船舶与海洋工程专业毕业论文

船舶与海洋工程专业毕业论文
专业
高速无人艇设计与运动性能初步分析
摘要
高速无人滑行艇具有高速、隐身、智能等优点，因而能够用于灵活作战，目前，国外已有多种水面高速无人艇应用于军事领域，特别是以美国为代表的西已将其列为重要的发展向；国在水面高速无人艇技术面的研究还处在初级阶段，近年来研制出的无人驾驶船也只是应用于探测天气，为了更好低完善我国海军作战体系，带动相关军工业的发展。

本文进行的主要工作有：
一、针对目前国外的高速无人艇研究发展现状展开了调查研究，并对我国
目前滑行艇阻力、稳性、耐波性和新艇型的开发进行简单的介绍。

二、从任务需求出发，结合现有条件，利用Maxsurf软件进行单体滑行艇模
型的设计，并对模型进行了流体性能的初步计算分析。

三、进行了推进器的设计，并对喷水推进器的种种要素对各个性能的影响进
行了分析。

四、以滑行艇前进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析。

五、建立了船前进、升沉、纵摇三自由度运动数学模型，开展了滑行艇三自
由度运动预报，分析了高速滑行艇运动特点。

关键词：无人滑行艇性能分析三自由度运动数学模型运动预报
Abstract
Unmanned Surface Vehicle (USV) has some good properties such as high-speed, stealth, intelligence, etc, which can be used for flexible operations, currently, there
are many foreign high-speed unmanned surface vessels in the military field, especially the United States as the representative of the Western countries have their as an important direction of development; domestic high-speed unmanned craft on the water technology research is still at the initial stage, developed in recent years of unmanned boat only apply detect the weather, in order to better improve our naval combat system of low, promote the development of military-industrial related. This major work carried out are:
First，A view of the current domestic and foreign research and development of high-speed unmanned craft launched a survey on the current situation, and introduce resistance, stability, seakeeping, and the development of new hull of our country current planing boat.
Second, from the mission requirements, combined with existing conditions, use of Maxsurf single planing hull model of software design, and model the performance of the preliminary calculation of fluid analysis.
Third, for the propeller design, and all the elements of water jet propulsion of individual performance was analyzed.
Fourth, in order to slide the boat forward, heave and pitch motion targeting of planing craft a preliminary analysis of fluid properties.
Fifth, the establishment of the boat forward, heave, pitch three degrees of freedom mathematical model, carried out three-DOF motion planing prediction of high-speed planing craft motor.
Keywords: unmanned planing crafts; Performance Analysis; numeral model of
three
degrees of freedom movement; report Exercise of crafts.
目录
第1章绪论 (1)
1.1引言 .......................................................................................................................... 1 1.2课题背景 .. (2)
1.2.1国外发展...................................................................................................... 2 1.2.2国发展 ...................................................................................................... 4 1.2.3我国对于改善阻力性能的各种特殊措施面的研究.............................. 4 1.2.4我国对滑行艇关于耐波性的研究.............................................................. 5 1.2.5我国对滑行艇关于稳性面的研究.......................................................... 5 1.2.6我国对滑行艇新艇型的开发与研究.......................................................... 6 1.3论文研究的目的与意义......................................................................................... 6 1.4论文主要容 (7)
第2章高速滑行艇maxsurf建模 (8)
2.1滑行艇的maxsurf建模 (8)
2.1.1单体滑行艇的主尺度 .................................................................................. 8 2.1.2单体滑行艇的maxsurf建模视图 .............................................................. 8 2.1.3利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算 ............................................ 10 2.1.4利用Hydromax对艇静止在水面时基本计算 (11)
第3章推进器设计 (17)
3.1喷水推进器的概要 ............................................................................................... 17 3.2喷水推
进器较常规螺旋桨推进技术的优点 ....................................................... 17 3.3喷水推进器的工作机理........................................................................................ 18 3.4喷水推进器理论 ................................................................................................... 20 3.5影响喷水推进器性能的重要参数 .. (21)
3.5.1建立喷水推进器计算模型 ........................................................................ 21 3.5.2重要参数 . (21)
第4章滑行艇流体性能初步分析 (27)
4.1引言 ....................................................................................................................... 27 4.2滑行艇水动力计算概述 ....................................................................................... 27 4.3滑行艇纵向受力分析........................................................................................... 28 4.4滑行平板的流体动力分析 .. (29)
4.4.1姆雷（Murry）法估算滑行艇的阻力 ...................................................... 30 4.5模型阻力计算 ....................................................................................................... 34 4.6滑行艇在静水中垂荡运动................................................................................... 38 4.7滑行艇在静水中纵摇运动................................................................................... 40 4.8滑行艇的纵向运动稳定条件 . (41)
第5章滑行艇三自由度运动预报 (42)
5.1滑行艇纵向运动耦合程的数学模型 (42)
5.1.1坐标系的选取 ............................................................................................ 42 5.1.4 作用于滑行艇的非惯性类水动力（矩） ............................................... 44 5.2滑行艇所受各非惯性力（矩）的具体计算........................................................ 44 5.3高速滑行艇运动特点 . (48)
结论 (49)
致................................................................................................ 50 参考文献 . (51)
第1章绪论
1.1引言
在过去十几年中，微电子技术、光电技术、计算机、通信、信息处理、新材料等高技术的发展,为无人机及其机载设备等提供了良好的发展条件，无人驾驶运载工具开始真正呈现复兴的势头。

无人机也逐渐发展成可提供兵力倍增作战能力的系统面过度。

迄今为止，人们大多都将注意力集中在出尽风头的无人驾驶航空器（UAV）上。

确实，无人驾驶航空器既可以执行远程空中监视，也可执行有限的攻击任务，而且直升机昨晚巡逻装备表现出色，令人叹服；但与水面无人艇相比，无人驾驶航空器目前在使用和回收面还存在巨大困难，直升机的使用费用又非常昂贵，补充装备所需费用甚至更高……而无人艇确恰恰相反。

不但具有很多突出的特点，教之运用环境，无人艇更是独具特色。

所谓智能无人水面艇（USV）,就是指那些依靠遥控或自主式在水面航行的小型无人化、智能化作战平台。

它们可以通过大型舰艇携载,等到达预定地点后加以施放,也可以直接在近岸实现保护己打击敌的作用。

无人水面艇作为一种新概念武器,较之传统水面舰艇具有一些突出的特点: 功能模式多样化作战行动灵活化艇体结构隐蔽化作战人员零伤亡网络作战中心化
[1]
图1-1 美国”水虎鱼“无人拖带艇”
正是智能无人水面艇（USV）具有这么多突出特点，带动了无人艇的多向发展，它们在未来海洋国土安全发挥越来越大的作用。

国外都十分重视该领域的研究，并逐渐在军事和其
他面得到应用。

1.2课题背景 1.
2.1国外发展
无人水面艇虽然被认为是一种新概念武器, 但其作战使用确可以一直追溯到第二次世界大战期间。

在第二次世界大战诺曼底登陆战役期间,盟国为了实现其战略欺骗和作战掩护的目的,曾设计出一种形如鱼雷的无人水面艇,该艇上载有大量的烟幕剂,可按预先设定的航向机械地驶往欺骗海域,从而造成舰艇编队登陆的假相,同时盟军还利用大型舰艇携带其到达预定海域而后释放并引导其进入计划登陆的海滩施放烟幕,直至动力耗尽或被摧毁为止。

在二战后期,美国海军也曾研制过一系列无人驾驶火箭扫雷艇,即在小型登陆艇上加装无线电控制的操舵装置和扫雷火箭弹,用于浅海雷区作业。

二战结束后至五六十年代,联曾研制过小型遥控式无人水面艇,用于向敌舰发动自杀式的撞击爆炸性攻击,而美国同期开发的一些无人艇则主要用于搜集海上核试验后的环境数据。

由于技术上的滞后,无人水面艇的发展在后来的30年间没有大的突破。

图1-2 美国“幽灵卫士”
直到1991 年海湾战争后,真正意义上的无人水面艇的开发才随着制导和控制技术的日渐成熟而被重新提上日程。

美、法、日、以等国纷纷投入巨资发展这一装备(见表1-1) ,其作战系统也实现了由固定式向模块化的转变,作战功能也由单一的反舰、掩护编队、扫雷作战扩展到反恐、缉私、打击海盗、搜捕、通信等新兴领域。

表1-1各国无人水面艇参数表
1.2.2国发展
在水面高速无人艇面的研究目前我国还处于起步阶段。

根据相关记载相似的研究如下：1972年中华造船厂曾经建造了一艘无人遥控扫雷艇，但其技术早已经落伍。

2002年我过北某基地装备通信修理厂将一艘退役导弹快艇改装为无人遥控靶船，通过远距离的遥控指
挥，实现对靶船航速、航向、灯光信号识别等要素的战术控制，2008年，中国航天科工集团公司所属航天新光集团宣布，由该集团研制成功的中国第一艘无人驾驶海上探测船“天象一号”目前正在，为北京奥运会的奥帆赛提供气象保障服务，目前从所见报道分析，我国对水面无人舰艇尚未进行系统的研究，还停留在对现有舰艇改装为遥控靶船任务的阶段，在真正意义上的自主航行的无人艇面，与欧美有着非常明显的差距。

但是在刚性充气艇面，我国有过多项相关研究。

蚁口招发工程船务有限公司根据市场调查和对欧美90年代充气艇的充分研究，依据海上救生艇的设计要求和制造工艺要求，于1996年制定了“小鲸”牌充气艇系列和充气艇制造的企业标准，并于年末成功作出了一批样艇和完成试航性能测定。

随着中国的崛起，特别是2000年北京取得奥运会的申办权之后，使用国产刚性充气艇的呼声很高。

上海和曾经有船厂尝试生产刚性充气艇，结果因为关键的技术和材料没有过关而失败了。

到了2004年初北京准备接棒奥运，北京奥运会的工作用艇也被提到了议事日程上来。

北京奥运筹办委会呼吁国人生产自己的奥运船艇，并列出了刚性充气艇这个空缺项目，希望国有厂家能够研制生产。

作为南最大的玻璃钢船生产企业江龙船舶和招发船务联手制造的这一艘植入法兰西技术的刚性充气艇，从外观，在技术，都能达到标准，可谓是一步登天[2]。

1.2.3我国对于改善阻力性能的各种特殊措施面的研究
我国还广泛开展了对改进滑行艇阻力性能的各种附加措施的研究，井取得了不少成果．如在滑行艇上加装尾压浪板或尾楔形板[3]．文献[5]还推荐采用双楔形板，它可以比通常的单楔形板获得更好的减阻效果．文献[6]则表明其耐波性也是良好的．华中理工大学素珍等人研究了滑行艇底面空气润滑的减阻效果，这是在滑行艇底部通过成排小导入空气，使其附着底部浸湿表面，以减小摩擦阻力的措施，称之为“导风
垫气”(SAFACUB)技术，文献[7]介绍了他们的研究成果。

大量的研究集中在减少圆舭快艇
阻力的措施上．很多文献都讨论了圆舭艇上加装尾压浪板的减阻效果，并分析了减阻机理．有些还利用实艇试验结果分折了尾压浪板对推进性能的影响．文献[8]进行了防溅条对圆舭快艇性能影响的研究．研究表明，在一定速度围，合理安装防溅条有可能使阻力下降．这与NPL的研究结论是一致的[4]。

1.2.4我国对滑行艇关于耐波性的研究
关于滑行艇在波浪中运动性能预报面，在zanin的非线性运动程的基础上，船舶工程学院的戴仰山等人提出了在规则波与不规则波中运动与弯矩预报法．预报同时采用频域与时域两种法计算，通过对系列62模型的计算．并将结果与Fridsma的试验结果进行了比较，表明在中等海况下．当航速不太高时(V/≤4)运动响应预报与试验结果符合得较好，垂向加速度则稍差．其变化规律尚一致，而阻力增值则差别甚大。

当波高很大或航速很高(V/≤6)时，误差较大，这可能是由于非线性影响甚强所致。

同时计算还表明．频域与时域计算结果的误差是相当的．从而说明在中等海况及中等速度下．采用频域计算是可行的。

对于大波高及高航速时的强非线性影响目前尚无足够精度的预报法．关于圆舭快艇在波浪中的运动性能预报，海军工程学院的英声和董祖舜采用切片法KKJ法和STF法)对Fn ≤0.85的圆舭快艇作了计算，并将结果与模型试验结果进行了比较。

结果表明，即使对于如此高的航速．采用切片法预报纵向运动，仍可以获得相当满意的结果．因此目前在中国．对圆舭快艇在波浪中的纵向运动响应仍普遍采用切片法。

CSSRC的顾懋祥等在计算砰击响应时计及了水弹性的影响．并采用时域法，这样可以更详细地显示砰击的作用时机及围．但计算量显著地增加了。

此外，采用防溅条，或首压浪条以及尾压浪板等也可在一定程序上改善耐波性。

1.2.5我国对滑行艇关于稳性面的研究
在滑行艇的交船试航中偶有发现静水中正直漂浮的艇在高速航行时产生横倾的现象．经检
查发现是由于艇体左右不对称引起的，有的艇虽然艇体各部分的尺寸均在公差允围之，但误差均为同向，其影响叠加后就可能使艇倾斜．这类情况在实用中是不难解决的，最简便的办法是改变舭防溅条尺寸以进行调节。

但也有些艇并未
发现有不对称超差而航行时倾斜，船舶设计所国佩等人对此进行了研究[4]，他们的研究表明，有些艇在高速航行时，底都会出现负压区，正是这一负压区．引起负扶正力矩使稳度下降，造成横顺。

这就给艇底请行面形状设计提出了附加要求，当然对此尚需进一步深入研究。

海军工程学院的纬康等研究了滑行艇及圆舭快艇回转时的横烦及稳性问题，提出了回转时横倾角估算公式，井进行了实艇检验。

1.2.6我国对滑行艇新艇型的开发与研究
鉴于常规滑行艇耐波性不足，使用围受到很大限制．因此开发滑行新艇型，以提高其耐波性就成了滑行艇发展的趋势。

船舶工程学院的永昌，连恩等研究开发了新式槽道型滑行艇[4]。

此外，CSSRC及上海沪东造船厂都对深V型艇型进行了研究，文献[9]介绍了深型艇的性能与设计特点。

1.3论文研究的目的与意义
目前在我国研究高速水面无人艇具有十分重大的意义：
第一：为顺应现代武器发展的历史潮流，我国开展满足不同战术使命需求的高速无人水面艇已迫在眉睫，现代武器系统正朝着智能化、无人化等面结构设计，无人艇正顺应这个发展趋势。

目前水面无人艇正处在飞速发展阶段。

无人艇已被公认为未来争夺信息优势，实施精准攻击，完成战场特殊任务的重要手段之一，西都十分重视该领域的研究，并逐渐在军事和其他面得到应用。

第二：无人水面艇作为一种新概念武器，与一般舰艇相比有着得天独厚的优势，它费用比较低，应用广泛，顺应发展潮流。

且能与大型舰艇相互配合，协同作战，因此我国针对无人水面艇的研究、发展已到刻不容缓的程度。

第三，研制和开发水面高速无人艇也是维护统一、保卫主权的需要。

我国是世界上唯一一个没有实现统一的大国，为维护统一的台海战争爆发的可能性始终存在。

水面高速无人艇系统的建立，将在未来可能的台海战争中为大部队登录扫清海上障碍、建立快速海上通道以及快速布置多个水面信息站点，进行网络、电子干扰、信息中继以集群式对重点目标进行控制。

发挥不可比拟的作用[2]。

第四，未来战场是信息战，无人艇在这个领域中也有它的很多优势：无人水面艇在“军事欺骗”任务中实现佯动掩护；无人水面艇在“实体摧毁”目的下完成对敌杀伤；无人水面艇在“网电一体战”环境下进行组网联通；无人水面艇在“指挥控制战”模式下完成编队指控……
第五，无人艇其成本较低，风险比较小，可大批量装备海军，以较低的成本迅速弥补我军在非对称作战体系中的不足，提高我军在海上的作战能力。

如果形成产业规划还能带动某一地区的经济发展，为我国的经济发展供出一份力量。

1.4论文主要容
本论文主要容有：
（1）针对高速无人滑行艇的设计特点及性能要求等开展调研分析，开展无人艇初步设计，确定主尺度、主要参数，以及其他功能模块。

（2）在此基础上，利用Maxsurf软件完成高速无人滑行艇的设计及流体性能的初步计算分析；
（3）高效节能特种推进器的选定，以及优化推进器，改善推进效率。

（4）以滑行艇前
进、升沉及纵摇运动为目标开展滑行艇流体性能的初步分析，并考虑风载荷因素简历滑行艇三自由度运动预报模型；
（5）编制运动预报程序，开展滑行艇三自由度运动预报，分析高速滑行艇的运动特点。

第2章高速滑行艇maxsurf建模
2.1滑行艇的maxsurf建模
2.1.1单体滑行艇的主尺度
滑行艇长L=6.00m 滑行型宽B=2.08m 滑行型深D=1.60m 设计吃水t=0.48m
静止在水中的满载排水水量Δ=1.85t
2.1.2单体滑行艇的maxsurf建模视图
图2-1四个视窗的模型截图
图2- 2 纵剖面图
图2-3横剖面图
图2-4半宽水线图
图2-5立体视图
2.1.3利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算
排水量Displacement:1.85t 水线之下容量Volume:1.81m3
进水深度Immersed depth:0.48m 设计水线长Lwl:5.38m
水下湿表面积Waterplane area:5.87m2 棱形系数Cp:0.608 形系数Cb:0.455 中横剖面系数Cm:0.772 水线面系数Cwp:0.71 浮心高度KB
0.299m
每厘米吃水吨数TPc:0.06t/cm 每厘米纵倾力矩MTc:0.019t.m
2.1.4利用Hydromax对艇静止在水面时基本计算
用Hydromax建模分析计算，得到如下报告： Free to Trim
Relative Density (specific gravity) = 1.025; (Density = 1.0252 tonne/m^3) Fluid analysis method: Use corrected VCG
Graph:
2.1.4.1大倾角稳性(横倾)
Resultes:
2.1.4.2平衡分析
Resultes:
2.1.4.3垂向静水力
Graph:
第3章推进器设计
3.1喷水推进器的概要
喷水推进装置的研究可以追溯到300多年以前，1661年Toogood与Hayes就获得了英国的专利。

此后有关喷水推进装置的研究一直没有停止过。

国际上有不少专门组织机构科研单位对喷水推进器喷水推进装置以及影响喷水推进性能的各种因素做了大量的研究和试验使喷水推进技术近几十年来有了突破性的发展.喷水推进已被广泛采用在高性能舰船上.为满足特殊用途和高性能需要一些新型喷水推进器及装置也相继出现。

英国皇家造船工程学会分别于1994 年1998 年2001 年和2004 年组织并召开了国际喷水推进会议，这是专门交流近期世界各国喷水推进研究成果的国际性学术会议。

[10]
20世纪70年代以来喷水推进泵的水平有了较大的发展，主要体现在一下三个面
[11]
：
1. 泵的比转速围增加
50年代的轴流泵比转速围是500-1000，而20世纪60年代轴流泵比转速达到1600仍有很高的效率，而到了70年代轴流泵比转速可以高达3000，这对于采用轻型高速主机是有利的。

2. 泵的汽蚀比转速增加
泵的汽蚀比转速定义为，其中Hr为汽蚀余量，它反应了泵的空泡特性，通常C值在800-1100的围，在泵前串联诱导轮后可以使C值高达3000。

3. 泵的功率增加
20世纪60年代末，单泵组的功率多为二三千瓦，而1975年交付试验的PHM导弹水翼艇单泵组功率达到11900kW（16200马力），瑞士研制的PT250水翼艇单泵组功率达到20600kW（28000马力）。

3.2喷水推进器较常规螺旋桨推进技术的优点
a) 推进效率高
传统的螺旋桨在旋转时不仅产生推力，而且产生无用的扭矩。

在航速较高时，螺旋桨还容易产生空泡，从而导致效率损失。

而喷水推进装置的导管起到了分割流场，产生推力增值的作用，可以达到更高的效率。

b) 操纵性好
喷水推进船舶的操纵不需要改变主机转速，而主要依靠改变喷射水流向来实现船舶的转向和倒航。

因而，在一定的主机转速下，喷水推进船舶可以做到无级变速、驻航和倒航。

如果采用双机双桨，还可以实现船舶横移。

c) 噪声低
噪声低喷水推进装置的动叶轮在泵壳均匀流场中工作，可推迟空泡的产生，从而减小叶片
的振动和噪声。

而且，由于喷水推进装置的传动结构简单，可明显减低部噪音，船体振动量也会有所降低。

3.3喷水推进器的工作机理
喷水式舰船推进装置包含有吸水装置、输水装置和喷水装置。

吸水装置位于舰船的首部，含有吸水口、吸水口防护罩、吸水口开关，吸水口开设在舰船的首部，吸水口防护罩罩住吸水口的开口部分，联接在舰船的壳体上，吸水口开关的进水端联接吸水口的收口端，其出水端与输水装置中的输水管的前端相联，增压泵的出水端与增压输水管的前端相联。

输水装置中的增压泵可为一个或多个，视舰船的长度、大小和增压的实际需要配置，若为多个，则从第一级到最后一级依次串联（一个增压泵为一级增压，多个增压泵则为多级增压）。

喷水装置位于舰船的尾部，含有喷水机、调向阀门、正向喷头及开关、逆向喷头及开关，喷水机的进水端与增压输水管的出水端相联，其出水端与调向阀门的进水相联，调向阀门的两个出水端分别与正向喷头开关的进水端相联，正向喷头的出水端伸出舰船尾部正面壳体，出水喷射入承载舰船的后面水体中，逆向喷头的出水端伸出舰船尾部侧面壳体，出水喷射入承载舰船的侧面水体中。

图3-1喷水推进装置工作流程示意图
吸水装置、输水装置、喷水装置依次联接共同构成一套完整的喷水式舰船推进装置，吸水口、增压泵、喷水机、调向阀门等是其中的关键部件，吸水口呈喇叭型，开口端与舰船首部的壳体相联，利用舰船首部壳体曲成半开放的集水凹槽，凹槽迎水面有防护罩，吸水口的收口端位于舰船壳体，与吸水口开关的进水端相联。

吸水口此种设计既有利于增压泵主动吸水，又有利于消减舰船首部的兴波阻力。

增压泵包含有泵体、叶轮、轴和动力，叶轮装在轴上，轴与动力相联。

喷水机含有机壳、喷射轴和动力，喷射轴为锥状螺旋体，安装在锥状机壳并与动力相联。

喷水机的主要功能是产生高压高速水流，通过喷头喷射而出，
使舰船获得强大的反冲动力。

调向阀门含有球形阀体、球弧形阀瓣、圆柱形阀轴、进水端、正向出水端、侧向出水端、底座，阀瓣紧套在阀体，通过阀轴转动改变出水向，在关闭侧向出水端的同时开启正向出水端，或在开启侧向出水端的同时关闭正向出水端，使来自喷水机的高压水流或从正向喷头喷出，或从逆向喷头喷出，从而使舰船或前进、或转向、或倒退，达到调向目的。

喷水式舰船推进装置中的吸水口开关和喷头开关（包括正向喷头开关和逆向喷头开关）主要因安全考虑而设置，为直通式开关，这些开关一旦关闭，即可阻止外界水体进入喷水式舰船推进装置，有利于设备的随时维修。

喷水式舰船推进装置中的吸水装置、输水装置、喷水装置依次联接安装在舰船壳体的底面上。

具体到每一艘喷水式舰船，可以根据实际需要组成一套或数套喷水式舰船推进装置，按照合适的规格和结构式，组合成实用的喷水式舰船推进装置，按照合适的规格和结构式，组合成实用的喷水式舰船推进系统。

喷水式舰船的操纵简便灵活，利用动力系统调速，利用调向阀门调向，可实现无舵操纵。

与传统的有舵操纵的螺桨式舰船相比，无舵操纵的喷水式舰船的机动性能要强得
多，而且减少了多不必要的能量和功率损耗，其潜在的经济价值和军事价值不可低估。

3.4喷水推进器理论
喷水推进系统的理想推力为Ti,则Ti应等于单位时间动量的增量
Ti,=
则有效功为Ti，而输入功为动能的增量，即因此理想效率有
为喷射速度与来流速度之比，即一般来说>，>1，
此损失可称为损射损失。

在实际流体中，喷水推进系统有多种损失，主要是管道系统和泵自身都有水力损失。

设原动主机的功率为Np，水泵连轴节处的传送效率为，则推进泵的收到功率是。