一款國內(nèi)豪華游艇的設(shè)計建造特點(diǎn)及技術(shù)改進(jìn)

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

18.89 m(62 ft)游艇為非營運(yùn)性豪華游艇，其動力數(shù)量及推進(jìn)形式在同級別游艇中新穎少見。按CCS《沿海小船入級與建造規(guī)范》(2005)的相關(guān)要求進(jìn)行建造，按CCS《沿海小船檢驗(yàn)規(guī)范》(2001)對沿海航區(qū)營運(yùn)限制的要求進(jìn)行檢驗(yàn)。該游艇造型動感美觀、功能齊全、空間感強(qiáng)、動力強(qiáng)勁、操縱靈便、靜音舒適且人機(jī)關(guān)系協(xié)調(diào)，充分體現(xiàn)了游艇的美學(xué)價值和商品價值，深得用戶喜愛。

1 船舶概況

1.1 主要參數(shù)

總長Loa18.817 m

水線長(船長)Lwl16.070 m

型寬B5.736 m

型深D2.410 m

設(shè) 計 吃 水T0.860 m

滿載 排水量 △ 35 t

航速V31 kn

主機(jī)功率P320 kW×4

1.2 船舶布置

該游艇布置的艙室數(shù)量、形式和功能性在同尺度的游艇中較為少見。首先，由主甲板將之分成上下2層，實(shí)現(xiàn)主尺度小卻分艙多的目標(biāo)，共5房、1廳、1沙龍、1廚、3衛(wèi)、2艙、1庫(小艇庫)；其次，不同于歐美常規(guī)游艇布置緊湊、擁擠且會出現(xiàn)視覺通透感不強(qiáng)，該船布置合理，盡顯對稱之美，同時借鑒了家居復(fù)式樓的優(yōu)點(diǎn)，既有優(yōu)良的視覺效果又符合東方人之審美特點(diǎn)；最后，該布置使該游艇功能齊全，自動化程度高，容家居、休閑娛樂空間于整船，充分體現(xiàn)簡約而不簡單的設(shè)計理念。具體布置見圖1。

圖1 總布置圖

2 船舶動力性能預(yù)評估

因航速高且布置緊湊，故而該游艇在初步設(shè)計時推進(jìn)裝置擬用4套瑞典VOLVO PENTA生產(chǎn)的IPS600船用柴油機(jī)系統(tǒng)，其單機(jī)最大功率為320 kW，最大轉(zhuǎn)速3 500 r/min，IPS600系統(tǒng)為機(jī)-軸-槳-舵一體式結(jié)構(gòu)，見圖2。采用該系統(tǒng)不僅可減少軸系、舵系的設(shè)計、安裝和調(diào)試，而且甚至比傳統(tǒng)的主機(jī)-齒輪箱-軸系-人字架-舵系這套系統(tǒng)的成本低廉，體現(xiàn)優(yōu)越的建造經(jīng)濟(jì)性，同時其重量也比傳統(tǒng)的系統(tǒng)總重輕，方便全船重量控制。

VOLVO PENTA公司在和用戶達(dá)成系列主機(jī)交易之前，需要對用戶的船舶的船型作出必要的評估，來判斷用戶的船型是否合適配裝該機(jī)型，需要用戶提供的資料有：船舶的3D型線圖(含上層建筑)、總布置圖、滿載排水量、空載排水量、滿載重心縱向位置等。該公司用評估軟件MPS(marine propulsion software)對本船的評估曲線見圖3、4。當(dāng)船舶重心向腫前調(diào)整0.25 m時，評估曲線顯示航速和縱傾角兩項(xiàng)結(jié)果符合要求，最終確定該游艇配裝IPS600方案的可行性。

圖2 IPS系列機(jī)-軸-槳-舵外觀圖

圖3 航行阻力、推力與航速關(guān)系

圖4 航行縱傾角與航速關(guān)系

3 船體結(jié)構(gòu)

該游艇為單板、橫骨架式結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)件剖面為“帽型”，全船主要以手工、輔以真空注塑成型建造而成。游艇是對空間要求很嚴(yán)格的特殊船舶，在初步設(shè)計時采取有效方法，在不違背基本原理的情況下不僅能保證空間，也能滿足規(guī)范要求。

由總布置圖顯示可知，主人房地臺板距基線的高度直接影響了房間凈空，因此該區(qū)域的船底骨架設(shè)計尤為重要。一般而言，對橫骨架式游艇，船底龍骨對之影響次之，主要影響來源于實(shí)肋板，而“規(guī)范”要求實(shí)肋板間距應(yīng)不大于2 個肋位。在設(shè)計的過程中對關(guān)鍵的12～20號肋位船底的橫向構(gòu)件的不同設(shè)置進(jìn)行了對比計算。①每2個肋位設(shè)置實(shí)肋板；②每個肋位設(shè)置實(shí)肋板，計算要求的實(shí)肋板剖面模數(shù)前者為977.5 cm3，而后者為601.7 cm3，前者大出后者38.5%，顯然在實(shí)際設(shè)計中采用后者對凈空有好處。同時在繪制橫剖面圖中使實(shí)肋板的腹板高度從縱中剖面向舷側(cè)逐漸減小[1-2]，給主人房地臺板的布置提供了更大的調(diào)整裕度。

帽型剖面構(gòu)件的腹板高度與厚度之比不應(yīng)超過30，其面板寬度與厚度之比不應(yīng)超過20，帽型材結(jié)構(gòu)剖面見圖5。

圖5 帽型材剖面示意

上述比值往往被船舶設(shè)計者甚至圖紙審核工作者忽略。若超過該規(guī)范限定值，帽型材的腹板和面板本身存在穩(wěn)定性不足的問題，給整船的結(jié)構(gòu)安全埋下隱患。而FRP成型工藝對構(gòu)件的厚度亦有要求，構(gòu)件太厚，若一次成型易出現(xiàn)固化不良[3-4]，最終致使構(gòu)件存在內(nèi)應(yīng)力而降低構(gòu)件實(shí)際強(qiáng)度；從施工角度，若幾次成型，無疑增加了固化和施工時間，增加了作業(yè)難度、強(qiáng)度和人工成本，經(jīng)濟(jì)性不佳。因此應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況采取恰當(dāng)?shù)墓に嚒＝?jīng)計算、優(yōu)化和比較，最終選定該游艇12～20號肋位實(shí)肋板尺寸b1×b2×h×t為100 mm×120 mm×250 mm×13 mm。

當(dāng)前某些游艇制造廠施工人員的識圖水平有限，設(shè)計者在一些最重要的環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候一般會盡量減少構(gòu)件尺寸和類型，方便現(xiàn)場識圖和正確施工。如該游艇船底橫向構(gòu)件每個肋位設(shè)置實(shí)肋板，除厚度t不同，b1、b2、h都取相同值，事實(shí)證明該方法是有效且受歡迎的。

游艇舷側(cè)、上層建筑側(cè)壁、都不可避免有大開口，但凡外板有開口均要求加強(qiáng)。對于FRP游艇外板大開口的補(bǔ)強(qiáng)實(shí)際施工中采取以實(shí)木等有效芯材外覆FRP的措施，進(jìn)而保證裝修空間。因大開口會減小補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件的有效帶板寬度，一定程度削弱了補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件的有效強(qiáng)度，但有效芯材是參與結(jié)構(gòu)計算的，能補(bǔ)償補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件削弱量，最廉價的有效芯材無外乎木方。

除此之外，該游艇的頂甲板上2.0 m×2.5 m共5 m2的大型自動伸縮天窗不僅能實(shí)現(xiàn)伸縮自動化，而且提高了沙龍和駕駛臺的采光、透氣之功能。天窗板為真空注塑成型的FRP“三明治”結(jié)構(gòu)， 與頂甲板具有相同的梁拱。若是5 m2的常規(guī) “三明治”結(jié)構(gòu)板，不采取周邊任何加強(qiáng)則不具備長時間耐候性，置于戶外過久會變形，使天窗密封性變差、不能伸縮。為了避免出現(xiàn)類似故障，在施工中采用如圖6所示的復(fù)合材料柱為內(nèi)部加強(qiáng)的成型工藝，制造出來的板重量輕，強(qiáng)度高，不易變形，使用至今均未出故障。此加強(qiáng)工藝的采用和實(shí)際效果與文獻(xiàn)[5]一致。

圖6 復(fù)合材料柱/“三明治”夾芯結(jié)構(gòu)示意

4 船舶經(jīng)濟(jì)性、操縱性和環(huán)保性

1) IPS600的主機(jī)實(shí)際單機(jī)功率為320 kW，但卻能發(fā)出相當(dāng)于傳統(tǒng)主機(jī)440 kW(600 PS)的功率。由圖2可知，主機(jī)與螺旋槳距離近，功率傳遞中機(jī)械損失小；螺旋槳采用的是對轉(zhuǎn)槳，較之傳統(tǒng)的槳，推進(jìn)效率高[ 6 ]；此外傳統(tǒng)的動力推進(jìn)系統(tǒng)因尾軸與基線存在角度，故而推進(jìn)方向也與基線存在角度，而IPS的螺旋槳推進(jìn)方向與基線平行，較之傳統(tǒng)的推力損失小。所以使用IPS系統(tǒng)因具有高的推進(jìn)效率而具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2) 采用VOLVO PENTA IPS600主機(jī)，使該游艇具備優(yōu)越的操縱性。使用主機(jī)專配的搖桿，便可實(shí)現(xiàn)游艇8個方向的平行運(yùn)動和原地360°旋轉(zhuǎn)，使游艇駕駛者能輕松完成對游艇的操控，盡享高科技成果，游艇智能化更是上了一個臺階。正是因?yàn)槠淞己玫牟倏v性，省去了傳統(tǒng)的艏艉側(cè)推裝置，減少了重量和系統(tǒng)，進(jìn)一步改善了建造經(jīng)濟(jì)性。

3) IPS600主機(jī)采用水下排氣法，有效減少了有害氣體的排放，同時也降低了噪音，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，真正意義體現(xiàn)了環(huán)保理念。

[1] 中國船級社.沿海小船入級與建造規(guī)范(2005)[S].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 中國船級社.沿海小船檢驗(yàn)規(guī)范(2001)[S].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 田中 勤.玻璃鋼(FRP)成型工藝技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[4] 王耀先.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[5] 李興冀.復(fù)合材料柱/泡沫塑料夾芯結(jié)構(gòu)板成型工藝及性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[6] 王國強(qiáng)，盛振邦.船舶推進(jìn)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.