第6章 游艇的动态不稳定性

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游艇设计基础
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第6章 游艇的稳定性能
一、概述 二、稳性基础知识 三、游艇在风浪中的稳性 四、游艇的稳性标准(ISO) 五、动态不稳定性(Dynamic Instability)
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6.1 概述

与普通船相比:
游艇的静稳性差别不大。
最大的区别在动态稳定性方面(Dynamic Stability)。 普通船的航速较低,一般不会出现动态不稳定性的问题,但 游艇的航速较高,在中高速航行就需要对此认真考虑。

有些游艇在中高速下航行时,底部会产生一个负压力区 ,在受到干扰后该艇不能回复到原来的正浮位置,而是横倾 一个角度以达到新的平衡。这种现象就是典型的动横倾。 此外,其他能引起艇底压力分布突然变化的情况都可能 是动横倾的“罪魁祸首”。
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6.5 动态不稳定性——产生的主要原因

产生动横倾的主要原因:
考察游艇的纵剖面形状,从这些图中可以看出,该剖面 形状与对称机翼半剖面的形状非常相似,因此水流沿艇底纵 剖面的流动也类似于机翼剖面上水流的流动。

验、动态倾斜试验,进一步找出产生动横倾的原因。 (7) 向后、向下移动一些较重的设备,使艇的重心后移、 降低,然后继续试验。 (8)如果没有重物可以移动,可以在靠近艉板处加一些压载 ,再进行试验。一般情况下,艉部加装适量的压载后,问题就 可得到解决。如果还不行,就只能降低艇的最大航速了,减小 21 航速随时一个无奈之举,但却是一个解决问题的有效办法。
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6.6 解决动横倾问题的步骤
如果一条艇,出现动横倾问题,可用下列步骤解决: (1)搜集该艇的型线图、附体设计和布置图、重量重心计 算等资料,并对这些资料认真分析。 (2)仔细检查附体,包括舵和舵轴,轴支架、稳定翼、其 他底部突出物附近是否有冲刷脱漆的痕迹。 (3)确定该艇最容易出现问题的装载状态,并测量该装载 状态下的首尾吃水,计算出该艇的排水量和重心。 (4)应用图6-14设计指导准则图,检查该艇在此装载状态 下是否落在动横倾可能产生区。如果落入该区,多数是重心 太靠前的缘故,相反,如果落在不可能产生区,很可能就是 附体的问题。
1、在设计阶段: (1)如果艇的重量相对于其底部面积太大,就设法减少重 量或增加艇底面积,从而减少艇的相对载荷。

(2)如果艇的重量太靠前,就要向后移一些重物,使艇的 重心在一个合适的位置。同样,如果重心太高,要想办法降 低其位置。 (3)如果艇的可变载荷布置在远离重心的艉部,那么在油 水被消耗后,艇的重心就会向前移动,从而可能出现动横倾 问题。所以,要尽量将它们布置在重心附近。 (4)如果艇的纵剖线前部曲率太大,就要减小该处纵剖线 的曲率。 17
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6.6 解决问题的范例
以下是一个解决动横倾问题的范例: 下面是解决这一问题的过程: (3)动横倾的检查

由于面积载荷系数小于5.8,同时重心位置系数也小于3.0,所以
有必要将这些系数描绘在设计指导准则图上,检查该艇是否可能存在 动横倾的问题。
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6.6 解决问题的范例

以下是一个解决动横倾问题的范例: 下面是解决这一问题的过程:
设计准则: 将上述的四个主要因素表达成两个无因次系数——面积载 荷系数和重心位置系数,还给出另外一个无因次系数——长宽 比。

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6.5 动态不稳定性——设计指导
设计准则: 下图即为该设计指导准则图。它适用于检查航速高于25kn 的尖舭游艇是否有动横倾的问题。

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6.5 动态不稳定性——设计考虑及解决方法
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6.5 动态不稳定性——简介
影响动横倾的主要因素: 1、艇的航行速度。

直接关系!在某个速度下,有些艇由于局部产生的负压力过大 而导致动横倾。但在艇的航速小于25kn时,一般很少出现动态 不稳定性现象。 2、艇的重心位置。 游艇的重心位置是影响动横倾的另一个主要因素。一般来说, 重心越靠前,在中高速航行时,出现动横倾的可能性增大。 另外,重心垂向位置越高,在中高速时,越容易出现动态不稳 定性。
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所以,可以通过成熟的机翼理论来简单分析一下游艇航 行时其底部动水压力分布状态。
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6.5 动态不稳定性——产生的主要原因

产生动横倾的主要原因:
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6.5 动态不稳定性——产生的主要原因
●产生动横倾的主要原因:
从机翼理论可知,在机翼上的最小动水压力主要受厚弦比 (t/C)的影响。在攻角较小时,厚弦比越大,所产生的局部动 水压力就越小。当游艇在中高速下正常航行时,水流主要是沿 着纵剖线后部平直部分流动。
所以,这条改装后的游艇出现了一种典型的动态不稳定性问 题,即动横倾。 从上述游艇的参数可知,该艇的重心纵向位置太靠前,已接 近艇底水平投影面积形心的位置,显然,这就是引起动横倾的 主要原因。此外,改装后重心位置太高、相对于艇底面积载荷 太大也是部分原因。为此,可以向后移动一些重物并在靠近尾 部加装一些压载,使重心向后、向下移动,以期解决这个问题 。
然而,如果在艇的前部增加或者向前移动一些重量,该艇 的航行纵倾角就会减小,底部的水流会前移到纵剖线曲率较大 处,此时,艏脚处吃水也会增加,从而使得该出的水动压力降 低或成为负压力(吸力)。此负压力的绝对值大到一定程度,就 可能引起游艇的动横倾。
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6.5 动态不稳定性——产生的主要原因

产生动横倾的主要原因:
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6.5 动态不稳定性——简介
影响动横倾的主要因素: 3、艇的相对重量。

如果只是艇的重量相对于其尺度显得太大,游艇本身并不会 导致动横倾,但是如果和其他因素结合在一起,就会大大增 加这种可能性。 4、艇体的形状。 游艇的水下形状对其动横倾有着很大的影响,特别是水下纵剖 线的形状。一般来说,如果一条游艇的纵剖线在艏部1/4水线处 的曲率太大,此处就可能产生负压力而引起动横倾。 还有折角线的形状,也有很大影响。
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6.5 动态不稳定性——设计考虑及解决方法

2、在改装阶段:
(1)尽量不要在艇的重心前部增加重物以免纵倾太小或造 成艏倾。 (2)尽可能不要在艇的高处增加重物以免降低该艇的稳性。 虽然如此,还是有可能在新设计或改装后的游艇上出现 动态不稳定性问题。特别是改装游艇,如果艇主坚持要在前 部和高处加装设备,问题常会出现,而且一旦出现就不容易 解决。
有学者对一条有动态不稳定性问题的滑行艇进行了试验。
在实验中他们用压力传感器测量了艇底部的动压力,结果发现 在该艇底部 1/4 艇长到舯部的范围内存在负压力,在靠近中前 部的地方,压力达到了负 13.8kPa 。此外,还有学者在文献中 给出了一个艇底部测出负压力的实例。这些实验证实了艇底部 出现负压力就是产生动横倾的原因。
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6.5 动态不稳定性——简介
影响动横倾的主要因素: 5、其他因素。

其他可能引起游艇动横倾的因素,包括舵和舵杆由于设计不 当产生空泡,舵的位置太靠近艇艉甚至延伸到艉后吸进空气 ,防溅条吸进空气,水下排气罩设计不当等。
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6.5 动态不稳定性——产生的主要原因
产生动横倾的主要原因: 究竟是为什么上述的这些因素会引起游艇的动横倾呢? 那就是艇底部会有一个负压力区。这个艇底的负压力区就是 动横倾产生的原因。

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练习

假定某新设计游艇的有关参数如下: 最大速度Vmax=31kn; 满载排水量△ =36950 kg; 艇底水平投影面积Ap=70 m2 ; 艇舭部折角线侧投影长度Lp=18.4 m; 艇舭部折角线的最大宽度Bpx=5.0m;
艇底水平投影面积形心位置Lca=8.0m;
艇的重心纵向位置Lcg=7.52m; 试判断该艇出现动横倾问题的可能性有多大?
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艇的重心纵向位置Lcg=7.52m;
6.6 解决问题的范例
以下是一个解决动横倾问题的范例: 下面是解决这一问题的过程: (2)根据上述参数求得几个重要系数以便做出判断:

面积载荷系数 Ap / 2/3 5.2 重心位置系数 ( Lca Lcg ) / Lp 100 0.5 长宽比Lp/Bpx=3.2。
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6.6 解决问题的范例

以下是一个解决动横倾问题的范例: 下面是解决这一问题的过程:
(3)动横倾的检查
从图中左侧三角形标志可以看出,该点处在动横倾有可 能发生区,这说明该艇出现动横倾问题的可能性较大。果然 ,在试验中发现,该艇从25kn附近开始向左(或右)侧倾,在 最大航速30kn时,横倾角达到3.5o。
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6.6 解决问题的范例
以下是一个解决动横倾问题的范例: 下面是解决这一问题的过程: (1)找出该艇的有关参数如下:

最大速度Vmax=30kn;
满载排水量△ =39975 kg;
满载排水量体积▽=39 m3; 艇底水平投影面积Ap=60 m2; 艇舭部折角线侧投影长度Lp=16.0m; 艇舭部折角线的最大宽度Bpx=5.0m; 艇底水平投影面积形心位置Lca=8.0m;
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6.5 动态不稳定性——动横倾的试验验证
1、航行纵倾角——航速试验: 可以通过测量航行纵倾角随航速的变化而间接知道底部 是否存在有负压力。

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6.5 动态不稳定性——动横倾的试验验证
2、动态倾斜试验: 可以通过测量艇的横倾角随航速变化的趋势而间接知道 艇底部的动压力分布。

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6.5 动态不稳定性——设计指导
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6.5 动态不稳定性——简介

游艇的动态不稳定性是指:
游艇高速航行时产生的稳性降低。
其表现为在横摇、纵摇、艏摇三个方向上剧烈的运动,这些运 动具有纵倾减少、横倾增加、航向偏离等特性。
游艇的动态不稳定性主要表现在:中高速下出现的动横倾、艏 倾;在高速下出现的舭行、豚跃。 动横倾是指游艇在中高速下航行时,在横向(左侧或右侧)倾 斜一个角度,然后再这个横倾角下继续航行的一种动态不稳定 现象。

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6.6 解决动横倾问题的步骤
如果一条艇,出现动横倾问题,可用下列步骤解决: (5)进行实艇试验,首先观察附体是否有进气或产生空泡, 特别实在有脱漆痕迹的地方。如果发现有进气现象,可先假定 它是问题产生的原因,然后设法关闭这些进气通道,再次试验 。 (6) 如果问题还继续存在,再进行航行纵倾角——航速试
6.5 动态不稳定性——设计考虑及解决方法
1、在设计阶段: 此外,为了避免游艇产生动横倾的问题,在设计时还要 做到:

游艇有足够大的初稳性;将附体设计成流线型且布置在 离水面较深的地方以减少空泡、避免进气;尽量不要使舵的 后缘顶部切去一角;当设计防溅条时,不要把它和螺旋桨、 舵以及海底阀布置在同一条线上。
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6.6 解决问题的范例

以下是一个解决动横倾问题的范例: (6)问题的原因和解决的办法
在加装压载后,该艇的面积载荷系数ห้องสมุดไป่ตู้成5.16,而重心位置 加大到2.80。实航试验在航速18~23节的范围内,航行纵倾角航 速曲线斜率变成正值。 动横倾问题消失!
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6.7 豚跃问题的简单介绍
概念: 豚跃是指游艇在静水中以高速航行时,由于水动压力的改变 ,其航行纵倾角和升沉以一定的振幅和频率像海豚一样在水中 不断跃动的现象。
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6.6 解决问题的范例

以下是一个解决动横倾问题的范例: (4)航行纵倾角——航速试验
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6.6 解决问题的范例

以下是一个解决动横倾问题的范例: (5)动态倾斜试验
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6.6 解决问题的范例

以下是一个解决动横倾问题的范例: (5)动态倾斜试验
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6.6 解决问题的范例

以下是一个解决动横倾问题的范例: (6)问题的原因和解决的办法
6.6 解决问题的范例
以下是一个解决动横倾问题的范例: 某游艇在进行改装设计时,应客户要求做了如下改动:

(1)加大了装机功率以使该艇的最大速度从25kn增加到30kn。 (2)加装了飞桥甲板使上层建筑有更大的活动空间。
(3)在飞桥甲板上方又加装了硬顶(Hard Top)。 改装完成后再试航中发现,每当在高于25kn的航速航行时 ,该艇会向左舷或右舷倾侧一个角度。
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