[发明专利]一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法

说明书

本发明涉及一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，基于给定气动力矩，根据全船升沉和横摇运动自由度上力和力矩平衡获得左、右气室气垫压力，求解左、右气室的流量、艇的横倾角和重心高度；计算围裙变形，进而获得由于围裙变形导致气垫面积增大引起的恢复力矩；同时艇体的横倾和重心高度变化导致产生了重力的倾斜力矩；重复上述步骤获得无因次外力矩与横倾角的曲线可作为衡量气垫船陆上静横稳性的标准。本发明通过提出一种三维气垫船稳性的数值计算方法，能够在设计围裙、风机及气垫参数的过程中提供指导，对于提升气垫船总体性能具有很大的工程实用价值。

技术领域

本发明涉及一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，尤其是基于气垫动力学、围裙动力学和艇运动的三维围裙稳性计算方法。

背景技术

气垫船是具有航速高、水陆两栖性、水下物理场小等优点，广泛用于抢滩登陆、救援、边境巡逻、扫雷、物资人员运输等领域。围裙是确保气垫船具有两栖特性的关重设备，与气垫船的垫升性、稳性、适航性和安全性密切相关。

稳性是与气垫船航行安全性密切相关的重要特性，主要由气垫分割恢复力矩、围裙变形恢复力矩等提供。稳性作为气垫船总体性能的重要特性，关系到气垫船在使用中的安全性，与常规船的稳性由浮力提供不同，气垫船的稳性主要通过气垫恢复力矩和围裙变形产生的恢复力矩等提供，因此稳性与气垫船的气垫参数和围裙成变形性能密切相关。气垫船稳性应满足一定范围要求，稳性太小将会影响气垫船垫态航行的安全性，太大则导致气垫船响应性能变差，导致适航性较差。因此，稳性的计算对于确保气垫船总体性能至关重要。气垫船一般以一定艉倾角航行，因此纵向稳性一般易于满足要求，而横向宽度较短，且在航行中易于发生侧漂，因此横稳性是气垫船围裙设计中密切关注点。

气垫船静横稳性主要分为陆上和水上静横稳性，由于存在气体-水-柔性围裙的三相耦合作用，水上静横稳性的计算仿真难度较大。通过试验对比分析，一般情况下水上静横稳性约为陆上静横稳性的0.7，因此，通过计算陆上静横稳性，可掌握气垫船的静横稳性特性。

目前，在公开文献中对稳性估算时，将气垫近似为矩形，基于二维围裙典型剖面计算围裙变形，进而计算气垫船在不同姿态下的倾斜力矩，得到气垫船的无因次稳性高。但实际上气垫船围裙为三维复杂曲面结构，通过二维围裙典型剖面计算围裙变形存在误差，且难以对围裙的变形及触地特征进行形象对比分析，因此，在工程设计中，最终需通过气垫船船模试验对气垫船的稳性进行验证，费时费力，经济性差。因此，在工程上迫切需要提出一种基于气垫船三维围裙稳性计算方法，从而能够根据总体性能需求，有效地指导围裙设计。

发明内容

本发明的目的是：提供一种气垫船陆上静横稳性计算方法，能够对气垫船的静态垫升稳性进行定量分析，从而指导围裙及气垫系统设计。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获得气垫船在初始平衡状态下的气垫特性参数，其中，气垫船处于初始平衡状态时，气垫船的横倾角为0°；

步骤2、建立气垫船有限元模型，并分别施加步骤1获得的气垫特性参数后获得设计状态下的围裙几何成型，提取围裙特征参数；

步骤3、在给定的气垫分割力矩M_c下，根据升沉自由度上和横摇自由度上力、力矩平衡计算左气室垫压P_cL和右气室垫压P_cR，升沉自由度以重心高度变化表征，横摇以横倾角表征；根据风机特性曲线和风机-风道-大囊-气垫流量连续性方程求解得到左气室囊压P_bL和右气室囊压P_bR以及气垫船的横倾角α和重心高度h_g；