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1、华中科技大学 硕士学位论文 数学回转体的生成及水下航行阻力预报 姓名：吴亮 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构物设计制造 指导教师：张志国 20070531 I 摘摘 要要 潜艇发展已有百余年，在这百余年的发展历程中，潜艇技术发展已取得了重大的 发展，特别是 20 世纪突飞猛进的高新技术在潜艇上的应用，使得现代潜艇已成为各 国海军十分重视而不可缺少的一种水中兵器。 国内外对潜艇艇型研究非常重视，开展了许多研究，得出了不少有实用意义的最 佳阻力艇型。国内外对回转体也提出了不少数学模型，从数学表达形式看，大都采用 样条函数或多项式来表达，缺点是一定要有型值或控制点。但现有的艇体型线设计是 设
2、计者根据母型艇的一种改型设计，其型值仍然依赖于设计者的经验，不能用理论来 描述，也不容易得出阻力性能最佳的艇型。 本文研究的内容之一就是根据一种满足排水量、 主尺度和均衡条件的实用水滴型 回转体数学描述模型，编写软件包 MRB 实现了回转体三维型线的自动生成。不依赖型 值和控制点，只要输入相应的参数就可以得出需要的艇型，易于进行改型设计。 本文介绍了回转体裸艇体深水航行阻力的估算方法， 用所建阻力数值图谱对回转 体形状阻力系数进行估算，用 ITTC-57 公式计算摩擦阻力系数，然后即可求解。根据 这种估算方法，编程实现了阻力的计算。 最后，本文用 CFD 软件对一个回转体的水下航行阻力进行了数
3、值计算，与阻力估 算方法所得结果进行了比较，结果大致符合。 关键词：数学回转体；型线自动生成；阻力预报；CFD II Abstract Submarine has already developed more than 100 years. The technique of submarine has already obtained an important development for more than 100 years. Especially for 20 centuries, the high and new technique made the modern submarine
4、 become more and more important all over world. Submarine becomes the weapon in a kind of water of indispensability in navy because of its performances during the war. For last decades, many investigations about of hull form of submarine have been carried out and a lot of practical significance line
5、s with the lowest resistance have been gained. Many mathematical models concerning revolution body are put forward in this field. In the view of mathematical expressions, most of that are using spine functions or polynomial expression to express the revolution body and the drawback is that there mus
6、t be value-based or control points. However, the present submarine line is designed according to the parent lines and its values is depend on the designers experience and cant be explained theoretically, so it is hard to get the lines with the best performance of resistance . In this paper, one soft
7、ware package MRB was developed to automatically generate the 3D hull form of submarine base on the mathematical model of revolution body with practical droplets type, which will meet the requirement of displacement, main scale and balance conditions. With independent of the line values and control p
8、oints, the required line can be gained as long as the corresponding parameters are inputted and the retrofit designs are easy to carry out. The software package provides the tool to predicate the hull form resistance generated by this software package uses the numerical resistance atlas to estimate
9、the resistance coefficient. The friction coefficient is calculated by ITTC-57 formula, and then the problem is solved. The CFD tool was used to predicate the resistance of the hull generated by the software. A simplified method was adopted to avoid the limitation of the computer capability for simul
10、ating the ship resistance on real scale：Only viscous pressure resistance was introduced from CFD results. The comparison between software predication result and other resistance estimation method shows good agreement. Key: mathematical revolution body; hull form automatically generation; prediction
11、of resistance; CFD 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以
12、将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 海洋地位的提高和国防安全使得海军的作用更加重要。现代海军作战的两大主 力战舰是水面舰艇和潜艇。 与水面舰艇相比， 潜艇的最大优点是隐蔽性好、 机动灵活、 自给力和续航力大、 突袭力较强等优点。 因此， 它一直受到各国海军当局的高度重视。 技术的进步与使用功能的增强，使得现代潜艇的设备越来越
13、多，设计越来越复 杂。 原有的传统的设计概念与方法已不能适用现代潜艇发展要求， 必须更新设计概念、 理论与方法。所以，总装在“十五”预研项目中提出了开展新型常规潜艇概念设计研 究的任务。海军提出了召开潜艇新概念、新思想和新设计理念讨论会的要求。 本文是潜艇概念设计的一部分，目的是能做到无型值表的情况下，回转体线型的 自动生成和水下航行阻力的快速预报，便于改型设计，为常规潜艇概念设计实现智能 化提供型线自动生成方法。 1.2 本文的研究背景本文的研究背景 已有百余年发展历史的常规动力潜艇（Conventionally-Powered Submarine）， 随着 20 世纪后半叶高新科技的发展，
14、已有质的变化。AIP 动力技术，减振降噪和隐 形技术、多传感器和数据综合处理技术、通信链和自动控制技术等新技术在潜艇上的 应用，使得常规潜艇的技战术性能得到显著提高，飞航导弹和高性能新型鱼雷等先进 武器的应用，使得常规潜艇的战斗效能得到大大增强。高新技术装备在常规潜艇上的 应用，也使得常规潜艇从过去的单一功能向“多功能”发展。现在用高新技术和先进 武备装备起来的常规潜艇已成为各国海军十分重视而正在不断发展的一种重要的水 下兵器17。 但是，高新技术、先进武备在常规潜艇上的应用和“多功能”的使用要求，不仅 使得常规潜艇的系统、设备和装置大幅增多，而且因技术复杂使得技术难度和风险也 2 大大增加，
15、从而对常规潜艇的总体设计提出了新的要求。从设计内容讲，要求现代潜 艇的总体设计应是反映潜艇工程系统全寿命周期内的完整技术范畴和管理形态的设 计；从设计理论和设计方法讲，要求现代潜艇总体设计是应用现代船舶理论、控制技 术、智能技术、综合评价与风险评估的模式化设计。现有的常规潜艇总体设计从设计 内容到设计理论、方法都跟不上现代新型常规潜艇技战术发展对总体设计提出的要 求。 各国海军都意识到，为了适应未来潜艇的发展要求，有必要对有重要发展前景的 潜艇总体技术开展预先研究，使之与未来潜艇所要求的作战能力相适应，这是“需求 牵引和科技发展”的需要。随着高新技术装备在潜艇上的应用，现代常规潜艇设计学 已成
16、为一门集现代舰船理论、控制理论、智能技术、评估方法和军事知识于一体的综 合性学科。常规潜艇的总体设计概念已发展成为从系统工程出发，反映潜艇全寿命周 期内完整技术范畴和管理形态的总体设计。设计的目的是要得出最佳的设计方案，从 这一角度上说，总体设计就是应用前述的理论、技术与知识将设计对象（常规潜艇） 及构成它的系统、分系统和功能部件进行优化配置的综合化设计。从技术层面上说， 现代潜艇总体技术是除传统的总体设计和工程技术外，还蕴涵着更高层次的内容、更 丰富的更多面向硬件和软体的“顶层技术”。因此，现代常规潜艇的总体技术已成为 一种各学科相互交叉、渗透与融合的综合集成技术。从设计方法来说，现代潜艇的设 计方法是一种应用上述理论与知识的智能化设计方法，也称作模式设计法。而我国现 有的常规潜艇总体设计，基本上还是沿袭原苏联传统的总体设计概念、理论和方法。 总体设计概念仅指潜艇自身
