CB Z 261-1997 潜艇适航性预报方法.pdf

1、A冒adEEE U CB 中国船舶工业总公司部标准CB/Z 261-97 潜艇适航性预报方法Prediction method for seaworthiness of submarine 1997-10-17发布1998-06-01实施中国船舶工业总公司发布中国船舶工业总公司部标准潜艇适航性预报方法Prediction method for seaworthiness of submarine 1 范围1. 1 主题内容本际准规定了潜艇适航性预报方法。1. 2适用范围CB /Z 261 97 分类号：U11本标准适用于各种类型潜艇的适航性预报。其主要限于对艇体波浪中运动性能的预报。2 引用文

2、件GJB 38. 24 - 87 常规动力潜艇系泊、航行试验规程适航性GJB 64. 2A -97舰船船体规范潜艇GJB 66-85 潜艇设计常用文字符号3 定义3. 1 术语3. 1. 1 适航性scaworthmess舰船在一定的悔i冗下安全航行和维持舰上人员工作及各系统j运行的能力J 1. 2 耐波性seake，巳pin适航性的重要组成部分要求舰船在规定海况下形成的舰体运动环境能保证人员及各种武器、装备、系统正常工作的能力。3. 1. 3 潜艇近水面状态nearfree-surface condition for submarine 潜艇接近水面的水下航行状态一般包括通气管深度状态、潜望

3、镜深度状态以及风浪tit;! 111;TI flJ的导弹武器发射深度状态。3. 1. 4 压载航行状态ballastcondition ：博艇丰尾部.tj！.个或数个主压载舱注水的水面航行状态。J 1. 5 有义波高signific;intwave height 不规则被中二分之一最大波高的平均值，用（sw)113表示。J 1. 6 波浪中潜艇近水面航行垂直面运动稳定性stabilityin depth keeping of subm日I11w runn11以nea r fr ee-surfa ce in waves 波浪中潜艇近水面航行时保持定深不会产生非控制上浮的能力。4 一般要求4- 1

4、 环境条件4. 1. 1风风级规定见附录A补充件）的表Al。中国船舶工业总公司1997-10-17批准1998 - 06 -01实施CD / Z 261-97 4. 1. 2风4. i. 2.1 有义波高（如）1/3与浪高的其它统计值可按如下关系换算。浪高的均方根值按公式(1)计算（巳w）0.707（巳w)l/3 . . ( 1) 浪高的十分之一最大值的平均值按公式（2）计算（w)1110=1. 27Cw)11J（幻3%保证率浪高值按公式（3）计算( w )3只1. 32 （w )1 ;3. ( 3) 0. 1%保证率1良高值按公式（4）计算（巳w)0.1% = 1. 86（w）川.(.l)

5、1000个振荡中最大浪高的期望值按公式（5）计算Cw)111000=1. 94（如）1/3（5占2000个振荡中最大浪高的期望值按公式（6）计算（巳w)11：则2.02（如）113. (6) 5000个振荡中最大浪高的期望值按公式（7)计算Cw)11sooo=2. 13Cw)11J . (7) 4, 1. 2. 2 1良级按表l规定。表1m i良级名称有义波离（wJ, 。无浪o. 00 微浪 o. oo32. 6 ？良级中i皮高与技浪周期之间的关系，北半球大洋海浪的年平均统计结果如表A2,m/s :; 大汀：1件；l过句：r均资料北半球去八2i曾由主周期们事YVJ LLM4一各浪级慨率%北；i

6、:.Yi丰i洁峰时期一各浪级概率%l i舌峰周WJ北大问ff各浪级慨古平%吉UfM）虫t) 有义i皮向Ill !. 向国NM斗lu可范厅五画面F7.5 最可能值6.9 2. 13.8 一一一范11H最可能值范Hr？坟3 。一18.8 9. 7 7.2 16. 6 20.79 9. 7 7.7 17.8 20. 94 9.7 8.3 15.5 12.4 9. 9 17. I 14. 09 12. I 10.0 18. 7 15.0 11. 7 Ul. 2 6.82 15.0 11. 7 19. 8 6.00 30. 0 o. 05 注：lO14. 00 二三14.() 9 CB/Z 261- 9

7、7 附录B潜艇适航性预报方法若干细则（补充件）B1 潜艇适航性模型试验B1. 1 适航性模型试验对7J(y也造i皮的要求：a.规则；皮i皮高一般取1/30-1/50船模民度搜长范围一般取0.4-6.0倍船悦氏度。对于水下近水面状态的试验应在造波能力许可情况下进行长周期波浪中的运动试验。b.规则波试验中每航次试验有效（响应稳定）记录的连续振荡次数应不少于（）次；c.不规则波试验的水i也波定点波i普在有义j皮高、谱峰周期和i皮谱形状上与要求的海浪；皮i普应尽可能相对应误差在工程精度之内；d.除给定海区波i普（如实；自1Ji普）外采用的不规则波波i普应得合4.1. 2条的规定；e.对给定航j圭和相对

8、浪向的不规则i皮试验中每航次试验有效记录的连续振荡次数应不少于30次；各航次的累计有效振荡次数用于运动响应的统计应不少于200次；用于概率事件的统计应不少于400LI.。f.模型试验时除定点？良高仪测波外.:i应杳随拖车的同步浪高测量。Bl 2 近水面航行试验敖据处理可采用法波技术分别获取波频运动响应结果和l包含低频高阶（二阶力）扰动引起的运动响应结果。这仲处理可用于定深保持良好的试验中对纵摇、横摇等记录进行也可用于模型潜深为化大的非线性运动响应的试验结果处理。前者主要用于我了技频运动响应后者主要得出非线性的深度偏差用于垂直面运动稳定性的判断。Bl 3 试验结果及其表达形式：a.规则波中波频运

9、动响应曲线，以无因次形式给出垂荡一ZI.。在在；纵摇一8/K.WoJ/g; 横峰一0/K.。在Tg;线加速度一aL/g.。布Jg;表达形式中：Z、0、自一一相应动响应的幅值；巳a一一规则波波幅.m;K一？，皮数.rad/m;。一一波；良圆频率，rnd/s;L一一艇民，m;g一重力加速度，g=9.8066 m/s. b.不规则波（模拟海液）中的运动预报至少应给出长峰不规则波条件下的运动统计值。i亥预报结果一般应分别对潜深状态（含水面状态）、航速、相对浪向和有义技高及波液平均时WJ等工况按实艇场合给出运动的有义单幅值；c.不规则波试验结果还应包括水池实现1Ji皮谱相应工况下的各种运动谐和愤型试验中

10、记录到的各种随机事件的出现概率或频度；d.委托方要求的其他内容的试验结果和表达形式；e.试验结果一般均应换算至实艇情况。CB/Z 261-97 B2 潜艇适航性理论预报B2 潜艇适航性理论预报中波频运动响应的计算方法可采用下述要点或要求进行：IL采用sn:JJllit计算规则波中潜艇五个自由度的波频运动响应，包括水面状态和半潜状态以及水下jfr*jiff各种程7.,jf：态以一定Mjfil按任意给定浪向航行时的运动。进)fl运动用其他的.i），方法的算；b.采用Frank籽j密拟合11分布方法求职相应状态潜艇剖面振荡模式的流体动力（附加质量与且尼系教）和波浪扰动力，何力矩系数；c.将按b条方法

11、按得的剖面系数按STF理论进行艇长积分和进行航i项修正后获得潜艇栩应状态下的运动做分方程诸流体动力系数和波浪扰动力（一阶波浪力）项。为波频运动方理解出运动响应奠定基础。d.为了保证计算精度，潜艇的计算剖面不宜少于25个，对于近水面状态指挥台回壳（含回壳舵）和尾部拮纵面（含稳定提和舵）等部位外形复杂的计算剖面其半剖面上的计算值点不宜少于20点；有条件时榄摇阻尼值可采用实测资料和模型试验资料的结果。在用经验公式估算横摇阻尼时宣计入艇主体和附体的升力项阻尼；潜艇的横摇阻尼，一般由兴波、粘性、兴涡及升力项等成份叠加组成；g.鉴于愤摇阻尼的非线性性质宜采用迭代法对横向运动方程进行求解；h.在一般横向运动

12、响应计算中，规则波波高直取为L/50;i.根据需要计算螺旋桨出水时可取桨面距顶部1/3直径处露出水面的发生概率来表证；j.恨据需要可考察和预报操舵对艇体运动的影响；k.当采用其他方法计算潜艇波频运动时（如三结面元法新切片法等）应有试验验证；I.采用STF方法计算时采用的公式汇编参见附件C参考件）；m.预报的相度应符合工程精度要求。B2. 2 潜艇适航性理论预报中低频非线性运动响应计算，在无成熟方法可供使用时可采用下i主要点和要求进行：11.采用约束懊近水面试验（如平面运动机构PMM、悬臂回转水池等设备）求取jfr水面低班操纵潜深Ho的事级数形式回归出水动力系数表达式）；b.采用理论计算方法求取

13、变深度下的平均二阶搜浪力与力矩响应和附加质量系数；c.对于给定泊i菜、海浪（浪高和平均周期）、相对浪向下的二阶波浪力瞬时值可用相应成份波的贡献的叠加i获得；d.采用时间步进的做分方程数值积分方法求取二阶波浪力及其他作用力（如导弹发射时的反力、水舱均衡力、操舵舵力等）作用下的潜艇低频慢变运动的时间历程；e.在d条的计算中变深度情况下各瞬时的波频运动对低频运动的搞合影响可通过运动状态初值中包含波频瞬时值予以考虑；f.在无其他运动稳定性判别可供使用时可用潜深的偏差和运动姿态的偏离给定假范围作为强定性衡准；g.潜艇在模型试验或理论计算中最终上浮出水和有大的纵倾是艇的运动稳定性处于非稳定区的表现。CB/

14、Z 261-97 附录C潜艇适航性波频运动计算方法（参考件）C1 对潜艇耐波性理论预报方法的要求潜艇耐波性理论与方法，是一般水面舰船耐波性理论方法的推广与应用在波频运动方面具有共同性但也有其特点。Cl 1 潜艇在规则设中波频运动响应的理il:计算Cl 1-1 艇体i皮频运动方程，可采用切片理论方法，如STF方法。c1. 1. 2 剖面的二因次流体动力的计算特别是近水面计算采用源分布法如Franki原分布法不排除采用多报展开保角变换方法和国柱剖面水动力计算方法。C1. 1. 3 对艇体运动中粘性成份力的影响应加以考虑。主要限于横摇阻尼。Cl 1. 4 潜艇附体（指挥台围壳包括在内）的水动力影响应

15、予考虑，包括势流成份和粘性成份；作为升力面的流体动力以及对波浪扰动力的影响等，应采用适当方法进行计算或修正。Cl 1-5 横摇阻厄一般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。C1. l 6 计算应采用可靠的初横稳性高和艇体的横摇转动惯量值，以保证预报的可靠性。c1. 1. 7 计算航速一般取该状态下的巡航速度。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。c1. 1. 8 计算的潜深状态一般应包括水面状态（潜深为零）、水下潜望镜深度状态（或通气管状态）等。根据战术使用要求，应对使用导弹武器等其它潜深状态进行计算。C1. l 9 计算的相对浪向角

16、可取180（顶浪）、150。、120。、90。、60。、30。和0。为了与实艇试验结果进行比较可根据需要计算130。、和45。情况。c1. 1. 10 计算规则波中横向运动时的波高建议取为L/50.L一船长。Cl 2 潜艇在不规则设中运动响应的计算c1. 2. 1 不规则波中潜艇运动响应的计算采用一般线性叠加原理进行。Cl 2. 2 除使用实际海区的海浪谱资料外一般采用国际船模水池会议ITTC推荐的海浪谱并采用两参数谱和短峰i皮十的扩展函数。c1. 3 潜艇搜频运动响应计算内容C1. 3. 1 波频运动响应计算的基本内容包括各种潜深、各种航速和浪向下潜艇对规则波的各种自由度的运动响应，以及相应

17、情况下对不规则波（长峰和短峰）运动响应统计恃征值。Cl 3. 2 波频运动响应计算内容还包括：a.艇体指定位置点（重要部位）的运动位移、速度和加速度值；b.水面航行时艇体的上浪、砰击、首底出水、相对波面的运动、螺旋桨出水和波浪中阻力增加等；c.操舵对艇体运动的影响；d.不规则波中艇体运动的时间历程；e.近水面航行时的给定艇体部位出水概率等。c1. 4 计算方法的使用要求对不同主尺度、线型和附体方案，计算结果应能显示出耐波性和运量上的变化，分辨出主案的优劣。根据需要，可在舰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，采用耐被性综合评价方法，对诸方案的性能作出综合评价。10 CB/

18、Z 261-97 Cl 5 计算方法的检验潜艇耐波性计算方法应经过考核。当计算结果与模型试验和实艇试验结果较符合或接近（达到工程精度要求）后方能正式使用。C2 潜艇波频运动计算方法cz. 1 理论模型的选取：a.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丁（近水面）状态的波频运动；b.运动方程、系数和技浪扰动力的表达形式采用STF方法的体系，并考虑航速和靖西的影响；c.剖面的二因次流体动力采用Frank源分布法计算；d.可考虑操舵对艇体运动的影响；e.采用半径验的估算方法计算艇体和附体的横摇阻尼，可考虑升力项的作用；f.对不规则波中运动响应的计算，应用线性叠加原理，采

19、用ITTC两参数谱和扩展写数形式。在计算响应的统计值时，采用狭谱假定。c2. 2 波频运动计算内容：a.各种潜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）和水压力分市；b.潜艇艇体对规则波的运动响应及相位、速度和加速度响应，操舵对运动响应的影有：c.变化海j良特征周期和波高下艇体运动的统汁值；d.指定位置处的运动、速度和加速度的统计值；e.水面航行时的上浪、砰击、出水概率和相对波面运动，近水面航行时给定部位出水等；.螺旋桨出水概率或频度。C3 波浪中潜艇水面和近水面波频运动计算方法Cl 1 规则波中潜艇波频运动方程的一般表达式。图Cl坐标系与位移的按定. - 市1图Cl中OXYZ为

20、固定在艇体（水面状态）平均位置上的右手坐标系原点。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而（j=l、2、6），分别为进退、横蔼、垂荡、横摇、纵摇和首摇，运动方程的一般表达式为公式（Cl): 。M Zc 。式中：M一i苦饪（相应状态以下同此）质量，kgIi一一第j个模式运动的质量惯性矩.kgm 2; 1.6一一质量惯性积.kg.mo 对于水下状态当运动坐际系原点放在重心G上时相应的Zc取为零。横向对称潜艇的附加重量（或阻尼）系数按式C3）表达：All0 lo A川A1 i 。A1 s 。A， 。AOA - 叶鼻nu 或吟自PAn 。A33 。AJ; 。其中水面

21、状态时f3R=fsR=O（不操水平舵忽略垂直舵的影响）；水下状态时l飞k.f, . f:为水平舵之fr！：力与力姐.（33=Ci;=Cs3=0.Css=DGe. 采用STF方法的体系，则式C4）、CC5）中的系数表达式分别为式CC6式CClG）.式中的积分沿船上进行。A.33= l1133db（ _i ur B33= f bJid牛Cai,CC 7) r u，Uu . A:is一I11:13dc;一；B3干；x. ,b：；11;3 . CC8) J w- w- w-12 CB / Z 261 g7 ，u .飞835一lb33dUA3+Ux飞aJ3-:;-b33. Cdh/dt CCK=F+iG

22、CK)=. _ . CC48 HI (2K）十iH0(21CK)公式CC47、（C48）中：K=wb/U对于航速较低时（如使用导弹武器时.CCk）句0.5，举力可按式CC49）计算：Lpb2(d2h/dt2）十pUbCdh/dt）.(49) 对于横摇，h=r0.0为横摇角由于升力L产生的横摇阻力矩M. O =exp( f2 / 2mo. Zr) =exp( -Zi-/Zm0,). CC65 式中：Zr一一该剖面船底部的竖向坐标（剖面吃水）币。CJ?. 5 螺旋桨出水、通气管浮阀上浪、围壳舵出水等概率的计算公式与CC64-C65）相似，计算时只要17 CB/Z 261-97 用对应剖面处的相对运

23、动方差ffios，相对运动振幅S以及用计算出水（上浪）点距水面的高度h代替f或Zr。18 CB / Z 261 - 97 附录D波浪中潜艇近水面垂直面运动稳定性计算方法（参考件）D1 波浪中近水面潜艇运动的数学模型D1. 1 潜艇受力与运动的分解型假定其所受波浪力、水动力与运动参数均可分解为波频项与低频（平均）项忽略高频I页的影响。波浪力（力矩按式 +f. L:. a;u：千川-z;,u:a，干川a.)1 .1H=f. L. yf；与；t . L. (Mw ； +M;u 5 +f. L; . CMu:-r-MU才3十M;bu:o,-.-M.lFo.);(07) 式中、可及其时间导数是按式r)，

24、求解的二阶平均波浪力引起的潜艇运动参数成份；ob札是苗、电水平舵的舵角.u为进if. z , z . t及M.M号.M为用变深度的潜艇模型的水动力试验结果按潜深Ho回归分析得到的流体动力导数是考虑了近水面效应的垂直面的流体动力导敦其一般表达式为式D8);Z .M=fCH o.Ho ) =ao+b0H。coH；十式中：ao,b，、Co一一流体动力系数按潜深Ho回归的系数m. 2 潜艇操舵运动规律的补充方程CD 8) 自动操舵系统的指令舵角句（峭qn水平舵角o.b和自尾水平舵角也）是潜艇运动参敖（垂向位ft或潜深变化量.6H和纵倾偏差.66）的函数，采用式D9）表达：0.b=a .6H+bH=fb

25、c吧，可JHo) CD9) od, =c .66十cie十eob=f,（飞，可3可5可s.Ho) 式中.a、b、c、d、E系数按经验或试验求取。考虑到转舵特性对转舵角速度8有一定限制即8不得超过给定的最大值iJm川并规定：当指令舵角0d与实际舵角B不同时将以规定的转舵速度B转向指令舵角品。D2. 3 潜艇近水面二阶平均波浪力与力矩的计算潜艇近水面二阶平均波浪力与力矩的计算可用三维频域法二维频域法（细长体理论）三Hr时城法等实用方法进行不作具体方法规定。但Fw；.Mw口等波浪力响应的计算结果应有相应的试验验证。02. 4 潜艇近水面二阶平均波浪力瞬时值的近似估算20 CB / Z 261-97

26、潜艇近水面二阶平均搜懊力与力矩的瞬时值按式DlO）计算：FwCHo)= 2=2w(w.。J l:.woi Fw巳-1 DlO) 阳wHo)叉口w(Woi) l:.Woi Mw巳-1 式中：Fw二阶平均波浪力响应，Nm-=;Mw！飞；一一二阶平均波浪力矩响应.Nm-1。D2. 5 近水面波浪力（二阶平均项）作用下潜艇运动参数的时域解采用龙恪一库塔方法为基础的阿当姆斯一预估校正方法按公式CDI）和CD9）进行时间步j兰法数值积分运算。通过方程求解得出潜深偏差6H和纵i顷偏差LB等参数时间历程也可输出其他信息如垂向位移j主率纵倾角速度舵角变化等。D2. 6 近水面潜艇波浪中非线性运动的时间历程i亥运

27、动的时间历程如公式Dll）表述：可j(t）育CHoCt）可（t)j=3.5 t=i. 6t i=0,1,2, 11 Dll) 式中：lJi ( t）一一考虑了披频运动影响的波浪力作用引起的潜艇非线性运动响应时间历程也D2. 7 近水面垂直面潜艇运动稳定性的一种判别方法由D2.6条得出的运动时间历程可3( t），在一定浪级（如）113T1）、浪向（，）和航速(lJ）下可得出艇体爱渐上浮偏离初始潜深Ho的量值。H。当艇体最后上浮露出波面，视为运动不稳定性的一种标志即满足式Dl2）的不稳定性判别式：6H二三Ho-H. (Dl2) 式中：吭一一潜艇重心处距艇体顶部的距离，m。02. 8 近水面垂直面潜艇运动稳定性的临界潜深曲线满足不稳定性判别式Dl2）的初始潜深，属于该悔浪和航行工况下的运动不稳定区。相反在相当长时间内（如500s）不出现上浮即不出现式Dl2）情况的初始潜深Ho属运动稳定区。存在稳定性临界的初始潜深Ho凹，Hocri是潜艇（及其操纵系统）航速、波浪和相对浪向的函i式见公式CD13）。Hocri=F CU （w)l/3 T1 ）. CD13) 附加说明：本标准由军船理论与实验归口组提出。本标准由七O二所归口。21