CBZ196-1982潜艇耐波性设计估算方法.pdf 16页

'C日/2中国船舶l业i=司指导性技术文件c盯Z.1。6-82潜般时波性设计佑算方法198，一。2一01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CB友t，‘一82潜艇耐波性设计估算方法储朋12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19e3一02一。I CH/Z196一82潜艇在规别波中运动响应的理论估算.2·1.1艇体运动方程，可采用切片理论方法，如ST，方汰(见第4章)。2·1·2剖面的二因次流体动力的计算，宜采用裸分布法，如Frank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201.5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’a·1。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2·I·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2·1.9计算的相对浪向角可取18。.(顶浪)、15。’112d、9。’、6。’、3。’和。‘.为了与实艇试脸结果进行比较，可报据奋要计算135’和45.情几:·1·1。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 CB/Z196-822·2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2·3·2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/z196一8z3潜艇耐波性理论估算方法一例。3·1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STF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，rank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RE定3·2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it4.1规则波中潜艇运动方程的一般衰达丸 CB/Z196一82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:En[(AI=+，，)。。+、、+C,+).:一FRO-+FjR式中:MJ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;CJK一一流体静力回复系数;FJ一放浪扰动力(力矩)的复振幅，力(力矩)由Re(FiQiwt)给出·为旅起见，简记成Feiw七;FJR一一操舵(鳍)引起的力和力矩. c旦/Z196-SZ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:0尸l万00Ms.0le0于0对-MZ.00eM.00刀十000介一010-M=.I今0-19i0131r.0010{一’⋯‘.(2’.oJ00-1,.0}.式中:If.-JV艇(相应状态，以下同此)质it;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““Am!}凡.0AM0A=0I，.、似或”，一}。“。“““}’:.“二“⋯⋯”}Asi0.Ars0A,r0!戈0A,t0A=0ApJ对于水面状态的潜艇，非零的线性流体静力回复系数只有:rnn.Cw,Csr，和Cu=Css一，···一““”“””·“”·“二”..{4} CE/么196-82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:......·.⋯⋯(6)(oW+-4n)fl,+Bohs+CnTij+A*%+Bzk+CnTlsmF3t;"*t+Foot而4p+Bnq,+G,Tl,+(h+AW)ii,+B,Tik不Cp,ns-凡。政。FSR。。。。.⋯。二。二。(7)其中，水面状态时F3R二万5R~。(不操水平舵，忽略垂宜舵的影响”水下状态时73R、F5R为水平舵之舵力与力矩，C33=C35=气3=o，C55.D·GC如采用STF方法的体系，则上述方程中的系数表达式如下:二。.........................................................(8)、小·d-黔;,。。。.。..⋯。.⋯。⋯。二。.。。。.⋯。·.⋯。二，，..··.···.⋯⋯。.(9}‘小.dF+Ua=‘。一J:、，心一Ws3,，券XAe.U一!.l"q。。。。。。。。。。。。。。。。。.。。。.。。。。。。。。。。。。。。Ga‘二一J;b=d44U、一、‘一子b}AQ1)曲A$，一J。a"di4}_,5"0+备x"6i...........⋯⋯匆..⋯⋯，.，.....-..⋯，.昭‘”一Jtb=di-UAW,一uUx4,“uA=.......⋯⋯，........⋯⋯，.............⋯⋯甲 CB/Z196一82"433二扮,"、十-gW-,-、一W小;，uW27、XAa3A3·····················，·····⋯⋯时”。一{。:‘，】，，+UWIl。，uU，X:1A·43A3·U"、·‘;C”一P9J“、一。A,p······································.······...··.⋯⋯。。.，一co一p9fgbd‘一P9alwp·········································.⋯⋯。;C}=pgjg=bd}一“91,p”’··················⋯⋯‘二”·‘’‘””二’二‘⋯’‘’“”(is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B33一一为“”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A73和。63A3一一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;Awp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f3子h3)dt*尸JQ斋iwh3...................................................U9F-:二一pr小(t3·h3)·斋‘〕]‘d卜t-尸p:r.fedxnhi................................,2o) C月/乙196-82其中剖面的傅汝德—克雷洛夫“力”定义力:Mx)=3‘一‘w1i‘二Nsexrj}"p·、‘···.......................................(21)剖面的绕射“力”定义为:l3”二‘.e姗cop上，UN,一N=sin/s)e;}s"r,"Pe`?y,d(····，················⋯⋯‘式中:心a一一入射波的波幅;寿—波数;a—浪向力(顶浪为18。);‘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uCos日‘3a-#g狮的‘3值;N2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Cx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Fran(源分布法进行.水下状态操舵(水平舵)的7)t体动力Fj，和Fs: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: CB/Z196-82(An+M)?=+Bn92，(As,一MZ.)7,"Bxj.+19494+Bu},=F=e..t+Ftt.......一‘23)(All-Mk)1=+Buiq,+(Aw+习il.11644.‘C=},"(AK一J.")14-fPal‘二F.e"m+Fsa.....一“·““·-.一(Z4)A"A=-,64.4,+(‘一‘)孙，80,,i,-(AK+I4)}4+几。‘·P.产‘爪............(25)式中:An=fpudt一子6n...............................................................(26)s.-fb"dI+Uey..........................__..............................·一。”‘二‘=j4=,dg一ubA‘二‘可、‘。，“唱··.·.....·.···.·.......···..····..·..·.········..··⋯⋯(29)‘乎cndg+‘一:xwbA，器4.4.⋯⋯“...·····················⋯⋯(30)‘一，‘。一“二，。刁口盛，(}A.4.-fa4,d;一器=b;..............................................................432)“一“小“心，‘····················································一(33)A,b-ft4,d$+VB=一器、7rw够bx，"U,7zay,.................................·一(34)ea-fibb。一u.4=+UY,4."纂by····························，········一(35)、，介、心一u‘一},xwbu··········“·························-·····一(36)Bu-fEb==di+U.4u，Ux,ax"················································⋯⋯(37)‘一J，、。一U‘一gxwb,·····································⋯⋯”··⋯(38)二·介b}4difUA;,+Uir,ax················································⋯⋯(39)}4=f=add+Axw‘一u，:‘，书}cwa........................................(40)844-1Z=bnd}，L+_Bee今Ur,=Ia*，7U..X.hAA)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0 CB/Z196一82C44，P，，。坦........................................⋯⋯(42)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:Fz=邸fz+““。带b2.........................................(43)F4一可(I.+h,)小P3,ith,···.......................................(44)F,=P硕g(t.+h=)，诺司d;+Psout}x,,h;··················⋯⋯‘45)式中，例面的傅汝德-充，洛夫.力”为:‘一，e:or一叮ca·······”··················⋯⋯(46)侧面的绕射.力”为:h;-hl,e4x}FJ(。c:x(iN,一Nzsin(i}ex>>;.re}/"jdl}‘二‘.4·...............(4，)这里，4,2和4+4分别力剖面为C，的柱体作单位振幅横荡和横摇时的速度氛在(33)式中的B44.系横摇枯性阻尼的拟线性系魏B44.Kt4max········“·.··········.···”·”··⋯⋯(48) CB/Z196一82其中系数K与振荡of率。，枯性、Pf1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tL气4}朋适当的经验公式枯算.B44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Re}an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gitU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npb`(dh/dtI)+2npUbCIK,(dh/dt)，··············⋯⋯(49)式中:C(k)一~阶亨充尔函数H1(2)(k一伦一凡C(、)一F(k)+‘“(k，一二{()k)+i{kK二.b/U对于航速较低时(如使用武器时)，。《k)-。·5，则有:L=npbd2h/dt.)+npUb(dh/dt)(51)对于横摇，h=r必，0为横摇角，则由于升力毛产生的横摇阻尼力矩(对X勒)为:::一JR·:‘·)dr(52) ca/zis6一e2最后有M二一去npb"(L"-R")d=o/dt"4-npbU(l"-R")dO/dt“’“‘’“‘”‘.‘·····⋯⋯代53)由式可导出该附体的升力项阻尼(指挥台围壳阻尼).，均.升=合np””(l’一“’)··········“·“·········一(54)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FZR2F4R"F6R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，is/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 CB/z196一824。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liar"Sa-Tkia/乡a(.、H,、I,S)和给定的海浪谱，如I,T.T.C。两秦教谱:S(HI,一W.)一斜e-691A,4iiT1‘一《55)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，T1为放浪特周期《T1二2nn/b1，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{aS(v,，·。。·’%一、:2、}:x。}一-Zn其他值⋯⋯。。··⋯⋯(56)则第i个模的运动的方差“”J为:r%f，_，"b"，产.二-t目..U.H.,P+%)ldw.dXmej‘U,H‘】T,“”户)‘J_.%ie。{H14,T.,““〕J压含二，，“·气5·‘·“·····”·⋯⋯.57) CB/ZI，6-82运动方差0-63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tiYlj*一:·0m61(58)十分之一最大值的平均位;nj/w二:·55mbj...........................⋯⋯(59)二千个级打中最大值的期望位:Tljmaz(:。。。厂.........................⋯⋯(60)等蔽其他运动响应(如速度、相对运动等)的统计值均可用类似的办法计算。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.'