小水线面三体船初探

班级 20080112

学号 2008011229

姓名 陶伯政

摘要

进入21世纪以来，各种高性能船舶的研究越来越多，在小水线面三体船方面，主要集中在细长型小水线面三体船(高速小水线面三体船)及小水线面小水线面三体船上。随着人们对船舶的稳性、耐波性等性能的要求越来越高，小水线面三体船作为一种高性能新船型，正在引起人们极大的关注。由于其独特的船型、优良的性能及在主要技术性能方面的诸多优势，小水线面三体船必将在军用、民用市场有广阔的应用前景。

关键词：高速三体船 小水线面三体船

一、发展概况

当代小水线面三体船的研究己有30多年的历程，直到上世纪90年代中期以后高速小水线面三体船(细长型)的研究才取得了较大发展.这期间国内外高速小水线面三体船(细长型)的研究主要集中在水动力理论、模型试验、船型优化以及概念设计等方面，也有少量关于结构强度方面的文献。小水线面三体船其水下部分是由一个主船体和两个小侧体组成的，两个侧体一般对称地摆放在主船体的两侧，三个船体均为细长船体，通过连接桥将主体和两个侧体连接成一体。

图1.1 小水线面三体船中横剖面

图1.2 小水线面三体船局部模型

国内的小水线面三体船研究起步较晚，始于上世纪90年代末期。国内在小水线面小水线面三体船方面的研究还较少，上海交通大学进行了一些初步的阻力研究和试验。一批与哈尔滨工程大学为首的高校和科研院所主要通过模拟或是模型探索性研究小水线面三体船的耐波阻力，操纵性。而在抗沉性、材料，前沿技术方面限于各种原因而研究较少。下图1.3为我校设计制作的细长型高速小水线面三体船模型。

图1.3 高速小水线面三体船模型试验

如图1.5 为瑞典QinetiQ公司和OTG公司设计的Tri/SWATH模型图。

图1.4 Tri/SWATH模型图

到目前为止，世界范围内己经出现了多艘小水线面三体船型的实船。2000年5月6日，英国海军一艘名为“海神”号 (RVTriton)的三体试验舰建成并顺利下水，三体舰船第一次从纸上浮到海上。该舰长97米，宽22.5米，排水量 1100吨，最高航速20节，续航力3000海里。图1.6英国海军“海神”号三体试验舰

图1.5 英国海军“海神”号三体试验舰

2004年法国建造的“海上协和”号三体渡轮，总长130米，它横渡英吉利海峡的速度可达到40节，从法国的卡昂开往英国的普利茅斯只需要3小时，比传统渡轮6个小时的航行时间缩短了一倍。

图1.6 法国“海上协和”号三体渡轮

2005年4月13日交付的 BenehijiguaExpress是澳大利亚Austal造船厂为挪威的Fred.Olsen公司建造的目前世界上最大的全铝合金客/货滚装三体渡船。该船总长126.7米，水线长 114.8米，宽30.4米，型深8.2米，最大吃水4.0米，

图1.7

2006年2月24日在新西兰奥克兰建成下水的Earthrace是一艘穿浪型三体游艇，总长24米，宽8.05米，最高时速可达40节。该船是由碳素材料和纤维合成物制造而成的，使用生物燃油作为驱动燃料，采用无毒防污船体涂料，曾以60天23小时49分的时间完成了环球航行，被称为全球最快的环保游艇。

图1.8 新西兰“地球竞赛”号三体游艇

2008年4月29日，美国海军濒海战斗舰(LCS一2)“独立”号成功下水。“独立”号总长127.6米，水线长1巧.5米，宽 31.6米，吃水4.3米，满载排水量约2800吨。海试中“独立”号全速航行时航速最快达到46节。

图1.9 美国海军“独立”号三体濒海战斗舰

2010年3月，根据Austal公司网站发布的消息，该公司最新推出的102米三体高速渡轮已经完成了海上测试，载重量340吨，航速可达39节。该船是Austal公司具有里程碑式的小水线面三体船 BenehijiguaExpress号的改进型。Austal公司推出的102米三体高

图1.10

小结

通过模型和实船的研究得出，与常规排水型单体船相比，高速小水线面三体船具有甲板面积宽阔、快谏性好、耐波性优良、稳性好、抗沉性高、生存能力强、改装余地大等优点，而这些特点正是普通船型不具有的。

二、小水线面三体船波浪设计载荷估算

单体船的结构外载荷主要是船体在波浪中所承受的纵向弯矩，而小水线面双体船的结构外载荷主要是下部船体在波浪中所受到的横向力和由此产生的支柱上部连接点处的弯矩。小水线面双体船横向波浪载荷成为主要载荷，总纵波浪载荷下降为校核载荷，合理确定横向波浪载荷是其结构设计和校核的关键之一。横向波浪载荷的量值大小主要取决于船的排水量、吃水、支柱的长度和波浪的波高、周期、浪向以及航速。由小水线面双体船模型试验和理论计算结果的总结:

a横向波浪力与浪向的关系

横向波浪力和力矩的最大值发生在零航速横浪工况，并按横浪—顺斜浪—顶斜浪—迎浪/顺浪顺序递减。在顺斜浪/顶斜浪时其量值知识横浪时的一半左右，而顺浪/迎浪时其量值降到不到横浪时的10%。

b横向波浪力与浪级关系

在低浪级时(有义波高小于2.5m)，横向波浪力与波高基本上呈线性递增关系，随着浪级增大，长波长的波浪成分所占的比例也越来越大，横向波浪力不再随波高线性递增，而是呈缓慢上升趋势，并且在有义波高为(5m~6m)时出现横向波浪力的峰值，在这之后随波高增加，小水线面双体船手到的横向波浪力和力矩反而呈下降趋势。

c横向波浪力与航速的关系

不管是什么浪向，零航速时的横向波浪力均大于有航速时该行向角下的横向波浪力。

d横向波浪力合力位置

横浪时横向波浪力合力位置大约在一半吃水位置;并假定横向波浪力从船基线至吃水呈均匀分布。

e横向波浪力沿船长分布

横向波浪力沿船长并非均匀分布，因此首尾连接桥受到的横向波浪力并不相等，它们之差构成了水平扭转力矩，即首分离力矩，其量值可表达成:

Mxy=1/2(首尾连接桥受到的横向波浪力时域之差)X(首尾连接桥中心矩)

可以看出当小水线面双体船在横浪零航速工况下时，该横向力达到最大值。小水线面三体船同小水线面双体船一样同为小水线面船型，且三个片体相同。根据以上小水线面双体船理论计算和模型试验得到的经验，我们推测小水线面三体船同样是在零航速且为横浪状况下产生最大的横向波浪载荷。小水线面三体船结构水动力分析所以在这里我们主要研究的是小水线面三体船在零航速横浪情况下的设计载荷估算与结构分析。

设计载荷估算

由于小水线面三体船还没有成熟的载荷计算公式，而其与小水线面双体船又非常相似，所以我们就根据小水线面双体船的载荷估算。我们通过参考CCS《海上高速船入级与建造规范》及林吉如、钱家宝、尤国红著的《小水线面双体船波浪设计载荷确定方法建议》，决定运用《小水线面双体船波浪设计载荷确定方法建议》中的公式并对其进行一些小小修改来估算其横向波浪力与水平扭矩。

图2.1 横舱壁模拟图

图2.2 波浪作用力图

(2)横向波浪力矩

根据小水线面双体船船模试验结果，横向波浪力合力作用位置大约在=分之一吃水处，因此由横向波浪力Fs产生的横向波浪力矩MF可表达成：

(3)水平扭矩

由于横向波浪力沿船长分布并非均匀分布，它们构成了对小水线面双体船在水线面内的水平扭转力矩，即首分离力矩，其量值计算方法可按ABS(1999)版本。对SwATH船模试验结果，证明ABS(1999)给出的计算式子是可信的。

(l)横向波浪力

(2)横向波浪力矩

(3)水平扭矩

三、初步结构设计

依据2005年CCS《海上高速船入级与建造规范》中对双体船结构设计的要求，对小水线面三体船的结构进行初步设计。

(l)选择钢结构，片体采用纵骨架式，但连接两个片体的连接桥为横骨架式。

纵骨架式结构的纵骨间距和横骨架式结构的横骨(或横梁)间距一般不应大于500mm根据2006年CCS《钢质海船入级规范》中，肋骨、横梁或纵骨(船底、眩侧、甲板)的标准间距Sb=0.O016L+0.5m，且不大于0.7m，L为船长，单位为m。得到S=559mm，所以取肋骨、横梁及纵骨间距为500mm。强框架间距取1m。

(2)板厚计算

计算所得板厚，对于厚度等于或大于4mm的板，如小数等于或小于0.25mm，可予不计;如大于0.25mm且小于0.75mm，应进为0.smm;如等于或大于0.75mm，应进为1.omm。对于小于4mm的板，如小数等于或大于0.15mm，可予不计:如大于0.15mm且小于0.65mm，应进为0.smm;如等于或大于0.65mm，应进为1.0mm。

所以取船底板，连接桥底、船侧板及连接桥底板厚度为4.smm;主甲板板厚度为4mm。

(3)对于单体船和各类双体船的平板龙骨，其最小板厚另应在船底板基础上增加2mm。平板龙骨的宽度应不小于0.1B(对于各类双体船为单个片体的最大型宽)。

B= 1.15m

计算得平板龙骨宽度不小于0.IB=115mm

所以取平板龙骨宽度为115mm，厚度为4.5mm+2mm=6·5mm。

(5)连接桥底的波浪冲击压力

连接桥结构分类

连接主船体和两个侧体使其成为一个牢固的整体结构，我们称之为连接桥。连接桥结构及其强度计算及波浪力的作用在双体船的专业文献中讨论得比较多，对小水线面三体船的连接桥的结构及其强度计算以及波浪力的作用的文献资料则比较少。

常用的几种连接桥结构型式：

(l)梁式的连接桥

梁式连接桥由各个单独的强箱形梁组成。箱形梁设置在片体最大刚度处，一般是在横舱壁和半舱壁处。箱形梁由实肋板、普通梁(空心肋板)和实肋板间的纵向构架组成。实肋板与片体强框架应布置在同一平面内。普通梁可纵向布置或横向布置，亦可混合布置，即主甲板处采用纵向布置而箱形梁靠近水面的底板内采用横向布置。

(2)单一结构式的连接桥

采用沿整个侧体的船长方向强框架与普通梁交错布置的结构。与梁式连接桥结构一样，普通梁可以横向布置也可以纵向布置。横向强框架即可采用开减轻孔的连续实肋板，

也可采用上下分开布置的单向折边材。

(3)舱壁式的连接桥

这种连接桥由布置在主甲板上的单独或成对的横框架或横舱壁组成，这是连接片体的框架和舱壁式上层建筑不可分割的部分，其布置与船舶总布置共同考虑。应保证横舱壁和框架与片体有可靠的过渡。通常他们是与片体横舱壁布置在同一平面内。

(4)组合式的连接桥

组合式连接桥由布置在主.甲板以下的梁式或单一结构式的构件与布置在主甲板上的横舱壁、横框架构架组成。这种类型的连接桥比较合适于客船，因为客船客舱和服务舱室的布置使横舱壁的间距受到限制，因此不能保证连接桥可靠的强度和刚度。

四、可应用性分析

俄罗斯在1997年《造船》杂志上就提出了小水线面三体航空母舰的概念。文中指出，随着直升机越来越广泛地采用强制着舰方法，舰艇的适航性对直升机使用的影响越来越大。而良好的适航性使小水线面舰艇在战术技术方面具有较大的优越性，例如，可以使舰艇在波浪中保持较高的航速、减小摇摆对武器系统的影响、使舰员保持较高的工作能力。小水线面三体舰在适航性方面的优越性更加明显，特别是据此可以建造较小(排水量不超过20000吨)、因而造价便宜且装载少量飞机的小型航空母舰。它在适航性方面一点也不比排水量为10(XXX)吨、甚至更大的舰艇逊色。与己有的单体航空母舰相比，小水线面航空母舰被命中两倍数量的导弹和鱼雷，才能使其丧失战斗力。利用小水线面舰艇固有的特点(甲板面积大、适航性好)，还可以有效地改善配备航空武备的各种舰艇的战术技术特性。而英国在2000年建成“海神”号三体演示舰后，也在探讨一种小水线面型三体护卫舰的概念。研究人员通过固有频率周期的计算得出:皿isWACH在五级海况迎浪状态下呈现“凌波平航”特性(最小绝对运动);高于五级海况时呈现“随波运动”特性(最小相对运动)。根据在一系列变化海况下的测算结果，TRISWACH的垂荡和纵摇比现有细长型小水线面三体船减少50%。虽然TRISWACH比现有细长型小水线面三体船有一些明显的阻力增加，但它在波浪中的附加阻力将减小，并且具有在恶劣海况下能够更好地保持固定航速而不失速的优良性能。尽管有专家指出现在就断定TRISWACH的好坏还为时过早，因为虽然TRISWACH既有优异的耐波性，但却是以增加阻力为代价的，但英国海军仍将TRISwACH作为下一代通用护卫舰的新船型进行长期研究。英国海军计划研制八艘TRISWACH型通用护卫舰，并希望首制舰在2015年服役。目前TRISWACH型通用护卫舰的研究工制已取得了一定的进展。由于小水线面三体船在军用方面的突出优势，所以现今大多数小水线面三体船的研究还是集中于军事领域。但是其在民用方面也有广阔的发展空间，例如小水线面小水线面三体船民用就可作为远洋渔业海上流动加工船、海洋科考船、深海海上采油平台、海洋锰结核采集工作船、高速集装箱船等使用。

小水线面三体船型的概念是英国首先提出来的，其概念主要是从双体船研发而来的。1992

年，英国泰晤士高速轮船公司和格列芬船厂共同开发了一型高速三体水上巴士，并于1994年正式投入使用。总长12.2米，总宽3.7米，主船体宽1.2米，吃水0.3米，载客12人，主机功率257千瓦，服务航速25海里/小时，最大航速30海里/小时。英国于1997年下半年发布了设计建造实验型小水线面三体船护卫舰招标书。这艘实验船长100米，排水量1200吨;原定为2001年一2002年进行轮机实验。目前，英国正在研制一种小水线面三体船型的新型反潜护卫舰，预计2010年建成入役，届时用以替代英海军70年代服役的“大刀”级护卫舰。此外，英海军还提出将小水线面三体船型作为英、德、荷联合设计的未来护卫舰的基础。小水线面三体船型反潜护卫舰长167米、宽25.3米;型深11.9米、箱体深度2.8米，侧体总长63米;排水量5800吨;最大航速30节、巡航速度巧节;续航力2000海里/25节、8000海里/l5节;自持力45天l6]。英国有关专家研制的小水线面三体船型战舰中，除了上述反潜护卫舰外，还研制了其他多种设计方案，如排水量542吨的近海巡逻艇，其设计的总体布局更加灵活，直升机的布置也更加合理;又如有较宽上层甲板的防空驱逐舰，在居住舱室和作战空间的布置上显示出更加灵活的优越性。最令人叫绝的是小水线面三体船型航空母舰，它的排水量为16700吨，而飞行甲板却很宽，可以使飞机的升降装置布置到跑道之外。美国于1993年开发了一型小水线面三体船;2006年美国海军三体护卫舰“濒海战斗舰”下水。由于使用率较低，我国在民用方面，没有在役船型;在军用方面，近几年高速小水线面三体船的研究也开始受到重视。90年代末至本世纪初哈尔滨工程大学，上海交通大学和海军工程大学几乎在同一时期各自对小水线面三体船的船型与水动力进行了研究。为适应21世纪反潜作战的需要而开发了一种新的高性能船舶，以022级导弹快艇为主要产品。由于小水线面三体船在民用方面应用较少，因此其优点主要体现在军用方面。

4.1 性能特点

(1)生存能力强基于多梁模型的小水线面三体船波激响应

宽敞的甲板、较大的舱室容积可以使大量的货物、设备、人员以及所需空间移至甲

板的下面，船舶的整体高度降低，从而使船体可以通过许多较低的桥梁等通道。采用三

个船体，即使发生碰撞事故，损害也只是外侧的小船体。推进系统可以转移到船体中部，

失去动力的危险将会减少。同时，对于舰船宽大的甲板还使其便于布置更大的直升机起

降平台，搭载更多的反潜直升机，从而大大加强舰船的反潜作战能力。

(2)稳胜好、阻力小

三个船体接水，水线面减小，使船舶的耐波性能得到改善，可以在相同海况下保持

更加平稳的航行状态。小水线面三体船适于高速行驶，其在高速行驶时所需动力只是单体船舶巡航时的动力。

(3)适航性得到改善

由于采用般龙骨、减摇鳍等减摇措施，小水线面三体船的升沉、纵摇、横摇等均有所减小。

主体与侧体间存在一定距离，使相互间的波浪干扰较小。与双体船和小水线面双体船相

比，波浪的激励作用对小水线面三体船的影响也较小。

(4)建造费用低

小水线面三体船型结构使舰的推进系统和电子系统有所简化;设备重量的减轻和只采用一根

主轴，使舰相应减少了基座和支撑的重量，从而进一步降低了建造费用。

(5)隐身性能好

小水线面三体船的上层建筑低矮平滑，船体暴露部位虽双面体或多面体，四周转角处做成圆

弧状，可减少对雷达波的反射，有较好的雷达隐身性能。机舱排气道布置在主船体与侧

船体之间，从而减少了红外信号特征。机械设备尽可能布置在较高的位置，加上舷侧体

的屏蔽，可减少舰船自身的辐射噪声。

4.2 缺点

毋庸置疑小水线面三体船型仍有相当多的不足:首先，它是由三个船体连接而成的，其宽度较大，不仅建造与下水十分复杂，而且要承受较大的弯曲和扭转力矩;为保证其刚度和强度，就必须加大构件重量，致使总体重量大为增加;小水线面三体船型的宽度过大，也容易造成进出港口困难。其次，相对细长的主船体对操纵性也有不利的影响，通常小水线面三体船的操纵性要比单体船差。另外，小水线面三体船越大，系统管路就越长;细长的和侧体的前部将会存在许多无法利用的空间。

4.3 小结

由于其优良的性能，使得小水线面三体船更适合为科学考察船、海上旅游船和海上交通、勘探、救援、布设电缆(仪器)等有特定需要的船舶设计，这样就可以充分发挥小水线面三体船的优点，使其成为人类生活得心应手的工具。

参考文献

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小水线面三体船初探