高性能船船型优劣评价方法探讨

杨松林: 高性能船船型优劣评价方法探讨
(1) 优越的超高速性能。 地效翼船完全脱离水 面超低空飞行, 由于空气密度仅是水密度的 1 800, 地效翼船的航行阻力比一般船舶的航行阻力要小得 多, 所以其速度很高。 目前, 常规排水型船舶的最大 航行速度为 30～ 40kn; 水翼艇的航速较高, 最大航 行速度为 60kn 左右; 气垫船虽然可由船底气垫把 船体抬离水面, 但其最大航行速度也只能达到 70～ 80kn; 然而, 地效翼船的航行速度可高达 100kn 以 上, 最高航行速度甚至可达 400kn, 堪与飞机媲美。
1 M eyer J R. 夏飞, 译. 混合水翼技术的应用. 国外舰船工
程, 1994, (8) : 1
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表 2 4990 吨级油船满载出港时静水剪力和弯矩 手工计算与 T ribon 软件计算结果比较
计算 方法
N m ax 值
N max 位置 (距
(kN ) 0 站) (m )
一般认为, 高性能船船型优劣主要取决于速度、 续航力、装载能力、耐波性能、航行支持、海上保持航 速能力、低可见度、浅吃水、两栖性、防御能力、成本 等因素。这些因素之间, 以及这些因素与船型优劣的 关系都是非常复杂的, 其中大多数无法量化。一般地 讲, 它们之间是模糊关系, 我们通过初步相关性分 析, 给出高性能船船型模糊评优数学模型如下。 3. 1 因素集
主题词 高性能船 船型 评价
1 引言
高性能舰船的种类繁多, 新船型层出不穷, 在众 多交通工具中是较具新思想、最有创新、最富活力的 领域, 几乎每隔十年便至少有一种新型高性能船问 世, 例如在 20 世纪:
(1) 40 年代的代表是高速水翼船; (2) 50 年代的代表是高速气垫船; (3) 60 年代的代表是超高速地效翼船; ( 4) 70 年代的代表是高速双体船和小水线面 双体船; (5) 80 年代的代表是高速穿浪双体船; ( 6) 90 年代的代表是水翼双体船等复合型高 性能船。 这些船型的科学研究已有较长历史, 多数船型 比较成熟。虽然它们各自某些性能有其突出点, 但是 在其他方面亦有明显的不足, 从而限制了这些高性 能船的进一步发展。 早有人设想把这些高性能船舶 各项优势技术杂交, 相互取长补短, 提高其综合性能 或扩大其功能, 使其得以飞速发展。 近年来, 这一设 想已开始变为现实, 各类复合 (杂交) 型高性能船舶 像雨后春笋般破土而出。 各种高性能船因其船型的不同, 在快速敏捷、波 浪中的航行性能、经济性等方面表现出不同的特色, 各有千秋。 例如全垫升气垫船具有高速、极浅吃水、 两栖性和良好的通过性等特点; 水翼船具有良好的 快速性能和耐波性能等。因此, 要想在一种高性能船 上, 看到船舶的一切优良性能的想法是不现实的, 也 ·4·
造 船 技 术 2002 年第 1 期 (总第 245 期)
3. 2 确定因素隶属度 (隶属函数) 高性能船船型优劣影响因素隶属度 (隶属函数)
反映的是这些因素与船型优劣模糊相关性的一种数
学描述, 隶属度 (隶属函数) 在[ 0, 1 ]区间取值, 采用 Γ(u i) 表示。 我们通过查阅有限的资料, 经统计分析 给出主要高性能船各因素隶属度如表 1。
(7) 可维修性好。 地效翼船不需要固定的岸上 基地, 它可自行上岸, 不像其他高性能船舶或普通船 舶, 需要利用吊车或滑道上岸。可在未开发的海滩上 让乘客上船和下船, 并可进行维修工作。 2. 5 各种高性能船性能特点扼要比较
总之, 从舒适性、抗风浪能力的角度来看, 小水 线面船、全浸水翼艇最佳; 穿浪艇、双体气垫船、双体 水翼船、高速双体船次之。多数高性能船均设有航行 自控系统以减小摇荡运动, 波浪中的航行性能有望 进一步提高。
0. 525
0. 555
0. 51
0. 555
0. 565
常规排水 型船
滑行艇
0. 5
0. 465
根据表 2 可得 9 类船型优劣从好到差排序为: 地效翼船; 潜艇; 杂交水翼船和小水线面船; 水翼船 和侧壁式气垫船; 全垫升气垫船; 常规排水型船; 滑 行艇。
4 结束语
各类高性能船之间综合技术经济性能优劣比 较、设计方案综合评价以及船型综合优化等研究工 作对于高性能船的发展虽然具有重要意义, 但是在 此类问题的建模中却要遇到大量的不确定性因素,
A = (a1, a2, a3, …, a9, a10) 式中 a1 + a2 + a3 + … + a9 + a10 = 1;
a i ≥ 0 ( i = 1, 2, 3, …, 9, 10)。 3. 4 评优计算
设船型优劣程度为 C , C 值的计算公式如下: C = a1Γ(u 1) + a2Γ(u 2) + a3Γ(u 3) + … + a9Γ(u 9)
影响高性能船船型优劣的主要因素集合为: U = (u 1, u 2, u 3, …, um ) ,
式中 u1 ——速度; u2 ——续航力; u3 ——装载能力; u4 ——耐波性能; u5 ——海上保持航速能力; u6 ——低可见度; u7 ——浅吃水; u8 ——两栖性; u9 ——防御能力; u10 ——成本。 ·5·
(2) 机动性好、操纵简便。水上飞机具有很大的 展弦比, 然而, 地效翼船的展弦比较小, 便于靠泊码 头和在较小范围内作姿态调整的机动运动。
(3) 优良的适航性能。 地效翼船离开但贴近水 面飞行, 可适宜于不同的海况, 特别是能够在波涛汹 涌的海面上飞行, 而不会遭到波浪的冲刷, 不存在水 上船舶六自由度摇荡运动的问题, 具有极好的乘坐 舒适性, 极佳的适航性。
M m ax 值 (kN ·m )
M m ax 位置 (距 0 站) (m )
不是科学的态度; 重要的是如何扬长避短, 使各种高 性能船的突出性能能在各种特定场合下得到充分的 发挥, 体现出综合最优的原则。
2 各种高性能船主要特点
2. 1 水翼船的特点 水翼船能获得迅速发展的根本原因在于这种船
有着比其他水面船, 特别是排水型快艇或滑行艇有 更突出的优点。
(1) 航速高。 水翼船在航行过程中船体被部分 或全部抬离水面, 其阻力较排水型快艇、半滑行艇和 滑行艇都要小, 甚至小得多, 因此, 在排水量和主机 功率相同情况下, 水翼船的航速较同类排水型快艇、 半滑行艇和滑行艇高; 在排水量和航速相同情况下, 水翼船消耗的主机功率较同类排水型快艇、半滑行 艇和滑行艇小。仅从船舶快速性的角度看, 水翼船具 有很好的经济性。
(2) 良好的航行性能。 普通排水型船舶或滑行 快艇, 由于排水量较大, 海浪对船体的作用力也大, 同时船体的海浪诱导运动幅度大。 水翼船则正好相 反。 2. 2 双体船的特点
一般认为, 双体船在适中的高航行速度下, 具有 比其他高速船更好的运输效率。 主要特点有:
(1) 甲板面积大; (2) 航行稳定性好; (3) 浅吃水; (4) 线型设计比单体船灵活。 2. 3 气垫船的特点 气垫船是利用高于大气压的空气在船底和支承 面 (水面或陆面) 之间形成“封闭的空气垫”, 并由这 种气垫的静压力将船体全部或部分抬离支承面的一 种新型高性能船。气垫船像飞机一样在空气中航行, 航行阻力低, 航速高。 2. 4 地效翼船的特点
(5) 适应性强、安全性好。地效翼船既可在距水 面很近的水面上飞行, 也可像普通船舶一样在水中 低速航行, 因此, 当其发动机出现故障或操纵失误 时, 可迫降于水面。有些地效翼船还可以将发动机的 排气吹入艇机翼下, 从而产生动力增升作用, 既有助 于起飞和改善两栖性能, 又可提高航行的安全性能。
(6) 超低空飞行能力强。 地效翼船利用地面效 应, 既可腾空却又保持在较低的高度, 其飞行高度通 常保持在 1～ 50m 之间。
·6·
不但工作量大, 而且工作难度更大。我们基于统计资 料, 提出了影响高性能船船型优劣的因素, 通过相关 分析, 初步建立了高性能船船型优劣评估的一级模 型, 并且给出了一个基于因素平权的船型优劣评估 算例。今后要进一步进行统计分析, 科学确定因素权 函数, 探讨建立二级或三级实用模型及其算法。
5 参考文献
造 船 技 术 2002 年第 1 期 (总第 245 期)
高性能船船型优劣评价方法探讨
杨松林
(华东船舶工业学院)
提 要 简述了高性能船主要船型的发展阶段和 各类高性能船的特点, 以及船型优劣评估中存在大量 不确定性关系, 提出了影响高性能船船型优劣的因素, 初步建立了高性能船船型优劣评估的一级模型, 并给 出了一个基于因素平权的船型优劣评估算例。
潜艇 (常规)
0. 55
0. 5
0. 3
0. 6
0. 55
0. 2
0. 6
0. 6
0. 9
0. 3
0. 6
0. 3
0. 4
0. 35
0. 9
0. 3
0. 6
0. 6
0. 6
0. 9
0. 85
0. 3
0. 9
0. 95
0. 6
0. 9
0. 9
0. 3
0. 9
0. 9
0. 3
0. 3
0. 3
0. 6
0. 3
船型
因素
地效翼船
速度 续航力 装载能力 耐波性能 海上保持 航速能力 低可见度 浅吃水 两栖性 防御能力 成本
0. 9 0. 3 0. 3 0. 95
0. 9
0. 3 0. 9 0. 9 0. 9 0. 3
表 1 高性能船及其对比船型各性能的隶属度
侧壁式 气垫船
水翼船
小水线面船
全垫升 气垫船
杂交水翼船
从经济性看, 高性能船每客位造价全浸自控水 翼艇最为昂贵, 双体气垫船和全垫升气垫船为全浸 水翼艇的一半左右, 高速双体船及高速单体船最低。
从运输效率来看, 以每客海里油耗衡量, 一般认 为双体气垫船、穿浪艇运输效率最高, 小水线面船运 输效率较低。
3 高性能船船型评优模型
模糊数学于 1965 年诞生, 至今已 30 多年。模糊 数学作为数学的一个重要分支, 近年来研究甚为活 跃, 越来越受到数学界、应用理论界、工程界、社会科 学界和其他各界人士的重视。 自 1985 年以来, 我国 船舶工程界把模糊数学以及模糊论方法应用于船舶 工程, 进行了许多研究探索, 取得了可喜的成果。 下 面简单介绍基于模糊数学的高性能船船型评优的设 想。
(4) 经济性好。 由于地效翼船是充分利用地面 效应在距水面或地面很近的高度飞行, 其翼下压力 剧增, 因此在主发动机功率相同情况下, 可获得比飞 机大得多的载重能力。另外, 现代飞机均在同温层飞 行, 因而机舱需要气密, 而地效翼船不用气密因而造 价比飞机便宜得多。而且无须机场或跑道, 外围设施 投资也小。
+ a10Γ(u 10) 这种方法的关键问题是确定隶属函数和权重分 布; 假设各因素采用平权, 则上述各船型优劣程度具 体计算结果如表 2。
船型
因素
地效翼船
船型优劣 程度得分
0. 665
侧壁式 气垫船
0. 525
表 2 高性能船船型评判
水翼船
小水线面船
全垫升 气垫船
杂交水翼船
潜艇 (常规)
0. 3
0. 6 0. 6 0. 25 0. 3 0. 9
0. 3 0. 6 0. 25 0. 3 0. 9
3. 3 建立权数集 速度、续航力、装载能力、耐波性能、海上保持航
速能力、低可见度、浅吃水、两栖性、防御能力、成本 等因素对船型优劣的影响程度是不同的, 这种程度 的不同可以采用权数的大小加以区别, 每个因素对 应一个权数, 权数的集合称为权数集, 表达式如下:
从航速方面看, 小水线面船属次高速艇, 航速大 多数在 25～ 30kn 之间; 穿浪艇, 高速双体船属中高 速艇, 航速大多数在 30～ 40kn 之间; 全垫升气垫 船、双体气垫船、水翼艇为高速艇, 航速范围一般为 45～ 60kn; 地 效 翼 船 为 超 高 速 艇, 航 速 一 般 都 在 100kn 以上。
0. 9
0. 6
0. 3
0. 3
0. 9
0. 3
0. 3
0. 4
0. 2
0. 2
0. 9
0. 2
0. 25
0. 6
0. 6
0. 3
0. 3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0. 6
0. 6
0. 6
0. 6
0. 6
0. 6
0. 6
0. 65
常规排水 型船
滑行艇
0. 2
0. 45
0. 3
0. 6
0. 95
0. 65
0. 3
0. 3
0. 6