三体船侧体位置优化设计研究

郑 律 丛 刚 王耀辉

（哈尔滨工程大学船舶工程学院 哈尔滨150001）

0 引 言

三体船的两个侧体一般对称布置于主体两侧，不会有错位现象。理论计算和模型试验均表明主船体和侧体间的兴波干扰对三体船的阻力有较大影响。如果侧体位置恰当，阻力可能大大减小。三体船湿表面面积较单体船稍大，如果通过侧体位置变化，在减小阻力的同时可改善三体船的运动响应性能，那么三体船的侧体位置优化布局则尤显重要［1-3］。

本论文将基于二维半理论［4-6］，应用TRIMARAN计算软件研究侧体纵向、横向位置的变化对三体船运动响应的影响，并计算分析了船体横摇惯性半径对三体船横摇性能的影响，从而提出一套三体船侧体位置优化方案。

1 低航速下侧体位置优化分析

1.1 侧体纵向位置变化对三体船运动性能的影响

取一艘三体船作为船模进行比较分析。该船主体船长2.5 m、型宽0.178 m、吃水0.106 3 m，侧体船长0.7 m、型宽0.03 m、吃水0.05 m。

主体、侧体的船尾间距s分别取为0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m四种情况。考虑到实际航行状态及本论文重点研究方向，我们选择浪向角为135°、180°两种情况有针对性地比较不同侧体位置对三体船运动性能的影响。由于浪向角为180°时，船体属于迎浪航行，这时波浪对船体的横摇性能几乎无影响，所以本文不考虑浪向角为180°时，侧体对三体船运动性能的影响。

侧体与主体中心线间距选为0.5 m。因为该条件下，运动响应算子的曲线变化较明显，方便进行对比，但这个横向位置不一定是最优的侧体横向位置。

图1中垂荡是以垂荡幅度比遭遇波波幅的无因次比值形式给出，文中再次出现的垂荡均按此给出。通过图中四种情况下的垂荡比较，可以看出：在遭遇波波长较船长小的情况下，四种侧体纵向位置的垂荡性能相差不多，而当遭遇波波长大于船长0.6倍后，将侧体位置布置得靠向主体前部更为适合。尤其是在0.75～1.25倍船长的遭遇波波长情况下，其垂荡性能明显优于其他情况。

图1 侧体纵向位置对三体船垂荡性能的影响（Fn=0.2，浪向角 135°）

图2中纵摇是以纵摇角度比波倾角的无因次比值形式给出，文中再次出现的纵摇均以此形式给出。图2对比了四种不同纵向位置的侧体对三体船纵摇的影响。可以看到，侧体位置较靠前或者靠后均对三体船的纵摇性能十分有利，其纵摇幅度一直低于将侧体放置于主体中间部位的情况。当以纵摇为主要考虑因素时，将侧体放置于主体船的船首或者船尾均可行。

图2 侧体纵向位置对三体船纵摇性能的影响（Fn=0.2，浪向角 135°）

图3中横摇是以横摇角度比波倾角的无因次比值形式给出的，论文中再次出现的横摇均以这种形式给出。由图3可以看出：四种侧体纵向位置对横摇的影响曲线比较集中，将侧体放置于靠近主体船首的位置是最优选择，该种情况下的横摇幅度总是小于其他三种侧体分布方案。

图3 侧体纵向位置对三体船纵摇性能的影响（Fn=0.2，浪向角 135°）

综合图1～3的对比，低航速下侧体纵向位置应放置于靠近主体船首位置。同时要注意，我们所有的对比都是在Fn=0.2的低航速下进行的，而对于Fn＞0.4的高航速情况可能并不适用。

在图4和图5中，可以明显看到在浪向角180°时，三体船处于穿浪航行这一特殊的航行状态，四种侧体纵向位置对垂荡和纵摇的影响曲线已很分散，将侧体放置于靠近主体船首的位置是最优选择，该情况下的垂荡和纵摇性能都最有优势。

图4 侧体纵向位置对三体船垂荡性能的影响（Fn=0.2，浪向角 180°）

图5 侧体纵向位置对三体船纵摇性能的影响（Fn=0.2，浪向角 180°）

1.2 侧体横向位置变化对三体船运动性能的影响

横向位置的变化不仅对船舶运动性能有影响，也影响三体船的甲板空间大小，且对船舶构件强度有较高的要求，尤其是当主体与侧体距离较远的情况下，连接构件的强度尤其重要。侧体横向位置以其与船长的比例n/L形式给出；对于横向位置n的选取，则在n/L=0.1～0.3的区间内选择，分别取n/L=0.10、n/L=0.15、n/L=0.16、n/L=0.24、n/L=0.30 五种情况分析对三体船运动性能的影响。这组比较中，我们选取主体船尾与侧体船尾间距s=0.65 m，因为在此位置下，变化侧体横向位置会引起较大波动，三体船运动性能也较差，故方便比对。

图6对比了五种不同横向位置的侧体对三体船运动性能的影响。

图6 侧体横向位置对三体船垂荡性能的影响（Fn=0.2，浪向角 135°）

从峰值、曲线波动两方面来看，横向间距较大的n/L=0.30、n/L=0.24和横向间距较小的 n/L=0.10，对于三体船的运动性能影响都比较理想，这几种情况除了在横向坐标中显示的遭遇波波长为船长0.75倍附近差距较大外，其他波长情况中都差不多。因此在遭遇波波幅较小的海况中，这几种侧体位置都可应用。

图7 侧体横向位置对三体船纵摇性能的影响（Fn=0.2，浪向角 135°）

图8 侧体横向位置对三体船横摇性能的影响（Fn=0.2，浪向角 135°）

通过图7、图8（见下页）纵摇和横摇性能对比，可发现当n/L=0.10时是比较好的选择，因为此时三体船的横摇和纵摇都较小。尤其是横摇，其幅值远远小于其他情况，这一点在图8中十分明显。而在图8中，根据n值从小到大的变化和其横摇峰值的关系中，可以推测当n值进一步增大时，其横摇波动峰值仍会下降，而其纵摇不会有很大变化。所以，如果可以保证连接构件强度，我们在进行主体、侧体横向间距选择时可以选择一个较大的间距，这样也可以增大船体的甲板空间。

可以看到，侧体横向位置变化对三体船垂荡、纵摇运动性能影响较小，顶浪情况下对横摇又无影响，故在浪向角180°下的横向位置变化对三体船运动性能的影响在此可不作考虑。

2 高航速下侧体位置优化分析

所谓的高航速，即Fn＞0.4情况下的航行速度。船舶运动状态与船舶航速有关，不同的航速下，船舶的航态不同，而在不同的航态中，船舶的尺度变化（三体船中包括主体尺度和侧体尺度及侧体位置）对船舶的影响也将不同。前文中对比了低航速下侧体位置对三体船运动性能的影响，但此方法对于高航速状态下的三体船可能并不适用。因此，为了准确预报三体船运动响应与侧体位置的关系，有必要对高航速下的三体船侧体位置也进行比较。

2.1 纵向位置变化的侧体对高航速下三体船运动性能的影响

为与前文中低航速下纵向位置变化的侧体对三体船运动性能的影响作一比较，从而得到更准确的结论，故将这里所进行的侧体纵向位置变化与低航速下的三体船侧体纵向位置的变化保持一致，即取主体船尾与侧体船尾间距s=0 m、s=0.5 m、s=1.0 m、s=1.5 m四种情况下对比。这四种情况分别对应于船舶尾部、船舶中后部、船舶中部，船舶中前部，对于将侧体放置于主体首部的情况，一般不予考虑。在这组比较中，侧体与主体中心线距离仍取0.5 m。

图9 侧体纵向位置对垂荡性能的影响（Fn=0.5，浪向角 135°）

图10 侧体纵向位置对纵摇性能的影响（Fn=0.5，浪向角 135°）

图11 侧体纵向位置对横摇性能的影响（Fn=0.5，浪向角 135°）

在图9～11中可以看到，在高航速下，侧体纵向位置对于三体船高航速下运动性能的影响较大，尤其是在纵摇和横摇两组比较中。对比发现，将侧体放置于主体船尾是最理想的情况。

由图12、图13可以看出，在完全迎浪的情况下，船体侧向位置变化对三体船的影响差异较大，且高航速下将侧体放置于主体船尾最佳。结合135°浪向角下的运动性能比较，可以得到结论：在高航速下，将侧体放置于主体船尾有利于三体船运动性能的提高。这一点与低航速下侧体纵向位置的选择正好相反。

图12 侧体纵向位置对垂荡性能的影响（Fn=0.5,浪向角 180°）

图13 侧体纵向位置对纵摇性能的影响（Fn=0.5,浪向角 180°）

2.2 侧体横向位置变化对高航速下三体船运动性能的影响

为方便比对，侧体纵向位置均选为侧体船尾与主体船尾间距0.65 m。从图14～16中我们看到，不同的侧体横向位置对于三体船的垂荡、纵摇运动的影响很小，故在此不作过多说明。

图14 侧体横向位置对三体船垂荡性能的影响（Fn=0.5,浪向角 135°）

图15 侧体横向位置对三体船纵摇性能的影响（Fn=0.5,浪向角 135°）

图16 侧体横向位置对三体船横摇性能的影响（Fn=0.5,浪向角 135°）

对于横摇，曲线显示得很明显，当n/L=0.10时拥有最小的横摇，鉴于在垂荡运动、纵摇运动中影响不大，因此以横摇为主要考虑对象，选择n/L=0.10的主体与侧体间距。

由于侧体横向位置的变化对高航速下的垂荡性能和纵摇性能影响十分微弱，在浪向角180°情况下横摇性能不受影响，所以浪向角180°下横向位置变化的影响在此也不列出。

3 结 论

本文主要研究在高速与低航速下，改变侧体的横向、纵向位置对三体船运动性能的影响，并对比了在最适合主体船型、侧体横向、纵向位置下135°浪向角时，船体横摇惯性半径对三体船运动性能的影响。可以得到以下结论：

（1）低航速时，侧体应放置于靠近主体船首的位置，有利于三体船运动性能的提升；高航速下则应将侧体放置于主体船尾。

（2）侧体横向位置变化对三体船垂荡、纵摇两方面的性能影响较小，横摇性能成为侧体横向位置主要考虑因素。

（3）三体船的侧体重心位置应向三体船中部集中，这样能够减少三体船的横摇。

［1］周广利.三体船型阻力预报、优化与系列性试验分析研究［D］.哈尔滨工程大学博士学位论文，2010.

［2］Bingham A E，Hampshire J K，Miao J K，et al.Motions and Loads of a Trimaran Traveling in Regular Waves［C］//Proceedings of the 6th International Conference on Fast Sea Transportation.Southampton：［s.n.］，2001：167-176.

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