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)

龍舟運動的基本器械是龍舟，離開龍舟即無所謂龍舟運動[1]。2016年，國家體育總局印發(fā)的《水上運動產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》推動水上運動裝備升級專欄中提到大力發(fā)展水上運動船只、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動產(chǎn)品，為水上運動裝備“中國制造”升級及擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的自主品牌制造探索出一條新的道路[2]。龍舟運動依托于場地、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準，材質(zhì)上已經(jīng)由實木改為玻璃纖維，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 研究對象與方法

1.1 研究對象

該文以新型龍舟的研制為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法

通過查閱學(xué)校圖書館、CNKI中國知網(wǎng)及Web of Science等論文數(shù)據(jù)庫，以龍舟運動及船只改造為主題檢索相關(guān)研究文獻，為該研究中新型龍舟設(shè)計的理論技術(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

針對新型龍舟的研制與開發(fā)，邀請了3位高校龍舟隊教練員、2位國內(nèi)龍舟運動資深從業(yè)者及3位機械設(shè)計方面的教研人員組成了新型龍舟設(shè)計研究小組，共同探討了關(guān)于我國新型龍舟的設(shè)計、研制想法與觀點。在歸納匯總現(xiàn)有龍舟問題缺陷的同時，確認新型龍舟將面向?qū)I(yè)龍舟運動群體進行設(shè)計，優(yōu)先考慮龍舟運動的競技性和觀賞性，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 實驗法

初步確定新型龍舟的總體設(shè)計方案后，通過計算機建模模擬的方式進行設(shè)計與計算，從龍舟的外形、結(jié)構(gòu)和材質(zhì)方面進行研制開發(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到提升速度的目的，研制出的新型龍舟在實踐檢驗中進行了樣船制造與模型試驗，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

要深入研究龍舟運動，建立適應(yīng)龍舟運動發(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)、比賽場地設(shè)置、成績計算方式等[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)的水上運動群體人員進行設(shè)計，基于流體力學(xué)、人體工程學(xué)和美學(xué)等方面進行優(yōu)化。優(yōu)先考慮龍舟運動的競技性和觀賞性，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)的高競技性比賽需求。

2.1.1 新型龍舟的材質(zhì)選擇

龍舟項目對場地和器材要求較高[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，滿足運動員發(fā)力強度。整體減重約40%，重量約138～156kg，一定程度上減小了龍舟浸潤面積，有效降低阻力。新型材料在提高速度的同時，還增加了40%的表面強度，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沉入水面以下。

2.1.2 新型龍舟的船體線型

根據(jù)計算機模擬計算，兩種幾何外形的船體在以4m/s的速度前進過程中，尖頭船體產(chǎn)生的水波更小，水面較為平穩(wěn)，水波的波長更長。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，船頭升沉幅度相對更大，船頭船尾將做20cm抬高處理，船型設(shè)計轉(zhuǎn)彎時考慮船體傾斜回穩(wěn)性，其轉(zhuǎn)彎半徑約27m。新型龍舟設(shè)計為流線型船底，如圖1所示。改進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

改進后的新型龍舟采用交錯的座位排布，減少船寬的同時也為運動員提供足夠的運動空間，新型龍舟的總體長度并沒有過度加長（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人龍舟的總長僅分別由9.60m和12.40m增長至10.45m和13.95m（見表1）。

圖2 現(xiàn)有龍舟（左）與新型龍舟（右）座位排布對比圖

表1 新舊龍舟尺寸表

在龍舟的裝配上，考慮到運輸因素，國際標準集裝箱長為40ft，船體長度不能大于12m，新型12人龍舟長度為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。龍舟行進過程中截斷截面最低處位于水面以上，能夠最大程度降低因接縫導(dǎo)致的流體阻力提高，同時對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°，運動員在此狀態(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）。坐凳中心點距離上船舷20cm，保證運動員腳部發(fā)力的舒適性。新型龍舟設(shè)計有單向排水裝置，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 新型龍舟的實驗分析

新型龍舟的樣船測試分別在千島湖國家水上水上訓(xùn)練基地與浙江大學(xué)紫金港校區(qū)啟真湖進行，新型22人龍舟測試人員為專業(yè)皮艇與劃艇運動員，新型12人龍舟測試人員為專業(yè)劃艇運動員。此次實驗中，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)定性與速度方面測試新型龍舟的流線外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的性能，同時找出樣船存在的不足，為下一階段的設(shè)計與生產(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。在樣船測試中，新型22人龍舟的測試運動員平均體重達到95.6kg，高于預(yù)估計算值，新型22人龍舟處于超載狀態(tài)。測試中吃水線距離船上舷20cm，較設(shè)計理論值少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，對浮性變化的敏感性更高。通過樣船實驗觀察，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，并滿足一定的競技需求。由于設(shè)計采用了輕型材料，船體在滿水狀態(tài)下不會沉入水面以下，根據(jù)計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]。為確保龍舟運動員具有更加舒適、科學(xué)的發(fā)力環(huán)境，滿載時船艇的重心會處于較高的位置。在樣船測試中，通過觀測新龍舟運動姿態(tài)，新型12人、22人龍舟滿載在靜止狀態(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，需要運動員平槳來控制船體穩(wěn)定。對于從未接觸過水上運動的初學(xué)者來說，新型龍舟的穩(wěn)定性還有所欠缺，在運動狀態(tài)下的穩(wěn)定性保持對于運動員的技術(shù)水平和默契程度有著較高的要求，專業(yè)運動員在經(jīng)過一段時間的訓(xùn)練磨合下，能夠?qū)π滦妄堉圻M行較好的控制，達到競技運動狀態(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)達到設(shè)計的預(yù)期。

2.2.3 船速及阻力分析

舟艇在實際行進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，而水阻力又可以進一步劃分為靜水航行時所受到靜水阻力和洶濤阻力。由于技術(shù)方面的限制，舟艇阻力較難進行準確的測量與計算，因此速度實驗主要通過新型龍舟與傳統(tǒng)龍舟的對比進行，實驗對象主要選擇同為玻璃鋼材質(zhì)的新舊兩種12人龍舟，參與實驗的運動員全部選自具有至少3年龍舟運動經(jīng)歷的浙江大學(xué)龍舟隊隊員。在多次50m和200m的對比測試中，嚴格控制隊員與間歇恢復(fù)時間。新型12人龍舟用時較傳統(tǒng)龍舟分別縮短約0.6s和3s。通過實驗觀察，船頭部分在運動員周期發(fā)力的過程中會有較大的起伏，龍頭的接口斷面會出現(xiàn)浸入水面以下的情況，船頭部分會產(chǎn)生較大的阻力，因此在下一階段的設(shè)計中可以適當(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)計方案，采用了樣船試制和實際檢驗，得出以下結(jié)論。

（1）船體在滿水狀態(tài)下不會沉入水面以下，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人龍舟滿載在靜止狀態(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)龍舟運動員的競技需求。