ()k)+i K二.b/U k对于航 速较 低时(如使 用武器时)，。k)-。5，则有:L=np bd2 h/d t.)+npU b(d h/d t)(51)对于横摇，(对 X 勒)为:h=r必，0 为横摇角，则由 于升 力毛 产生 的 横摇阻 尼力矩:一 J R :)dr(5 2)c a/z i s 6 一e 2最后有M 二 一去 n p b (L -R )d=o/d t 4-n p b U(l -R )d O/d t “”.代5 3)由 式可 导 出该附 体的 升力 项阻 尼(指 挥台围壳阻尼).，均.升=合 n p”(l 一“)“一(5 4)其中:R 为 围亮 处艇 体的 半径，l 为围壳 顶至X 轴的 距离.对于 其他附 体(鳍、舵等)可 进 行类 似的 估算。图2 升力图 的 尺 度与受力 操 舵 时 产 生 的 力 和 力 矩F Z R 2 F 4 R F 6 R 可 据 操 舵 规 则 及 舵 的 流 体动 力 性能 进 行估 算.运 动方程的 诸项 系数确 定 后，求 解 方程可 得出 五 种运动的响应，即振幅响 应，i s/5 和 相 位 i。土 一 2、3,、6.它 们 是 遭 遇 爽 率。的函肠，并随 浸深、航 速、放向 而变 亿C B/z 1 9 6 一8 24。4 不 规则放中 运动沈 计位的 计 算与水西 斑的处 理方绘 相周，利用不同 没 深精 况下艇 体的 运动响应 位l i a r S a-Tk i a/乡 a(.、H,、II,S)和给定的 海 浪谱，如 I,T.T.C。两 秦 教 谱:S(H I,一W.)一 斜 e-6 9 1A,4ii T 1 一 5 5)即可 计算 不规则玻中 运 动的 统封 值.这里，。为波浪翔 率。或遭 遇细 率。.，H.为浸深，口 为航速，扫为 波 向 意，T 1 为 放 浪 特 周 期 T 1 二2 n n/b 1，卜、，1 为 誉 的 面 枷一 次 矩)，卫+为 有 义 波 高 住 当采 用波 粼。.进 行 计算时，令力 为组 合波波向 与主 浪向 之 夹角时，则翅峰波可采 用 如下的扩 展函 数形式:“(、;%，)一 a S(v,，。%一、:、:。一n2 x -Z其他 值。(5 6)则第i 个 模 的 运 动的 方 差“”J 为:r%f，_，m ej U,H 】T,“”户)J _.%i e。H 14,T.,“b ，产.二-t目.U.HP+%)l d w.d XJ 压含 二，“气5 “”.5 7)CB/Z I，6-82运 动 方 差0-6 3 确 定 后，采 用 狡 谱 俊 定 可 确 定 其 统 计 特 征值，如三 分之呼最大 位的平 均 位(有义位 卜tiYl j*一:0 m 61(58)十分之一 最大值的 平均 位;n j/w 二:5 5 m b j.(59)二千 个级打中 最 大值的 期望 位:Tl j m a z(:。厂 等蔽 其他运 动响应(如速度、办法计算。.(6 0)相对运动等)的统计 值均可 用类 似的 4 5 其 他运动性能的 枯算 当艇 体的 运动响应确 定后，可以 计 算舰 体指 定点的 垂向 或横向 运动 加速度、速度 和 位移，以 及 在不规则波中的 方差或 统计 值 给 合 速 度 势 小J 的 侧 算结 果 和 应用 斑 与 渡 浪 相 对运 动 的 概 念，可 根 据田才福遗提出的 计 算方法 计算艇体湿 表面点的 脉动 水 压力幅 值，有关计 算式 在此从暇附 加说明:本标 准由 七院7。盆 所负 贵起 草.本标准主 要 起草 人:妈 学 钾.