船舶与海洋工程专业毕业论文

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1、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

2、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AbstractUnmanned Surface Vehicle (USV) has some good properties such as high-speed, stealth, intelligence, etc, whic

3、h 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 t

4、he 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 militaryindustrial related. This major work carried out are:First，A view of the

5、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 exi

6、sting 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

7、 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.Keywor

8、ds: unmanned planing crafts; Performance Analysis; numeral model ofthree degrees of freedom movement; report Exercise of crafts. 目录第1章 绪论 11.1引言 1 1.2课题背1.2.1 国外发展 2 1.2.2 国发展 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

9、 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82.1滑行艇的maxsurf建模88 2.1.2 单体滑行单体滑行艇的主尺度艇的 maxsurf 建模视图8 利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算 10利用Hydromax对艇静止在水面时基本计算 11第3章 推进器设计 173.1喷水推进器的概要 173.2 喷水推进器较常规螺旋桨推进技术的优点 作 机 理 论 重要参数 3.5.1 建立喷水推进器计算模型 17 3.3喷水推进器的工 18 3.4 喷 水 推 进 器 理 20 3.5 影响喷水推进器性能的21 21 3.5.2 重

10、要参数 21第4章 滑行艇流体性能初步分析 274.1引言27 4.2滑行艇水动力计算概述 27 4.3 滑行艇纵向受力析 姆雷（Murry ）法估算滑行艇的阻力计算 运动 动 29 30 4.5模型阻力34 4 .6滑行艇在静水中垂荡 38 4.7 滑行艇在静水中纵摇运. 40 4.8 滑行艇的纵向运动稳定条件 第5章 滑行艇三自由度运动预报 5.1滑行艇纵向运动耦合程的数学模型坐标系的选取 行艇的非惯性类水动力（矩） （矩）的具体计算 414242425.1.4 作用于滑 445.2 滑行艇所受各非惯性力 445.3 高速滑行艇运动特分析 28 4.4 滑行平板的流体动力分点 4849致

11、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

12、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

13、和其 他面得到应用。1.2课题背景 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

14、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国发展 在水面高速无人艇面的研

15、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

16、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

17、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

18、，称之为“导风垫气”(SAFACUB肢术，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

19、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

20、 。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

21、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

22、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

23、，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

24、”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

25、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A=1.85t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

26、水线图图2-5立体视图利用muxsurf对艇静止在水面时基本计算排水量 Displaceme nt: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KB0.299m每厘米吃水吨数TPc:0.06t/cm每厘米纵倾力矩利用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 TrimRelative D

27、ensity (specific gravity) = 1.025; (Density = 1.0252 tonne/m人3) Fluid analysis method: Use corrected VCGGraph:大倾角稳性(横倾)Resultes:平衡分析Resultes: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

28、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。1020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111. 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

29、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

30、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

31、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

32、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

33、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

34、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

35、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水泵的主要作用是把机械能变为水力能，主要参数是流量Q和程H,因此，水泵的输出功 率为, 水泵的效率为管道系统在输入的功率后，输出推动船前进的功率为。因此，管道系统效率为 喷水推进系统的推进效率为。本文档下载自乐档网，小学教育、初中课件、高中试题答案、高等教育、工程科 技、工程管理、工作报告等文档下载；请保留出处：edlh./doc/info- e72c8e78be1e650e52ea9962.html