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(shù)研究驗證的需求，開展帶T型翼和壓浪板的自航船模的設(shè)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(shè)備選型、縱搖設(shè)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(guān)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(shè)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(shù)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(lián)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(shè)計及相關(guān)驅(qū)動裝置、運動控制系統(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(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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?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(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)計的基礎(chǔ)上，船模結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計

自航船模主要包含：自航船模結(jié)構(gòu)本體;2臺噴泵及電機;電池;可控式壓浪板和T型翼附體結(jié)構(gòu)及驅(qū)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(shè)計，主要包括：結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計;設(shè)備選型及配重;減搖部件設(shè)計等。

3.1? ?船模材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的船模材料一般采用木質(zhì)或玻璃鋼材料，這兩種材料價格便宜、加工成型方便。但本案例的模型需考慮內(nèi)外場長期試驗及不同試驗場地間的轉(zhuǎn)運，木質(zhì)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(yīng)考慮金屬材料，可采取焊接或鉚接形式進行外部設(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，遠大于重量控制目標，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)留安裝基面進行重復(fù)安裝調(diào)試。

該船模尺度較大，為了便于后續(xù)對模型的重復(fù)利用，結(jié)構(gòu)設(shè)計時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)點上參照了中國船級社《材料與焊接規(guī)范》的相關(guān)要求，并參照高速艇規(guī)范進行了結(jié)構(gòu)強度校核。

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)置了橫向強框架;旁龍為2 mm帽型結(jié)構(gòu)，主甲板強橫梁/強肋骨均為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航速≮5 m/s要求，每臺噴泵的功率應(yīng)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(zhuǎn)向;倒斗、轉(zhuǎn)向機構(gòu)應(yīng)有角度指示器。經(jīng)對市場產(chǎn)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(jù)噴泵推力估算，航速可達5.5 m/s 。

電機控制系統(tǒng)需實現(xiàn)噴水泵的啟動、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化科技有限公司的電機控制系統(tǒng)，左右電機轉(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(zhuǎn)向，可滿足航模試驗對航速、航向控制的要求。

根據(jù)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(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供電，每套噴水推進泵的驅(qū)動器配1套鋰電池組。其中一組鋰電池給轉(zhuǎn)向和倒斗機構(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重量在試驗現(xiàn)場進行調(diào)整。

3.3? ?T型翼和壓浪板設(shè)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°。考慮到液壓和聯(lián)動機構(gòu)的可實現(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(fù)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(nèi)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(yīng)具有足夠的強度和剛度，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(yù)留與噴水推進器安裝基面的位置，以實現(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，活動部件較多，試航航速高，安裝時應(yīng)注意防漏防濺等保護措施，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，按模型殼建造時預(yù)留的噴泵驅(qū)動器、電機、操作倒航機構(gòu)的電機及驅(qū)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(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)滿足模型試驗標準，具有屏蔽隔離措施，動力、信號、充電線應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)對噴水推進、T型翼和壓浪板等執(zhí)行機構(gòu)的控制;航行控制部分實現(xiàn)船模的航速、航向控制;減搖控制部分實現(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、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)通過無線通訊實現(xiàn)自航船模運動信息的采集和對自航船模運動的遙控。

5? ? ?結(jié)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(xiàn)了噴水泵的啟動、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行主動式T 型翼和壓浪板聯(lián)動的湖試試驗，取得了湖試條件下的減縱搖試驗預(yù)期成果。自航船模的設(shè)計和制造，為同類噴水推進高速雙體船模的輕量化設(shè)計制造、設(shè)備安裝、減搖裝置聯(lián)控等自航試驗技術(shù)積累了經(jīng)驗。

參考文獻

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