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M型高速槽道滑行艇概念设计

作　者: 高扬
导　师: 高良田
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋工程
关键词: M型高速槽道滑行艇总体性能结构设计有限元校核
分类号: U674.942
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

M型高速槽道滑行艇具有优越的水动力性能和良好的应用前景，双M型高速槽道滑行艇“短剑”号被美国Time杂志评为2006年度最优秀发明。目前国内对M型高速槽道滑行艇的研究仍然处于起步阶段，相关资料比较缺乏。本文完成了对M型高速槽道滑行艇的概念设计工作，是一次积极有意义的尝试，对今后的研究工作具有一定的参考价值。本文主要完成了以下工作：1．通过比较分析，为M型高速槽道滑行艇选择了一组主尺度并利用Solidworks软件建立了三维模型，利用Maxsurf软件输出型线图。型线设计的过程是一个循环往复的过程，即由初始型线建立Solidworks模型，根据Solidworks模型导入Maxsurf软件，输出CAD图纸，再调整CAD型线图，以此为依据建立Solidworks模型，直至得到基本满意的Solidworks模型和型线图。2．基于Maxsurf软件完成了滑行艇的总体性能分析，包括快速性、耐波性及稳性分析。本文采用半经验半理论公式估算和Maxsurf软件计算两种方式对M型高速槽道滑行艇快速性能进行预报。半经验半理论公式包括SIT法、查洁法等，SIT法的应用更为广泛，文中用其进行阻力计算。计算结果表明半经验半理论公式估算与Maxsurf软件计算结果吻合良好，将计算所得功率与母型船比较，结果表明文中的M型高速槽道滑行艇快速性良好。耐波性分析采用谱分析方法，基于Maxsurf软件进行计算，选取波能谱为应用较为广泛的P-M谱及ITTC双参数谱，波浪参数参考四级海况，设定有义波高及波浪平均周期等要素。耐波性分析结果表明滑行艇在纵摇角度、升沉幅值等方面表现尚可，在升沉加速度及横摇幅值方面不符合要求。据此文中分析了耐波性不佳的原因及相应的可采取措施。船舶稳性是指船舶在外载荷的作用下偏离平衡位置，外载荷消失后能恢复到平衡位置的能力。论文中主要基于Maxsurf软件Hydromax模块校核了滑行艇出港和到港两种工况下的稳性，完成了静水力曲线绘制，浮态校核，大倾角稳性校核等环节，稳性衡准选择HSC相关完整稳性衡准。软件计算结果表明文中的M型高速槽道滑行艇在两种工况下都具有良好的稳性，在考虑风压力矩作用下稳性仍符合要求。3．依据DNV规范完成了滑行艇的规范结构设计。结构规范计算依据DNV船级社《RULES FOR CLASSIFICATION OF HIGH SPEED, LIGHTCRAFT AND NAVAL SURFACE CRAFT》（2012.4）进行，根据计算得到的砰击载荷和静水载荷计算得到了滑行艇各部分构件的尺寸，即板厚和骨材剖面模数。4．应用ANSYS Workbench相关模块对滑行艇进行了有限元分析，校核了机舱分段的强度并完成了模态分析。论文通过ANSYS Workbench平台的Static Structural模块分析机舱在静力载荷下的应力及变形，以及Modal模块对机舱平台进行了六阶模态分析。选择机舱分段进行分析的原因是机舱分段所受总载荷较大，包括海水静载荷和底部及槽道的砰击载荷，对其进行静力分析有现实意义，即若其强度满足要求则滑行艇其它分段结构同样可以满足强度要求。此外机舱同时承受波浪砰击载荷与主机及其轴系振动的作用，动力学分析较为复杂，有必要单独对其进行模态分析，了解振型特点与共振频率。软件计算结果表明机舱段结构强度符合要求，变形很小，结果理想，给出了六阶模态总变形情况及固有频率，为后续的瞬态动力学分析等奠定了基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-16
  1.1 选题背景及意义  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-15
    1.2.1 国外研究现状  14
    1.2.2 国内研究现状  14-15
  1.3 本文主要研究内容  15-16
第2章方案设计  16-25
  2.1 主尺度选择  16-18
    2.1.1 概述  16
    2.1.2 参考滑行艇主尺度  16-17
    2.1.3 主尺度确定  17-18
  2.2 模型建立  18-19
    2.2.1 M 型槽道滑行艇结构特点  18
    2.2.2 M 型槽道滑行艇模型建立  18-19
  2.3 型线图绘制  19-20
  2.4 舱室划分  20
  2.5 材料选择  20-21
    2.5.1 玻璃钢的定义  20
    2.5.2 玻璃钢的特点  20-21
  2.6 推进器选型  21-23
    2.6.1 推进器选型  21
    2.6.2 表面桨推进装置  21-22
    2.6.3 表面桨与常规桨的比较  22-23
  2.7 主机选型  23-24
  2.8 续航力计算  24
  2.9 本章小结  24-25
第3章总体性能计算  25-51
  3.1 概述  25
  3.2 Maxsurf 软件简介  25-26
  3.3 快速性预报  26-35
    3.3.1 概述  26-27
    3.3.2 半经验半理论方法估算  27
    3.3.3 姆雷（Murry）法估算滑行艇阻力  27-29
    3.3.4 SIT 法修正  29-30
    3.3.5 详细计算过程  30-33
    3.3.6 Maxsurf 计算  33-34
    3.3.7 快速性结果分析  34-35
  3.4 耐波性分析  35-42
    3.4.1 概念及研究意义  35-36
    3.4.2 耐波性研究的基本方法  36-37
    3.4.3 高性能船舶耐波性评估标准  37-38
    3.4.4 基于 Maxsurf Seakeeper 的耐波性估算  38-42
  3.5 稳性校核  42-50
    3.5.1 概述  42
    3.5.2 浮态校核  42-44
    3.5.3 静水力曲线计算  44-46
    3.5.4 大倾角稳性校核  46-50
  3.6 本章小结  50-51
第4章船舶结构规范计算  51-70
  4.1 规范及船级社简介  51
  4.2 概述  51-52
    4.2.1 选用规范  51
    4.2.2 航区  51
    4.2.3 材料  51-52
    4.2.4 结构形式  52
    4.2.5 骨架布局  52
    4.2.6 主尺度  52
  4.3 设计载荷计算  52-59
    4.3.1 重心处垂向加速度计算  52-54
    4.3.2 船底砰击载荷计算  54-56
    4.3.3 海水压力计算  56-59
  4.4 壳板板厚计算  59-62
    4.4.1 最小板厚计算  59
    4.4.2 壳板计算公式  59-62
  4.5 骨材尺寸计算  62-65
    4.5.1 骨材选型  62-63
    4.5.2 骨材尺寸计算  63-65
  4.6 重量及重心位置计算  65-69
    4.6.1 船体壳板重量及重心位置计算  65-66
    4.6.2 骨材重量及重心位置计算  66-68
    4.6.3 舾装件及燃油等重量重心位置计算  68
    4.6.4 滑行艇总体重量重心位置计算  68-69
  4.7 本章小结  69-70
第5章结构有限元校核  70-80
  5.1 概述  70-71
    5.1.1 有限元法的基本思想  70
    5.1.2 有限元法的特点  70-71
    5.1.3 ANSYS 软件简介  71
    5.1.4 有限元分析对象选择  71
  5.2 机舱结构静力分析  71-76
    5.2.1 单位系统及材料性能参数  71-72
    5.2.2 模型建立  72
    5.2.3 网格划分  72-73
    5.2.4 边界条件及载荷施加  73-74
    5.2.5 结果分析  74-76
  5.3 机舱结构模态分析  76-79
    5.3.1 模态分析概述  76-77
    5.3.2 结果分析  77-79
  5.4 本章小结  79-80
结论  80-81
参考文献  81-83
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  83-84
致谢  84

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