雙體船
關(guān)注創(chuàng)建者：學(xué)有所長(zhǎng) 創(chuàng)建時(shí)間：2023-02-23
雙體船的實(shí)例教程
注：該論文針對(duì)了NAVCAD4（及之前）的雙體船的阻力性能預(yù)報(bào)。該文章陳述了兩種不同技術(shù)的計(jì)論問(wèn)題。
問(wèn)題
雙體船的阻力為單個(gè)片體的兩倍，并且加上兩個(gè)片體相互作用的拖力。NAVCAD預(yù)測(cè)阻力（船體與相互作用）有兩種方法：雙體系統(tǒng)方案及修改后的單體船方案。
雙體系統(tǒng)解決方案直接預(yù)測(cè)系統(tǒng)阻力。該預(yù)測(cè)算法聯(lián)合了船體及相互作用的阻力。 修改后的單體方案預(yù)測(cè)單片體阻力，就如同預(yù)測(cè)一個(gè)單體的阻力。NAVCAD增加相互作用的拉力，以修正雙體船模型測(cè)試，這個(gè)即通過(guò)對(duì)正預(yù)測(cè)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用這種方案后，船體參數(shù)和間距可以清楚地預(yù)測(cè)出來(lái)。
雙體系統(tǒng)方案
NAVCAD采用【Gronnselett，1991】算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，該算法應(yīng)用一系列曲線用于剩余阻力。全尺寸的評(píng)估修正和高速排水型號(hào)雙體船測(cè)試，在算法里雙體船是修長(zhǎng)船型的半個(gè)片體。
該方法在將船體分開與合并時(shí)并無(wú)多大不同，相互作用拉力在生成平均值時(shí)平均計(jì)算，這個(gè)算法表現(xiàn)出驚人的精確性，盡管如此，我們列出了這些船型的特征。
首先，船體長(zhǎng)且修長(zhǎng)，屬于高速范圍（Fn0.6～1.6）。阻力中最大成份是伴流阻力，這個(gè)部分可以直接計(jì)算。第二，船體間距對(duì)低速時(shí)相互作用力影響最大，此時(shí)主要是興波阻力（Fn0.3～0，7）。在上述速度范圍以外，片體間距對(duì)增加的相互間作用力影響不大。
修正單體解決方案
以上系統(tǒng)解決方案足以應(yīng)對(duì)低速范圍及非典型的小水線面或高速排水型雙體船，改良型單體船解決方案可以用于這些模擬，以提高總體預(yù)測(cè)精度，這種方法要求采用模型試驗(yàn)或全尺寸試驗(yàn)。
這種方法的關(guān)鍵問(wèn)題是處理船體模型的一半，換句話講，這些結(jié)果顯示為每個(gè)船體。總阻力此時(shí)為單個(gè)片體的兩倍。
雙體船模型剩余阻力系數(shù)對(duì)單體或雙體船是相同的，該系數(shù)由濕表面積決定，阻力與濕表面積被分成兩份，系數(shù)保持一到。
展開 所謂雙體船，就是由兩個(gè)單船體橫向固聯(lián)在一起而構(gòu)成的船，作為一種有別于傳統(tǒng)艦船設(shè)計(jì)的船體造型，雙體船的穩(wěn)定性能相對(duì)不錯(cuò)，不容易翻船；受雙體的設(shè)計(jì)影響，其甲板面積也顯著增大，與同樣噸位的單體船相比，具有更大的甲板面積和艙容。
而從上世紀(jì)六七十年代開始，隨著海上高速客運(yùn)的迅速發(fā)展，高速雙體船由于有寬大的甲板面積、空間和便于豪華裝飾而被普遍看好，成為近幾十年來(lái)高性能船舶中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、建造數(shù)量最多的一種。
在民用領(lǐng)域取得較大成績(jī)的雙體船借助較為出色的性能也吸引了各國(guó)軍方的注意，美國(guó)和中國(guó)就先后發(fā)展了多種雙體構(gòu)型軍事用途艦船，美軍的聯(lián)合高速船（JHSV ）、在中國(guó)大名鼎鼎的無(wú)暇號(hào)測(cè)量船，中國(guó)022型導(dǎo)彈艇，眾多雙體海洋調(diào)查船舶就是最典型的代表。而相比于技術(shù)完善程度比較高的美國(guó)，我軍對(duì)雙體船的研究性質(zhì)的應(yīng)用更積極一些。
而中船集團(tuán)展臺(tái)上的這款30米可變船型雙體登陸艇的“變”在于平時(shí)是一艘“平底”船，貨物上船方便；但這種“平底”船開起來(lái)慢，為了讓船開起來(lái)快點(diǎn)，這艘船中部的船底就能上升，變成一艘在速度上優(yōu)勢(shì)明顯的雙體船。
我軍目前裝備了“野牛”、“野馬”等多款先進(jìn)的氣墊登陸艇，但這些登陸艇為了速度，都是通過(guò)氣墊船體和相對(duì)推力較大的發(fā)動(dòng)機(jī)獲得高速度。但此類船只也存在噪音大、惡劣海況下作戰(zhàn)受限等缺陷。
30米可變船型雙體登陸艇長(zhǎng)30米、寬9.8米，展出的模型攜帶了2艘59式坦克，相關(guān)圖冊(cè)顯示該船還能攜帶3輛步戰(zhàn)車，這大致體現(xiàn)了該船的運(yùn)載能力。
▲30米可變船型雙體登陸艇作為“平底船”時(shí)的尾部特寫。
展開 伴隨著近年來(lái)雙體船的在公共視野領(lǐng)域大放異彩，“雙體航母”的概念也就此誕生。但問(wèn)題是，為什么無(wú)論是身經(jīng)百戰(zhàn)的美帝，還是厚積薄發(fā)的中國(guó)，似乎在未來(lái)航母的藍(lán)圖里都沒(méi)有“雙體航母”的選項(xiàng)呢？今天，我們就來(lái)談?wù)?..
網(wǎng)友雙體航母CG圖
為什么現(xiàn)在沒(méi)有雙體航母？想回答這個(gè)問(wèn)題，我們不妨先了解一下雙體船的缺點(diǎn)。
?結(jié)構(gòu)強(qiáng)度：如大家所看的那樣，雙體船由兩個(gè)單體窄船體和連接橋組成。由于船只在海上航行的時(shí)候通常要承受扭轉(zhuǎn)力矩，所以為保證雙體船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，連接橋就必須用較多的鋼材來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，否則在海中央兩個(gè)船體“分道揚(yáng)鑣”豈不尷尬。但這樣一來(lái)，過(guò)多的材料就會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的重量，進(jìn)而影響船只載重量。因此雙體船并不宜用作對(duì)“載重量要求高”的用途。
022導(dǎo)彈快艇是穿浪雙體船型：這種船型的好處是便于高速航行，但不適用于載重量大的船舶
?暈船：雙體船的另一大缺點(diǎn)就是容易暈船。這是由于雙體船橫向穩(wěn)度較大，雖然在波浪中雖然橫擺角不大，但橫搖加速度卻比較大，容易造成人員的不舒適感。而且其橫搖固有周期較短，往往與縱搖固有周期接近，二者合一容易在較短波浪中產(chǎn)生縱橫向組合諧搖及上下顛簸，使暈船率上升，所以雙體船不大適合遠(yuǎn)海作戰(zhàn)。
大家常見(jiàn)的雙體船多是近海活動(dòng)的游艇或漁船，但對(duì)于遠(yuǎn)海作戰(zhàn)的航母而言雙船體帶來(lái)的暈船效果就是硬傷！
當(dāng)然，以上都是雙體船所共有的現(xiàn)象。而如果發(fā)展雙體航母，必然還會(huì)有些獨(dú)有的特殊性問(wèn)題。
?空間問(wèn)題：如我們之前所提到的那樣，雙體船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是個(gè)大問(wèn)題，為保證雙體船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，材料使用量就會(huì)大幅上升，在增加船體重量的同時(shí)，也會(huì)不可避免的擠占艦體空間。
展開 世界上首個(gè)裝配于雙體船的水翼自動(dòng)控制系統(tǒng)由挪威 Fjellstrand 公司于1991 年推出 [11] ，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶運(yùn)動(dòng)并通過(guò)調(diào)整水翼的擺角來(lái)降低船艏的垂向運(yùn)動(dòng)。實(shí)船試驗(yàn)表明，在 3 m 波高下使用 90% 的動(dòng)力即可保持 40 kn的高航速。該系統(tǒng)已在多艘實(shí)船上應(yīng)用。1992 年，挪威 Harding 公司為一艘 35 m 雙體船加裝了 3 副可控水翼 [12] ，分別布置于雙體船槽道中央以及 2 個(gè)片體后方，實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可以有效提高雙體船的適航性。21 世紀(jì)以來(lái)，Esteban 等 [13] 對(duì) T 型翼和艉壓浪板的組合進(jìn)行了研究，并將其安裝于高速渡輪船模上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，使用主動(dòng)式 T 型翼和艉壓浪板可使船的垂向加速度降低 65%。此外，澳大利亞 INCAT 公司為美國(guó)的 JHSV 雙體船和西班牙的穿浪雙體船都設(shè)計(jì)了航態(tài)控制系統(tǒng)（Ride Control System, RCS），該系統(tǒng)由 2 個(gè)艉擾流板和 1 個(gè)可收回的艏部 T 型翼組成，以控制高海況下雙體船的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)。
總體而言，智能化是未來(lái)船舶發(fā)展的重要課題，要求船舶的附體可以根據(jù)實(shí)際遭遇的海況而實(shí)時(shí)改變位置或擺角。對(duì)于減搖附體控制系統(tǒng)的研究主要包含了附體控制策略和船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)2 大部分，主要采用數(shù)值計(jì)算、水池試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)用這 3 種方式。本文將對(duì)船舶在波浪上運(yùn)動(dòng)與控制的發(fā)展進(jìn)行綜述，包含數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)2 大部分，并在最后對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行展望。
展開 Stimson Yacht Design聯(lián)合Naval Architecture，與Kit Carlier Design、Malcolm Tennant Designs等企業(yè)建立了合作伙伴關(guān)系，專注于設(shè)計(jì)高效雙體船商業(yè)渡輪。
Stimson Yacht Design和Naval Architecture（新西蘭，奧克蘭）宣布與Malcolm Tennant Designs（新西蘭，法國(guó)灣）和Kit Carlier Designs（新西蘭，旺格雷）等以上幾間公司共同建立合資企業(yè)。該公司被命名為SSC Marine Ltd.（新西蘭奧克蘭），將專注于設(shè)計(jì)高效雙體船商業(yè)渡輪，并致力于幫助設(shè)計(jì)新西蘭首條全電動(dòng)客輪。
據(jù)報(bào)道，該合資企業(yè)為新西蘭運(yùn)營(yíng)商提供的、18.5米長(zhǎng)的新渡輪將使用完全來(lái)自可再生能源的電力。該船由Gurit APAC（新西蘭，奧克蘭）設(shè)計(jì)，將采用碳纖維和泡沫塑料制成，并由CNC切割注入板組裝而成，只有下部船體被模塑。據(jù)說(shuō)碳/泡沫結(jié)構(gòu)能夠減輕結(jié)構(gòu)重量，這使電力推進(jìn)系統(tǒng)變得可行。此外，據(jù)說(shuō)獨(dú)木舟船體形式減少了阻力，能使電池的重量最小化。
據(jù)Stimson所說(shuō)，該船將以20節(jié)的服務(wù)航速運(yùn)行，在高峰時(shí)段進(jìn)行三次背靠背、時(shí)長(zhǎng)25分鐘的運(yùn)行，僅在需要1小時(shí)充電之前，在一側(cè)進(jìn)行5分鐘的浸入式充電。
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NavCad主要用于航速和動(dòng)力性能分析與預(yù)測(cè)，同時(shí)提供匹配的推進(jìn)裝置組件–發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪和螺旋等，可用于各種單體船或雙體船設(shè)計(jì)分析。
我們?cè)?FINE/Marine 中對(duì) Invincible 40 雙體船進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，直接從 CFD 優(yōu)化的幾何形狀到生產(chǎn)船體模具。客戶對(duì)這種新船體的開箱即用性能印象深刻。”
Invincible 40 船首的空氣動(dòng)力學(xué)流線
據(jù) www.invincibleboats.com稱，該公司專注于 Invincible 40 雙體漁船的一個(gè)目標(biāo)：適航能力。
optimisation by wave pattern analysis）
球鼻船首形狀優(yōu)化（Bulb shape optimisation by wave pattern analysis）
基于尾跡質(zhì)量評(píng)價(jià)的船尾優(yōu)化Aftbody optimisation by wake quality assessment
船首尾優(yōu)化（Trim optimisation）
船配置優(yōu)化（雙體船
2017 年，張偉 [75] 對(duì)有輸入約束的雙體船縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模型預(yù)測(cè)控制器，計(jì)算結(jié)果表明，相比裸船模，采用主動(dòng) T 型翼的雙體船可減少垂蕩位移 60% 以上。
FORAN適用于各種船型的設(shè)計(jì)建造，民用船舶包括客輪、貨船、江海直達(dá)船、郵輪、非對(duì)稱船、雙體船等，軍用艦船包括航空母艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、潛艇等，也可用于FPSO、海洋平臺(tái)、海洋工程供應(yīng)船等。用戶包括了數(shù)百家的設(shè)計(jì)公司和造船廠，近年來(lái)更以較快的速度在全球推廣。
因此，它可以自己開進(jìn)水里，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定水深時(shí)，兩側(cè)的浮筒就會(huì)自動(dòng)折疊下來(lái)，變成一艘雙體船。
最高時(shí)速可達(dá)22節(jié)，續(xù)航為大約100海里。
同時(shí)，原有的皮卡車尾箱就是一個(gè)小甲板，可以在上面享受陽(yáng)光浴。
同時(shí)成功研制了掠海地效翼船、小水線面雙體船、水翼船、援潛救生設(shè)備、Z型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、高速游艇、水上游樂(lè)設(shè)施、環(huán)保型保溫棉生產(chǎn)線、以藍(lán)藻打撈與處理、生態(tài)清淤裝備為代表的水環(huán)境治理裝備等系列產(chǎn)品，開發(fā)了SHIDS船舶性能設(shè)計(jì)系統(tǒng)等專用軟件。許多科研成果已轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品或應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)、建造和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制中，為我國(guó)船舶和海洋工程事業(yè)及地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。
Moi復(fù)合材料公司與海洋設(shè)計(jì)工程工作室MICAD（意大利萊切）合作，為整船設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，將有機(jī)形狀融入其結(jié)構(gòu)元素，其靈感來(lái)自于Sonny Levi的著名Arcidiavolo雙體船。用于設(shè)計(jì)和部件的流體動(dòng)力學(xué)分析的則是Autodesk（美國(guó)加州圣拉斐爾）的軟件。
隨后，無(wú)人艇SCOUT[2]、水面高速無(wú)人艇PROTECTOR[3]、測(cè)量雙體船海豚(MESSIN)[4]、無(wú)人艇ROBOAT[5]、無(wú)人艇JingHai-I[6]以及各種無(wú)人艇海上協(xié)議相繼推出[7]。近年來(lái)，各企業(yè)也陸續(xù)推出商用水面無(wú)人艇。Fraunhofer CML等8家機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展海上智能無(wú)人駕駛航行網(wǎng)絡(luò)(MUNIN)計(jì)劃[8]。
3.拓?fù)鋬?yōu)化在海洋工程中的應(yīng)用
李仲偉利用Altair Optistruct 和MSC Nastran等軟件對(duì)一艘1500噸的小水線面雙體船進(jìn)行了基于簡(jiǎn)化模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和重量控制。Wu等人則利用線性和非線性的三維水彈性理論預(yù)報(bào)了水動(dòng)力載荷，并對(duì)結(jié)構(gòu)做了安全評(píng)估。Zbigniew Sekulski通過(guò)遺傳算法，對(duì)一艘雙體船進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，降低了船舶的總重量。
