張小波 曾令斌 周德武

摘? ? 要：本文針對高速雙體船減縱搖技術研究驗證的需求，開展帶T型翼和壓浪板的自航船模的設計建造，以進行自航船模試驗，驗證其減縱搖效果。通過對自航船模重量控制、船體材料選擇、推進和動力系統(tǒng)設備選型、縱搖設備裝配以及試驗測控系統(tǒng)的研究，采用鉚接方式成功制作了小型鋁合金自航船模，其滿足噴水推進自航和自控減搖試驗的要求，并通過了湖試試驗驗證。

關鍵詞：自航船模，雙體船

中圖分類號：U674.951? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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計中，首先通過水動力仿真計算，對減搖附體的形狀、尺寸及布局等參數進行初步優(yōu)化，并進行水池試驗驗證;此外，為了驗證主動式減搖系統(tǒng)的減搖效果，還需要開展自航船模試驗，在自航條件下進行主動式 T 型翼和壓浪板聯動的開闊水面試驗。對于這樣以運動模擬和測量為目的的高速自航船模，其輕量化設計及相關驅動裝置、運動控制系統(tǒng)的模擬是關鍵的技術問題。

2? ? ?自航船模技術要求

該高速雙體船的排水量為1 980 t，航速約37 kn，為方便數據對比，拖曳水池試驗及自航試驗采用同一個模型。同時，為兼顧拖曳水池試驗條件以及自航湖試試驗條件要求，根據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，船模長度控制在7 m以內，重量不超過600 kg。

自航船模（見圖1）的具體參數如下：

總長? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?6.80 m

水線長? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?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雜，船體結構重量較大，航速較高，通常情況下大約需要為各類搭載（推進器、T型翼、尾壓浪板和電池）預留約三分之二的重量，也就是說，船模結構的重量應控制在200 kg左右，重量控制難度較大。此外，在考慮輕量化設計的基礎上，船模結構設計還需要保證模型在波浪中高速運動的強度，并考慮推進器、T型翼、尾壓浪板和電池安裝拆卸的局部強度和連接便捷性。

3? ? ?自航船模設計

自航船模主要包含：自航船模結構本體;2臺噴泵及電機;電池;可控式壓浪板和T型翼附體結構及驅動的液壓系統(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。

自航船模設計，主要包括：結構輕量化設計;設備選型及配重;減搖部件設計等。

3.1? ?船模材料選擇和結構設計

傳統(tǒng)的船模材料一般采用木質或玻璃鋼材料，這兩種材料價格便宜、加工成型方便。但本案例的模型需考慮內外場長期試驗及不同試驗場地間的轉運，木質材料的變形會較大，而且T型翼、尾壓浪板、噴水推進裝置安裝不方便;玻璃鋼材料重量較輕，但其薄板強度需要進行加強，而且玻璃鋼船體與T型翼、尾壓浪板、噴水推進裝置的連接與修改比較困難。因此，從強度、安裝便捷等方面考慮，模型材料應考慮金屬材料，可采取焊接或鉚接形式進行外部設備的連接。

據初步估算，采用普通鋼質材料，船模結構重量需要400～500 kg，遠大于重量控制目標，故只能采用鋁質材料。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，在噴水推進器、T型翼和尾壓浪板等設備的安裝位置，可通過預留安裝基面進行重復安裝調試。

該船模尺度較大，為了便于后續(xù)對模型的重復利用，結構設計時考慮了以后上人安裝調試的可行性，在材料及部件連接節(jié)點上參照了中國船級社《材料與焊接規(guī)范》的相關要求，并參照高速艇規(guī)范進行了結構強度校核。

該船模結構由外板板架、主甲板板架和橫艙壁板架構成：外板為單板結構，船底板板厚3 mm，舷側板板厚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。

該船模底部設置兩道旁龍，在有設備的位置設置了橫向強框架;旁龍為2 mm帽型結構，主甲板強橫梁/強肋骨均為2 mm帽型結構。

船模結構的重量約210 kg，滿足重量控制目標要求。具體結構圖，見圖2所示。

3.2? ?船模自控系統(tǒng)設備選型及配重

根據自航船模的阻力和試驗航速≮5 m/s要求，每臺噴泵的功率應不小于5 kW;并需配備噴水推進泵控制系統(tǒng)，以控制噴水推進泵的啟動、停止、加/減速及轉向;倒斗、轉向機構應有角度指示器。經對市場產品進行對比后，采用無錫市奧維特機械制造有限公司的JT130 A 噴水推進泵，根據噴泵推力估算，航速可達5.5 m/s 。

電機控制系統(tǒng)需實現噴水泵的啟動、停止、加/減速及轉向與導航控制，經選型采用上海振潯自動化科技有限公司的電機控制系統(tǒng)，左右電機轉速配轉速表，最大轉速約3 000 r/min;自航船模采用兩臺噴水推進泵作為推進系統(tǒng)，噴水推進泵具備遠程遙控功能，岸基平臺可通過無線電信號控制噴水推進泵的啟動、停止、加/減速及轉向，可滿足航模試驗對航速、航向控制的要求。

根據湖試試驗的時間和航程要求，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供電，每套噴水推進泵的驅動器配1套鋰電池組。其中一組鋰電池給轉向和倒斗機構供電，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控設備供電。

按以上設備選型，自航船?？傊亓考s563 kg，各系統(tǒng)設備的重量如表1所列;慣量及重心位置可以用電池等可移動重量在試驗現場進行調整。

3.3? ?T型翼和壓浪板設計

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，襟翼擺動范圍為-15°～12°?？紤]到液壓和聯動機構的可實現性，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角度如下：

長度? ? ? ? ? 143 mm

寬度? ? ? ? ? 242 mm

擺動角度范圍：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雜，尺度較小，重量控制要求高，每個部件的重量必須精確控制。船體零部件、支架等在車間內分別制作，加工完成后進行稱重，再送船臺待裝;船體完工后，將艇體吊起，測量船體的總重量。

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行，胎架應具有足夠的強度和剛度，胎架上與鋁質構件接觸處必須墊以硬質木塊或橡皮;縱骨、縱桁以安裝線為準進行安裝，誤差 1 mm。

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

4.2? ?部件裝配

由于船模船體線型復雜，活動部件較多，試航航速高，安裝時應注意防漏防濺等保護措施，重要零部件如聯軸器和齒輪箱等應有備件：

（1）噴泵、T型翼和尾壓浪板，按模型殼建造時預留的噴泵驅動器、電機、操作倒航機構的電機及驅動器的安裝基座安裝，安裝時需保證連接軸對中良好，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整;

（4）電纜線選型和布設滿足模型試驗標準，具有屏蔽隔離措施，動力、信號、充電線應該分開。

4.3? ? 試驗測控系統(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)實現無線遙控測試。試驗測控系統(tǒng)功能與組成如圖5所示：伺服控制部分實現對噴水推進、T型翼和壓浪板等執(zhí)行機構的控制;航行控制部分實現船模的航速、航向控制;減搖控制部分實現縱搖和升沉的抑制;任務管理系統(tǒng)完成采集信息的存儲、自主航行控制任務的設定、無線通訊等任務;岸基支持系統(tǒng)通過無線通訊實現自航船模運動信息的采集和對自航船模運動的遙控。

5? ? ?結束語

本自航船模在湖試試驗中達到了5 m/s的航速要求，實現了噴水泵的啟動、停止、加/減速及轉向岸基遙控控制，完成了在自航條件下進行主動式T 型翼和壓浪板聯動的湖試試驗，取得了湖試條件下的減縱搖試驗預期成果。自航船模的設計和制造，為同類噴水推進高速雙體船模的輕量化設計制造、設備安裝、減搖裝置聯控等自航試驗技術積累了經驗。

參考文獻

[1] 李忠林. 船舶建造工藝學[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社， 2006 .

[2] 中國船舶工業(yè)綜合技術經濟研究院. 常規(guī)排水型船船模雙槳自航試驗方法[S].? 北京：船舶標準信息咨詢中心出版， 2008..

[3] 王立祥. 噴水推進及推進泵設計理論與技術[M]. 上海：上海交通大學出版社2018.