螺旋桨负荷系数对潜艇操纵运动的影响

螺旋桨负荷系数对潜艇操纵运动的影响 杨玉伟 许汉珍 ()华中科技大学 交通科学与工程学院 ,湖北 武汉 430074 摘要 : 论述了螺旋桨负荷系数对潜艇操纵运动的影响 . 通过分析试验数据 ,获得了螺旋桨负荷系数对潜艇水 动力的改进数学模型 . 应用这一数学模型 ,对潜艇在螺旋桨变负荷情况下的大机动运动特性进行了分析 ,计算 表明螺旋桨负荷系数对这类机动具更明显的影响 . 关 键 词 : 潜艇 ; 操纵性 ; 螺旋桨负荷系数 () 文章编号 : 167124512 20040120022203 中图分类号 : U661 . 33 文献标识码 : A The inf l uence of propeller l oa ding coeff ic ient on maneuvering mot ion of submarines Y a n g Y u w ei X u Ha n z hen Abstract : The influence of p ropeller loading coefficient o n submarine maneuvering motio n was st udied. By analyzing testing dat a , an imp roved mat hematical mo del of p ropeller loading coefficient of submarine hydro2 dynamics was p resented. This mo del co mp rehensively exp ressed t he no n2linear hydro dynamic fo rces induced by t he p ropeller loading coefficient co upled wit h at tack angle , drif t angle , pitching velocit y , ster n plane an2 gle etc. , and t he hydro dynamic characteristics of submarines wo r king in special motio ns o r large at tack an2 gles were co nsidered. The no r mal six2f reedo m submarine motio n equatio ns were imp roved. This mo del was used to analyze t he motio n behavio r of a submarine wit h it s p ropeller loading coefficient s changed. It was p roved t hat t he p ropeller loading coefficient has a t rivial influence o n no r mal space spiral motio n and t uning circle , but will have a remar kable influence o n such motio ns as locking ster n plane angle o r cabin entering water etc. This mo del can help to o btain goo d result s of fo recasting submarine maneuvering motio n . Key words : submarine ; maneuvering ; p ropeller loading coefficient Yang Yuwei Po st graduate ; College of Traffic Sci . & Eng. , Huazho ng U niv. of Sci . & Tech . , Wuhan 430074 , China . 潜艇在某些特殊情况下 , 例如发生水下高速 , 以,好地对此 下的操艇运动数学模型进行研究 时艉升降舵卡舵 、舱室进水等事故时 , 必须采取一 类工况下的操艇运动进行操纵性预报 , 为潜艇的 些特殊的操艇 , 例如吹除压载水舱的水 、停车 事故挽回提供技术指导. 本研究通过对潜艇模型 减速或增速等手段来对艇的事故进行挽回. 在这 的试验数据进行分析 , 获得了螺旋桨变负荷系数 种机动状态下 , 螺旋桨负荷系数的变化范围很大 , 与潜艇运动参数的耦合项的水动力系数表达式 , 这会引起潜艇水动力的改变 . 若仍然采用潜艇正 并应用此表达式对潜艇在螺旋桨变负荷情况下的 常机动的数学模型对潜艇的运动过程进行预报就 操纵运动进行分析 , 以说明所用方法的适用性 . 会产生较大的偏差 , 甚至会对操艇产生误导 , 造成 严重的事故后果. 因此 , 更必要对潜艇在特殊工况 收稿日期 : 2003207216 . () () 作者简介 : 杨玉伟 19562,男 ,硕士研究生 ;武汉 ,华中科技大学交通科学与工程学院 430074. 第 1 期 杨玉伟等 : 螺旋桨负荷系数对潜艇操纵运动的影响 23 2 2 X u q + X q+ X r+ ηηηqqqr r 22 22 1 螺旋桨变负荷的水动力数学模型) δδ) (η 1; Xu+Xu- δδη s δδηr s s r r ( Y v |v | + Y u r +Y= Y u v + η ηηηvv | v | r 文献 [ 1 , 2 ]的潜艇六自由度运动方程中 , 对螺 2 δ) (η ) uYY r |- 1; r | + δηηrr| r| r 旋桨改变负荷情况下产生的水动力进行了描述. ( Zu w +Zw |w | + Zu q +Z= η ηηηww | w | q该数学模型中的水动力项 , 较为全面地考虑了螺 2δ) (η ) 旋桨负荷系数与艇体运动参数的耦合 , 既更水平 Zq | q | + Zu - 1; ηδηs q| q| s 2 面运动参数与螺旋桨负荷系数的耦合 , 又更垂直 ( K=Ku+ Ku v + Kv |v | + η ηηη0vv | v | 面运动参数与螺旋桨负荷系数的耦合 , 可以反映 2δ) (η ) Ku r +Kr |r | + Ku- 1; ηηδηrrr| r| r 潜艇在六自由度运动时由于螺旋桨负荷的变化对 ( + M w |w | + M u q +M= M u w η ηηwηw | w | q潜艇操纵运动的影响. 但对于描述艉升降舵卡舵 、 2δ) (η ) q | + Mu- 1; M q |δηs ηq| q| 舱室进水等较大机动时 , 还需要增加一些非线性 s 水动力项 , 才能,全面反映此类机动过程中螺旋 ( N= N u v + N v | v | + η ηηvv | v | 2桨负荷变化所带来的潜艇水动力改变. 通过对某 δ) (η ) r | + Nu - 1. δηrN r |ηr| r| r 型潜艇模型的水动力试验数据的分析 , 本文提出 由某型潜艇水动力试验得到的各艇体运动参 了改进的螺旋桨变负荷水动力表达式 . 数与螺旋桨变负荷的水动力耦合项系数与相应的 1 . 1 零姿态水动力模型水动力系数的比值 , 其中大多处于 10 %, 30 % 在模型攻角 、漂角 、舵角为零 , 并改变螺旋桨 之间 , 如 = Y/ Y= 25 . 9 % ; Z/ Z δηδ ηw | w | w | w |r r 负荷进行拖曳试验时 , 由于螺旋桨推力和扭矩的 13 . 14 % ; % ; M/ M= 26 . 63= δηδ N / N ηr| r| r| r| s s 变化 , 使模型受到的纵向力和横倾力矩发生改变 , 24 . 24 %. 个 别 参 数 , 如 K/ K= 19 . 32 , X / ηηrr qq由试验结果求得纵向力 、横倾力矩与螺旋桨负荷 X = 16 . 756 , 变负荷水动力系数则要比相应水动 qq 系数的关系式 , 用最小二乘法得到的拟合表达式 η 力系数大十多倍. 若螺旋桨负荷系数 = 2 , 则相 为 :应的水动力也将对潜艇的机动产生较大的影响. 3 2 (η) (η ) (η ) = a- 1+ a- 1+ X 3 2 下面对潜艇运动的典型工况进行计算及比较分 2 析 , 从中了解螺旋桨变负荷水动力系数对潜艇机 (η ) a- 1] u , 1 2 动过程的影响特点. (η ) K= b+ b- 1] u . 式中的系数η 00 1 由最小二乘法确定. 曲线拟合的相关 系数和方差 分别为 : 2 螺旋桨变负荷对操艇运动的影响 r = 0 . 994 84 ;s = 0 . 159 59 ; X X r = 0 . 942 07 ; s = 0 . 602 25 . K K 对潜艇卡舵事故挽回运动的影响2 . 1 ( ) 1 是拟合曲线与试验值 图中 ?号的比 图 潜艇在水下高速航行 , 当发生艉升降舵卡下 较 , 可见拟合曲线更较高的相关度.潜满舵的事故时 , 必须采取相应的操艇措施 , 包括 停车减速 、方向舵操满舵回转 、吹除艏组压载水舱 等来进行事故挽回机动. 在此机动过程中 , 艇的螺 旋桨负荷系数发生了很大变化 , 应急上浮时艇的 攻角很大 , 艇的水动力呈现强烈的非线性 , 艇的运 动参数与螺旋桨负荷的耦合项水动力对艇的运动 具更较大的影响. 图 2 为某型潜艇在水下以较高 (αβδ)图 1 螺旋桨变负荷试验结果拟合曲线 == = 0 航速航行时发生艉升降舵卡下潜满舵 , 采取停车 1 . 2 变参数水动力模型减速 、方向舵操满舵回转措施进行事故挽回 , 艇的 通过模型试验 , 求得在不同攻角 、漂角 、纵倾 深度 、纵倾角 、攻角 、螺旋桨负荷系数随时间的变 角速度 、转艏角速度 、艉升降舵角情况下螺旋桨变 化曲线. 由图 2 中曲线可见 , 在此工况下 , 潜艇的 负荷时的水动力 , 采用适当的拟合方法得到无量纵倾角曲线两者差别不大 , 但深度的变化过程更 纲的水动力表达式 :明显不同 , 两者最大深度的差别约为 18 . 6 %. 因 2 2 ( X = X v + w + X u w + X 此 , 在进行潜艇卡舵事故的数学仿真计算时 , 考虑 华 中 科 技 大 学 学 报 自然科学版 第 32 卷 24 螺旋桨负荷系数对潜艇机动过程的影响 , 可以得 到较为准确的计算结果. 图 3 舱室进水事故挽回运动算例 图 2 卡舵事故操纵运动算例 结论3 2 . 2 对潜艇舱室进水事故挽回运动的影响 潜艇在水下以中 、低速航行 , 当发生舱室进水 a . 螺旋桨变负荷所产生的水动力对潜艇的 事故时 , 通常需要采取操上浮舵 、增速 、吹除压载 常规机动影响不大 ,在运动计算过程中可以忽略 水舱等来进行事故挽回机动. 图 3 为某型潜艇在 不计 ; b. 潜艇在艉升降舵卡下潜满舵和舱室进水 水下以较低航速航行时发生艏舱进水事故 , 采取 的事故状态下进行螺旋桨变负荷机动 ,由于艇的 操上浮舵 、增速 、吹除艏组主压载水舱等措施进行 攻角较大 ,运动参数的变化比较剧烈 ,由此产生的 事故挽回 , 艇的深度 、纵倾角 、攻角 、螺旋桨负荷系 螺旋桨变负荷水动力对艇的操艇运动过程更明显 η数随时间的变化曲线 . 由图 3 可见 , 当 - 1 出现 较的影响 ,需要在数学仿真计算中予以考虑 ; c . 本 大数值时 , 对潜艇的纵倾角曲线影响较大 , 更 、 无文提出的螺旋桨变负荷水动力表达式考虑了潜艇 η 该项水动力 , 纵倾角的变化过程更明显不同 , 但 当 大机动中非线性力的作用 ,对原运动方程中 η 值减小时 , 纵倾角曲线又趋于一致 , 即 值 的螺旋桨变负荷水动力表达式做了改进 ,适用于 变化对纵倾角的最终结果基本无影响 . 但深度 、攻 潜艇大机动运动的数学仿真计算. η 角曲线则受 - 1 值 影 响 , 出 现 明 显 的 差 异. 无 参 考 文 献 ηη - 1 项的深度回升过程较更 - 1 项要慢 , 说明 由 1 施生达 . 潜艇操纵性 . 北京 :国防工业出版社 ,1995 . 螺旋桨负荷系数与艇体运动参数的耦合项产生 的2 陈厚泰 . 潜艇操纵性 . 北京 :国防工业出版社 ,1981 . 水动力更助于艇的上浮 . 我校 2003 年省级教学研究项目 立项数居湖北省高校首位 据鄂教高 2003 25 号文件《关于公布 2003 年高等学校省级教学 研究项目的》,由我校冯向东教授主持的《推行学分制改革的理论 研究与实践》等 41 个项目被批准为 2003 年湖北省高等学校教学研究 立项项目 ,立项数目遥遥领先于其他高校 ,持续高居全省高校首位. 多年来 ,由于领导的重视 ,我校不断改进教学研究项目的征集 、评 审和立项项目的管理工作 ,并使之逐步走向科学化 、程序化 ,大大提高 了广大教师 、教育管理人员申请立项的积极性和项目申报质量 . 我校 的项目申报工作多次受到省教育厅领导的充分肯定. file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56