图8 当速度为10 kn时截面附近压力场云图Fig.8 The pressure field contours near section at 10 kn

3.3.2 截面直径的影响

针对圆形截面对来流方向不敏感，以及在工程应用中更易于实现的特性，在基于假设为圆形截面的基础上，开展截面直径变化对阻力的影响研究。截面直径的变化范围为25～45 mm，阻力随截面直径变化的曲线如图9所示。从图9中可以发现，在相同速度下，随着截面直径的增加，阻力也随之增大。当截面直径小于35 mm时，阻力随直径的变化相对平缓，而当直径大于35 mm时，阻力随着直径的增加迅速增大，尤其是当静水航速为10 kn时，该规律更为显著。因此，从阻力的角度考虑，建议尽量采用直径小于或等于35 mm的圆管。

图9 阻力随截面直径的变化Fig.9 The variation of fluid resistance with diameter

3.3.3 入水深度的影响

针对外径为30 mm的直管，考虑存在自由液面的影响，计算阻力在不同静水航速下随入水深度的变化情况。阻力随入水深度变化的曲线如图10所示。由图10可以看出，阻力随入水深度的变化基本上呈线性变化，即阻力随入水深度的增加而线性增大。因此，在估算其他入水深度下的阻力值时，可采用线性插值法进行计算。

图10 阻力随入水深度的变化Fig.10 The variation of fluid resistance with water depth

4 布放杆件的强度分析

4.1 布放杆件材料及尺寸分析

在相同结构设计的基础上，不同材料的布放杆件在同种工况下会有不同的动态力学响应。本文在研究过程中对普通钢管、白钢管、钛合金管、铝合金管、碳纤维管及玻璃钢管等材料予以了分析，综合考虑材料性能、加工工艺、成品型材尺寸与结构，以及价格等因素，主要选取白钢和碳纤维这2种材料进行分析计算。白钢和碳纤维材料的参数如表2所示。

表2 白钢和碳纤维材料参数Table 2 The material parameters of high speed steel and carbon fiber tube参数 数值密度（/kg·m-3）弹性模量/GPa抗拉强度/MPa泊松比白钢7.93×103 210 520 0.28碳纤维1.6×103 236 3 250 0.21

4.2 布放杆件强度分析

4.2.1 模态分析

由模态分析，可以得到结构的固有属性，图11所示为布放杆件长度为4 m时自由模态振型图。从图11中可以发现，白钢管和碳纤维管的前三阶低频模态振型都是弯曲振型，即布放杆件在受水流作用后主要是弯曲变形。对比同阶弯曲振型的白钢管和碳纤维管，发现碳纤维管的固有频率约为白钢管的2.3倍，由于船体与水的相对速度较低，因此，白钢管较碳纤维管更容易产生共振。另外，还分析了在不同长度和约束条件下2种材料管件的模态，结果与自由模态的基本一致。

图11 布放杆件自由模态振型Fig.11 The mode shape of laying truss

4.2.2 响应分析

针对外径为30 mm、管壁厚度均为4 mm的白钢管和碳纤维管，计算了入水深度为2 m时不同静水航速下的最大应力及位移值，结果如表3所示。图12列出了在10 kn静水航速下碳纤维管入水深度为2 m时的应力云图及位移峰值云图。由表3和图12中可以看出，在相同工况下，碳纤维管的应力及位移最大值均小于白钢管的最大值，虽然应力峰值差异不大，但因碳纤维管的强度较高，故在相同工况下，碳纤维管的响应较小；静水航速对应力及位移峰值的影响较大，随着静水航速的增大，应力和位移的峰值增大较快。

表3 最大应力及位移峰值对比表Table 3 Comparison of maximum stress and displacement peak values静水航速6 kn 8 kn 10 kn白钢管应力峰值/MPa 41.6 71.2 108.2位移峰值/mm 31.3 54.1 83.3碳纤维管应力峰值/MPa 40.2 69.5 107.0位移峰值/mm 27.8 48.1 74.1

图12 碳纤维管应力及位移峰值云图Fig.12 The stress and displacement peak values contours of carbon fiber tube

5 结 论

根据上述建模、计算及分析，得出以下主要结论：

1）通过多体动力学分析，整个布放机构设计合理，在考虑安全的情况下可操作性强。

2）对于布放杆件，在相同截面厚度的情况下，采用翼形截面可大幅降低阻力，但若计入偏航，则不宜采用升/阻比较大的NACA 0020翼形，因为此时升力在小角度偏航的情况下沿垂直流动方向会大幅增加。

3）考虑到实际航行过程中舰船摇荡、洋流及船体的干扰，布放杆件建议采用方向性不强的圆形截面或具备一定流动改善能力的简化翼形截面。

4）当布放杆件截面直径增大时，阻力也随之增大，当直径大于35 mm时，阻力随直径的增加迅速增大。因此在设计方案时建议选择直径小于等于35 mm的圆管，同时还需考虑结构强度。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0107/461.html

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