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1、1.1 船舶性能实验的途径和内容一.船舶性能实验的途径船舶性能实验的作用：船舶性能实验是研究船舶航行性能、进行船舶设计、发展船舶技术的重要方法。船舶性能实验有以下两种途径：1.实船试验实船试验是实船在实际环境条件下进行的试验。实船试验能获得实船的最终性能；但实船试验受自然环境条件的限制，需要花费大量的人力、物力、财力和时间。虽然船模试验在许多方面具有实船试验不可比的优点，但实船试验也仍是研究船舶性能中不可缺少的方法。2.船模试验船模试验是用船模在实验室内进行试验。船模试验不受自然环境条件的限制，试验内容可以多种多样，且可重复进行。有些破坏性试验，例如船舶翻沉原因试验等，只有采用船模试验。此外，
2、船模试验花费的人力、物力、财力和时间都比实船试验少得多。船模试验结果要用恰当的换算方法，来预报实船的性能。由于船模的试验状态与实船不可能完全相似，而采用的换算方法也不可能考虑到影响船舶性能的所有复杂的因素，因此船模试验也有其局限性。二、进行船舶性能实验的意义：1. 预报新船的性能指标；2. 比较不同船舶的性能优劣；3. 验证理论研究和数值模拟的结果；4. 发现新的船舶特性、开发新的船舶技术。1.2 相似准则一、几何相似1. 几何形状相同，且对应尺寸成同一比例；Ls/Lm=C L （长度比尺）2. 对应角度相等。一般船模试验应满足几何相似的条件。但备用桨模自航试验就不满足螺旋桨几何相似。 二、运
3、动相似1. 对应点上的速度方向相同，大小成同一比例。即：Vs/Vm=Cv (速度比尺)2. 对应点通过对应距离的时间也相同。即：Ct = ts/tm =(Ls/Vs)/(Lm/Vm)=CL / Cv (时间比尺) 3. 对应点的加速度也相似。即：Ca= as/am =(Vs/ts)/(Vm/tm)=Cv / Ct (加速度比尺)三、动力相似船舶试验常用的动力相似准则有：全动力相似：如果船模与实船的所有相似准数都相同，则船模与实船满足全相似定律。进行船模试验时，要求满足全动力相似是不可能的(主要是 Re 数不能相同) 。为此，只能要求满足部分动力相似条件。2.1 测量误差及其分类误差是测量值 x
4、i 与真值 之差，即 i = xi -。了解误差的种类、性质、产生的原因，采取有效的方法来处理实验测量值中的误差，保证在一定条件下得到的试验结果有一定程度的可靠性。根据误差的性质可分为：一、系统误差系统误差是在同一条件下多次测量同一量值时，其误差的符号与绝对值大小保持恒定的误差。又称恒定误差。系统误差反映了测量的准确度。系统误差产生的原因可以是测量工具不完善，试验装置安装、布置及调整不当，测量方法错误，测量人员的感觉器官和运动器官不完善，外界环境因素变化等。 二、随机误差随机误差是在同一测量条件下，多次测量同一量值时，误差的符号与绝对值的大小以不可预定的方式变化的误差。随机误差反映了测量系统的
5、精密度。随机误差是由许多尚未掌握的微小因素引起的。如温度、湿度的变化、空气振动、电压波动、测量设备中零部件配合不稳定、人员视觉和读数技术的差异等因素造成的。随机误差可以用概率统计的方法加以描述和分析。三、粗大误差粗大误差是偶然发生的、数值偏大的误差。粗大误差是由于差错引起的。测量时人为地读错、记错，仪器仪表突然跳动，实验状态尚未达到预期的条件就匆忙开始测量和记录等，都是引起粗大误差的原因。粗大误差的测量值属于“坏值”，在进行数据处理时，应当把它从测量值序列中剔除掉。2.2 系统误差分析系统误差是固定的或按一定规律变化的误差，不能用处理随机误差的方法来处理它。必须针对不同情况，采取不同的处理方法
6、。系统误差的存在对测量结果会有严重影响，必须消除或将其降到最低程度。判别系统误差存在的方法通常有以下两种： 1. 观察偏差的趋势1）把测量数据的偏差按测量次序先后排列。如果发现偏差有规则地只向一个方向演变，例如前段的偏差为负号，后段的偏差为正号，则含有累积的系统误差。 2）按照测量的次序分别求出前半段和后半段数据偏差的总和。若两段总和的差值显著地不接近于零时，则含有累积的系统误差。3）把数据的偏差按测量顺序排列。如果偏差的符号作周期性变化，则含有累积的系统误差。4）如果是动态测量，则观察其记录曲线。若记录曲线的平均水准线保持水平，则表明数据中不包含变化的系统误差。若平均水准线由低到高或由高到低
7、，则有累积的系统误差；若平均水准线作周期性变化，则有周期性系统误差存在；如果平均水准线作复杂规律变化，则有复杂变化的系统误差。2. 正态分布判别法1）用正态概率纸来判别。把测量数据列成频率分布表，然后作图，以数据值为横坐标，以累计概率为纵坐标，连线如图所示。如果各点在一条直线上（尤其是中间点） ，则表明测得的数据服从正态分布，只含随机误差，而无系统误差。反之，表示测量数据含有系统误差。2）用公式来判别。若测量数据只含随机误差，则数据与算术平均值的平均偏差 与标准差nxi1)(njx12)( 间有下列关系： = 0.7979 式中：如果计算出的 和 ，与上式的关系相差很大，则表明测量数据中含有系
8、统误差。3）变化测量条件来进行判别。在一种条件下测量，数据误差有一种符号。当上述条件消失或发生变化时，误差即改变符号。这样就可以发现随测量条件变化而变化的固定系统误差。二、系统误差的减小和消除1以修正值的形式加到测量数据中，消除系统误差； 2在实验过程中消除产生系统误差的因素； 3选择合适的测量方法，使系统误差得以抵消，而不致带进测量数据中去。上述途径的选择应根据具体实验内容来定。 2.3 随机误差分析一、随机误差的特性根据误差理论，大多数随机误差都遵从正态分布。遵从正态分布的误差具有下述 4 个特征。1. 有界性：一定条件下的有限测量中，误差的绝对值不超过一定的界限。绝对值很大的误差的概率近
9、于零。2. 对称性：绝对值相等的正负误差出现的概率相同。3. 单峰性：绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大。4. 抵偿性：同一条件下多次测量同一值时，其误差的算术平均值随测量次数的无限增加而趋于零。利用这个特征，可采用增加测量次数的方法减少随机误差的影响。二、随机误差的统计特性1. 正态分布概率密度函数正态分布(高斯分布)是最常见的一种连续分布。理论上，若某一随机过程是由大量的相互独立的随机因素的综合影响所致，且每一个因素在总的影响中所起的作用都是微小的，这种随机过程往往服从正态分布。概率密度函数：x:随机过程的平均值；2x:随机过程的方差。2正态分布的分布函数(补) )(dt
10、e)x(FxpXxXx212式中 (x)为均值为 0，方差为 1 的标准正态分布( 误差)函数。用数值积分或查表得到。当 t=3 时， lim=3，1-2(t)=0027，是一个很小的概率，属于不可能发生的事件。通常把lim=3 称为单次测量的极限误差。3算术平均值随机过程 x 的概率密度函数为 f(x)，其数学期望定义为概率分布曲线面积中心的横坐标。数学期望可以理解为随机过程 x 的平均值。实际上我们只能处理有限的随机变量，如求由观测得到的某个量 x1,x2,x n 的数学期望，则得：njkjjkjmxPE111exp21)(2)(xxf 4方差和均方差方差表示随机量 x 在数学期望 x 周
11、围的分散程度，定义为：方差的单位是随机过程单位的平方，这可能给应用带来不便，通常取方差平方根的正值作为随机过程 x 对于均值偏离程度的量度，称为均方差或标准差，记作：2.4 粗大误差的防止和消除常采用 3 准则来判断：对某测量值，若有随机误差，且测量次数足够多时，可按随机误差正态分布规律来检验，凡大于 3 的测量值可认为是粗大误差，应作为“坏值”剔除。 2.5 测量结果的表示方法一、直接测量结果表示方法当不需要给出误差时，直接用测量数据的算术平均值 来表示测量值的真值，即：x = x； 当需要给出最大可能误差时，可用 3 作为最大可能误差，表达为： 当需要给出其他误差值时，可采用其他相应的公式
12、。 二、间接测量结果表示方法间接测量结果的表达，首先要按所确定的函数关系求出间接测量的精度参数。有两种途径可循：1用直接测量参数的误差来求间接测量量的误差设各直接测量参数 x1,x2,x3 ，与间接测量值 y 之间存在如下函数关系：y = f (x1,x2,x3 ) 若各直接测量参数的误差分别为x1, x2, x3, 。则间接测量值的误差可按泰勒函数展开，略去高阶项后，得：而间接测量值的标准差为：间接测量的真值，用测量数据计算结果的算术平均值 来表示。 第三章 试验水池和模型3.1 试验水池一、拖拽水池拖拽水池的长度由下式决定： 式中，V max：拖车的最大拖曳速度； a1,a2：拖车启动、制
13、动时允许的加速度； L1：拖车速度稳定段长度 L1 3Lm； Vmaxt1：测量段长度，t 1 测量时间； Lm: 模型长度； L 设备 ：水池两端船坞及造波机长度。 njxjxED1222 )()( 2x2221 )(.)()( ny xfxff nx3.321xfxffy备LtvLavmT 11axa2221 )(.)()( ny xfff 拖拽水池的宽度和深度，应考虑消除池壁和池底对船模试验的阻塞效应。与船模长 L、宽 B、吃水 T、航速 V 有关。拖拽水池两侧的池壁应保持平整，不应出现波纹形凹凸，否则将影响造波质量。 水池的池底或深水池中安装的假底必须在同一水平面内保持平整。 拖拽水池
14、两侧的钢轨沿整个池长都应保持平整，不应出现水平和垂直方向波纹形凹凸，否则将影响拖车速度的平稳性，轨道的安装和使用中都有较高的精度。 模型试验要求拖车运行时，在试验速度范围内能实行无级调速，且速度平稳。因此，对拖车的结构、拖动系统的机械特性，都有严格要求。 3.2 试验模型一、准相似问题在船舶试验中，一般模型与实物应满足几何相似。但在有些试验中，受各种条件的限制，往往不能做到几何相似。如常用几何形状和尺寸不完全相似的备用桨进行自航试验。 在船模阻力试验中，粘性力不能满足相似条件。高速艇在航行过程中常会出现“吸气”现象，舵及螺旋桨的翼面上会产生空泡。这些现象都是无法在船模试验中模拟的。二、船模缩尺
15、比的确定船模尺度的大小取决于试验内容和船池设备条件。快速性试验，为获取大的雷诺数，船模的尺度要尽可能大一些。在较大水池中，船模长度往往大于 6m，一般船池中的船模长度也在 4m 以上。高速船模的尺度还受拖车速度的制约，要达到较大的傅汝德数，船模的尺度要小得多。耐波性试验的船模，除了满足几何相似外，还应满足惯性矩相似，并且要考虑造波机的造波能力，和保证足够的遭遇次数，因此，耐波性试验船模长度取 23m。三、船模制作木模易于加工，不易变形，适合久存，用于重要船模制作，但价格高。用于制造船模的木料要求木质好，便于加工，不易变形，需经过干燥处理。腊模加工、改型非常方便，可多次使用，无需油漆，成本低。但
16、质地较软，容易变形，受温度变化的影响，也容易产生裂纹。腊模需要水中浸泡 48 小时，试验前吊出水面，擦掉腊模表面上的粘液，再放回水中试验，试验完毕，应在水中存放，以防变形。制做腊模的主要原料是石腊、少量的蜂腊和聚氯乙稀，以增加腊模的强度和刚度，消除腊模中的气孔。制作时，可在蜡模内预先安放木质骨架，浇铸成蜡木混合结构的毛坯。阻力船模一般由多层木框粘压而成。制作过程分为：下料胶合成坯切削机初加工精加工油漆 表面上蜡 检查验收。耐波、操纵性船模为减轻船模重量做成框架结构，表面敷设木条或玻璃钢，便于有更多的压载重量用于安装试验设备，调整重量和质量分布。船模是非标准产品，没有统一的公差标准。根据船模加工的经验和技术水平，通常认为 6m 长的船模，其长度误差为5mm
