第6章-游艇的动态不稳定性

1游艇设计基础第6章游艇的稳定性能一、概述二、稳性基础知识2三、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(DynamicInstability)36.1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(DynamicStability)。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。46.5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。56.5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。66.5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。76.5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。86.5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。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”。96.5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。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。106.5动态不稳定性——产生的主要原因●产生动横倾的主要原因：116.5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。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。126.5动态不稳定性——产生的主要原因●产生动横倾的主要原因：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。136.5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。146.5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。156.5动态不稳定性——设计指导●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。166.5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。176.5动态不稳定性——设计考虑及解决方法●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。186.5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。196.5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。206.6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。216.6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，减小航速随时一个无奈之举，但却是一个解决问题的有效办法。226.6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(HardTop)。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。236.6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△=39975kg；满载排水量体积▽=39m3；艇底水平投影面积Ap=60m2；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；艇的重心纵向位置Lcg=7.52m；246.6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：面积载荷系数重心位置系数长宽比Lp/Bpx=3.2。()/1000.5cacgpLLL2/3/5.2pA256.6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。266.6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：276.6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。286.6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296.6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306.6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316.6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。326.6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变成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！336.7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。34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△=36950kg；艇底水平投影面积Ap=70m2；艇舭部折角线侧投影长度Lp=18.4m；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？