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[设计理论] 从帆船初始设计的内在性能参数看如何选船【20191203】

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发表于 2019-11-17 15:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 Orisun 于 2019-12-7 16:12 编辑

写这篇文章的目的,是为了不至于在以后遇到每个定制设计的船东,都要从头讲述一遍这篇文章的内容。虽然对专业人士来说应该算是基础概念,但对于基本上都是行外人士的帆友来说,又属于必须知晓而且是在实际操作中应该熟练掌握的内容。不仅是每次都要敲字解释一遍,光是为了发给船东用于解释的图表就不得不一次次跑程序,每次都要在工作站上跑至少30分钟才有结果。这种每次零碎回答方式的确浪费了大量的设计工期时间,肯定不如系统地讲解一遍收效更好更有效率。所以今后凡是类似问题我都会请船东看这篇文章好了。当然,这篇文章里也只会讲科普内容,主要还是服务于船东在定制设计中对船的要求。

后面就拿最近在做的一条50+呎快速巡航帆船定制设计来做例子,设计目的是为了达到世界上帆船圈的流行标准“Short hands,go everywhere”  并不仅仅是常见的沿海近岸型娱乐用船(是否近岸型,参考以前讲过很多遍的英国船和地中海、北海国家量产船的区别,和是否跨洋是二个概念)。关于初始设计如何构造型线,大把网上资料都有介绍,这里就不多说了;但任何的设计与构造,从根本目的上来说,都是为了服务船东在具体海域海况(如世界各大船级社定义的航区)的人员活动,因此仅仅是出于美观构造的型线并不能称为是设计,而构造的型线又会直接影响到船在服务过程的具体表现。Windows系统是否稳定可靠,和增减Win平台上的APP或者程序基本没啥关系,船本身就是一个类似于Windows系统的基础平台而不是一个APP,讲究的同样是个稳定和可靠而不仅是个美观。但可以说目前世界上在运输工具方面,并没有任何借助于软件、计算机等工具可以一步到位的偷懒或者省事的办法,那么具体的型线细节就只能用人工来进行调整,所以才会在整个运输工具业内将设计称为是一门艺术,而非仅仅是技术。

因此特别是在具体的初始设计中,花费在船型选择上的人工、机器时间,绝对与实船的服务表现成正比。这里不说船型的美观这类不存在统一标准的问题,主要从快速性和耐波性这二大类帆船的内在性能参数内容上,把以往船东各自人为的体验感觉等描述,通过统一的数据来表述。除了特别标示的帆船的运动姿态与机动船不同外,其余的数据不仅仅用于帆船。因此,这篇文章中的表述照样可以用于机动船;更有甚者,改变设定的流体介质和流体运动形态,同样适用于飞机火箭等在运动中具有六个自由度的运输工具的服务状态描述。

初始设计中,每当构造好了一条船的型线后,就决定了该船这个基础平台的内在特性。其后的每一步设计过程,其目的都是为了满足基础平台的初始性能,即使是以后各步骤中大大小小的各种修正,也都是以满足初始性能为目标的。即使是在具体生产制造中工艺过程,也都照样服从于这个目的。因此,首先必须满足对船本身构造型线的快速性和耐波性验证通过(验证通不过就只能从头构造型线来满足要求),才能继续谈后面每个步骤具体的设计,包括帆友看重的内装布置、机电设计等,而不是先谈内装再来谈型线,这个道理和建筑上的家装类似但并不完全一样。

那么,首先看构造型线后船的快速性。这里要特别指出的是:帆船的运动姿态和机动船是不一样的,机动船的正浮运动状态并不适用于帆船(这里主要指常见的小型帆船,大型帆船情况好很多)。帆船在整个运动过程中,除了风帆受力以提供动力,从而造成船身横倾但偏而不倒的航行姿态外,还同样存在着偏航情况;因此即使是具有如同高速机动船一样的正浮状态下的阻力平台(意思是在同样的阻力情况下,船本身可以达到更高的航速),但在风帆航行状态下,别看因为船身横倾造成了水线长度的增加,但由于水下船身形体的改变对流体的影响,使得一般情况下正浮状态的船体阻力预报只能做个参考,肯定不能完全适用于帆船的阻力预报。至于一般人肉眼能看到的兴波阻力,是构成总阻力的一部分,要看但并非完全看兴波;至于如何消波,那绝对是属于设计中的高级阶段了。

下图说明了在正浮状态船速预报阻力中,中速15kn和高速37kn情况下的阻力都是23.29kN;那么为了克服这个阻力所提供的推力,不管这个推力是由风帆或者主机来提供,只要达到了这个所需要的推力,船身就能达到对应的航速。二个高点之间的一段曲线称为阻力平台(此图曲线下凹比较突出,只要是二个高点之间的曲线不是上凸的都可以称为平台)。
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这个图也说明了,因为水是不可压缩的粘性流体,而空气是可压缩的基本可算是非粘性流体。同样的雷诺数(同样尺度在不同流体环境中考察同样速度,无因次)条件下,水阻力大概是空气阻力的800倍,因此在同样功率下船比汽车飞机火箭慢很多;同时也说明了维基百科上所说的,船舶设计比起汽车飞机太空船的设计难度更高(考虑的因素更多,而解决问题的工具更少),设计师不得不在设计中花费比其他交通工具更多的精力,来更精细地进行调整优化设计型线(此处就不提伪设计师如何了)。

想起来特意在这里加一段,通常来说人们总是主观认为船越重航速则越慢,以至于有些销售商为了自己的利益,把玻璃钢船体当成了游艇帆船不说是唯一,也是最好的选择。这里作为科普,不得不重复以前在各种场合说过多次的话:船体轻重和航速没有必然的关系。有关系的仅仅是轻重所代表的水下湿表面积大小,只有湿表面积才会对船体表面造成摩擦阻力;这个道理和汽车轮胎宽窄、胎压高低造成的摩擦接触面大小是一样的。同样型线和湿表面积情况下,无论是钢质或者是玻璃钢船体,航速都一样。货船为了加快船速抛弃船上载货,减轻的不是船体重量,而是提升水线标志减小湿表面积。游艇帆船本身就不会像货船那样会大幅度改变设计水线的深浅,所以根本不会对设计航速造成什么影响。相反船体材质其他方面,比如材料成本、加工难度、后期保养等因素才是考虑设计船材料的主要方面。至今并没有完美无缺的材料,所有的材料都有其优缺点,具体采用什么材料都取决于船东的选择。

可以这么说,没有表现出这个阻力平台的船,是没资格叫做赛艇或者高速船的;毕竟对一般的船型来说,为了达到和水线长度相当的标准速度,排水量每吨至少需要4kW的主机功率,这还没算为了达到高速航行所需要的额外推力或者功率。只靠堆积功率来达到高速,对游艇船东来说增加了主机投资以及油耗,相对来说就是减少了最主要的航程、空调及制淡方面的燃油用量,也就是损失了船本身的服务功能,以及乘员的舒适性;对帆船来说就是增加了桅杆长度和风帆面积;所以是不经济的。同时这也是考核一个设计师专业功底的重要指标,总的来说,如果设计人员没有开发新船型的能力,基本上其一生的作品中都不会出现这个阻力平台。

具体到了帆船的阻力预报,因为前面所说的运动姿态不同,首先要确定的是,船身横倾是以什么位置为旋转中心的,这一点牵涉到了后续的风帆设计中受力基点,而且这是一个动态的过程。因为牵涉到了专业知识不适用于船东科普,也就不再深入了。明白了这个原理就需要构造相应的运动姿态,相应的船身模型才有可能在阻力预报中得到比较靠谱的模拟数据。下面为了说明这个运动姿态的特点,分别用表面波模拟侧前视及俯视图进行图示。
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除了横倾,偏航既然存在就不能忽视,否则阻力预报无从谈起;快速性预报都做不好的绝对不能称为是专业设计师。
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此时的阻力预报对应前面正浮状态下阻力预报相比较,就可以看见因为风帆航行姿态造成的水线增加对总阻力的改变情况了。
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可以看出同样在15kn航速下,风帆航行状态(横倾+偏航)时比正浮状态下的总阻力减少了1.33kN,也就是少花了近135kg的推力就可以达到原来正浮状态的航速了,所需要的推力减少了6%。别看减少6%觉得不算啥大事,在运输工具类的设计中,每一次优化都是这么一点点抠出来的。如果以游艇帆船常见的一个航次7天连续机动航行来计算,毛估一下仅仅是主机节省的燃油就差不多是2.4m^3,也就是2400升燃油了,大致相当于主机每天节省的油料就能加满汽车油箱。

细心的帆友可以看到,在采用Delft阻力预报方法的时候,风帆航行状态下也照样出现了短暂的阻力平台。这意味着对于高投入的专业赛艇来说,不仅仅是要求正浮状态的阻力平台,对帆航状态下的船体型线,也就是平常正浮状态下水上的干舷部分,也必须纳入统一的型线构造考虑因素中去,以尽量地增加阻力平台的长度,也就是在竞赛过程中能尽量保持一个较高的航速,充分地发挥赛艇的内在性能。

对于风帆航行的特殊状态,也就是顺风加挂球帆时的阻力情况。经常遇见设计人员根本就没考虑过这种航行状态,出现的埋艏现象改变了的阻力情况。如果是设计远海船,不仅仅是需要考虑阻力改变情况,同时也需要考虑因为埋艏上浪对乘员的体验影响,因为相对简单在这里就不多说了。

上面的快速性阻力预报模型,是以横倾30°、偏航5°为模拟参数的。至于为啥选这二个数据,曾经在一篇实船的微博评论文章中说过了,专业的帆船设计师设计的横倾角偏航角,都是非常重要的设计指标,相差个3~5%还算是正常,但绝对是不允许实船和设计相差太大的。在设计师对船东所做的概念设计中,如果没有这类清晰的数据表述,基本可以说就连在前期概念设计阶段,在Excel中的基础计算都没通过,更不用说直接盲目地开始做初始设计构造型线,而可以得到个好的设计结果了;因为盲目构造型线而在其后必须要进行的一系列修正,绝对会成为设计师头疼不已的噩梦,最多也就只能头痛医头、脚痛医脚了(包括后期临时增加其他设施之类的行为)。

说完了快速性,其次需要说的就是耐波性了。对于绝大部分帆友来说,耐波性是会直接关系到船上乘员体验,以及实际操作的重要因素,甚至比快速性表现得更加明显和重要。以至于早在几十年前,对船员舒适度要求较高的西方海军中,就已经是干脆把耐波性中的乘员舒适度,当成了仅次于快速性的设计目标。虽然绝大部分船东哪怕是看设计船的耐波模拟动画视频,也能得到一个模糊的概念,但这篇文章中主要还是看图表,毕竟一系列视频实在是文件既多又大,除了概念还不一定能说清楚具体的程度。

既然要说耐波性,就不得不先说明世界气象组织(WMO)在1970年确定的海况等级。具体来说,世界上各大船级社统一规定的航区风浪主要还是为各条航线上的船舶保险来进行设定的,与世界气象组织规定的海况等级还不是完全同一个概念。毕竟船舶出海后可能会遇到的海况并不确定,总不能说遇见了高海况的时候,船上的乘员就该死了吧。这点对要到处跑的远海型船尤其重要,所以列为不能忽视的首要外部环境因素。

WMO规定的海况等级如下表:
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以下的设计船耐波性图表及数据,均是依据WMO的海况等级做出的运动极限情况模拟预报,具体来说就是在深海的对应海况,并非一般人理解的近岸海况。不同的海况等级肯定耐波性并不同,不过对于设计师和船东乘员来说考虑到极限情况就好了。至于ISO 2631标准中规定的晕动症发病率(MSI)的预报,都是按照乘员在具体海况、来浪角度、航速、以及不同的设定考察点(以上几点缺一不可)得到的,并没有一个总体性的MSI图,因此看一大串图还不如直接看数据来得直观清晰。

一般来说,帆船设计中主要考查的是垂荡(Heave)、横摇(Roll)、纵摇(Pitch)三个运动指标。其他的数据对船上人员来说基本没啥影响(在耐波性中绝对和相对运动基本都是厘米级),毕竟这里谈耐波性的目的,主要就是针对小型帆船上乘员的体验而说的,并不是要考究运动状态对船本身的影响。

一般来说,我在做设计过程中主要考察的的设定点,除了甲板上对乘员有关的船艏、船舯甲板边、船艉乘员位置及湿甲板位置外,还会多加船底中前部的风浪抨击位置以及船艉螺旋桨叶梢部位二处,深入设计阶段会考察风浪中乘员在船舱内不同部位的情况。
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设定叶梢部位是为了考察桨叶在风浪中的出水暴露情况,至于抨击位置则是与设计师构造的具体型线密切相关的,不同的船底水下前段形状,将要受到的风浪抨击位置肯定不一样;抨击位置的设定主要是为了考察在这个部位会出现多大的抨击力量。因为和一般船东关心的重点相差太远,这二处的数据就不在这篇文章中专门说明。以前甚至看过专业赛艇和量产船完全就没考虑过抨击而构造出来的船体,实际结果也出现了因为波浪抨击造成的船底纤维剥离、层化、甚至粉碎的情况。这就是远海型船与近岸型船的其中一个重要区别。

首先来看垂荡(Heave)运动极限情况。下面是显示的在9级海况随机波浪环境,船在风浪中的总体表现情况:
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这里Head 180°是指船艏正面迎向来浪,Following 0°是指顺浪航行。毕竟不管是不是风帆航行,在风浪情况下都是尽量把船艏对准来浪而不是偏航的,所以有横倾但不存在偏航才是正确的模拟航态。从上图可以看到,在高于14m的9级巨浪海况中,航向与来浪方向30°方位上,船速是最接近于20kts的,垂荡运动也是最高位的极限状态。

下表可以看到详细的垂荡极限运动数据。整船的垂荡运动高达3.77m左右,但结合波浪本身的浪高,乘员在船上的相对垂荡高度,几个考察点相对垂荡运动最大处是船艏的0.69m。可以在表格中看到整船的垂荡速度是2.493m/s,而此时船艏的垂荡运动速度是2.3m/s,也就是说大约1/3秒就垂荡到平均0.69m的高度;同时整船的横倾角度仅为4.25°,横摇运动速度也只有0.14rad/s,也就是每秒横摇8°左右;纵摇角度也只有5.11°,纵摇运动速度是0.208rad/s,也就是每秒纵摇近12°。
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测试海况的垂荡极限情况下,乘员位于船艏处的一系列运动情况数据如下:
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表中可以看到,9级海况下的极限垂荡运动中,即使是在最容易晕船的船艏,因为纵摇、横摇所造成的纵向及横向的运动、速度与加速度和垂荡比起来都相当小;所以哪怕是发生船艏晕船(即2小时晕动症发病率MSI的概率高达76.16%,当然也可以设置成30分钟MSI这种更符合实际的考察条件)的情况下,最主要的因素也是因为垂荡而不是其他运动原因。

说完了垂荡运动的极限情况,接下来说的是风浪中的横摇运动情况。因为现代帆船考虑到风帆面积有限的缘故,为了尽量减小阻力提高快速性,一般设计成船体后部相对肥大平坦的形状,也就是所谓的Delft船型(中国古代帆船的水线面基本就是这种典型的“鸭子凫水”形状)。那么在对应的海况中,不可避免地会因为前后部排水量相差较大,会出现艉部来浪比艏部来浪对整船的耐波性影响更大,这一特点是和商船的耐波性有明显区别的。

横摇极限情况总体表现如下图:
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可以看到在3级海况下,设计船的应激谐振高点在艉侧60°来浪、航速大约在4kts左右的地方。每条船不管是帆船还是机动船,商船或者是小船,不可避免都有这个应激谐振区域。但因为每个设计师构造型线的不同,每条船具体的表现(应激高点出现的位置与航速)是不一样的。知道了这个特点,船员就能在实际操作中,遇到横摇得实在厉害的时候,因为当时的海况并没有发生变化,那就可以通过加速或者改变航向来减小相应的横摇情况。

对小船的横摇运动考察到如此情况就可以了,但对大型商船或者游轮而言,还需要对每站位甚至是按照具体肋位来考察对应结构受力情况的,这也是为什么现在的专业赛艇淘汰率那么高,经常比赛完毕就搁置退役的原因。因此特别对玻璃钢船我是从来不会推荐购买二手船的,即使有购船时的验船师,除非做全船的透视探伤,谁能知道二手船采用轻质芯材的的结构究竟会发生什么变化?尤其是购船时的验船和入级时的验船完全二回事,船级社的验船只要船东一直保持船级,那就是终身有效的。这和购买二手车重点都不一样,二手车检验主要看发动机,二手船则主要看结构。其实这点和911的世贸大厦受到飞机冲击是一样的,即使当时结构受损后没垮塌,事后也要做结构上的全面更新维护了。

应激高点出现在低速低海况,这是和帆友普遍认知有很大区别的地方;一般人认为在越高海况下,船体会横摇得越厉害。在此特别用9级海况时的横摇运动图来说明这种思维并不是正确的。但对于远海型船来说,恰恰又是一个和近岸型船的又一重要区别了。
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或者换一种角度,考虑横摇极限情况与来浪角度的关系,同样是3级的极限横摇海况,在不同航速的横摇角度图如下:
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图示表现了即使在同样的极限横摇海况下,除了来浪角度因素外,越高的航速实际上横摇的影响越小。但对水上运动界的帆船帆板来说,往往都是在近岸进行比赛,近岸的碎浪对船体本身的影响又和远海型的帆船不一样了,那么就需要设定不同的近岸波浪周期和浪高,也就是文章前面提过的改变设定流体的运动状态,来得到最为符合比赛情况的实际环境;同时,对设计师来说,碎浪带来的附加阻力和远海不一样,设计考虑的因素(比如风帆推力、型线构成等因素)也就不一样了。因此以前在本人的微博中才会把装在运动帆船上的频谱仪得到的一系列数据,甚至是还没经过处理的数据,列为是忽悠科研经费的行为,哪怕是把测试数据处理得出个测试海域的碎浪波谱也好啊。

此时的数据表格如下,有了前面垂荡对耐波性数据的解释,应该不用再解释一遍了。因为横摇速度一秒钟是25°(0.4455rad/s)左右,相当于在半秒钟内就已经横摇到了平均的横摇角度,所以才把这个环境参数下的整船反应列为横摇极限情况。
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此时因为极限横摇情况造成的2小时MSI最高的位置是船舯部甲板边,高达35.67%。
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而常见在量产船上舵手位置,2小时MSI位于第二的是靠近船艉甲板边的考察点,达30.5%,。
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与这二处位置上乘员比较,其他位置包括舱内人员,2小时MSI最高不超过15%的情况完全不值得一提了。这也说明在遇到常见的应激谐振高点区域时,实际操作上除了尽快改变航向及航速外,船员躲开MSI高发部位区域并勤换班才是正确的操作。

同样是3级海况极限横摇运动下的2小时MSI,改变航速或者航向带来的变化相当大:
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说到这里,想起来在帆船圈里的帆友有个经常的话题,那就是2m浪高以上绝不出海。在这里我想说,除了构造型线原因可能会造成近岸型量产船与远海型船的内在性能差异外,对于远海型船的船员体验来说,实际上是远比在近海更加稳定可靠的,同样也用高海况下的横摇运动数据来加以说明。

因为改变航向比改变航速对MSI的影响更显著,因此一律仍然采用船艏航向与来浪夹角120°的极限情况,分别用5级、7级海况下,航速8kts、10kts时的整船运动数据,及相应的2小时MSI最高考察点情况来予以说明。

8kts,5级海况:
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8kts,7级海况:
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10kts,5级海况:
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10kts,7级海况:
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说完了横摇,就该说说剩下的一个纵摇考察因素了。相应的纵摇极限情况如下图:
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纵摇极限情况下的运动数据见下表:
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特别贴出在纵摇极限情况下,相对垂荡运动最高处的数据表:
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从这个纵摇极限时的相对垂荡运动数据,以及前面的垂荡极限时因为纵摇造成的纵向及横向运动数据,可以看得出来,前些年在微博上和郭川人士辩论过的,实际海况中出现巨浪情况时对耐波性的影响。此时的相对运动状态并不是对方所强调的那样表现,也就是本人当时在微博上所说的:什么情况下都有一个主要因素,才能谈得上次要问题;如果不是,最大的可能就是操作原因。

看完这篇文章船东应该会对选船有个全面的印象了。总而言之,除了常见的大倾角稳性、风帆操纵等,这篇文章中所述的快速性以及耐波性才是设计船的内在性能主要因素。而且相对于大倾角稳性等还可以在后期进行调整,快速性以及耐波性是根本无法在后期再来调整改善的,只有从型线构造入手才可能改善设计船的内在性能。对于设计师来说那就是得从头开始设计,意味着前期投入的工期和精力完全被抛弃。对于船东来说,就是在设计师提供的各种构造型线方案所对应的内在性能中,选择一个相对优化的船型,以使自己在实际操作中能更加充分地发挥实船的内在性能,并且让自己少吃很多不必要的苦头。毕竟船东都是为了自己良好的体验,而不是去受虐的吧。



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