小水线面双体船结构及优化设计研究
周少仙
摘 要：本文对小水线面双体船的应用现状以及其优缺点的分析，重点论述了其航海性能特点，并从外载荷分析和结构数值分析，探讨了水面航行和水下航行的小水线面双体船结构优化设计措施，并就未来发展进行了展望。
关键词：小水线面双体船；结构；优化设计
中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）11-0034-02
1 小水线面双体船概述
1.1 小水线面双体船
小水线面双体船，SmallWater planeAreaTwinHull，简称SWATH船，又叫半潜式双体船，其主要是由两个船体构成，且有水线面面积小等特点。2000年，由汕头大洋船舶工业总公司设计、建造了我国第一艘小水线面双体船——“海关201”艇（见表1），弥补了我国在此领域内高性能船型科技领域的空白。小水线面双体船的船体与支体均为流线型设计，舵和螺旋桨设在船体的主体后端支体宽度较小，小水线面双体船即便是满载其吃水线主要在支体中上部，所占的水线面面积小，航行时兴波阻力也小。从目前市场上投入运行的小水线面双体船的应用来看，其航速一般在20kn左右。
1.2 小水线面双体船优缺点
与常见的单体船舶相比，在相同排水量的设计参数下，小水线面双体船通常其船长小30%-40%，船宽则增大60%-70%；船舶吃水深度要大60%-70%；满载吃水线以下的船体面积大65%-85%。因此，从实际应用来看，小水线面双体船具有：①良好的耐波性。由于支柱与水面所接触的水线面很小，受到水中波浪的扰动力影响很小，运动周期长，运动加速度相对很小。②良好的操纵性。小水线面双体船的两个螺旋桨安装在船尾，能够保证两个螺旋桨有较大的回转力矩，回转性能良好。③较宽的甲板。虽然其排水量只有227t，但其甲板的总宽达到了13.3m，有利于船体布置。④生命力强。小水线面双体船上体采取的密闭箱形设计。具有很好的破损稳性和完整稳性，船体的复原力臂大等优势。此外，该船还具有快速性好、排水量变化敏感，适航性较强等优点。
但与此同时，小水线面双体船的不足也是显见的，主要表现在：与同等吨位的船舶相比，其停靠码头的吃水要更深，对码头水域环境要求更高；建造成本相对更高，船体的曲线设计和建造复杂，船舶建造工艺更复杂，增加了设计和建造的难度，对船舶重量控制技术要求更高；该类船舶不适宜于装载量以及变化明显的运输船应用要求；由于与水面接触水线面小，在遇到特大风浪的复杂海况时，容易受到横浪冲击，造成船体作业时摇摆周期短，特殊海况时的船体稳定性较差。
2 小水线面双体船航海性能分析
除“海关201艇”外，2003年，由上海船舶研究設计院设计出“新世纪1号”油田交通船，被誉为“全天候的不晕船”。2009年，由渤海船舶重工集团完成设计、建造的2500t小水线面双体船“实验1”号科考船建造完成，并交付使用，这也是我国第一艘加入CCS船级船舶。从应用情况来看，其具有很好的航海性能：
（1）快速性。与同等排水量的单体船舶相比，小水线面双体船的满足吃水线以下的船体表面积要增加65%-80%，因此，在同样的航速情况下，小水线面双体船的摩擦阻力要比单体船舶大很多，其低速航行时所遇到的阻力性能也比单体船舶差。但在高速航行时，小水线面双体船的兴波阻力小，其阻力性能要优于单体船舶。即，阻力->兴波干扰、阻塞效应；耐波性->螺旋运动（横摇与纵摇的耦合）。因此，在设计、建造小水线面双体船时，其海上航速设计一般都较高，以突出其适航性。例如，“实验1”号其设计最大航速达到了15kn，“新世纪1”油田交通船的设计航速最大为18kn。
（2）浮性。小水线面双体船与海水面接触的面积较小，所以，即便很小的重量变化也会引起船体吃水面积的较大幅度的变化，这也是该类船舶表现出的又一特点。由于船体浮性受船舶重量影响较大，因此，小水线面双体船设计时一般都会设置完备的压载水舱，当船舶航行过程中燃油出现减少时，需要及时在压载水舱中打入一定量的压载水，以保证船体的正常吃水状态。此外，小水线面双体船的每1cm的吃水吨数与同等排水量的单体船相比，只有其20%-40%，一旦发生破舱会对船体浮性产生较大破坏。
（3）稳性。单体船一般需要考虑的是其横稳性，但小水线面双体船设计和建造时要充分考虑其横稳性和纵稳性。在横稳性方面，小水线面的横倾1°所需要的横倾力矩与单体船的要求相差不大，但纵倾时，小水线面双体船所需的恢复力矩只有单体船的10%-20%，因此，对于小水线面双体船的纵横稳性更要引起足够的重视。在保持较高航速时，该类船会出现较大幅度的艏倾，对船舶纵倾角很敏感。为了保证小水线面高速航行时的纵稳性，通常会在船体的艏或艉部内侧设定稳定鳍，以消除高速航行时产生的艏倾力矩，一般来说，艏鳍和艉鳍联合使用更有利于改善耐波性，且固定鳍设置会对船体的纵向运动影响大。
（4）耐波性。小水线面双体船具有良好的耐波性，与普通的单体船相比，其耐波性主要表现在：纵摇、横荡和垂荡运动的周期较长，能够有效避开了不规则海浪中产生的谐波，避免谐摇运动对船体的影响；在船艏或船艉安装减摇鳍便可很好实现了消除纵摇效果；在相同排水量下，航行时在波浪中的运动幅度、加速度都要小于单体船。良好的耐波性能，能够保证小水线面双体船在恶劣海况下也能保持平稳的航行，适航性较强。
3 小水面双体船结构优化
小水面双体船在耐波性、稳性、浮性以及快速性等方面具有其他单体普通船舶所不具备的优点，随着对水面航渡性能和适航性要求越来越高，在满足给定的各种约束条件下，解决结构重量等方面存在的不合理问题，通过对船舶的尺寸、形状、拓扑等因素，不断优化船舶结构设计，对提升小水面双体船的适航性能具有积极意义。
（1）外载荷分析。小水面双体船的航态主要有水面航行和水下航行两种，在进行外载荷航态下结构强度的影响时要充分考虑这2种航态。例如，当小水面双体船在水面进行航行时，船体的结构会受到波浪外载荷和静水力弯矩的影响，其横向波浪载荷是船舶的主要外载荷，包括横向波浪力、扭转力矩、首位分离力矩等需要根据CCS小水线面双体船设计、建造指南标准进行计算，并根据小水线面双体船的实际结构确定载荷的计算方法：浪向角90°——最大横向弯矩和垂向剪切；浪向角45°/135°——严重的扭矩组合工况；浪向角0°/180°——最大纵向弯矩。当建造好的小水面双体船下水航行时，低速航行所承受的主要外载荷来自于船体的深水压力，其压力大小与结构水深成正比例关系。为此，通过iSIGHT设计优化平台，嵌入遗传算法，集成Patran/Nastran软件，并选取了鳍板厚度、片体板厚（内/外侧）、上建板厚（上/下侧）、控制室板厚、控制室加强板厚、通道管板厚、通气管板厚、支柱板厚（内/外侧）、水舱板厚等多个变量。并定义要求结构最大应力≤优化前最大应力；结构重量<初值；结构重心低于初值等。经过结构优化，结构的总质量有了大幅降低，重心也比初值降低。结构性能方面，优化后的小水线面双体船的工况最大应力减少，结构重量和重心得到了优化目标。
（2）结构数值分析。船舶优化结构数值分析主要包括理论计算、实验验证和数值分析，通常使用的分析方法有有限元方法，计算船舶设计、建造的精度。具体来说，在对小水线面双体船的结构数值分析，经常使用到MSC系列的Patran/Nastran软件，通过其强大的建模、网络分析和响应数据后处理能力，以及计算和数据处理能力，对2种主要航态的小水线面双体船进行结构强度数值分析，从而得出尺寸、形状以及拓扑的具体优化结果。
4 展望
近年来，随着小水线面双体船在实际应用中越来越多，大多保持在百吨级，千吨级主要应用于海洋科考和海军方面。材质方面，大多选择应用铝合金材质。航速设计方面，最高航速一般都超过了20kn，海洋科考方面一般低于20kn。应用领域主要集中在客运、公务、科考等方面，近年来，海军装备方面也加大了小水线面双体船的应用。随着船舶设计和建造技术的不断提高，无论是船型还是结构方面都有了很大幅度的改进，出现了小水线面主体船的三体船型。船型也朝着大吨位方向发展，狭长的支柱和水下潜体得到了充分的利用，较宽的甲板和良好的耐波性更是成为游轮、远洋可靠以及作战舰艇应用的船型选择。未来，在船型、航速、航态设计和控制方面还有较大提升空间，也是提升我国小水线面双体船的设计、建造水平的重点研究领域和方向。
参考文献：
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