高性能小水线面双体船的船型设计及优化

张旭杰 杜友威 张栋楠

摘 要：小水线面双体船具有推进效率高、耐波性能好、高速航行时阻力小等优点，本文将针对小水线面双体船在波浪中的阻力性能特点进行分析，并根据片体支柱距离的变化设计出优化方案，利用MAXSURF仿真模拟验证设计方案，得到不同支柱间距t时的兴波阻力系数变化规律，并分析其优化的合理性与实用性。

关键词：小水线面双体船;减阻优化;船型设计

ShipDesign and Optimization of High Performance SWATH

Zhang Xujie Du Youwei Zhang Dongnan

Qingdao Huanghai University ShandongQingdao 266427

Abstract：Small waterplane catamaran has the advantages of high propulsion efficiency，good wave resistance and low resistance during high-speed navigation.This paper will analyze the resistance performance characteristics of small waterplane catamaran in the wave，and according to the distance of the strut pillar.The change design is designed to optimize the design scheme by using MAXSURF simulation to obtain the variation law of the wave-making resistance coefficient when the distance between different pillars is t，and analyze the rationality and practicability of the optimization.

Key words：SWATH;drag reduction optimization;ship-form design

小水線面双体船（small waterplane area twin-hull ship，简称为SWATH），又称半潜式双体船，是一种重要的高性能船型，具有推进效率高、耐波性能好、高速航行时阻力小、操作灵活、生存性高等优点[1][2]。过去人们想尽方法要制造一种具备良好的耐波性能使其满足在恶劣海况下行驶的条件，同时又不能够超出尺度使得建造运营维护成本超额的船舶。在这种现实需求的推动下，SWATH应运而生。[3]

1  SWATH的阻力性能

SWATH的总阻力可表达为各个子阻力之和，除了普通单体船舶所受阻力外，还存在着兴波干扰阻力，可以表达为：

Rt=Rf+Rr+ΔR ΔR=ΔRw+ΔRv （1）

其中：ΔRw—兴波干扰;ΔRv—粘性干扰。

SWATH的阻力性能与普通的双体船比较并无本质区别，但在下体和支柱彼此之间存在普遍的兴波干扰，故而兴波阻力尤为复杂[4][5]。

国内为许多学者都采用理论方法计算SWATH的兴波阻力，计算结果与实验测量结果十分接近。

2 船型设计

相比较于用水池进行船模实验，利用计算机软件进行模拟分析能够大大的减少分析的时间，并且，利用软件得到的结果相比较于船模实验也更加的准确可靠。[6]

利用软件MAXSURF设计一个数字化SWATH三维曲面计算模型。我们设定模型的相关主尺度为：船舶全长10.342m，船宽为4.884m，水下潜体长度为9.858m，吃水深度D=1.8m，船体左右片体间距2b=2.558m，潜体圆柱部分直径1m，圆柱的长度l=7.698m，船尾设定为圆锥形，坐标原点为水线与中垂线的交点。连接主甲板以及潜体的前后两支柱长度都为LS=0.952m，两支柱间距离为3.329m（图1）。

3 船型优化

对SWATH的优化方向分别为主体形状、片体间距、片体倾角、支柱数量及支柱外形等。本文主要从支柱间距离对兴波阻力的影响入手，研究其在变化较大范围内（0-20kn）的兴波阻力变化曲线，找出兴波阻力随着支柱间距的变化规律。

将两支柱的间距依次减小0.2米，增加0.4米以及增加0.6米，与初始模型一道作模拟分析，将四组数据对比，得到不同支柱距离t的船舶兴波阻力系数随航速变化的对比关系曲线（图2）。

我们设定船舶的最高时速为20kn。根据模拟结果显示，SWATH船舶模型在3节、6节、10节左右的航速下达到高峰值，在5节和7节左右航速下下降至低谷值，其中6节左右是船舶受到兴波阻力最大的航速。支柱间距的变化基本不会改变船舶高峰值以及低谷值出现的前后位置。航速超过10节以后，兴波阻力值随航速的增大而逐渐减小。在低速状态下，适当增大主体支柱距离能够明显的减小兴波阻力，且一定范围内间距增加，阻力减小的量就越多;船舶航速达到6节时，船舶所受的兴波阻力达到峰值，可以看出支柱的距离增加使得最高点的兴波阻力值有增加但不明显，航速达到7节时阻力大大降低，此时距离的增大仍对兴波阻力产生微弱的增幅。此后船舶航速提升至10节左右再次产生一个兴波阻力的高峰值，但距离变化对阻力的影响极其微弱。因此适当增加支柱距离能在低速下减小船舶兴波阻力，但在此后航速逐渐增大的情况下影响不显著，因此也就不适合优化高速状态下的SWATH。

4 总结

本文主要从支柱间距对船舶兴波阻力的影响进行分析研究，通过模拟分析可以得到以下结论：

（1）SWATH船舶在低航速下，由于兴波干扰的影响，兴波阻力反复出现高峰值和低谷值。

（2）主体支柱距离的变化对兴波阻力的总体变化趋势不会产生影响，且不会让阻力曲线产生横向偏移。

（3）改变支柱间的间距对兴波阻力影响仅在低速状态下较明显，在高速状态下差别不大。

参考文献：

[1]赵连恩.高性能船舶水动力原理与设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001：75-87.

[2]赵连恩，王庆.高性能船舶（舰）原理与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2013：96-116.

[3]高晓敏.小水线面双体船（SWATH船）[M].上海：上海科学技术出版社，2017：7-9.

[4]王庆，黄德波.直/斜支柱SWATH的兴波阻力预报[J].船舶工程，2004，26（4）：19-21.

[5]伊绍琳.船舶阻力[M].北京：国防工业出版社，2001：184-196.

[6]刘华斌，赵勇杰.浅谈海军首艘小水线面双体船[J].舰船科学技术，2012，8（34）：70-72.

[7]王雪刚，邹早建，张伟.小水线面双体船操纵性预报研究[J].舰船科学技术，2012，（34）：83-87.

作者简介：张旭杰（1998-），男，主要从事高性能船舶创新设计研究。

*通讯作者：杜友威，男，讲师。