新型龍舟的研制與開發(fā)

許亞萍 賈浩程 劉慧慧

(1.浙江大學(xué)公共體育與藝術(shù)部 浙江杭州 310023;2.浙江科技學(xué)院體育部 浙江杭州 310023;3.北京市第一七一中學(xué)北京 100013)

龍舟運(yùn)動(dòng)的基本器械是龍舟，離開龍舟即無所謂龍舟運(yùn)動(dòng)[1]。2016年，國(guó)家體育總局印發(fā)的《水上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》推動(dòng)水上運(yùn)動(dòng)裝備升級(jí)專欄中提到大力發(fā)展水上運(yùn)動(dòng)船只、水上娛樂設(shè)施、水上安全及救生用品、水上休閑裝備等水上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品，為水上運(yùn)動(dòng)裝備“中國(guó)制造”升級(jí)及擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主品牌制造探索出一條新的道路[2]。龍舟運(yùn)動(dòng)依托于場(chǎng)地、器械等物質(zhì)條件而存在[3]。目前，在正式比賽中使用的龍舟主要有兩種標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)上已經(jīng)由實(shí)木改為玻璃纖維，經(jīng)過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)目前龍舟存在體型笨重、速度緩慢等缺陷。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

該文以新型龍舟的研制為研究對(duì)象。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)資料法

通過查閱學(xué)校圖書館、CNKI中國(guó)知網(wǎng)及Web of Science等論文數(shù)據(jù)庫，以龍舟運(yùn)動(dòng)及船只改造為主題檢索相關(guān)研究文獻(xiàn)，為該研究中新型龍舟設(shè)計(jì)的理論技術(shù)、結(jié)構(gòu)要求及材料選擇等方面提供參考與借鑒。

1.2.2 頭腦風(fēng)暴法

針對(duì)新型龍舟的研制與開發(fā)，邀請(qǐng)了3位高校龍舟隊(duì)教練員、2位國(guó)內(nèi)龍舟運(yùn)動(dòng)資深從業(yè)者及3位機(jī)械設(shè)計(jì)方面的教研人員組成了新型龍舟設(shè)計(jì)研究小組，共同探討了關(guān)于我國(guó)新型龍舟的設(shè)計(jì)、研制想法與觀點(diǎn)。在歸納匯總現(xiàn)有龍舟問題缺陷的同時(shí)，確認(rèn)新型龍舟將面向?qū)I(yè)龍舟運(yùn)動(dòng)群體進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)先考慮龍舟運(yùn)動(dòng)的競(jìng)技性和觀賞性，在保證一定穩(wěn)定性的前提下盡可能減小阻力，提升速度。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)法

初步確定新型龍舟的總體設(shè)計(jì)方案后，通過計(jì)算機(jī)建模模擬的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，從龍舟的外形、結(jié)構(gòu)和材質(zhì)方面進(jìn)行研制開發(fā)，通過優(yōu)化船體線型、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和減輕自重等方式達(dá)到提升速度的目的，研制出的新型龍舟在實(shí)踐檢驗(yàn)中進(jìn)行了樣船制造與模型試驗(yàn)，浮力情況符合使用需求，并具有一定的穩(wěn)定性，且船體阻力有所降低。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型龍舟的設(shè)計(jì)

要深入研究龍舟運(yùn)動(dòng)，建立適應(yīng)龍舟運(yùn)動(dòng)發(fā)展的比賽規(guī)則和管理體制，改變現(xiàn)有的不同民族各具特色的比賽器材、參賽人數(shù)、比賽場(chǎng)地設(shè)置、成績(jī)計(jì)算方式等[4]。在保留傳統(tǒng)龍舟文化元素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出在速度上較傳統(tǒng)龍舟有明顯提升的新型12人龍舟和新型22人龍舟。新型龍舟將面向?qū)I(yè)的水上運(yùn)動(dòng)群體人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于流體力學(xué)、人體工程學(xué)和美學(xué)等方面進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)先考慮龍舟運(yùn)動(dòng)的競(jìng)技性和觀賞性，在保證一定穩(wěn)定性的前提下盡可能減小阻力，提升速度，滿足更加專業(yè)的高競(jìng)技性比賽需求。

2.1.1 新型龍舟的材質(zhì)選擇

龍舟項(xiàng)目對(duì)場(chǎng)地和器材要求較高[5]。新龍舟將采用碳纖混合的復(fù)合材料和高密度填充材料，龍舟船體雙面貼合復(fù)合材料，龍骨采用碳纖維與芳綸混紡材料，腳蹬預(yù)埋不銹鋼配件，滿足運(yùn)動(dòng)員發(fā)力強(qiáng)度。整體減重約40%，重量約138～156kg，一定程度上減小了龍舟浸潤(rùn)面積，有效降低阻力。新型材料在提高速度的同時(shí)，還增加了40%的表面強(qiáng)度，能夠滿足沖灘的需求。船的整體密度小于水，船艙滿水狀況下不會(huì)沉入水面以下。

2.1.2 新型龍舟的船體線型

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，兩種幾何外形的船體在以4m/s的速度前進(jìn)過程中，尖頭船體產(chǎn)生的水波更小，水面較為平穩(wěn)，水波的波長(zhǎng)更長(zhǎng)。尖頭船體所受到的壓力較小，最大壓力位于船首上半部分。新型龍舟的升力系數(shù)達(dá)到4.099，阻力系數(shù)可降至1.473。由于新型龍舟的船身較窄及浮力等因素，船頭升沉幅度相對(duì)更大，船頭船尾將做20cm抬高處理，船型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎時(shí)考慮船體傾斜回穩(wěn)性，其轉(zhuǎn)彎半徑約27m。新型龍舟設(shè)計(jì)為流線型船底，如圖1所示。改進(jìn)后的船底線型為連續(xù)外凸弧面，能夠在保證一定穩(wěn)定性的條件下，將阻力系數(shù)降低至一半以下。

圖1 12人新龍舟（左）與22人新龍舟（右）橫截面圖

2.1.3 新型龍舟的座位排布與裝配

改進(jìn)后的新型龍舟采用交錯(cuò)的座位排布，減少船寬的同時(shí)也為運(yùn)動(dòng)員提供足夠的運(yùn)動(dòng)空間，新型龍舟的總體長(zhǎng)度并沒有過度加長(zhǎng)（見圖2）。新型12人龍舟最大寬度從1m減小至0.85m，22人龍舟最大寬度從1.1m減小至0.95m。新型12人龍舟和22人龍舟的總長(zhǎng)僅分別由9.60m和12.40m增長(zhǎng)至10.45m和13.95m（見表1）。

圖2 現(xiàn)有龍舟（左）與新型龍舟（右）座位排布對(duì)比圖

表1 新舊龍舟尺寸表

在龍舟的裝配上，考慮到運(yùn)輸因素，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱長(zhǎng)為40ft，船體長(zhǎng)度不能大于12m，新型12人龍舟長(zhǎng)度為10.45m能夠滿足裝箱要求，新型22人龍舟船體從船頭隔離艙分隔為兩段，分別為11.8m與1m。龍舟行進(jìn)過程中截?cái)嘟孛孀畹吞幬挥谒嬉陨希軌蜃畲蟪潭冉档鸵蚪涌p導(dǎo)致的流體阻力提高，同時(shí)對(duì)制造過程中的密封需求影響較小。

2.1.4 新型龍舟的腳蹬與坐凳

新型龍舟腳蹬設(shè)計(jì)為全腳掌支撐，腳蹬角度與前后距離可以調(diào)整（見圖3）。新型龍舟坐凳板向前傾角調(diào)整為7.5°，運(yùn)動(dòng)員在此狀態(tài)下能夠更好地發(fā)力并且相較以往坐凳具有更好的舒適度（見圖4）。坐凳中心點(diǎn)距離上船舷20cm，保證運(yùn)動(dòng)員腳部發(fā)力的舒適性。新型龍舟設(shè)計(jì)有單向排水裝置，可以使船內(nèi)水快速排出，以免影響船艇浮力、穩(wěn)定性和劃行速度。

圖3 可調(diào)節(jié)腳踏示意圖

圖4 新型龍舟坐凳示意圖

2.2 新型龍舟的實(shí)驗(yàn)分析

新型龍舟的樣船測(cè)試分別在千島湖國(guó)家水上水上訓(xùn)練基地與浙江大學(xué)紫金港校區(qū)啟真湖進(jìn)行，新型22人龍舟測(cè)試人員為專業(yè)皮艇與劃艇運(yùn)動(dòng)員，新型12人龍舟測(cè)試人員為專業(yè)劃艇運(yùn)動(dòng)員。此次實(shí)驗(yàn)中，新型22人龍舟樣船采用木質(zhì)，新型12人龍舟樣船為玻璃鋼材質(zhì)，主要通過浮性、穩(wěn)定性與速度方面測(cè)試新型龍舟的流線外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的性能，同時(shí)找出樣船存在的不足，為下一階段的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供科學(xué)的建議。

2.2.1 新型龍舟的浮性分析

舟艇浸沒在水中所受到的浮力大小等于舟體水下部分所排開相同體積水的質(zhì)量。浮體上通常作用有兩個(gè)力，即物體自身的重力與液體產(chǎn)生的浮力[6]。舟艇除受浮力作用外，還受到重力作用。在樣船測(cè)試中，新型22人龍舟的測(cè)試運(yùn)動(dòng)員平均體重達(dá)到95.6kg，高于預(yù)估計(jì)算值，新型22人龍舟處于超載狀態(tài)。測(cè)試中吃水線距離船上舷20cm，較設(shè)計(jì)理論值少2cm。新型12人龍舟，雖然采用密度較小的玻璃鋼材質(zhì)，但是船身重量依然較大，因此也處于超載狀態(tài)，測(cè)試中吃水線為19cm，較理論值少3cm。相比22人龍舟，12人龍舟船艙體積較小，對(duì)浮性變化的敏感性更高。通過樣船實(shí)驗(yàn)觀察，即使處于超載情況下，吃水線距離船沿能夠保持最少5cm的距離，新型龍舟依然能夠正常劃行，并滿足一定的競(jìng)技需求。由于設(shè)計(jì)采用了輕型材料，船體在滿水狀態(tài)下不會(huì)沉入水面以下，根據(jù)計(jì)算新型龍舟翻船后可為落水人員提供300kg以上的浮力。

2.2.2 穩(wěn)定性分析

船舶的穩(wěn)定性是指船舶在外力的作用下不致于傾覆，在外力消失后能夠自行恢復(fù)到平衡位置的能力[7]。為確保龍舟運(yùn)動(dòng)員具有更加舒適、科學(xué)的發(fā)力環(huán)境，滿載時(shí)船艇的重心會(huì)處于較高的位置。在樣船測(cè)試中，通過觀測(cè)新龍舟運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，新型12人、22人龍舟滿載在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠保持良好的穩(wěn)定性，但在嘗試劃行階段穩(wěn)定性較難保持，需要運(yùn)動(dòng)員平槳來控制船體穩(wěn)定。對(duì)于從未接觸過水上運(yùn)動(dòng)的初學(xué)者來說，新型龍舟的穩(wěn)定性還有所欠缺，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性保持對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)水平和默契程度有著較高的要求，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員在經(jīng)過一段時(shí)間的訓(xùn)練磨合下，能夠?qū)π滦妄堉圻M(jìn)行較好的控制，達(dá)到競(jìng)技運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。總體來說，新型龍舟在穩(wěn)定性與高速度兼容方面的表現(xiàn)達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期。

2.2.3 船速及阻力分析

舟艇在實(shí)際行進(jìn)過程中處于水和空氣兩種介質(zhì)中，所以船舶總阻力可以分為水下部分的水阻力和水上部分的空氣阻力[8]。水阻力占主要部分，而水阻力又可以進(jìn)一步劃分為靜水航行時(shí)所受到靜水阻力和洶濤阻力。由于技術(shù)方面的限制，舟艇阻力較難進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量與計(jì)算，因此速度實(shí)驗(yàn)主要通過新型龍舟與傳統(tǒng)龍舟的對(duì)比進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要選擇同為玻璃鋼材質(zhì)的新舊兩種12人龍舟，參與實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)員全部選自具有至少3年龍舟運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的浙江大學(xué)龍舟隊(duì)隊(duì)員。在多次50m和200m的對(duì)比測(cè)試中，嚴(yán)格控制隊(duì)員與間歇恢復(fù)時(shí)間。新型12人龍舟用時(shí)較傳統(tǒng)龍舟分別縮短約0.6s和3s。通過實(shí)驗(yàn)觀察，船頭部分在運(yùn)動(dòng)員周期發(fā)力的過程中會(huì)有較大的起伏，龍頭的接口斷面會(huì)出現(xiàn)浸入水面以下的情況，船頭部分會(huì)產(chǎn)生較大的阻力，因此在下一階段的設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)增加船頭倉浮力以抬高船頭，優(yōu)化船底型線，避免此情況下的船頭阻力提高。

3 結(jié)論

在對(duì)現(xiàn)有龍舟整體船型分析的基礎(chǔ)上，制訂了新型龍舟的總體設(shè)計(jì)方案，采用了樣船試制和實(shí)際檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

（1）船體在滿水狀態(tài)下不會(huì)沉入水面以下，且在翻船后可為落水人員提供300kg以上的浮力。

（2）新型12人、22人龍舟滿載在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠保持良好的穩(wěn)定性，吃水線距離船沿能夠保持最少5cm的距離，能夠滿足專業(yè)龍舟運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技需求。