高速雙體船帶T型翼和壓浪板自航船模的設(shè)計(jì)建造

張小波 曾令斌 周德武

摘? ? 要：本文針對(duì)高速雙體船減縱搖技術(shù)研究驗(yàn)證的需求，開展帶T型翼和壓浪板的自航船模的設(shè)計(jì)建造，以進(jìn)行自航船模試驗(yàn)，驗(yàn)證其減縱搖效果。通過對(duì)自航船模重量控制、船體材料選擇、推進(jìn)和動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備選型、縱搖設(shè)備裝配以及試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)的研究，采用鉚接方式成功制作了小型鋁合金自航船模，其滿足噴水推進(jìn)自航和自控減搖試驗(yàn)的要求，并通過了湖試試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：自航船模，雙體船

中圖分類號(hào)：U674.951? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and Construction of Self-propelled Ship Model for High-Speed Catamaran with T-wing and Wave Suppression Plate

ZHANG Xiaobo1，? ZENG Lingbin2，? ZHOU Dewu2

（ 1.92453 Troops， Fuzhou 350000;? 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： In order to meet the requirements of research and verification of anti-pitching technology for high-speed catamaran this paper carries out the design and construction of the self-propelled ship model with T-wing and wave suppression plate， so as to carry out the self-propelled model test to verify its anti-pitching effect. Based on the research on ship model weight control， hull material selection， propulsion and power system equipment selection， pitching equipment assembly and test control system， a small aluminum alloy self-propelled ship model is made by using the riveting method， which satisfies the water jet propulsion self-propelled and automatic anti-pitching test requirements and is verified by the test in open waters.

Key words： Self-propelled ship model; Catamaran

1? ? ?前言

大型高速雙體船通常采用可控式T型翼和壓浪板以減小縱搖，在船型及減搖附體設(shè)計(jì)中，首先通過水動(dòng)力仿真計(jì)算，對(duì)減搖附體的形狀、尺寸及布局等參數(shù)進(jìn)行初步優(yōu)化，并進(jìn)行水池試驗(yàn)驗(yàn)證;此外，為了驗(yàn)證主動(dòng)式減搖系統(tǒng)的減搖效果，還需要開展自航船模試驗(yàn)，在自航條件下進(jìn)行主動(dòng)式 T 型翼和壓浪板聯(lián)動(dòng)的開闊水面試驗(yàn)。對(duì)于這樣以運(yùn)動(dòng)模擬和測(cè)量為目的的高速自航船模，其輕量化設(shè)計(jì)及相關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的模擬是關(guān)鍵的技術(shù)問題。

2? ? ?自航船模技術(shù)要求

該高速雙體船的排水量為1 980 t，航速約37 kn，為方便數(shù)據(jù)對(duì)比，拖曳水池試驗(yàn)及自航試驗(yàn)采用同一個(gè)模型。同時(shí)，為兼顧拖曳水池試驗(yàn)條件以及自航湖試試驗(yàn)條件要求，根據(jù)水池拖車速度限制以及自航搭載等需求，采用1：14的縮尺比制作船模，船模長(zhǎng)度控制在7 m以內(nèi)，重量不超過600 kg。

自航船模（見圖1）的具體參數(shù)如下：

總長(zhǎng)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6.80 m

水線長(zhǎng)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6.20 m

型寬? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1.75 m

型深? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.50 m

吃水? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.22 m

排水量? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?586.67 kg

航速? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?≮5 m/s

由于該雙體船線型復(fù)雜，船體結(jié)構(gòu)重量較大，航速較高，通常情況下大約需要為各類搭載（推進(jìn)器、T型翼、尾壓浪板和電池）預(yù)留約三分之二的重量，也就是說，船模結(jié)構(gòu)的重量應(yīng)控制在200 kg左右，重量控制難度較大。此外，在考慮輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，船模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要保證模型在波浪中高速運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，并考慮推進(jìn)器、T型翼、尾壓浪板和電池安裝拆卸的局部強(qiáng)度和連接便捷性。

3? ? ?自航船模設(shè)計(jì)

自航船模主要包含：自航船模結(jié)構(gòu)本體;2臺(tái)噴泵及電機(jī);電池;可控式壓浪板和T型翼附體結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng);升沉傳感器、加速度傳感器;差查分GPS;航速航向控制系統(tǒng);壓浪板和T型翼的減搖控制系統(tǒng)等;另配岸基操作系統(tǒng)等。

自航船模設(shè)計(jì)，主要包括：結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì);設(shè)備選型及配重;減搖部件設(shè)計(jì)等。

3.1? ?船模材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的船模材料一般采用木質(zhì)或玻璃鋼材料，這兩種材料價(jià)格便宜、加工成型方便。但本案例的模型需考慮內(nèi)外場(chǎng)長(zhǎng)期試驗(yàn)及不同試驗(yàn)場(chǎng)地間的轉(zhuǎn)運(yùn)，木質(zhì)材料的變形會(huì)較大，而且T型翼、尾壓浪板、噴水推進(jìn)裝置安裝不方便;玻璃鋼材料重量較輕，但其薄板強(qiáng)度需要進(jìn)行加強(qiáng)，而且玻璃鋼船體與T型翼、尾壓浪板、噴水推進(jìn)裝置的連接與修改比較困難。因此，從強(qiáng)度、安裝便捷等方面考慮，模型材料應(yīng)考慮金屬材料，可采取焊接或鉚接形式進(jìn)行外部設(shè)備的連接。

據(jù)初步估算，采用普通鋼質(zhì)材料，船模結(jié)構(gòu)重量需要400～500 kg，遠(yuǎn)大于重量控制目標(biāo)，故只能采用鋁質(zhì)材料。鋁合金材料的密度僅為鋼材的三分之一，具有成熟的薄板焊接和鉚接工藝，在噴水推進(jìn)器、T型翼和尾壓浪板等設(shè)備的安裝位置，可通過預(yù)留安裝基面進(jìn)行重復(fù)安裝調(diào)試。

該船模尺度較大，為了便于后續(xù)對(duì)模型的重復(fù)利用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以后上人安裝調(diào)試的可行性，在材料及部件連接節(jié)點(diǎn)上參照了中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》的相關(guān)要求，并參照高速艇規(guī)范進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。

該船模結(jié)構(gòu)由外板板架、主甲板板架和橫艙壁板架構(gòu)成：外板為單板結(jié)構(gòu)，船底板板厚3 mm，舷側(cè)板板厚2 mm;連接橋與主甲板為一體，厚度為3 mm;主甲板其他區(qū)域和橫艙壁板板厚3 mm。

該船模底部設(shè)置兩道旁龍，在有設(shè)備的位置設(shè)置了橫向強(qiáng)框架;旁龍為2 mm帽型結(jié)構(gòu)，主甲板強(qiáng)橫梁/強(qiáng)肋骨均為2 mm帽型結(jié)構(gòu)。

船模結(jié)構(gòu)的重量約210 kg，滿足重量控制目標(biāo)要求。具體結(jié)構(gòu)圖，見圖2所示。

3.2? ?船模自控系統(tǒng)設(shè)備選型及配重

根據(jù)自航船模的阻力和試驗(yàn)航速≮5 m/s要求，每臺(tái)噴泵的功率應(yīng)不小于5 kW;并需配備噴水推進(jìn)泵控制系統(tǒng)，以控制噴水推進(jìn)泵的啟動(dòng)、停止、加/減速及轉(zhuǎn)向;倒斗、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)有角度指示器。經(jīng)對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比后，采用無錫市奧維特機(jī)械制造有限公司的JT130 A 噴水推進(jìn)泵，根據(jù)噴泵推力估算，航速可達(dá)5.5 m/s 。

電機(jī)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)噴水泵的啟動(dòng)、停止、加/減速及轉(zhuǎn)向與導(dǎo)航控制，經(jīng)選型采用上海振潯自動(dòng)化科技有限公司的電機(jī)控制系統(tǒng)，左右電機(jī)轉(zhuǎn)速配轉(zhuǎn)速表，最大轉(zhuǎn)速約3 000 r/min;自航船模采用兩臺(tái)噴水推進(jìn)泵作為推進(jìn)系統(tǒng)，噴水推進(jìn)泵具備遠(yuǎn)程遙控功能，岸基平臺(tái)可通過無線電信號(hào)控制噴水推進(jìn)泵的啟動(dòng)、停止、加/減速及轉(zhuǎn)向，可滿足航模試驗(yàn)對(duì)航速、航向控制的要求。

根據(jù)湖試試驗(yàn)的時(shí)間和航程要求，大約需配置20分鐘電源容量。全船電源系統(tǒng)包含：2套48 V120 AH鋰電池組、2套24 V120 AH鋰電池組、2套48 V120AH充電器及相關(guān)鋰電池充電插座，其中充電器放岸上。48 V鋰電池組用于噴水推進(jìn)供電，每套噴水推進(jìn)泵的驅(qū)動(dòng)器配1套鋰電池組。其中一組鋰電池給轉(zhuǎn)向和倒斗機(jī)構(gòu)供電，另外一組鋰電池給液壓泵站供電;24 V鋰電池組主要用于遙控和減搖測(cè)控設(shè)備供電。

按以上設(shè)備選型，自航船?？傊亓考s563 kg，各系統(tǒng)設(shè)備的重量如表1所列;慣量及重心位置可以用電池等可移動(dòng)重量在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整。

3.3? ?T型翼和壓浪板設(shè)計(jì)

T型翼和壓浪板均采用鋁合金材料。水翼模型選擇NACA0012翼型，采用襟翼形式，襟翼擺動(dòng)范圍為-15°～12°?？紤]到液壓和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)性，水翼與船體之間采用可拆卸的螺栓連接。T型水翼尺寸，如圖3所示。

壓浪板模型的尺度和擺動(dòng)角度如下：

長(zhǎng)度? ? ? ? ? 143 mm

寬度? ? ? ? ? 242 mm

擺動(dòng)角度范圍：0°～15°。

4? ? 自航船模建造與裝配

4.1? ?殼體建造

雙體自航船模的線型復(fù)雜，尺度較小，重量控制要求高，每個(gè)部件的重量必須精確控制。船體零部件、支架等在車間內(nèi)分別制作，加工完成后進(jìn)行稱重，再送船臺(tái)待裝;船體完工后，將艇體吊起，測(cè)量船體的總重量。

為保證船體線型的精確度，采用鉚接工藝，避免焊接帶來的變形影響;船模的裝配在專用裝配胎架上進(jìn)行，胎架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，胎架上與鋁質(zhì)構(gòu)件接觸處必須墊以硬質(zhì)木塊或橡皮;縱骨、縱桁以安裝線為準(zhǔn)進(jìn)行安裝，誤差 1 mm。

在進(jìn)行船體加工時(shí)，需同步考慮噴水推進(jìn)裝置與船體連接的加工工藝，必須在流道的上表面預(yù)留與噴水推進(jìn)器安裝基面的位置，以實(shí)現(xiàn)泵體的無縫連接;此外，需要預(yù)留出轉(zhuǎn)向和倒斗裝置控制系統(tǒng)的安裝面，以實(shí)現(xiàn)自航船模的操控。

4.2? ?部件裝配

由于船模船體線型復(fù)雜，活動(dòng)部件較多，試航航速高，安裝時(shí)應(yīng)注意防漏防濺等保護(hù)措施，重要零部件如聯(lián)軸器和齒輪箱等應(yīng)有備件：

（1）噴泵、T型翼和尾壓浪板，按模型殼建造時(shí)預(yù)留的噴泵驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、操作倒航機(jī)構(gòu)的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的安裝基座安裝，安裝時(shí)需保證連接軸對(duì)中良好，噴水泵基座及流道的貼合處、水翼與船體連接處不漏水;

（2）各種基座和設(shè)備、船體之間無明顯共振;

（3）電池采用封箱安裝于主甲板面上，避免水濺，高度和縱向位置可以調(diào)整;

（4）電纜線選型和布設(shè)滿足模型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，具有屏蔽隔離措施，動(dòng)力、信號(hào)、充電線應(yīng)該分開。

4.3? ? 試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)

自航船模裝配完成后具有自主航行能力，并可通過岸基支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線遙控測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)功能與組成如圖5所示：伺服控制部分實(shí)現(xiàn)對(duì)噴水推進(jìn)、T型翼和壓浪板等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制;航行控制部分實(shí)現(xiàn)船模的航速、航向控制;減搖控制部分實(shí)現(xiàn)縱搖和升沉的抑制;任務(wù)管理系統(tǒng)完成采集信息的存儲(chǔ)、自主航行控制任務(wù)的設(shè)定、無線通訊等任務(wù);岸基支持系統(tǒng)通過無線通訊實(shí)現(xiàn)自航船模運(yùn)動(dòng)信息的采集和對(duì)自航船模運(yùn)動(dòng)的遙控。

5? ? ?結(jié)束語(yǔ)

本自航船模在湖試試驗(yàn)中達(dá)到了5 m/s的航速要求，實(shí)現(xiàn)了噴水泵的啟動(dòng)、停止、加/減速及轉(zhuǎn)向岸基遙控控制，完成了在自航條件下進(jìn)行主動(dòng)式T 型翼和壓浪板聯(lián)動(dòng)的湖試試驗(yàn)，取得了湖試條件下的減縱搖試驗(yàn)預(yù)期成果。自航船模的設(shè)計(jì)和制造，為同類噴水推進(jìn)高速雙體船模的輕量化設(shè)計(jì)制造、設(shè)備安裝、減搖裝置聯(lián)控等自航試驗(yàn)技術(shù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

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