CB Z 268-2002 潜艇操纵性水动力模型试验方法.pdf

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1、中华人民共和国船舶行业标准FL 1905 CB/Z 268-2002 潜艇操纵性水动力模型试验方法Method for performing captive-model test of submarine maneuverability 2002-11-20发布2003-02-01实施国防科学技术工业委员会发布Z 268一2002刚昌本指导性技术文件由中国船舶重工集团公司提出。本指导性技术文件由中菌船舶工业综合技术经济研究院归口。本指导性技术文件起草单位：中国船舶重工集团公司第七研究院第七0二研究所、海军驻七0二所军事代表室。本标准主要起草人：吴宝山、何春荣、马向能、李斌。CB/Z 2钮，一2

2、0022 潜艇操纵性水动力模型试验方法建国本指导性技术文件规定了潜艇水下（深水状态）操纵性水动力的拘束模试脸方法。本指导性技术文件适用于潜艇水下（深水状态）操纵性水动力拘束模试验。规范性引用文件下列文件中的条款通过本指导性技术文件的引用而成为本指导性技术文件的条款。凡是注目期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本指导性技术文件，然而，鼓励根据本指导性技术文件达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本指导性技术文件。GJB/Z 110 潜艇操纵性预报指南3 符号GJB/Z 110确立的符号适用于本标准。4 般要求4.

3、 1 试验坐标系模型试验坐标系取右手直角坐标系。xyz，坐标原点O取在艇体全排水量重心或艇体轴线上重心（浮心）所处的横截面处，X轴平行于艇体基线、指向艇脯，y轴指向艇体右舷，Z轴指向艇体底部。4.2 潜艇模型标准空间运动方程描述潜艇模型空间六自由度运动的标准数学模型，一般采用艇体坐标系描述，具体表达形式见GJB/Z 110。4.3 测量参数4.3. 1 水动力分量模型试验测量作用于潜艇模型的六个水动力分量，ttP沿x轴的纵向力X、沿y轴的横向力Y、沿z轴的垂向力Z、绕x轴的横滚力矩K，绕y轴的俯仰力矩M，绕z轴的转精力矩N，并按公式(1）进行无量纲化：X tPLU Y PLzuz Z tPLU

4、I. K tpeu M一旦pCU N tPLjl尸. (1) clJ/Z 268-2002 4.3.2 水动力系搬潜艇水下操纵性拘束模试验测定标准空间运动方程中除阻力系数（x：，）、推力系数（ai、鸟、C；）和附加质量系数之外的各项水动力系数。阻力系数和推力系数可由快速性水下模型试验确定：附加质量系数可由势流理论方法计算确定或由拖曳水池中平面运动机构拘束模试验确定。4.4模型试验模型根据原型型线图按比例制作，长度一般应不小于4m。模型的结构强度和刚度应能承受水下试验。模型艇体及附体可采用优质木材、玻璃钢或铝合金等金属材料制作，螺旋桨模型一般用铜、铝合金、巴氏合金等金属材料制作。试验模型一般采用

5、单支杆和双支杆两种腹支撑方式，支杆对模型试验结果的影响应加以扣除。4.5试验相似律一般要求进行带螺旋桨模型试验，应满足试验速度的雷诺数ReL大于1.0107，螺旋桨进速系数J与实船设计工况点或模型自航点相等。当采用代用桨模型时，代用桨模型与设计桨模型的推力应相等。4.6 模型试验状态参数范围4.6. 1 模型试验可分为水平面运动水动力试验、垂直面运动水动力试验和空间运动水动力试验三类。4.6.2 模型试验的状态参数范围宜涵盖潜艇正常机动条件下的各种工况。一般情况下，模型试验的攻角变化范围为12。运运12，漂角9变化范围为12主三三12。：对于“十”字型艇布局的潜艇，模型试验的围壳舵（或腊升降舵

6、）角ob变化范围为25b25。，艇升降舵角os变化范围为35乓os运35。，方向舵角r变化范围为35。or三35。，。模型试验的横倾角变化范围与艇型有关，可取为16。运16。，。模型试验的回转角速度和纵倾角速度变化范围由艇型和试验设备的试验能力确定，但角速度上限应接近或大于潜艇正常机动的上限值。4. 7 试验设备用于操纵性模型试验的实验设备主要为低速风洞、旋臂水池、拖曳水池、平面运动机构等。对于操纵性预报用的水动力系数的测量按表1的规定选取相应的试验设备进行模型试验。水动力分量可用六分力天平测量。表1水动力试验设备水动力试验设备备注序号系数（其他方法）风洞（拖曳水池）旋臂水池平面运动机构1 纵

7、向力系数1.1 x qq 一./ 用理论计算值近似1.2 x ./ 一用理论计算值近似 1.3 x P 一./ 一用理论计算值近似1.4 X . 一一理论计算1.5 x 一./ 用理论计算值近似Yr 1.6 X 明./ 用理论计算值近似1.7 x:. 一快速性试验1.8 x ./ 一一vv 1.9 x ./ 一WW 1.10 x 6,6, ./ 一2 Z 268-2002 表1（续）水动力试验设备备注序号系数（其他方法）风洞（拖曳水池）旋臂水池平面运动机构1.11 Xs,s, ,/ 一1.12 xbbob ,/ 一1.13 a; 快速性试验1.14 bi 一快速性试验1.15 C; 快速性试验

8、2 侧向力系数2.1 y ,/ 理论计算2.2 r,. It ,/ 理论计算2.3 YPIPI ,/ 2.4 yp q ,/ 用理论计算值近似2.5 Yqr ,/ 2.6 Y叫rJ,/ 2.7 y ,/ 理论计算2.8 r;q ,/ 2.9 Ywp ,/ 用理论计算值近似2.10 Y， ,/ 2.11 r; ,/ 2.12 yp ,/ ,/ 2.13 Ir ,/ 2.14 fvlrl ,/ 2.15 Y+I ,/ 2.16 瓦,/ 2.17 r; ,/ 2.18 YV:, ,/ 2.19 r;, ,/ 2.20 Yvs, ,/ 3 垂向力系数3.1 z 一一,/ 理论计算3.2 z pp ,/

9、 用理论计算值近似3.3 z;, ,/ 3.4 z ,/ 用理论计算值近似3.5 z qlql ,/ 3.6 z .& 理论计算3 Z 268-2002 表1（续）水动力试验设备备注序号系数（其他方法）风洞（拖曳水池）旋臂水池平面运动机构3.7 z;, 一.j 一一3.8 z. p .j 一用理论计算值近似3.9 z; .j 一3.10 21q1.s, .j 3.11 Z叫qi.j 3.12 z: .j 一一一3.13 z: .j 一3.14 Z叫叫.j 一一3.15 21w1 .j 一一3.16 z WW .j 3.17 z. v .j 3.18 z， .j 3.19 Zw.s, .j 一3

10、.20 z .Sb .j 3.21 z w.Sb .j 一一4横倾力矩系数4.1 K 一一.j 理论计算4.2 K A 一一.j 理论计算4.3 Kqr 一.j 一用理论计算值近似4.4 K” .j 用理论计算值近似4.5 K巾一.j 一4.6 K .j 4.7 直p 一.j .j 一4.8 K: 一.j 一4.9 K乌一一.j 理论计算4.10 K咱 一.j 一用理论计算值近似4.11 Kw p .j 用理论计算值近似4.12 K ” ,. 一.j 用理论计算值近似4.13 K; .j 4.14 K; .j 一4.15 K制.j 4.16 K:.,. .j 一4.17 K， .j 一一4.1

11、8 K .s, .j 4 CB/Z 268-2002 表1（续）水动力试验设备备注序号系数（其他方法）风洞（拖曳水池）平面运动机构5 纵倾力矩系数5.1 M I-./ 理论计算5.2 M pp 一用理论计算值近似5.3 M ./ 用理论计算值近似5.4 M rp ./ 用理论计算值近似5.5 Mqlql 一./ 5.6 M 叫k一一理论计算5.7 M， ./ 一5.8 M p ./ 用理论计算值近似5.9 M q 一./ 5.10 Mlqlo, 一./ 一5.11 Ml叫q./ 一5.12 M; 一一5.13 M: ./ 5.14 M叫叫5.15 Ml叫一5.16 Mww ./ 一一5.17

12、M w ./ 5.18 M o, ./ 5.19 M wo, 5.20 M ob ./ 5.21 M wSb ./ 6 转精力矩系数6.1 N -/II. ./ 理论计算6.2 N , ./ 理论计算6.3 N pq ./ 用理论计算值近似6.4 N qr ./ 一用理论计算值近似6.5 N,1,1 一./ 6.6 N乌一./ 理论计算6.7 N - ./ 一wr 6.8 N wp 一./ 用理论计算值近似6.9 N vq ./ 一用理论计算值近似6.10 N p ./ ./ 5 CB/Z 268一2002表1（续）水动力试验设备备注序号系数风洞（拖曳水池）旋臂水池平面运动机构（其他方法）6.

13、11 N; 6.12 NlrlB, 6.13 Nlvlr 6.14 N: 6.15 N; 6.16 Nvlvl 6.17 N vw 6.18 N， 6.19 NvB, 5 凤洞模型试验方法5. 1 试验模型的安装./ ./ 一./ ./ ./ 一./ 一./ ./ 一./ 一试验模型通常采用双支杆支撑的安装方式，前支杆一般位于试验坐标原点处，见图1。应通过调节模型配重的方法使模型的重心靠近试验坐标系的原点。一般情况下应在支杆外加装导流罩减小支杆对模型水动力的干扰。u a) 模型正装5.2 模型姿态的控制b) 模型反装图1凤洞模型安装示意图c) 模型反装假支架5. 2. 1 模型的姿态可由支杆运

14、动控制。通过后支杆上下移动使模型绕前支杆转动设定模型的攻角，通过后支杆绕前支杆水平转动设定模型的漂角p。5.2. 2 模型相对运动速度在艇体坐标系的三个分量按公式（2）计算，其无量纲表达式由公式（3)表述：u = u cos /3 cos1 v = -u sin /3 r . (2) w = U cos f3 sinJ 6 Z 268一2002u cos /3 cos v =*=-sin/3 w = = cos /3 sin ） 式中：L一风洞中风速，单位为米每秒（m/s）。5.2.3 测力传感器通常为外置的塔式机械六分力天平或内置的盒式六分力应变天平。试验前后应对测力天平进行静校验或标定，确

15、保测试数据有效可靠。5.3 标准试验工况5.3. 1 水平面试验水平面试验包括单独变漂角试验、单独变方向舵角试验和藕合变漂角变方向舵角试验，试验工况及试验测定的水动力系数见表2。鹅合变漂角变方向舵角试验可固定舵角变漂角，也可固定漂角变舵角。表2风洞模型试验测定的水动力系数序试验工况测定的水动力系数号线性系数非线性系数水平面变漂角y: , K;, N; X y:ivl Z K:lvl M N:jvj ” 2 水平面变方向舵角Y;, , K， , N， x ; ,6, 3 水平面糯合变漂角变方向舵角Y斗rKs, N vs_ 4 垂直面变攻角Z M x:., z:1w1 z队z:_,M:lwl M归

16、” w w , M ”明F5 垂直面变围壳舵角z M xb blib 15b , ;b 6 垂直面变艇升降舵角（膊升降舵）z. M x , 15, 15,15, 7 垂直面搞合变攻角变围壳舵角（ii一Z M 升降舵）w/ib , wlib 8 垂直面糯合变攻角变艇升降舵角一Z wli, M wo, , 9 空间稿合变漂角变攻角Y, w KV w NV w , 5.3.2 垂亘面试验垂直面试验包括单独变攻角试验、单独变围壳舵角踏升梅舵）试验、单独变艇升降舵角试验及藕合变攻角变舵角试验，试验工况及试验测定的水动力系数见表2o稿合变攻角变舵角试验可固定舵角变攻角，也可固定攻角变舵角。5.3.3 空间

17、试验空间试验为藕合变漂角变攻角试验，试验测定的水动力系数且表2o空间试验可固定漂角变攻角，也可固定攻角变漂角。5.3. 4 支杆干扰试验风洞模型试验前，应进行支杆干扰试验，扣除模型安装支杆对模型水动力的影响量。支杆干扰试验可采用风洞气动力试验通用的三步法，即模型反装、模型反装加镜像支架和模型正装（见图1)7 Z 268-2002 三步试验测定支杆干扰量。支杆干扰试验的试验工况为水平面变漂角试验、垂直面变攻角试验和空间试验，应与相应的模型正装试验工况一致。支杆干扰量按公式（4）计算，模型水动力分量按公式（5）修正：M =Fe -Fb . (4) F=F -M . ( 5) 式中：M一一由支杆引起

18、的对水动力分量的影响值：Fe一一反装加镜像支杆状态下测得的水动力分量；4一一反装支杆状态下测得的水动力分量：几一一正装支杆状态下测得的水动力分量：F一经对支杆影响修正后的单独作用在模型上的水动力分量。5.4 试验数据处理5.4. 1 试验数据修正正装支杆状态下测得的水动力分量应按公式（5）扣除支杆干扰量，并按公式（6）进行无量纲化和风洞阻塞修正：式中： 一一风洞阻塞修正系数：X= - -tPLiUi(l）:l Y= - ; -tPLU(Iy z= - ;. -2U2(1）:l K K= - - -t pl!U2(l ） M= . ( 14) r=-ncoscos I p =-Qsin f3 I

19、 q = n cos f3 cos cfJ . ( 15) r = -n cos f3 sin I p = pLIU l q =qLIU . (16) r = rLIU I 6. 3.3 阅力传感器一般可采用水密型内置式六分力应变天平。试验前应对天平进行标定，试验后应进行复校，确保测试数据有效可靠。6.4模型惯量校验试验前应对模型进行惯最校验，包括模型称重、重心位置测定和转动惯量测定。惯量校验时，模型的非水密部分应充满水，通过调节模型配重的方法使模型的童心与试验坐标系原点重合。试验中应记录模型质量的变化，并及时对与模型质量有关的试验参数作相应的修正，试验后应进行模型质量和愤量的复校，确保测试数

20、据有效可靠。6.5 标准试验工况6. 5. 1 水平面试验水平面试验包括变漂角变角速度试验和变方向舵角变角速度试验，试验工况及试验蜡定的水动力系数见表3o6.5. 2 垂直面试验垂直面试验包括变攻角变角速度试验和变幌升降舵角变角速度试验，试验工况及试验测定的水动力系数晃表3o6.5.3 空间试验空间试验包括模型倒装时藕合变攻角变漂角变角速度试验和棋合变横假角变漂角变角速度试验、模型侧装时稿合变漂角变攻角变角速度试验和精合变横倾角变攻角变角速度试验，试验工况及测定的水动力系数见表3o空间试验时宜将支杆导流罩拆除，但应通过支杆干扰试验扣除无导流罩时支杆对模型水动力导数的影响，保证空间试验的数据精度

21、。6.5.4 支杆干扰试验旋臂水地单平面试验中的支杆干扰一般可忽略不计。空间试验无导流罩时，支杆的干扰可采用光艇体模型试验测定，支杆干扰试验的试验工况及测定的水动力见表4。支杆干扰囊按公式(17）计算：!:Ji （，r) 如（，r)-Fr(-/3,r)I . (17) !:Ji侈，q)=F盯侈，q）Fr（鸣，q)I 10 avz m拟踵式中z序号1 2 3 4 5 M徊，吟，M侈，q）一一由支杆引起的对水动力分量的影响也F盯徊，r),F,盯俏，q）一一无导流罩状态下的水动力分量：Fr(-/J，吟，Fr（唱，q）一一有导流罩状态下的水动力分量。襄3旋臂水池模型试验测定的水动力系数试验工况测定的水

22、动力系数线性项非钱性项水平面变漂角变角速度试撞r; K; N; x x: Y斗马IZ z 、W、YI 、K M M: N;1 N(v1, 、水平面变方向舵角变角速度试验一引8,NI rl8r 垂直面变攻角变角速度试验z M X X Z z;,q, M 何、鸣、咐！、州、q 、q Ml咐垂直面变提升降舵角变角速度试验一z,qjB, Ml qj8, 空模型倒装变攻角变漂角变角速度试验巧，巧r;,plY斗ZKKK、prp plpl叩间M；，、町、N沁、N乌、Y斗、K：.，、吨，水动模型倒装Y乌r;pZZ K K M M 力变漂角变攻角变角速度试验pp矗、pp甲试NNW，P、Y崎、Kv.q、Nvq 验

23、模型器装模型侧装变横倾变角速度试验F K;, N;, 、表4旋臂水池支杆干扰试验工况及测定的艰动力序号试验工况水动力1 变攻角变角速度光艇体试验（倒装状态）FNT（，r) 支杆无导流罩FNT(J,q) 2 变漂角变角速度光麓体试验（倒装状态3 变攻角变角速度光艇体试验（侧装状态）乓（，q)支抨带导流罩乓俏，r)4 变漂角变角速度光艇体试验锢装状态6.6试捡数握处理6. 6. 1 试验数据修正试验挺得的水动力应扣除模型的离心力和离心力矩，空间运动试验还应扣除文杆干扰的影嘀值，然后再按公式(1）进行无量纲化处理。6.6.2 数据回归分斩将无量纲化处理后的各试验方案的水动力系数按公式(18）公式（2

24、3）进行回归处理，得到运动方程中各水动力系数。xxuuXv2+Xr x :,v争+X i,o,u写,2+X乌wx归2r +X占wq+X，pX B,o,u 匀s2 + X ibabu匀JJ (18) 11 CB/Z 268一2002Y乓u2+r:u斗斗Yv Iv l+Y vlr l+Y u” viI I I vlrl I I u、+ r，1, Ir I + r;, u飞Y旷呐r;upl（川+r;IPIP州r;Pwr;qP正r;,q r r +r;,wrY斗v旨jZ= Z ;u2 + Z v2 + Zr2 + Z， v r + z:uZ:.Ww2 +z:lwlw lw I+ Z(wlu lwI 、

25、，nu 句，Jf飞飞IllLIlllJ+ Zu z;1q1qlq I+ z wl俨lq+ zll6,uJql8s + z:s,u匀s+ z :Sb u吁b+zpp2+z z， pr KKuKuKvIvl+Kur +K；叫（+K斗wp+K;qPqK二qr+ K， wr + Kq vq . (21) MM凶z+ M v z + M r z + M ;, v u vv +M uw + M w2 + M wlw I+ M U lw | wlwl I I I叫+ M ;u M ;lqlq Jq J + M (w jq Jw lq + M (qj6, u lqs + M 6, u z8,+M6bu28b

26、+M马p2+M;PvM p 、，J句，q缸，t、NNuNuv NlvlvIvI+ N(vlrlvlr+N；的+N;I川r1 + N，u2r + N(,10, ulr 1， +Nu +NIPIPIP 1叽PWPNpqN;,q r +N，wrNqv 、，句、Mq缸，飞、. 操纵性评估时可使用下列两种方法处理得到水动力系数值：a) 使用小漂角（士3。）、小攻角（士3。）和小角速度（最大三个试验半径的正反转）的试验结果，利用公式(18）公式（23）中有关线性项进行线性回归。该套水动力系数包括表3中第一和第三行中所列的线性项，进行稳定性等操纵性指标的计算。b) 使用试验漂角或试验攻角为零度的试验结果回归

27、得到有关线性和非线性旋转导数：然后在固定旋转导数的基础上，使用对应试验方案所有试验数据，利用公式(18）公式（23)整体回归得到方程中其他有关线性、非线性和糯合水动力导数：最后在固定单平面水动力导数基础上，由空间试验结果通过整体回归得到空间水动力导数。该方法与所有试验数据的回归相关系数较高，可用于单平面和空间运动计算。7 平面运动机构模型试验方法7. 1 试验模型的安装试验模型一般可用双支杆腹支撑安装方式，平面运动机构前、后支杆通过应变式水密传感器与模型连接，两支杆相对于模型坐标原点等距离分布。水平面运动和横摇运动时，模型可采用侧装方式（一般右舷朝下），见图2a）：作垂直面运动时，模型可采用倒

28、装方式，见图2b）。12 CB/Z 268-2002 a) 水平面运动（模型右弦向下侧装）（ 町，b) 垂直面运动（模型倒装图2平面运动机构模型安装示意图7.2 模型姿态控制7. 2. 1 模型姿态可由支杆运动控制。7.2. 2 测力传感器一般可采用水密型内置式四分力应变天平。试验前应对天平进行标定，试验后应进行复校，确保测试数据有效可靠。7. 3 模型惯量校验试验前应对模型进行惯量和重心校验，包括测定模型绕x轴惯性距Ix、绕y轴惯性距Iy、船体绕z轴惯性!EeI和模型重量，同时通过调节模型配重的方法使模型的重心与模型坐标原点重合。校验时，模型的非水密部分应充满水。试验中应记录模型质量变化并及

29、时对与模型质量有关的试验参数作相应的修正，试验后应进行模型质量和惯量复校，确保测试数据有效可靠。7.4标准试验工况7. 4. 1 水平面试验7. 4. 1. 1 纯横荡试验平面运动机构作纯横荡试验时，模型应侧装，前后两支杆振幅应相等，相位应一致，作同步正弦运动，模型偏航角应始终保持为零。一般通过纯横荡运动求取加速度系数马、K乌、N乌。试验时，支杆振幅应不小于40阳，频率在0.1 Hz 0. 5 Hz范围内，取五至六个频率进行试验，试验工况及试验测定的水动力系数见表5。7.4. 1.2 纯蜡摇试验13 Z 268-2002 平面运动机构作纯腊摇试验时，模型应侧装，前后两支杆应保持恒定相位差，使模

30、型原点纵轴始终保持与原点轨迹相切，原点处漂角应始终保持为零。一般通过纯脂摇试验求取角加速度系数Y牛、K， No试验时，支杆振幅应不小于40mm，频率在0.1 Hz 0. 5 Hz范围内，取五至六个频率进行试验，试验工况及试验测定的水动力系数见表5o7.4.2 垂直面试验7.4.2. 1 纯升沉试验平面运动机构作纯升沉试验时，模型应倒装，前后两支杆振幅应相等，相位应一致，作同步正弦运动，模型纵倾角始终保持为零。一般通过纯升沉运动求取加速度系数z、Mo试验时，支杆振幅应不小于40mm，频率在0.1 Hz 0.5 Hz范围内，取五至六个频率进行试验，试验工况及试验测定的水动力系数见表5。7.4.2.

31、 2 纯俯仰试验平面运动机构作纯俯仰试验时，模型应倒装，前后两支杆应保持恒定相位差，使模型原点纵轴始终保持与原点轨迹相切，原点处攻角应始终保持为零。一般通过纯俯仰试验求取角加速度系数z、M#i。试验时，支杆振幅应不小于40mm，频率在0.1 Hz 0. 5 Hz范围内，取五至六个频率进行试验，试验工况及试验测定的水动力系数见表5。7.4.3 纯横摇试验平面运动机构作纯横摇试验时，模型应侧装，模型以速度U拖航，前后两支杆应固定，攻角、漂角均为零，模型作周期性横摇。一般通过纯横摇试验求取横摇水动力系数巧、K，N；和加速度系数Y豆、Kfe、Nfe。试验时，横摇幅度应不小于4。，频率在0.1 Hz 0

32、. 3 Hz范围内，取五至六个频率进行试验，试验工况及试验测定的水动力系数见表5o纯横摇试验可采用两种方法实现，一是通过第三根支杆的振荡带动模型运动：二是模型内置横摇驱动设备带动模型运动。使用模型内置横摇驱动设备的方法，避免因增加支杆带来的模型水动力干扰。序号2 3 4 5 7. 5 试验数据处理7. 5. 1 数据处理表5平面运动机构试验测定的水动力系数试验工况测定的水动力系数水平面纯横荡Y斗N斗K斗水平面纯腊摇r; N斗K垂直面纯升沉Z M乌垂直面纯俯仰Z主M# .(28) + （ pL3 N）uv 7. 5. 3 数据分析方法将每种运动形式的运动方程代入公式（24）公式（28），各水动力系数将成为正弦项和余弦项的系数，与平面运动机构试验测得各力的正弦分量和余弦分量相对应。扣除惯性力和惯性力矩，利用对应试验工况下测得的频率、振幅、周期的正弦分量和余弦分量，作整体线性回归，可求出表5所列的相应的水动力系数。15