CN106596043A - 一种用图谱预报水面飞行器船身水动性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用图谱预报水面飞行器船身水动性能的方法，首先通过固定姿态试验绘制图谱；其次计算设计改变后，因重量和/或重心位置改变带来的额外俯仰力矩；再次查询力矩图谱，找到所有能够在设计速度要求下的抵消额外俯仰力矩的状态；然后查询升力图谱，找到上述每个状态对应的升力值，得到满足升力与水面飞行器重力大小相等的状态；最后查询阻力图谱，找到上述每个状态对应的阻力值，并最终找到升力等于重力状态的阻力值。采用本发明能在一定范围内实现对水面飞行器船身任意重量、重心位置和速度时的阻力、吃水和纵倾角进行预报。

Description

一种用图谱预报水面飞行器船身水动性能的方法
技术领域
本发明涉及水面飞行器设计技术领域，具体为一种用图谱预报水面飞行器船身水动性能的方法，为水面飞行器的水动性能设计与研究提供了一种新的方式。
背景技术
在水面飞行器船身设计时，重量、重心位置对水动性能的影响特别大。而研究水面飞行器船身的水动性能的手段，目前往往是在水池进行模型试验，这就需要对重量、重心进行组合，尤其是当试验模型的重量、重心参数不明确时，会带来大量的试验工作。例如在某一重量、重心位置设计状态下，通过水池模型试验发现该设计下的水动性能不满足设计要求，需要调整重量和/或重心位置，此时采用目前的设计和试验方式就是改变模型的重量和/或重心位置，重新进行水池模型试验，由此带来了大量的、不确定的试验工作，常常导致无法预估设计工作节点。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种用图谱预报水面飞行器船身水动性能的方法，首先通过固定姿态试验中不同的速度、纵倾角和吃水组合，得到力矩、升力和阻力等参数绘制形成一系列图谱，然后利用图谱预报水面飞行器船身水动性能。
本发明的技术方案为：
所述一种用图谱预报水面飞行器船身水动性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：通过固定姿态试验绘制图谱，所述图谱包括：
固定吃水时：阻力、升力和力矩分别随纵倾角变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随速度变化的曲线图谱；
固定速度时：阻力、升力和力矩分别随纵倾角变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随吃水变化的曲线图谱；
固定纵倾角时：阻力、升力和力矩分别随速度变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随吃水变化的曲线图谱；
步骤2：计算设计改变后，因重量和/或重心位置改变带来的额外俯仰力矩；
步骤3：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的力矩图谱，通过比对和插值选择的方法，找到所有能够在设计速度要求下的抵消步骤2产生的额外俯仰力矩的状态；
步骤4：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的升力图谱，通过比对和插值选择的方法，找到步骤3得到的每个状态对应的升力值，并通过比对和插值选择的方法，得到满足升力与水面飞行器重量相等的状态；
步骤5：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的阻力图谱，通过比对和插值选择的方法，找到步骤3得到的每个状态对应的阻力值，并通过比对和插值选择的方法，找到步骤4得到的状态的阻力值。
有益效果
本发明的优点是：
a.该方法实用、可行、操作简单；
b.绘制图谱的试验方法简单、危险性较低，可节省大量的试验工作和经费；
c.在试验完成后，可对未进行状态的水动性能进行预估；通过估计值与试验值比对，估计值与试验值误差在5％以内。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：纵倾角3°时的力矩随速度变化曲线；
图2：纵倾角5°时的力矩随速度变化曲线；
图3：纵倾角7°时的力矩随速度变化曲线；
图4：纵倾角3°时的力矩随升力变化曲线；
图5：纵倾角5°时的力矩随升力变化曲线；
图6：纵倾角7°时的力矩随升力变化曲线；
图7：纵倾角3°时的力矩随阻力变化曲线；
图8：纵倾角5°时的力矩随阻力变化曲线；
图9：纵倾角7°时的力矩随阻力变化曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的目的是提供一种用图谱预报水面飞行器船身水动性能的方法，能在一定范围内实现对水面飞行器船身任意重量、重心位置和速度时的阻力、吃水和纵倾角进行预报。
本发明的基本原理是：当水面飞行器稳定时，必然满足力和力矩平衡，即合力和合力矩均为零。针对任意重量、重心位置，利用图谱，找出合力和合力矩为零时水面飞行器的吃水、纵倾角状态，即为水面飞行器稳定时的吃水、纵倾角状态。
具体包括以下步骤：
步骤1：通过固定姿态试验绘制图谱，所述图谱包括：
固定吃水时：阻力、升力和力矩分别随纵倾角变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随速度变化的曲线图谱；
固定速度时：阻力、升力和力矩分别随纵倾角变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随吃水变化的曲线图谱；
固定纵倾角时：阻力、升力和力矩分别随速度变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随吃水变化的曲线图谱；
步骤2：计算设计改变后，因重量和/或重心位置改变带来的额外俯仰力矩；
步骤3：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的力矩图谱，通过比对和插值选择的方法，找到所有能够在设计速度要求下的抵消步骤2产生的额外俯仰力矩的状态；
步骤4：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的升力图谱，通过比对和插值选择的方法，找到步骤3得到的每个状态对应的升力值，并通过比对和插值选择的方法，得到满足升力与水面飞行器重量相等的状态；
步骤5：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的阻力图谱，通过比对和插值选择的方法，找到步骤3得到的每个状态对应的阻力值，并通过比对和插值选择的方法，找到步骤4得到的状态的阻力值。
下面给出具体实施例：
步骤1：通过固定姿态试验绘制图谱，所述图谱包括：
固定吃水时：阻力、升力和力矩分别随纵倾角变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随速度变化的曲线图谱；
固定速度时：阻力、升力和力矩分别随纵倾角变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随吃水变化的曲线图谱；
固定纵倾角时：阻力、升力和力矩分别随速度变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随吃水变化的曲线图谱；
步骤2：计算设计改变后，因重量和/或重心位置改变带来的额外俯仰力矩；
水面飞行器重量D＝25kg，重心位置gm＝-200mm(力矩作用点前200mm)，设计速度V＝10m/s，产生的额外俯仰力矩为低头力矩，M＝50N*m；
步骤3：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的力矩图谱，通过比对和插值选择的方法，找到所有能够在设计速度要求下的抵消步骤2产生的额外俯仰力矩的状态；
通过查找发现三个状态满足要求：如图1～3所示，三个状态为：(纵倾角3°,断阶吃水50mm)、(纵倾角5°,断阶吃水50mm)、(纵倾角7°,断阶吃水49mm)；
步骤4：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的升力图谱，通过比对和插值选择的方法，找到步骤3得到的每个状态对应的升力值，并通过比对和插值选择的方法，得到满足升力与水面飞行器重量相等的状态；
如图4～6所示，得到满足升力与水面飞行器重量相等的状态为纵倾角6.39°,断阶吃水50mm状态；
步骤5：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的阻力图谱，通过比对和插值选择的方法，找到步骤3得到的每个状态对应的阻力值，并通过比对和插值选择的方法，找到步骤4得到的状态的阻力值。
如图7～9所示，纵倾角6.39°，吃水50mm状态下的阻力(公斤力)为4.95kg。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种用图谱预报水面飞行器船身水动性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：通过固定姿态试验绘制图谱，所述图谱包括：
固定吃水时：阻力、升力和力矩分别随纵倾角变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随速度变化的曲线图谱；
固定速度时：阻力、升力和力矩分别随纵倾角变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随吃水变化的曲线图谱；
固定纵倾角时：阻力、升力和力矩分别随速度变化的曲线图谱，阻力、升力和俯仰力矩分别随吃水变化的曲线图谱；
步骤2：计算设计改变后，因重量和/或重心位置改变带来的额外俯仰力矩；
步骤3：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的力矩图谱，通过比对和插值选择的方法，找到所有能够在设计速度要求下的抵消步骤2产生的额外俯仰力矩的状态；
步骤4：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的升力图谱，通过比对和插值选择的方法，找到步骤3得到的每个状态对应的升力值，并通过比对和插值选择的方法，得到满足升力与水面飞行器重力大小相等的状态；
步骤5：查询步骤1根据固定姿态试验绘制的阻力图谱，通过比对和插值选择的方法，找到步骤3得到的每个状态对应的阻力值，并通过比对和插值选择的方法，找到步骤4得到的状态的阻力值。
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