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[前沿设计] 790巡航帆船设计(2020版)

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发表于 2020-4-26 14:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 begun 于 2020-4-26 14:55 编辑

我前面做过一个用了比较多曲面的方案。后来觉得这样还是比较麻烦,我把这种设计放到更大一些的船上了。还是考虑用最简单省事的办法来制作790级。

先说下大致思路:
首先是个巡航帆船,主要侧重的问题是空间大使用舒适,安全可靠也是另外一方面。航速什么的不在关注范围。

平底船。这样便于进入浅水区域活动,也可以搁浅在沙滩上不至于翻到。显然,龙骨得可收放才行,不然吃水浅不了。
同样,舵也是可以折起的。

龙骨是简单形状的平行四边形长条状龙骨,外形简单没搞任何花招,这样好制作。测量得到的体积是86L。扣除壳子,灌铅估计可以做到800kg的重量,余量还是很大的。
宽尾巴。古典船一般尾巴尖细,现代一般设计成宽的,一方面是船体水线设计思路变化了,另外一方面是纯粹的这样就是空间大。再有就是宽尾巴比较好设计下水平台。
QQ图片20200426143427.png
船舱高度很高。这样对侧风航行有所不利(顺风航行无所谓)。这样设计的目的主要是为了防止翻覆进入肚皮朝天状态。另外是室内空间比较大。
QQ图片20200426143601.png
我本来想船体搞偏激一点,船体前部比较大。但发现内部使用尺寸和水线处是否宽大没直接关系(那个位置在床底下),所以还是搞成了前部水线比较窄的正常样式。
QQ图片20200426145312.png
翻过来看肚皮。。水线最大宽度在靠后的位置。
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 楼主| 发表于 2020-4-26 15:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 begun 于 2020-5-9 10:01 编辑

龙骨的设计和制造

一般来说龙骨都采用NACA0009或者0012之类的剖面。高级一点的会用层流低阻力剖面。我这里使用一个简化的剖面线型。。。额这个是我自己画的,并没有什么学术法理依据。因为实际制作和理论都相差甚远,我个人认为这样并没有什么差异。

QQ图片20200426150648.png
这个剖面比较容易制作。

可以看到,相对厚度14.7%。容积会比较大。适合压载龙骨使用。前端为一个小半径圆角,这个可以用一根圆棒或者管子来做。中间是段圆弧,可以用弯板机来弯。后面40%是简单的直线。在弯板机上这个圆弧和后面的直线段是可以一次性做出来的。
实际制作这样:选一块板材,长度不短于两个直线加两个圆弧(补充一下圆弧的弧长是585.12)。然后中间弯成R1520(按比例)的圆弧,两头直线段不处理。做好后从中间切开成为对称的两块。然后内壁焊接上加强筋以纵向为主。再辅助一些横向的肋片,防止变形。

然后圆弧端焊接上圆棒,直线段彼此焊合。这样就完成了。横肋片可以从壳子上事先挖的洞中从外部补焊。
再焊接上底板,这样就做好一个“桶”。

把铅融化了浇筑进这个桶内即可。多余的空间用环氧胶填料充满。

龙骨的深度:
就这艘船来说,对于稳性方面其实并不需要多大的压载, 龙骨其实主要是当稳向板。这个深度可选择范围比较大。
现代码头建设一般都会有较深的吃水(2.4M/8英尺),地中海和一些欧洲运河可能是1.5m。
如果考虑可升降龙骨,可以选2m左右。
如果是固定式的,那么最好低于1.5m。
如果希望使用固定式龙骨而且还指望它能在退潮的时候平稳搁浅,那可以考虑更浅吃水的双龙骨,比如1.2m/4英尺。

但浅而长的龙骨水力性能总是比高而窄的龙骨差,这是个要注意的问题。










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 楼主| 发表于 2020-4-26 15:40 | 显示全部楼层
本帖最后由 begun 于 2020-4-27 10:38 编辑

舵的设计和制造

主要考虑是船底舵还是船尾舵。
船底舵能充分发挥舵的水力效应,用得比较多。但这种设计舵一旦被水中物体撞击,很容易卡住。维修的时候还得潜水下去搞,很麻烦。被绳子缠住也很难摆脱。

因此还是搞船尾舵。舵杆在尾封板外面挂着。要修理了提起来就可以了。

当然也不是没有缺点:首先延长了船的全长。尽管在测量学上通常不计入舵的长度。。。但有些时候实际长度超出了就是有点麻烦。
然后船只在受撞击的时候因为舵在最后面很容易被撞坏(船底舵因为有船壳的保护不易被撞)。有些地区的保险条款甚至还规定了舵杆必须在船体长度的船尾4%之前。这个规定我不以为然,对于大型船只,你是不可能靠手工去维修撞坏的舵的,这个规定很合理。但小帆船里面甚至可以用一把桨来替代舵的时候,这种规定就没必要了。

舵没有容积的需求,一般用NACA0008~10之类的较薄的剖面。要厚一点的时候目的是为了增加舵页的强度。

简易一点可以直接平板。不需要讲究什么剖面形状。
QQ图片20200426153614.png

舵的平面形状可以这样,这是一个三段式近椭圆形平面(理论上最好的形状是个椭圆形)。当然,你偷懒搞个梯形也行,实际效果相差不大。

精细一点可以在一根圆管上焊接上前后两片铝板。前缘用实心铝板,后缘用梳状板。然后包裹上PU发泡。再打磨成流线型。最后包裹一层玻璃毡。

用纯木材填充再打磨也行,外面刷上一层环氧防水。

另外要说一下的是考虑双舵还是单舵。
单个舵便宜省事这是显而易见的优点。不过双舵的话,舵的吃水比较浅。
另外一个问题是这艘船设置了尾门。单个舵如果外挂的的话,舵杆的固定结构可能和尾门有冲突,双舵的话就没这个问题了。

也许要考虑两套方案:
单舵安装在船底
双舵安装在船尾板两侧

还有一个问题是这船的龙骨是可以收放的。但龙骨全部收起后,舵的吃水会超出船体很多。(舵的吃水接近1.1m,而船体只有0.5m)
舵可以设计成可向后收叠的,也可以设计成可升降或者可收放的。
但在船底的舵显然就不好搞什么升降了。这个时候要考虑船底舵上面有关节可以向后折叠。
船尾舵比较简单,提起一点高度即可。


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 楼主| 发表于 2020-4-27 11:10 | 显示全部楼层
本帖最后由 begun 于 2020-4-27 11:16 编辑

推进器

按一般简易的做法,是搞一根斜轴穿透船尾底板,发动机也倾斜安装。这个办法就是结构简单省钱。表面上看起来似乎因为结构简单所以不容易出故障。。。不过实际也经常有故障。因为这个斜轴穿透船底,就存在水通过轴套管渗进船舱的问题。一般用弹性密封圈来实现封严,但有时候还是会漏水。另外因为轴系是刚性直连的,但船体总会有些变形,然后很不幸它就卡住了出各种状况。克服的办法是在发动机和轴之间改成弹性连接,加装一个弹性联轴器。
ib-plate33.gif
这艘船船体吃水很浅,然后螺旋桨在搁浅的时候触底的可能很大。一个方法是安装螺旋桨保护器,比如保护器的吃水到0.6米。这样的问题是在硬地搁置的时候船体不能以底板着地,因为螺旋桨的保护器会把船尾顶起来。当然你把保护器吃水搞到和船体一样也行,但这样一来螺旋桨只能用很小直径的。

用可自动折叠的螺旋桨可以缓解这一状况。
prop-strut.jpg




另一个方法是用舷外挂推进器。不用的时候把整个推进器提起来。没有任何搁浅之类的问题。不过这类发动机一般都是汽油机。这种推进器和船体本身没直接关系,安装起来很方便。
OIP (2).jpg
另外一个问题是这种推进器多半是用在高速船(快艇)上的。而小帆船需要的是低速大推力。两者适用的速度范围不大相称。低速的也有,但推力普遍较小。当然你可以多装几个完事。

还有一种方法是所谓“舷内外挂”,也就是发动机在船舱内和螺旋桨是分开的。而螺旋桨是外挂在舷外的可收放的。这个方案因为轴系没有穿透船壳水线以下部位,不存在轴套管进水的问题。
亚岛舷内外机.jpg
这个办法因为发动机不需要动,所以可以用重量大的柴油机。这个图里面发动机是和推进器短距离直连的,其实也可以用一根长的传动轴把发动机安装在更前面的船体深处。

这两种外挂推进器都可以随舵转向,船只的动力操纵性非常好,可以省略掉船尾侧推器。
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发表于 2020-4-27 12:05 | 显示全部楼层
看过一个50多尺的三体船独航格陵兰就是用的挂机
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 楼主| 发表于 2020-5-9 10:34 | 显示全部楼层
本帖最后由 begun 于 2020-5-9 13:01 编辑

桅杆

对于一般的小帆船,通常使用杆索式结构。这个结构桅杆并不贯穿船体,而是仅仅固定在甲板上的桅杆座中。而这个“固定”通常只是把桅杆放入一个浅凹坑中(或者桅杆底座塞进桅杆管子内)。然后靠拉索拉紧。多数这个桅杆座甚至没有锁定机构。
这种结构重量上比较轻便,用得较多。另外一个好处是,桅杆底座并没有牢固固定,所以它实际是可以通过拉索调整稍微改变前后倾斜的,这可以改变风帆的受力中心。

但在极限状况下,这种桅杆是有可能从桅杆座中脱出的。至于像什么拉索断裂,整个体系中任何一个结构失效都会导致整体完全丧失功能。


另外一种结构是独立桅杆。也就是不使用任何拉索来固定。桅杆穿透甲板直抵船底和船身牢固结合。这种构造要实现同样的抗风能力,自重比较大。
但好处是结构数量少,不需要细致的维护。另外因为没了众多拉索的干扰,使用上比较简单(比如风帆转动不会受到拉索的阻挡)。
风阻方面也是有可能比带大量拉索的要小,拉索看起来很细,但实际风阻并不像想象的那样那么小。

独立桅杆使用得比较少。比如巨型帆船马耳他之鹰号使用的就是可以转动的独立桅杆。这个设计一方面是为了技术上的考虑,另外一方面也是出于艺术,少了乱七八糟的拉索看起来更美观。
Inset-Maltese-Falcon-inset-630x470.jpg

中式帆装中拉索也比较难安装,有些船里面干脆不要拉索了。
QQ图片20200509125809.png
桅杆根部有加强,这是独立桅杆的特点:越靠近根部受力越大。这和那种靠拉索支持的桅杆是显著不同的。

桅杆上的导轨(sailtrack):
一种方法是桅杆自带导轨。这种构造在挤出成型的铝型材桅杆上很常见。因为一次成型,大量生产制造成本比较低(但并不代表销售价格会比较低)。
另外一方面是这种桅杆因为是挤出成型的,整个桅杆上截面都是一样的。这就意味着有些地方结构浪费材料,不需要那么粗的地方也只能做成粗的了,这样重量偏大。
74e4531b91844bba4fec43f06215062e.png
木质桅杆上直接做导轨槽。这实际是个坏方法。破坏了桅杆原有圆形连续的良好的力学构造。制做起来也很麻烦。这种办法实际是在没有商品化C槽的一种原始手段。对于商品供应充足的现代社会来说完全不适用。

另外是在桅杆表面贴专用导轨。
这种导轨因为和桅杆本身无关,可以做得非常高效。五金店可以买到各种非常廉价的滑轮导轨(一般用来挂窗帘或者挂滑动门的,按载荷选择足够结实的即可)。当然有些设计拙劣的并不适用,要仔细选择。

国外有一些做专用的铝型材导轨。实际就是从那个一体化桅杆导轨中,把导轨单独剥离出来。这样在圆管桅杆上也可以贴导轨,木头桅杆也能用上金属导轨。

简易的C形导轨: 这种没有滑轮,纯粹是在帆边缘缝上粗绳,然后把绳子从C形导轨的一端插入,开口因为比绳子直径小很多所以不会脱落。这种在小型简易帆船里面很常见。有铝的也有塑料的。塑料的一般阻力比较低点。结构简单,重量轻,价格便宜。缺点很明显,帆与导轨之间直接摩擦,风大的时候根本扯不动。
下载.jpg

af040bd58fcfd19122837fe676459fa6_1.jpg 一种塑料的C槽。下面的燕尾槽是用来嵌进桅杆上的夹子的(事先在桅杆上钉上下一整排金属夹片)。

塑料的总是有点易于在阳光下老化的担忧。厂商一般都标榜耐UV照射。实际上你还是老实经常更换的好,燕尾槽就是让你可以快速更换而设计的。

现代因为机床加工业很发达,以前机床中才会用到的精密滚珠导轨(直线导轨)也可以用较低的价格买到。这种导轨坚固异常,即使最轻型的也非常强力。有一些成品帆船使用了这种导轨。优点是运动阻力非常低,动作可靠,它正确工作的时候基本不可能出现什么大风下降不下帆来的事情。
u=2960617405,3285322751&fm=26&gp=0.jpg
缺点吗。。。。过于精密的东西在恶劣环境下缺乏保养时总是容易坏。另外一个要注意的是,因为受到运输条件的限制这种导轨最长只有6m,更长的理论上可以做,但市场上基本没得卖。再考虑热胀冷缩的问题,这个导轨通常是分节安装的(和铁路铁轨一样),然后在节与节衔接的地方就要非常细致的对齐了。
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 楼主| 发表于 2020-5-28 13:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 begun 于 2020-5-28 14:03 编辑

QQ图片20200528123516.png

QQ图片20200528125042.png
船壳板的曲率比较小,而且曲率位置经过仔细调整,适合自由成型。但确保了都有曲率,以增强壳体稳定性。
船头直接削成平板,其实这个设计是给胶合板建造留的。铝壳可以用圆锥板连接,外观更圆滑些,也可以缓解应力集中。
但圆锥板做起来还得花时间,出于简化制作的考虑,还是搞平板。

QQ图片20200528132354.png
船体较宽3.1m,长宽比大概2.55,这样可以有效增大使用空间。码头收费标准单体船上不会计算船宽的,那自然是越宽越划算。
甲板经过调整,使得在应力最高处有最大宽度,保证结构强度。
船尾甲板延伸段被挖空。这是一方面让操人员可以有更大的左右活动空间(尤其你站舷侧时舱室不容易阻挡前方视线),另外一方面是削弱倒扣侧倾时舷侧的浮力,提高AVS角度。



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