基于四自由度的三体船操纵运动数值模拟研究.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 基于四自由度的三体船操纵运动数值模拟研究张业成,)詹成胜,)尚浩东,)(武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室)武汉 )(武汉理工大学船海与能源动力工程学院)武汉 )摘要:文中针对某高速三体船的操纵运动预报,开展约束模型试验和横摇衰减试验基于MMG模型,获取四自由度操纵水动力导数,进行三体船回转运动及Z形操纵运动预报在数值计算过程中,进行了网格尺度及时间步长的收敛性分析,探讨了纵摇和垂荡运动对数值模拟结果的影响;数值模拟了斜拖、旋臂、横倾及横摇衰减试验基于最小二乘法拟合计算结果并得到水动力导数,结合四自由度MMG模型进行了不同舵角下三体船的操纵性能预报,得到了三体船的操纵性能参数关键词:三体船;C F D;MMG模型;船舶操纵运动中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:张业成(),男,硕士生,主要研究领域为船舶操纵性通信作者:詹成胜(),男,博士,副教授,主要研究领域为船舶性能基金项目:国家自然科学基金(,)、湖北省重点研发计划(B I D )、绿色智能内河船舶创新专项、工业和信息化部高技术船舶科研项目(工信部装函 号文)引言三体船作为近年来发展的新船型,相比单体船其航速更快、燃烧消耗更低,以及稳定性更好,得到了国内外学者的广泛关注目前三体船的研究多集中在阻力性能和耐波性方面 ,而高速航行时三体船的操纵性能和机动操舵下的航行姿态都与航行安全性紧密相连,这使得三体船的操纵性能成为了船舶设计初期需重点考虑的性能之一目前 船 舶 操 纵 性 预 报 主 要 有 船 模 试 验 及C F D(c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s)数值模拟两种方法船模试验精度较高,但过程繁琐且周期较长而随着计算机及C F D技术的发展,数值模拟方法在保证计算精度的同时,又可缩减船舶的设计周期 Y a s u k a w a等对某高速三体船进行了大量的约束模型试验并获取水动力导数,探究了侧体布局对操纵性的影响卢晓平等基于势流理论探究某侧体布局对三体船回转性和直线稳定性的影响边海朋基于黏性流体理论,数值模拟纯横荡、纯艏摇得到三体船的水动力导数,探究了三体船的回转性能张豪等 基于C F D技术,进行了斜拖及旋臂运动数值模拟并得到水动力导数,探究了主体形状及侧体位置对三体船操纵性的影响综上所述,目前对于三体船操纵运动预报多集中于三自由度,而横倾姿态作为船舶稳性安全的重要参数之一,对操纵预报的精度也有着一定影响因此,文中基于粘性流体理论及C F D技术,数值模拟得到三体船的操纵水动力导数,并结合四自由度MMG模型,进行了不同舵角下高速三体船的回转运动及Z形运动预报船舶运动数学模型建立 计算模型以一条高速三体船为计算对象,实船与船模的缩尺比,其三维视图和侧体布局示意图见图,模型具体参数见表图船体示意图表三体船模型具体参数部位船长L/m船宽B/m型深D/m吃水d/m排水量/k g横向位置y/m纵向位置x/m主体 侧体 坐标系选取图采用两个坐标系来描述船舶的运动,并根据右手定则来定义其方向图 a)为大地坐标系o xyz,o为船舶初始时的船重心所在点,x轴指向船首,y轴指向船右舷,z轴指向甲板相反方向;图 b)为随船运动坐标系o x y z,其中o选在船舶重心处,o x y面平行于无扰动自由液面,x轴水平向前,y轴水平向右,z轴垂直向下图船舶四自由度运动坐标系 四自由度MMG模型及水动力描述方式选取非线性四自由度MMG数学模型,具体方程表达式为m(uv r)XHXJm(vu r)YHYJIzrNHNJIxpKHKJ()式中:下标H和J分别为船体及喷水推进装置;m为船舶质量;u、v、r及p分别为纵向速度、横向速度、转首角速度及横摇角速度;Ix和Iz为船舶绕x和z轴的转动惯量;XH、YH、NH及KH为作用在船体上的水动力及力矩,其具体描述形式为XHmxumyv rRXv rv rXv vvXr rrYHmyvmxu rYvvYrrYYv v vvYr r rrYv v rvrYv r rv rNHJzrNvvNrrNNv v vvNr r rrNv v rvrNv r rv rKHJxpmxzHu rKvvKrrKppKv v vvKr r rrKv v rvrKv r rv rKm gGM()式中:mx和my为船舶在x和y方向的附加质量;Jx和Jz为船舶绕x和z轴的附加转动惯量;GM为初稳性高本三体船采用喷水推进装置,参考文献 给出喷水推力及力矩,具体描述形式为XJTJc o sJYJTJs i nJNJxJYJKJzJYJ()式中:TJ为喷水推进装置提供的推力,为保证操舵前船舶匀速直线航行,喷水推力取为直航阻力值;J为喷嘴角度;xJ为喷水推力作用点相对于船舶重心的纵向位置,取xJ为船尾后 m处到船舶重心的距离,即xJ m;zJ为喷水推力作用点相对于船舶重心的垂向位置,取zJ m计算方法 计算域设置选取图的计算域,计算域总长为倍船长,入流边界和出流边界分别距离船首和船尾倍及倍船长;计算域总宽为倍船长,其两侧边界均距船中纵剖面 倍船长;计算域总深为 倍船长,其顶部、底部边界分 别距水线面 及 船长边界条件设置:船体表面为无滑移壁面,计算域尾部边界为压力出口,其余计算域边界均为速度入口图计算域及边界条件示意图 数值计算方法采用商用软件S T A R C CM,通过C F D技术求解R AN S方程的方式进行数值模拟参考文献S S Tk 湍流模型结合了标准k 模型和k 模 型 两 者 的 优 势,计 算 精 度 较 高,故 采 用S S Tk 湍流模型利用VO F(v o l u m eo f f l u i d)法捕捉自由液面位置,由于三体船航速较高,航行时会发生垂荡和纵摇运动,需通过D F B I模块放开纵倾和升降两个自由度;在船体周围采用重叠网格,以 防 止 运 动 幅 度 较 大 带 来 的 网 格 变 形 问题 并对船体表面、船体周围、自由液面及开尔武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷文波区域进行局部加密,以提高计算精度经网格尺度及时间步长收敛性分析,斜拖、旋臂及横倾试验网格数量取为 ,时间步长取为 s;横摇衰减试验网格数量取为 ,时间步长取为 s,船体表面y值保持在 ,具体网格划分见图静水阻力验证及水动力导数计算 收敛性分析对于斜拖、旋臂及横倾运动,以转首角速度r ,漂角 工况下,船体所受力和力矩为分析对象,进行网格尺度变化率为,时间步长变化率为的收敛性分析,计算结果见表对于横摇衰减试验,以相同时间节点下船体的横摇角度为分析对象,进行网格尺度变化率为图计算域网格划分,时间步长变化率为的收敛性分析,计算结果见表表网格尺度及时间步长收敛性分析网格数量 SG SGRGPGX/N Y/N N/(Nm)K/(Nm)时间步长/s ST STRGPGX/N Y/N N/(Nm)K/(Nm)注:SG密网格尺寸下的计算结果;ST小时间步长下的计算结果;RG收敛因子;PG模拟精度表网格尺度及时间步长收敛性分析网格数量 SG SGRGPG 时间步长 s s s ST STRGPG 通过上述计算结果可得,网格尺寸及时间步长在三种网格及时间步长下的计算结果相差较小,收敛因子RG的绝对值均小于,表明计算结果已经收敛综合考虑计算精度及计算成本,采用中等网格及中等时间步长进行后续计算 直航运动模拟及阻力验证计算航速与船模试验航速保持一致,进行了C F D和C F D的阻力计算(C F D为放开垂荡和纵摇运动,C F D为未放开垂荡和纵摇运动)不同弗劳德数F r下的阻力计算结果与试验结果见表和图表的船模试验数据是在中国航空工业第六五研究所测得,现场船模试验见图由表可表静水阻力计算结果与试验结果F r总阻力Rt/NE F DC F D误差/C F D相对误差/注:相对误差(C F DE F D)/E F D 图静水阻力计算结果与试验结果对比第期张业成,等:基于四自由度的三体船操纵运动数值模拟研究知:在各个航速下的C F D计算结果与试验结果误差较小,都在之内,验证了数值方法的可靠性而C F D计算结果与试验结果误差相对较大,在F r 、及 时相对误差的绝对值均大于,可见对于这种高速三体船,垂荡和纵摇运动对阻力影响较大图现场船模试验图 斜拖、旋臂、横倾及横摇衰减试验数值模拟对三体船进行斜拖、旋臂、横倾及横摇衰减试验数值模拟,航速设定在F r ,具体计算工况见表表计算工况航速V/(ms)转首角速度r漂角/()横倾角/()斜拖试验 、旋臂试验 、横倾试验 、横摇衰减试验 注:r r L/V斜拖及旋臂试验的数值模拟计算结果见图横倾试验数值模拟计算结果见图横摇衰减试验计算结果见图图斜拖及旋臂试验计算结果由图可知:对于带漂角的旋臂运动,随着转首角速度增大,转首力矩随着漂角的变化率逐渐减小,说明了非线性水动力导数的影响逐渐增强图横倾试验计算结果图横摇衰减试验计算结果且不容忽视,需采用线性和非线性水动力导数共同描述船体所受水动力与常规船型不同的是,在转首角速度r 、及 时,三体船所受横向力Y时,横摇力矩K,这是由于两个侧体在船舶运动过程中所受到的垂向力不同,而产生的横摇力矩所致因此对于本三体船仅用横向力乘以横摇力臂的方式来描述横摇力矩是不合适的,侧体所受垂向力对船体所受横摇力矩的影响也需考虑进水动力导数中故采取水动力导数(K v、K v v v、K rm xz H、K r r r、K v v r、K v v r)来描述船体所受横摇力矩更合理由图可知:横倾角在 以内与横摇力矩呈线性变化,且横倾 时的横摇力矩已远大于所有旋臂试验工况下的横摇力矩,说明与横倾角相关的水动力导数仅保留线性项即可保证计算精度再根据船舶运动过程中船体所受力及力矩描述形式(见式(),通过最小二乘法对计算结果进行拟合,得到操纵水动力导数见表对于附加质量mx,C l a r k e给出的mx(武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷表水动力导数计算值参数数值参数数值参数数值R Y v v r K rm xz H X v v N v K r r r X r r N v v v K v r r X v rm y N r K v v r Y v N r r r Y Y v v v N v r r N Y rm x N v v r K(m gGM)Y r r r K v J x Y v r r K v v v K p )m,这里取mx m;对于附加质量my,采用周昭明回归公式进行估算;对于附加惯性矩Jz z,可分为附加主体惯性矩Jz z、附加侧体惯性矩Jz z及附加侧体移轴惯性矩Jz z,前两项采用周昭明回归公式进行估算,Jz z的计算式为Jz zm侧d()式中:d为侧体重心到船舶重心的纵向距离操纵运动仿真船舶操纵性与航行安全密切相关,为得到不同舵角下三体船的机动性能,在F r 进行了 、喷水角的右回转操纵运动预报及 /、/喷水角的Z形操纵运动预报预报结果见图 图 右回转运动预报结果由图 可知:对于回转运动及Z形运动,随着喷水角的增大,回转直径、横摇角、第一超越角及第二超越角增大即使在紧急情况下,进行大舵角操舵运动,三体船操纵运动时的最大横摇角较小且不会超过 ,处于安全操舵范围另一方面,三体船在操纵运动过程中,随着喷水角度增大,三体船的速降现象也越来越明显与常规船型规律不同的是,本三体船在右回转运动过程中,图 Z形运动预报结果横倾姿态不是先内倾后外倾,而是一直处于内倾姿态,与图 d)中的横摇力矩全部为正值的规律相符;船舶在右回转操纵运动过程中,船体所受横摇力矩可分为:船体所受横向力产生的横摇力矩K和两侧体所受垂向力不同而产生的横摇力矩K,由于K且|K|K|,导致三体船在右回转操纵运动过程中受到的横摇力矩为正值,使三体船内倾结论)三体船在高速航行时,垂荡和纵摇运动较为显著且对静水阻力结果影响较大,因此在进行约束模型数值模拟计算时需放开垂荡和纵摇运动)对于本三体船,采用常规的横摇力臂乘以横向力来描述横摇力矩是有一定局限性的,采用水 动 力 导 数(K v、K v v v、K rm xz H、K r r r、K v v r、K v r r)表述横摇力矩更合理,且受侧体的影响,三体船在定常回转阶段不一定处于外倾姿态)本方法可用于三体船的四自由度操纵运动预报,模拟结果符合实际规律,可为后续的船舶设计提供参考第期张业成,等:基于四自由度的三体船操纵运动数值模拟研究参 考 文 献田高辉,冯佰威,常海超基于C F D的三体船侧体布局优化J造船技术,():,周辉,冯佰威,詹成胜,等基于C F D仿真的三体船阻力性能优化研究C 年数字化造船学术交流会议论文集,北京,刘杨,张海华,苗飞,等大方尾三体船型阻力及航态预报J舰船科学技术,():YA S UKAWA H,H I E A T A N,K O S EK I n f l u e n c eo fo u t r i g g e rp o s i t i o no nt h ep e r f o r m a n c e so fah i g hs p e e dt r i m a r a n(r dR e p o r t:M a n e u v e r a b i l i t y)JJ o u r n a l o f t h eJ a p a nS o c i e t yo fN a v a lA r c h i t r c t sa n dO c e a nE n g i n e e r s,():卢晓平,姚迪,王波三体船操纵性计算与特性分析J海军工程大学学报,():边海朋三体船操纵性试验及数值模拟与运动仿真D哈尔滨:哈尔滨工程大学,张豪,洪智超,李云波三体船操纵性水动力导数计算及回转性能研究J固体力学学报,(增刊):洪智超复合型小水线面三体船操纵性预报及性能研究D哈尔滨:哈尔滨工程大学,郭海鹏基于C F D的双桨双舵船四自由度MMG模型建模及操纵性预报研究D上海:上海交通大学,谭康力,詹成胜,詹东东基于C F D的滑行艇全航速段操纵性能研究J武汉理工大学学报(交通科学与工程版),():刘晨飞深拖系统水面母船水动力导数及操纵性能预报研究D上海:上海交通大学,贾欣乐,杨盐生船舶运动数学模型M大连:大连海事大学出版社,N u m e r i c a l S i m u l a t i o no fT r i m a r a n M a n e u v e r i n gM o t i o nB a s e do n D O FZ H A N GY e c h e n g,)Z H A NC h e n g s h e n g,)S H A N GH a o d o n g,)(K e yL a b o r a t o r yo fH i g hP e r f o r m a n c eS h i pT e c h n o l o g yo ft h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)(S c h o o l o fN a v a lA r c h i t e c t u r e,O c e a na n dE n e r g yP o w e r i n gE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h em a n e u v e r i n gm o t i o np r e d i c t i o no f ah i g h s p e e d t r i m a r a n,t h e c o n s t r a i n e dm o d e l t e s ta n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no f r o l l i n ga t t e n u a t i o nt e s tw e r ec a r r i e do u t B a s e do nMMG m o d e l,t h eh y d r o d y n a m i cd e r i v a t i v e s o f f o u r d e g r e e o f f r e e d o mm a n e u v e r i n gw e r eo b t a i n e d t op r e d i c t t h e r o t a r ym o t i o na n dZ s h a p e dm a n e u v e r i n gm o t i o no f t r i m a r a n I nt h ep r o c e s so fn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n,t h ec o n v e r g e n c eo fg r i ds c a l ea n dt i m es t e pw a sa n a l y z e d,a n dt h e i n f l u e n c eo fp i t c ha n dh e a v em o t i o no nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sw a sd i s c u s s e d T h eo b l i q u ed r a g,s w i n ga r m,r o l la n dr o l la t t e n u a t i o nt e s t sw e r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d B a s e do nt h e l e a s t s q u a r em e t h o d,t h eh y d r o d y n a m i cd e r i v a t i v ew a so b t a i n e d,a n dt h em a n e u v e r a b i l i t yo f t r i m a r a nu n d e rd i f f e r e n t r u d d e ra n g l e sw a sp r e d i c t e db yc o m b i n i n gt h eMMGm o d e lw i t hd e g r e e so f f r e e d o m,a n d t h em a n e u v e r a b i l i t yp a r a m e t e r so f t r i m a r a nw e r eo b t a i n e d K e yw o r d s:t r i m a r a n;C F D;MMGm o d e l;s h i pm a n e u v e r i n gm o t i o n武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷