五体船综合性能优化设计方法与流程

本发明涉及五体船优化技术领域，特别是涉及一种五体船综合性能优化设计方法。

背景技术：

游艇是一种集航海、运动、娱乐、休闲等多种功能于一体的消费品。在发达国家，它和汽车一样被广泛普及，却比汽车有更多的娱乐性、休闲性乃至奢侈性；而在发展中国家，游艇很多被作为公园、旅游景点的经营项目，供人们消遣，少量的作为海事、公安、边防的工作艇。二十世纪九十年代，游艇正式进入中国市场，经过多年的发展，大陆的游艇业在设计、制造以及配套服务等领域均取得了一定的发展。目前，游艇设计正在向多功能化、舒适化、时尚化等趋势发展。

中国海洋强国战略的实施需要先进的船舶制造业做支撑，船舶制造业的快速转型和升级的重要内容之一是发展更经济更绿色的货运商用船多体船型。五体船作为典型的多体船，与双体船、三体船等其他多体船型相比拥有更宽阔的板和恶劣海况下更高的破舱稳性和低速适航性，更有潜力发展成为符合海洋济发展趋势的新型货运商船。英国伦敦大学、挪威marintek、美国加州州立大学、西班牙izar公司、lockheedmartin集团等顶级船舰研发机构已相继投入大量人力和财力研究五体货船，并着力进一步提高该船型在恶劣海况中的快速性和适航性。niger联合有限公司初步尝试研发并建造了一艘“adxexpress”高速五体集装箱船，初步依托五体船型实现了更低成本更安全的货物运输，快速抢占了国际船舶商运市场战略制高点。英国皇家海军和niger联合有限公司正试图将其用于军事运输用途，率先提出了基于五体船型的航空母舰和补给舰等概念。

如何进一步提高五体船在恶劣海况中的快速性和适航性也是我国商用货船开发过程中的主要研究内容之一，目前对于五体船的航行特性进行优化的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种五体船综合性能优化设计方法，其通过对五体船模型的数学模型进行仿真实验和物理模型实验，给出五体船结构的优化方案，并对优化的方案进行综合验证；

进一步的，本发明采用下述技术方案：

五体船综合性能优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据五体船的结构设计参数，构建五体船模型；

步骤2：对五体船模型建立数学模型，进行水动力性能分析；

步骤3：根据实验条件，设计物理模型，初步计算参数后修改数学模型；

步骤4：将五体船侧体设置为小攻角斜侧体，对斜侧体布局进行优化；

步骤5：对五体船艏形状进行对比，分析不同船艏形状的阻力性能；

步骤6：确定优化的五体船模型，对优化的五体船模型的稳性和运动特性进行实验分析。

进一步的，所述步骤2的具体步骤为：

根据步骤1的五体船模型，通过数值仿真建立五体船的数学模型，进一步进行兴波阻力和稳性的水动力性能的初步分析。

进一步的，所述步骤3的具体步骤为：

根据实验条件以及搭载需求，设计物理模型，并初步确定物理模型的基本参数；根据数学模型和物理模型现场实验结果的差异性，修改数学模型的参数。

进一步的，所述步骤4的具体步骤为：

4.1：将五体船侧体设置为小攻角斜侧体，确定斜侧体倾斜角度判定模型；

4.2：对数学模型进行数值仿真实验，通过多项式拟合得到斜侧体布局优化模型；

4.3对物理模型进行实验，根据实验结果修正斜侧体布局优化模型。

进一步的，所述步骤4.1的具体步骤为：

将五体船横向或纵向位置的侧体设置成小攻角斜侧体，改变斜侧体倾斜角，分析不同斜侧体倾斜角对五体船船体阻力特性的影响，构建五体船斜侧体倾斜角度判定模型，并得出阻力和斜侧体倾斜角度的关系曲线图。

进一步的，所述步骤4.2的具体步骤为：

改变斜侧体间距离和斜侧体与主船体间距离，确定出多种斜侧体布置方案，分别仿真模拟在不同布置方案下五体船的阻力情况，并确定不同布置方案下主船体和斜侧体之间的兴波干扰情况，得到阻力与斜侧体位置关系的等值线图，根据得到的仿真模拟数据进行多项式拟合得出斜侧体布局优化模型。

进一步的，所述步骤4.3的具体步骤为：

在设定航速和波浪载荷作用下，分别测算不同斜侧体布置方案下五体船物理模型的阻力情况，得到斜侧体位置变化对五体船运动响应的影响情况，修正步骤4.2的斜侧体布局优化模型，将得到的结论作为不同的约束条件以五体船动稳性最高为目标构建斜侧体布局多目标优化模型。

进一步的，所述步骤5的具体步骤为：

5.1：确定五体船船艏的多种形状；

5.2：分别对不同形状船艏的五体船的阻力性能进行数值仿真实验，得到阻力与船艏形状关系的等值线图；

5.3分别对不同形状船艏的五体船的阻力性能进行物理模型实验，修正步骤5.2的等值线图。

进一步的，所述步骤5.3的具体步骤为：

在设定航速和静水载荷作用下，分别测量不同形状船艏的五体船在静水中的阻力情况；在设定航速和不同波浪载荷作用下，分别测量不同形状船艏的五体船在迎向波浪载荷下的阻力情况；根据得到的阻力情况修正步骤5.2的等值线图。

进一步的，所述步骤6的具体步骤为：

6.1：以最优斜侧体布局确定优化的五体船模型，进行数值仿真实验，对五体船模型进行稳性分析；

6.2：对五体船模型进行物理模型实验，得到五体船模型的航向稳定性和横摇特性；

6.3：根据步骤6.1、步骤6.2，得到不同波浪载荷下五体船模型运动时历曲线的矢量方差曲线图。

进一步的，所述步骤6.1的具体步骤为：

以最优斜侧体布局确定优化的五体船模型，进行数值仿真实验，进行船体完整和破损情况下的稳性分析，得到静稳性曲线和动稳性曲线；在不同波浪载荷下，确定五体船模型的垂向、纵向和横摇运动响应。

进一步的，所述步骤6.2中得到航向稳定性的具体步骤为：

为五体船模型布置螺旋桨、加速度传感器和角加速度传感器，进行螺旋桨实验和逆螺旋桨实验，根据两实验的加速度数据和角加速度数据，得到两实验的位移和转角，进而画出航迹判断五体船的航向稳定性。

进一步的，所述步骤6.2中得到横摇特性的具体步骤为：

为五体船模型施加倾斜力矩使其倾斜，去除力矩使五体船模型进入自由横摇状态，过程中记录五体船模型的倾角；当五体船模型横摇幅值小于设定值时，停止实验，根据获得的倾角数据计算得出横摇周期，确定其横摇特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的方法对五体船模型分别给出数学模型和物理模型，对数学模型进行数值仿真实验，对物理模型进行物理模型实验，可以得到最优斜侧体的布局方案以及船艏形状方案，并进而得出五体船的优化方案。

本发明的方法对五体船的优化方案进行数值仿真和物理模型试验，可以得到优化后的五体船模型的稳性和运动特性，通过多工况实验手段与数值模拟手段结合的方法对优化方案的性能进行综合验证，确定优化方案的性能优化情况。本发明首次将小攻角斜侧体引入五体船的船型设计中，提高了五体船的稳性、耐波性和适航性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明方法的流程图；

图2为五体船的结构示意图；

图中，a为前部斜侧体中心与主船体中心的距离，b为前部斜侧体与主船体的距离，c为后部斜侧体中心与主船体中心的距离，d为后部斜侧体与主船体的距离。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在无法有效提高五体船航行特性的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种五体船综合性能优化设计方法。根据单体船和三体船上成功的研发经验，分别将小攻角斜侧体和新型船艏引入到五体船设计中，最终给出一种阻力更小、航速更快、在恶劣海况中耐波性和适航性更高的货运商用五体船型，其是对五体船的优化方案，旨在给出最优斜侧体布局和船艏的定型。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种五体船综合性能优化设计方法，其针对五体船开展数值仿真和模型实验研究：

1)在不同海况下，规则波和不规则波中斜侧体倾斜角度和斜侧体的布置方式进行数值和实验测量研究，以分析和对比其性能特性；

2)研究不同船艏五体船的阻力特性；

3)在1)2)基础之上，研究新型五体船稳定性、波浪载荷和运动特性。最终对新型五体船的快速性和适航性进行综合评估。

本发明五体船综合性能优化设计方法的研究路线为：

1)先通过阅读文献及调研，在资料充分分析基础上，选定以研发具备更高快速性和适航性的五体商用货船为研究目标。

2)根据目前国内外五体船研究现状，参照现行的普通船体及多体船研究方法，确定五体船的结构设计参数，构建五体船模型。

3)利用maxsurf和aqwa软件建立五体船模型的数学模型，并进行初步的兴波阻力、稳性等水动力性能分析。

4)根据实验条件，设计物理模型，并进行初步的的基本参数计算。

5)根据计算和实验结果修改数学模型。

6)将小攻角斜侧体引入五体船设计。

7)对斜侧体布局优化，建立高航速下五体船斜侧体布局模型。

8)将采用不同船艏形状的五体船进行快速性比对分析，确定不同船艏的特点。

9)在上述研究的基础之上，考察优化后的五体船模型规则波和非规则波中的运动性能，构建等值线图和流场分析图。

10)基于上述开发的模型，为五体船的型体设计研发提供一套应用于工程实践的完整设计思路，将研究结果开发相应的设计分析软件。

基于以上研究路线，本发明五体船综合性能优化设计方法的具体实施步骤过程为：

步骤1：根据五体船的结构设计参数，构建五体船模型；

步骤2：对五体船模型建立数学模型，进行水动力性能分析；

步骤3：根据实验条件，设计物理模型，初步计算参数后修改数学模型；

步骤4：将五体船侧体设置为小攻角斜侧体，对斜侧体布局进行优化；

步骤5：对五体船艏形状进行对比，分析不同船艏形状的阻力性能；

步骤6：确定优化的五体船模型，对优化的五体船模型的稳性和运动特性进行实验分析。

步骤2的具体步骤为：

根据步骤1的五体船模型，通过数值仿真建立五体船的数学模型，进一步进行兴波阻力和稳性的水动力性能的初步分析。

步骤3的具体步骤为：

根据实验条件以及搭载需求，设计物理模型，并初步确定物理模型的基本参数(初步确定了五体船的主尺度(船长和船宽等)、初稳性、耐波性以及结构强度)；根据数学模型和物理模型现场实验结果的差异性，修改数学模型的参数。

具体实施过程中，可根据渤海湾波浪谱和中小型无人艇的常用搭载需求设计物理模型；可在银海游艇港进行现场实验，当物理模型与仿真数学模型的航行性能出现差异时，便修改仿真模型的主尺度以及重心等参数。

步骤4的具体步骤为：

4.1：将五体船侧体设置为小攻角斜侧体，确定斜侧体倾斜角度判定模型；

4.2：对数学模型进行数值仿真实验，通过多项式拟合得到斜侧体布局优化模型；

4.3对物理模型进行实验，根据实验结果修正斜侧体布局优化模型。

步骤4.1的具体步骤为：

将五体船横向或纵向位置的侧体设置成小攻角斜侧体，改变斜侧体倾斜角，分析不同斜侧体倾斜角对五体船船体阻力特性的影响，构建五体船斜侧体倾斜角度判定模型，并得出阻力和斜侧体倾斜角度的关系曲线图。

步骤4.2的具体步骤为：

改变斜侧体间距离和斜侧体与主船体间距离，确定出多种斜侧体布置方案，分别仿真模拟在不同布置方案下五体船的阻力情况，并确定不同布置方案下主船体和斜侧体之间的兴波干扰情况，得到阻力与斜侧体位置关系的等值线图，根据得到的仿真模拟数据进行多项式拟合得出斜侧体布局优化模型。

具体实施中，在斜侧体水动力分析的基础上，采用商用软件maxsurf的阻力估算模块，如图2所示，依据斜侧体间距离和斜侧体与主船体间距离提出12种方案(其中后侧体3个位置、前侧体4个位置)。分别测算五体船模型在不同布局下(前部斜侧体中心与主船体中心的距离a、前部斜侧体与主船体的距离b、后部斜侧体中心与主船体中心的距离c、后部斜侧体与主船体的距离d的布置方案如表1所示)的阻力。基于银海游艇港的现场其他主尺度等参数不变，根据数值仿真得到的在不同斜斜侧体间距离和斜侧体与主船体间距离下船体的稳性、横摇、纵摇、垂荡等数据进行多项式拟合，进而得出斜侧体布局优化模型。

表1五体船模型a、b、c、d的布置方案表

步骤4.3的具体步骤为：

在设定航速和波浪载荷作用下，分别测算不同斜侧体布置方案下五体船物理模型的阻力情况，得到斜侧体位置变化对五体船运动响应的影响情况，修正步骤4.2的斜侧体布局优化模型，将得到的结论作为不同的约束条件以五体船动稳性最高为目标构建斜侧体布局多目标优化模型。

以在银海游艇港进行实验为例，在规定航速和波浪载荷作用下，分别测算五体船模型的阻力。主要包括：a.后侧体纵向位置变化对运动响应的影响；b.前侧体位置变化(纵向和垂向)对运动响应的影响。绘制阻力与斜侧体布局的关系曲线图，最终基于物理模型实验数据修正斜侧体布局优化模型，将符合五体船要求的阻力和运动特性作为不同的约束条件以高速下船体动稳性最高为目标构建斜侧体布局多目标优化模型。

步骤5的具体步骤为：

5.1：确定五体船船艏的多种形状；

5.2：分别对不同形状船艏的五体船的阻力性能进行数值仿真实验，得到阻力与船艏形状关系的等值线图；

5.3分别对不同形状船艏的五体船的阻力性能进行物理模型实验，修正步骤5.2的等值线图。

步骤5.1中，根据最新的研究结果，提出能够有效提高船速的五种船艏形式：球鼻艏、斧形艏、垂直艏、外倾艏和内倾艏。针对所要研制的五体船开展不同船艏的阻力性能实验研究，对其在静水与不同波浪载荷下五体船的航行性能进行分析。

确定五体船模型组合如下表所示：

将船身部分与船艏部分分开制作模型，选择船身模型与五种船艏模型进行组合，这样可以得到5种方案。

步骤5.2中，利用商用软件maxsurf的阻力估算模块测算五体船在不同船艏形状(球鼻艏、斧形艏、垂直艏、外倾艏和内倾艏)下的兴波阻力，并分别绘制阻力与船艏形状关系的等值线图。

步骤5.3的具体步骤为：

在设定航速和静水载荷作用下，分别测量不同形状船艏的五体船在静水中的阻力情况；在设定航速和不同波浪载荷作用下，分别测量不同形状船艏的五体船在迎向波浪载荷下的阻力情况；根据得到的阻力情况修正步骤5.2的等值线图。

具体实施中，测量五体船在静水中、(不同浪向角，从船艏开始0-90°以30°间隔)规则波和不规则波等9种工况下的兴波阻力，并绘制和修正阻力与船艏形状关系的等值线图。阻力的测量按以下方式实现：

a.规定航速，五种组合船模在静水中的实验载荷下，测量船模在静水中的阻力；

b.规定航速，五种组合船模在波浪载荷作用下，测量船模在迎向波浪载荷下的阻力。

步骤6的具体步骤为：

6.1：以最优斜侧体布局确定优化的五体船模型，进行数值仿真实验，对五体船模型进行稳性分析；

6.2：对五体船模型进行物理模型实验，得到五体船模型的航向稳定性和横摇特性；

6.3：根据步骤6.1、步骤6.2，得到不同波浪载荷下五体船模型运动时历曲线的矢量方差曲线图。

步骤6.1的具体步骤为：

以最优斜侧体布局确定优化的五体船模型，进行数值仿真实验，进行船体完整和破损情况下的稳性分析，得到静稳性曲线和动稳性曲线；在不同波浪载荷下，确定五体船模型的垂向、纵向和横摇运动响应。

具体实施中，利用商用软件maxsurf稳性模块进行船体完整和破损情况下的稳性分析，并获取静稳性曲线和动稳性曲线。

利用商用软件awqa在不同的波浪载荷下获取新型五体船(不同船艏+最优斜侧体布局)的垂向、纵向以及横摇运动响应。

步骤6.2中得到航向稳定性的具体步骤为：

为五体船模型布置螺旋桨、加速度传感器和角加速度传感器，进行螺旋桨实验和逆螺旋桨实验，根据两实验的加速度数据和角加速度数据，得到两实验的位移和转角，进而画出航迹判断五体船的航向稳定性。

具体实施中，进行五体船模稳定性实验。实验要求测量和记录的主要物理量有船模位移与转角，测量方法介绍如下：

i.根据模型实验准则为五体船模选择合适的螺旋桨；

ii.在五体船模上合理的布置加速度传感器与角加速度传感器；

iii.对五体船模进行螺旋桨实验；

iv.对五体船模进行逆螺旋桨实验。

将得到的船模螺旋桨实验与船模螺旋桨实验得到的加速度数据进行两次积分，得到船模螺旋桨实验与船模你螺旋桨实验的位移与转角，进而画出航迹判断五体船的航向稳定性。

步骤6.2中得到横摇特性的具体步骤为：

为五体船模型施加倾斜力矩使其倾斜，去除力矩使五体船模型进入自由横摇状态，过程中记录五体船模型的倾角；当五体船模型横摇幅值小于设定值时，停止实验，根据获得的倾角数据计算得出横摇周期，确定其横摇特性。

船舶六个方向的运动中，横摇对船舶的影响最大，所以对横摇周期的测量至关重要，若五体船横摇周期与波浪周期接近，将发生共振。

具体实施中，横摇周期测试方法如下：

i.确认水面没有波动，并且船模没有运动；

ii.运行倾角测试软件；

iii.给船舶施加倾斜力矩使其倾斜；

iv.去除倾力使船舶进入自由横摇状态；

v.当船舶横摇幅值较小时，停止记录数据。

根据记录的横摇数据计算得出横摇周期。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。