【船舶行业标准(CB)】 潜艇耐波性设计估算方法

中国船舶工业总公司指导性技术文件CB/Z.196-82
潜艇耐液性设计估算方法
1983—02—01发布
中国机舶工业公司
中国船舶工业总公司指导性技术文件潜艇耐波性设计估算方法
CB/Z196-82
本指导性技术文件适用于潜艇水面和水下（近水面）耐波性设计估算。1潜艇设计的耐波性估算问题
1：1根据潜艇的战术技术要求，在方案论证和各研制阶段中，应对设计方案进行耐波性理论估算，以助于合理选择艇体的尺度、线型和附体方案。
1·2潜艇耐波性理论估算方法正在发展，完着。其基本内容展望如下：
a、建立适用于初始论证阶段的简易估算方法：6、建立适用于方案确定阶段的较精确的理论估算方法：c、结合战术使用要求，建立潜艇耐波性综合评价标准和相应的估算方法；
d、在保证潜艇主要性能指标前提下，建立实用的波性优化设计方法，实现潜艇性能的优化设计；、根据潜艇战术技术性能发展的需要，建立相应的耐波性设计估算方法。2对潜艇耐波性理论预报方法的要求与建议潜艇耐波性理论与方法，是一般水面舰船耐波性理论与方法的推广和应用，具有共同性同时，也有其特点。据此就潜艇运动的理论预报提出以下的要求与建议。
中国船舶工业总公司1983—02—01批准发布CB/Z196-82
2。1潜艇在规则液中运动响应的理论估算2.1.1
第4章）。
艇体运动方程，可采用切片理论方法，如ST严方法。（见剖面的二因次流体动力的计算，宜采用源分布法，如rank2.1.2
源分布法。
阻尼。
对艇体运动中粘性成份力的影响应加以考虑。主要限于横摇潜艇的附体（.指挥台围亮包括在内）数量较多，尺度较大，2.1.4#
水动力影响应予考虑。
附体影响包括势流成份和粘性成份：·作为升力面的流体动力以及对液扰动力的影响等应采用适当方法进行估算或修正，以保证潜艇耐液性估算具有必要的精度。
2。1：5横摇阻尼最好采用试验资料，在缺乏试验资料（船模试验或实船试验）情况下，可采用适当的估算方法确定2 。 1 。 6估算应采用可靠的初横稳性高和艇体的横摇转动惯量体，以保证预报的可靠性。”
2，1。7计算航速一般取该状态下的邀航速度，考虑到潜艇的战术使命，应将使用武器的航速列为计算航速。2·1·8计算的漫深状态一般应包括水面状态（漫深为零），水下潜望镜深度状态（或通气管状态）等。根据战术使用要求，应对使用武器的其它浸深状态进行计算
2·19计算的相对渡向角可取180°（预渡）、150°、120、9 0°、6 0°、3 0°和 0°。为了与实艇试验结果进行比较，可根据要计算135°和45°情况
2，1·10横向运动计算时波高的选取由于横摇运动具有明显的非线性，为了应用线性叠加原理估算不规则中的运动，蒂要仓理选取计算波高，建议取为／50，L一船长2
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2·2潜艇在不规则波中运动响应的估算2。2·1不规则波中潜艇运动响应的估算采用一般线性叠加原理进行2·2·2·除使用实际海区的海液谱资料外，一般应采用国际船模水池会议（ I。 T。 T。 C ）推荐的海演谱，并采用两参数谱和短峰波的扩展函数。
2·2·3海浪的分级应按照国家海洋局倾发的浪级标准23潜艇耐波性运动响应估算内容2：3·1基本内容包括各种浸深，各种航速和滤向下艇体对规则的各种自由度的运动响应，以及相应情况下对不规则波（长峰和短峰）运动响应的统计特征值
2·3·2其他内容包括：
·、艇体指定位量点（重要部位）的运动位移、速度和加速度值，、水面航行时艇体的上浪、首底出水。相对液面的运动和波液中阻力增加等，
C.、 操舱对体运动的影响
d、艇体衰面点的脉动水压力值
、不规则波中艇体运动的时间历程等。2。4估算方法的使用要求
对不间主尺度、线型和附体方案、估算结果应能显示出耐波性能定性和定量上的变化，分辨出方案的优劣根据带要，可在船运动估算的基础上，依据使用海域的海浪资料结合作战使命要求，借助于波性综合评价方法，对诸方案的性能作出综合评价。2·5估算方法的检验
潜艇耐波性估算方法应经过考核，当估算结果与模型试验和实艇试验结果较符合或接近后，方能正式使用。3
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3潜艇耐波性理论估算方法一例。3，1理论模型的选取
4、假定横向运动和纵向运动彼此独立，分别处理的原则可以适用于水面状态和水下（近水面）状态的艇体运动。6，运动方程、系数和波浪扰动力的表达形式采用STF方法的体系，考患航速和端面的影响。
c、剖面的二因次流体动力采用Frank源分布法计算d、可考虑操能对艇体运动的影响。e、采用半经验的估算方法计算艇体和附体的横摇阻尼，考虑了升力项的责献。
J、对不规则波中运动响应的计算，应用线性叠加原理。采用I,TT.C两参数谱和扩展函数形式。
在计算响应的统计值时，采用狭谱假定。3·2耐波性估算内容
a、各种浸深和摇摆频率下剖面的二因次流体动力（附加质量、阻尼系数）和水压力分布
6、艇体对规则波的运动响应及相位、速度和加速度响应，操舱对运动响应的影响。
C、变化海浪特征周期和波高下艇体运动的统计值。、指定位置处的运动、速度和加速度统计值、水面航行时的上浪、出水概率和相对波面运动等4波中潜艇水面和水下（近水面）运动计算参考公式简编4·1规则波中潜艇运动方程的一般表达式表2
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图1座标系与位移的规定bzxZ.net
如图（X、Y、Z）为固定在艇体（水面状态）平均位置上的右手座标系，原点0在水面上，并与艇体重心G处在同一铅垂线上。潜艇在规则波中的六个自由度运动为n（=1、2、、6），分别为进退、横荡、垂荡、横摇。纵摇和首摇，其运动方程的一般表达式为：[(Ma+ An)i++Ban+Cnn] =Ffer+ F3R + j=1....6式中：MK-—潜艇（相应状态下的）广义质量矩阵的元；AJX、BJK潜艇（相应状态下的）附加质量和阻尼系数；C JK—流体静力回复系数；
·（(1)
F一波浪扰动力（力矩）的复振幅，力（力矩）由Re（Ffelwt）给出。为方便起见，简记成Ffeiwt；FJR一一操舵（鳍）引起的力和力矩。5
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对于具有横向对称性，重心位于（O、O、Zα）的潜艇，在水面状态时其广义质量矩阵为：
-Mz。
一潜艇（相应状态，以下同此）质量：I J--第 J个模式运动的惯性矩;式中：M
I jk,—惯性积
对于水下状态，当运动座标系原点放在重心G上时相应的Zc取为零横向对称潜艇的附加质量（或阻尼）系数为：As
Ar(或Bjn)
对于水面状态的潜艇，非零的线性流体静力回复系数只有：Cn,Cu,C，和 Chs mCgs
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对于水下状态的潜艇，非零的回复系数只有：C 55 C 44 = D .G C
其中GC为重心与浮心的整向距离，D为水下状态的排水量。·（5）
潜艇艇型除具有横向对称性外，还是个细长体。在这种情况下运动方程可化为由垂荡和纵摇组成的纵向运动方程组，和由横荡，横摇、首摇组成的横向运动方程组。
4·2纵向运动方程及系数的表达在考虑操舵（鳍）情况下，水面和水下状态潜艇的纵向运动方程均可表达为：
(M+ An)ig+ Bgis+ Cgns+ Ayih+ Bgi+Csig=F,ent + Far(6)
Apis+Bais+Cals+(l, +Aw)ig+Bpis+C,ng=Feia+-fsR.*.*........(T)其中，水面状态时F3RF5R=0（不操水平舵，忽路垂直舵的影响）；水下状态时F3R、FgR为水平舵之舵力与力矩，C33=C 35 C53=0,C 55=D. Gc
如采用STF方法的体系，则上述方程中的系数表达式如下：An-fovi dt-bs
Bas [bns dt +Uagy
Agz -jt g d% + xabg ~ g
Bys= - jeby d&+UA-Uxag- bg
Ag- ad++b
B - Jtbuds -UA%-Uxeas
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Ag-jeayd+些Ag一最对b%+
Bs-jgby专+g+ uxg+x肠
Cu= Pgjbdt= Pg Awp
CysCgy= - Pg Jsbdt= -Pgmwp --Cgy= pgjs*bd,Pg wp .-
式中：a.和6
-二因次剖面的垂荡附加质量和阻尼系数：U—潜艇的前进速度；
w--—遭遇频率；
A 和 B为 A和 B3的与速度无关部分;XA—船舶最后横剖面的X座标；
最后剖面的附加质量和阻尼系数；6—艇剖面宽度;
0——水的密度；
g—-重力加速度；
Awp--水线面的面积;
水线面的静矩；
一一水线面的惯性矩；
式中的积分均沿船长进行。
波浪扰动力（力矩）的复振幅为：Fs= P多[(fs+ hs) d + Ph
F,= - P j[专(fs + hs) +% h ] d -Pa 00
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其中剖面的汝德一一克雷洛夫“力”定义为：f3(x)= ge-inxco
剖面的绕射“力”定义为：
N,eiysinp,dt
hs(x) =w,e-izx cop ], (iNg-Nzsin B)eiysinp e*gal 式中：
a -一入射波的波幅;
—波数；
β—浪向力（顶浪为180）；
d1—沿横剖面浸水边界的积分元；w。
一波渡圆频率，w。g
w.=w+kucOsB
一最后剖面的后3值；
N，和3
它与遭遇频率W的关系为：
一二因次剖面的单位外法线失量在√和Z方向的分量；一具有与横剖面C×相同形状的柱体在自由表面上或相应漫深处作垂荡时的二因次问题的速度势。潜艇剖面处于不同漫深状态时，流体动力系数33、 33及速度势±3的计算，可采用 FranK 源分布法进行。水下状态操舱（水平舵）的流体动力F驱和F5可通过适当的公式估算。4，3横向运动方程及系数的表达在考虑操舵的情况下，潜艇水面和水下的横向运动方程为：式中：
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(An+ M)i2+ Bu I2 + (Au-M2e)i + Buj4 + Auit + Bzuis =Fzein, FzR o*.c( Akz- Mz)iz+Ba jz +(Au+Iwie +Bui.(23)
+ Cun++(Au- Iu) jx + Bunt= F,eimt+ Fse**· (24)
Aai Bui+(- )Bu (Au+)+ Bu- + f:(25)An= fon dg-些b
Bn-jpndg+Uoi.
Au= Au-jondbz
Bu= Bz =Jbu.d 多 + Uog
A=ond+最 Bia+
Bu-jebadt-uAa+uxaa+sba
Au=fand-ba
Bμu=[ bu d +Ua4+ B*
Aujea+b
Bas- tbd-UA% +Uxga +b
Au=jeand-号 Biz一abl
Bu2= JEbedE+UA& +UxaE ...
Bu- [tbs d非+UAx+ Uxa? -.
Au-ftond+Ai+
Bu fbud+ Bg+Uuaf+b.
（32）
·（33)
·* (35)
·（37)
（38)
·(39)
（40)
（41)
以上公式中的符号规定与纵向运动相同，脚标中的 2、4、6分别代表横荡、横摇和首摇
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