三体船耐波性模型试验研究

三体船耐波性的模型试验研究张文鹏，宗智，倪少玲，汤晓宇，师华强，郑金伟，高云（大连理工大学船舶与海洋工程学院，辽宁大连116024）摘要：通过三体船模型的耐波性试验，包括横摇试验、规则波中的迎浪试验，研究了三体船的耐波性能以及侧体纵向位置对三体船耐波性的影响。

试验结果表明，航速对三体船耐波性能的影响与对单体船的影响类似，而侧体纵向位置对于三体船耐波性能的影响是比较大的。

关键词：三体船；耐波性；侧体位置；模型试验中图分类号：U661.31 文献标识码：AModel testing of seakeeping performance of trimaran W.P. Zhang , Z. Zong，S.L. Ni , X.Y. Tang , H.Q. Shi , J.W. Zheng , Y. Gao(School of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)Abstract: Based on the data obtained from tank testing of a trimaran model in beam and head seas, the seakeeping performance of trimaran ship form is studied. The effects of the outriggers on the seakeeping performance are studied via positioning the outriggers at different locations along the ship length. The model testing results show that the velocity affects the trimaran seakeeping performance in the same manner as a single hull ship, while the outriggers positions have significant effects on the trimaran seakeeping performance.Key words: trimaran; seakeeping performance; outrigger positions; model tests1引言三体船以其航速高、适航性好、易于大型化等优点成为高技术、高性能的重要船型。

它的两个侧体排水量只占总排水量的10%以下，长度小于船舶总长的三分之一,其主要作用是提高稳性和耐波性。

20世纪70年代原苏联就对三体船的深、浅水阻力进行了理论研究，随后国外又发表了一些三体船方案分析和模型试验的文献[1]。

90年代中期英国开始投入了大量资金对三体船进行研究与设计论证，于2000年建造出了98.7m长的三体试验舰“RV特里顿”号(“海神”号)。

该试验舰是按护卫舰的概念以2／3的比例缩小设计建造的，下水后进行了广泛的实船试验，目前实船试验仍在进行[2]。

同时，英国还对高速三体船在波浪中的运动与波浪载荷开展了理论研究[3]。

国内从90年代开始也对三体船展开了研究工作。

在对三体船的研究中，阻力的研究工作已经开展得非常广泛[4-9]，但对耐波性的研究开展的较少。

卢晓平用三维移动脉动源方法进行了高速三体船纵摇与升沉理论预报[10]。

文献[11]将 2.5维方法用于高速三体船的耐波性预报。

总的来说国内外关于三体船耐波性的相关研究文献还不多见。

目前对于三体船耐波性的试验研究工作也比较少，在国外文献[12，13]中对基金项目：辽宁省科学技术基金资助项目；大连市科学技术基金资助项目（2005J22JH020）作者简介：张文鹏(1980 -)，男，大连理工大学船舶工程系博士研究生，主要从事船舶性能、船型开发研究三体船的耐波性进行了初步的、常规的模型试验研究，国外这方面的工作还可见文献[14]的报导。

国内上海交通大学的李培勇等[15]对三体船侧体横向位置对耐波性的影响进行了模型试验研究。

文献[16]的研究则表明，三体船的纵摇与升沉幅值也可以得到显著减小。

迎浪航行是船舶航行时经常选取的航态,在这种航态下影响船舶作业的主要是船的纵摇、垂荡、垂向加速度、甲板上浪及砰击等因素,而三体船侧体的纵向位置会对这些因素产生影响。

本文主要针对三体船侧体的纵向位置对其耐波性的影响进行研究，通过在大连理工大学拖曳水池进行的三体船耐波性的模型试验，研究三体船的耐波性能。

2模型试验2.1模型情况本试验模型的主船体型线是以一个常规方艉排水型船作为母型进行改造而得到的，侧体型线则是将主船体按4：1的比例缩小得到的。

主体与侧体之间通过两个平行的横梁连接，这样既能保证主体与侧体之间的固定连接，又能方便侧体在横向、纵向位置的移动。

三体船模型的主尺度要素如表1，型线如图1，坐标系情况如图2。

表1 三体船船模主尺度参数Tab.1 Main particulars of the physical model主船体侧船体船长/m 4.0 1.0 设计水线宽/m 0.3584 0.85设计吃水/m 0.17 0.10排水量/kg 129.07 4.45湿表面积/m2 1.899 0.201方形系数0.530 0.524棱形系数0.769 0.746图1 三体船模型型线图Fig.1 Body plan of trimaran model图2 三体船坐标系Fig.2 Coordinate system of trimaran2.2试验情况图3三体船耐波性试验Fig.3 The mode test of trimaran seakeeping performance本试验的内容包括：1.零航速横浪横摇试验；2.有航速迎浪纵向运动试验：试验中选取三个航速进行试验，分别为Fn=0.234，0.494，0.701；3.侧体不同纵向位置的横摇及纵向运动试验。

上海交通大学的李培勇等人[17]通过三体船阻力模型试验研究指出，侧体位于主船体中后部三体船阻力性能比较好，为验证在这些位置上三体船的耐波性如何，特意多选择了几个侧体位于中后部的纵向位置进行试验。

同时，由于本文主要针对侧体纵向位置对耐波性的影响，所以选取一个固定的横向位置。

试验中侧体横向位置与纵向位置情况见表2。

表2 侧体位置Tab.2 The position of outriggers侧体位置方案1 方案2 方案3 方案4 方案5a /m -1.3 -1.0 -0.7 0.0 1.0b /m 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 3试验结果及分析3.1 横摇图4 三体船横浪横摇频率响应曲线Fig.4 Frequency response curve of trimaran roll motions从图4可以看出，侧体位于主船体中部时横摇幅值最小，侧体在后部的3个位置横摇幅值差不多，比侧体位于中部要大10%左右，侧体位于主船体前半部比侧体位于中部要大一些，但是相差不是很多。

总的来说，侧体位于主体的中前部时横摇比较小。

3.2 纵摇（a）Fn=0.234 （b）Fn=0.494（c）Fn=0.701图5 三体船迎浪航行纵摇频率响应曲线Fig.5 Frequency response curve of trimaran pitch motion in head seas从图5可以看出，航速对纵摇的影响比较大，随着航速的增大，纵摇幅度变大，纵摇峰值所对应的频率从低频向高频移动，这些特点与单体船相似。

同时侧体纵向位置对纵摇的影响比较明显。

高速时，侧体位于主船体的中部时纵摇最小；中速时，侧体位于中部和位于前部纵摇差不多都比较小；低速时，侧体位于主船体的中部时纵摇最小，侧体位置在主船体后半部分则纵摇最大。

总的来说，侧体位于主体中部时纵摇比较小。

3.3 垂荡（b）Fn=0.494（a）Fn=0.234图6 三体船迎浪航行垂荡频率响应曲线Fig.6 Frequency response curve of trimaran heave motion in head seas与纵摇类似，随着航速的增大，垂荡幅度变大，垂荡峰值所对应的频率从低频向高频移动。

侧体纵向位置对垂荡影响比较明显。

高速时，侧体位于主船体前部比位于中部时的垂荡还要小；中速时侧体位于中部和位于前部的垂荡情况相差不多，比其他位置要小；低速时，侧体位于中后部时垂荡比较小，而位于前部时垂荡最大。

总的来说，侧体位于主体中部时垂荡比较小3.4 首、尾加速度（a）Fn=0.234 （b）Fn=0.494（c）Fn=0.701图7 三体船迎浪航行首加速度频率响应曲线 Fig.7 Frequency response curve of trimaran bow acceleration in head seas根据图7可以看出，随着航速的增大，首加速度幅度变大，首加速度峰值所对应的频率从低频向高频移动。

低速时，侧体位于船中以后的部分对首加速度的影响基本一样，位于主船体中部时首加速度最小。

位于前部时首加速度幅度又变大；到了中高速段，侧体位于中前部首加速度反而变得很大，侧体位于后部时首加速度则要小于位于中前部。

总的来说，当低速时，侧体位于主体中部首加速度比较小，而中高速时，侧体位于主体后部首加速度比较小。

（a）Fn=0.234 （b）Fn=0.494（c）Fn=0.701图8 三体船迎浪航行尾加速度频率响应曲线Fig.8 Response curve of trimaran stern acceleration in head seas尾加速度随着航速及频率的变化与首加速度的情况相似。

低速时，侧体位于主船体中部时尾加速度最小。

在Fn=0.494时尾加速度曲线出现了两个波峰。

在这个速度下，侧体位于前部尾加速度最小，位于中部其次。

高速时，双峰值情况消失，只有一个峰值。

依然是侧体位于前部尾加速度最小，而位于中部时尾加速度反而最大。

总的来说，当低速时，侧体位于主体中部尾加速度比较小，而中高速时，侧体位于主体前部尾加速度比较小。

3.5 阻力增加（a）Fn=0.234 （b）Fn=0.494（c）Fn=0.701图9 三体船迎浪航行阻力增加频率响应曲线Fig.9 Response curve of trimaran added resistance in head seas随着航速的增大阻力增加的峰值所对应的频率从低频向高频移动。

在中低速时一直是侧体位于中部阻力增加最小，侧体位于最后部阻力增加最多，但是到了高速时，侧体位于最后部时阻力增加变成最小，侧体位于中部阻力增加次之。