一款國內豪華游艇的設計建造特點及技術改進

(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

18.89 m(62 ft)游艇為非營運性豪華游艇，其動力數量及推進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范》(2005)的相關要求進行建造，按CCS《沿海小船檢驗規范》(2001)對沿海航區營運限制的要求進行檢驗。該游艇造型動感美觀、功能齊全、空間感強、動力強勁、操縱靈便、靜音舒適且人機關系協調，充分體現了游艇的美學價值和商品價值，深得用戶喜愛。

1 船舶概況

1.1 主要參數

總長Loa18.817 m

水線長(船長)Lwl16.070 m

型寬B5.736 m

型深D2.410 m

設 計 吃 水T0.860 m

滿載 排水量 △ 35 t

航速V31 kn

主機功率P320 kW×4

1.2 船舶布置

該游艇布置的艙室數量、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，實現主尺度小卻分艙多的目標，共5房、1廳、1沙龍、1廚、3衛、2艙、1庫(小艇庫)；其次，不同于歐美常規游艇布置緊湊、擁擠且會出現視覺通透感不強，該船布置合理，盡顯對稱之美，同時借鑒了家居復式樓的優點，既有優良的視覺效果又符合東方人之審美特點；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，充分體現簡約而不簡單的設計理念。具體布置見圖1。

圖1 總布置圖

2 船舶動力性能預評估

因航速高且布置緊湊，故而該游艇在初步設計時推進裝置擬用4套瑞典VOLVO PENTA生產的IPS600船用柴油機系統，其單機最大功率為320 kW，最大轉速3 500 r/min，IPS600系統為機-軸-槳-舵一體式結構，見圖2。采用該系統不僅可減少軸系、舵系的設計、安裝和調試，而且甚至比傳統的主機-齒輪箱-軸系-人字架-舵系這套系統的成本低廉，體現優越的建造經濟性，同時其重量也比傳統的系統總重輕，方便全船重量控制。

VOLVO PENTA公司在和用戶達成系列主機交易之前，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。當船舶重心向腫前調整0.25 m時，評估曲線顯示航速和縱傾角兩項結果符合要求，最終確定該游艇配裝IPS600方案的可行性。

圖2 IPS系列機-軸-槳-舵外觀圖

圖3 航行阻力、推力與航速關系

圖4 航行縱傾角與航速關系

3 船體結構

該游艇為單板、橫骨架式結構形式，構件剖面為“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格的特殊船舶，在初步設計時采取有效方法，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，因此該區域的船底骨架設計尤為重要。一般而言，對橫骨架式游艇，船底龍骨對之影響次之，主要影響來源于實肋板，而“規范”要求實肋板間距應不大于2 個肋位。在設計的過程中對關鍵的12～20號肋位船底的橫向構件的不同設置進行了對比計算。①每2個肋位設置實肋板；②每個肋位設置實肋板，計算要求的實肋板剖面模數前者為977.5 cm3，而后者為601.7 cm3，前者大出后者38.5%，顯然在實際設計中采用后者對凈空有好處。同時在繪制橫剖面圖中使實肋板的腹板高度從縱中剖面向舷側逐漸減小[1-2]，給主人房地臺板的布置提供了更大的調整裕度。

帽型剖面構件的腹板高度與厚度之比不應超過30，其面板寬度與厚度之比不應超過20，帽型材結構剖面見圖5。

圖5 帽型材剖面示意

上述比值往往被船舶設計者甚至圖紙審核工作者忽略。若超過該規范限定值，帽型材的腹板和面板本身存在穩定性不足的問題，給整船的結構安全埋下隱患。而FRP成型工藝對構件的厚度亦有要求，構件太厚，若一次成型易出現固化不良[3-4]，最終致使構件存在內應力而降低構件實際強度；從施工角度，若幾次成型，無疑增加了固化和施工時間，增加了作業難度、強度和人工成本，經濟性不佳。因此應依據實際情況采取恰當的工藝。經計算、優化和比較，最終選定該游艇12～20號肋位實肋板尺寸b1×b2×h×t為100 mm×120 mm×250 mm×13 mm。

當前某些游艇制造廠施工人員的識圖水平有限，設計者在一些最重要的環節進行結構設計的時候一般會盡量減少構件尺寸和類型，方便現場識圖和正確施工。如該游艇船底橫向構件每個肋位設置實肋板，除厚度t不同，b1、b2、h都取相同值，事實證明該方法是有效且受歡迎的。

游艇舷側、上層建筑側壁、都不可避免有大開口，但凡外板有開口均要求加強。對于FRP游艇外板大開口的補強實際施工中采取以實木等有效芯材外覆FRP的措施，進而保證裝修空間。因大開口會減小補強構件的有效帶板寬度，一定程度削弱了補強構件的有效強度，但有效芯材是參與結構計算的，能補償補強構件削弱量，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現伸縮自動化，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”結構， 與頂甲板具有相同的梁拱。若是5 m2的常規 “三明治”結構板，不采取周邊任何加強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。為了避免出現類似故障，在施工中采用如圖6所示的復合材料柱為內部加強的成型工藝，制造出來的板重量輕，強度高，不易變形，使用至今均未出故障。此加強工藝的采用和實際效果與文獻[5]一致。

圖6 復合材料柱/“三明治”夾芯結構示意

4 船舶經濟性、操縱性和環保性

1) IPS600的主機實際單機功率為320 kW，但卻能發出相當于傳統主機440 kW(600 PS)的功率。由圖2可知，主機與螺旋槳距離近，功率傳遞中機械損失小；螺旋槳采用的是對轉槳，較之傳統的槳，推進效率高[ 6 ]；此外傳統的動力推進系統因尾軸與基線存在角度，故而推進方向也與基線存在角度，而IPS的螺旋槳推進方向與基線平行，較之傳統的推力損失小。所以使用IPS系統因具有高的推進效率而具有良好的燃油經濟性。

2) 采用VOLVO PENTA IPS600主機，使該游艇具備優越的操縱性。使用主機專配的搖桿，便可實現游艇8個方向的平行運動和原地360°旋轉，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。正是因為其良好的操縱性，省去了傳統的艏艉側推裝置，減少了重量和系統，進一步改善了建造經濟性。

3) IPS600主機采用水下排氣法，有效減少了有害氣體的排放，同時也降低了噪音，實現了節能減排，真正意義體現了環保理念。

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

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

[3] 田中 勤.玻璃鋼(FRP)成型工藝技術及應用[M].北京：中國環境科學出版社，1996.

[4] 王耀先.復合材料結構設計[M].北京：化學工業出版社，2001.

[5] 李興冀.復合材料柱/泡沫塑料夾芯結構板成型工藝及性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[6] 王國強，盛振邦.船舶推進[M].上海：上海交通大學出版社，1995.