基于系统设计的小水线面双体游艇造型研究(陈捷-)

基于系统设计的小水线面双体游艇造型研究基于系统设计的小水线面双体游艇造型研究以 96 英尺小水线面双体/三体动力游艇为例设计艺术学 1103 班 陈捷小水线面双体船在民用船和游艇方面有了日渐广泛的用途，然而这种新型船体的造型设计在我国甚至国际范围内都仍属于新课题，从一定程度上限制了此类船体在游艇行业的市场。本文通过系统设计的方法，对小水线面双体船的结构和船体布置、运行原理进行了分析和研究，归纳出此类船体造型设计中的特点和制约因素；同时结合当代汽车造型设计的趋势，总结出小水线面双体游艇的造型设计方法，提高此类船体的造型设计工作的效率，为我国小水线面双体游艇的发展提供助力。关键词：系统设计关键词：系统设计 小水线面双体游艇小水线面双体游艇 造型设计造型设计正文：正文：小水线面双体船（small waterplane area twin hull; SWATH）是为改善耐波性，减少兴波阻力，将双体船的片体在水线处缩小宽度造成狭长流线型面的高速船舶。小水线面双体船的概念是从美国产生的。早在 1905 年美国的 Nelson 提出用两个下体构成小水线面双体船的原始概念。目前世界各国正致力于开发中速小水线面双体船，在阻力性能、支架型式、线型优化、运动控制等方面已有了很大的突破。1989 年日本制造了新一代的载客 410 名的“海欧 2”号小水线面客船，其航速已突破 30 节，设有鳍控系统，在 5 级浪中的旅客晕船率为 2.8%，而在 6 级浪中仅为 6.5%。英国的 FBN 公司为减少湿表面积、 提高中速性能、提高纵摇稳定性、减小装载敏感性，采用了中水线面设计技术，这样可取消复杂的自控系统，已建造了 400 客 FDC 型艇。该艇在 3m 浪高下可达到31.7kn 航速，创下了小水线面船目前最高航速的记录。1932 年 Faust 提出小水线面双体船的初步设想。1946 年加拿大的 Creed、1967 年美国的Leopold 进一步予以完善并申请专利。1969 年美国海军船舶研究与发展中心(DTNSRDC)和美国海军船舶工程中心(NAVSEC)开始进行并完成了一系列小水线面双体船的基础性能研究和方案设计工作。1970 年美国海军水下中心(NVC)作为最终用户，对拟建造的靶场试验保障船开始论证并提出设计要求。1971 年美国的 Thomes G Lang 博士在美国加州创办 Semi-Submerged Ship Co.(以下简称 SSS Co.)申请的小水线面双体船专利，已提出在下体上用单或双支柱形式，及加装后稳定鳍、前鸭式翼鳍与控制系统技术。他也因而受美国海军委托，采用小水线面双体船型，组织设计建造卡玛利诺号靶场试验保障船。在充分利用美国海军大量研究试验储备支持下，1972 年在马里兰州柯第斯海湾的海岸警备队船厂开工。“卡玛利诺”号于 1973 年建成，交给美海军水下中心(后改名为美海军海洋系统中心)夏威夷试验站。1974-1975 年进行了一系列海上扩大试验，包括 4 级海情下直升机起降试验。该船成为世界上第一艘实用型小水线面双体船。它在服役中，又经历多次大风浪考验，在 4.6 米浪高条件下作业，未出现甲板上水现象；在 7.6-9.2米浪高条件下航行，无结构损伤。1985 年海洋考察部门的 10 位科学家随该船在夏威夷附近太平洋海域工作达 2 周之后，全都极力推荐今后海洋考察、水文测量等海上作业都应采用小水线面双体船型。小水线面双体船具有以下特点：1.出色的耐波性；2.良好的操纵性；3 航向稳定性好；4 宽甲板，易布置；5 排水量变化敏感；6 航态变化独特。在以上几个特点当中，我们总结出 SWATH 在游艇应用中应当能够成为空间大、速度快、操控出色的一类游艇。然而，由于 SWATH 船型有排水量变化敏感的特点，我们对本次研究设计的主体稍作更改，使之成为小水线面双体/三体船型杂交，并拥有一定储备浮力的新船型造型研究。在国内外双体/三体游艇应用方面，由于小水线面双体船目前为止仍是一种新型船体，因此国内外各大厂商对此种新型船体的应用基本仍在探索阶段。以下是我们在资料搜集的过程中所获得的一些此类船体在游艇设计中应用的实例，其中有部分实例仍在概念创作的阶段。在结构、船体布置方面，我们通过研究得出小水线面双体/三体船具有以下特点：1.甲板宽大，具有比普通船体多出 50%-100%的船体布置空间；2.小水线面双体/三体船包括下潜体、支柱体、上船体、连接桥和上层建筑几大部分组成，如图所示为下潜体及支柱体横剖面示意图。3.动力部分一般置于船体水线面以下的潜体中，包括了发动机、螺旋桨、传动装置甚至油箱；这个特点为我们在造型以及空间的设计上提供了更大的灵活性。基于以上调查以及船体结构、布置特点的分析，我们以系统设计的方法进入对“霹雳游侠”96英尺小水线面双体/三体动力游艇的设计。1.在系统的高度进行设计理念及造型设计在系统的高度进行设计理念及造型设计造型犀利，色彩抢眼，极具攻击性；内饰色调统一，营造一种家的气息；美学与功能的完美结合；对未来的思索、以及对科技美和机械美的不懈追求； 这些构筑成为我对于高性能游艇的设计理念。本款设计首先是作为一种交通工具，需要拥有卓越的性能，其次作为游艇，它是一种奢侈品，它需要精致，要美感十足。要注重线条的变化和小的细节处理，要体现出层次的变化美感，各部位要体现功能的实用性，就像瑞士军刀。用硬朗的线条来刻画一种阳刚之美。要体现未来美、科技美和机械美，让人感觉就像勇士身披无坚不摧的铠甲在战斗，如变形金刚所传达的感觉。在颜色的搭配上运用红蓝的搭配，极具科幻色彩。2.2.在系统的高度对船型及船体细节进行设计和选择在系统的高度对船型及船体细节进行设计和选择为了使我的设计拥有卓越的性能即速度性和舒适性，我起初选择了深 v 单体高速船作为我的设计船型，可是它耐波性较差，无法诠释我设计理念。此外，普通单体船在水中航行之所以阻力较大，主要是水的兴波阻力和摩擦阻力对船的影响，所以我的设计若想拥有较快的速度，就要减小这两个阻力。首先，可以通过减小水线面的大小从而达到减小兴波阻力的目的。其次，可以通过降低船体的湿表面积达到降低摩擦阻力的目的。关于减小水线面大小，我考虑到了普通小水线面双体船，普通的小水线面双体船由于潜水体在水面以下，水线面比单体船小很多，它的兴波阻力比单体船也要小很多，并且由于船体较宽，具有很强的稳定性，并且在高海况的条件下，其耐波性能极其出色。但是，兴波阻力的降低也带了一些问题，由于水面以下有大量的排水体积，摩擦阻力依然较大，并且由于俩个片体之间的兴波干扰而产生的兴波干扰阻力，使得双体船在某些航速下并不具有优势。这个问题改如何解决呢？通过查阅资料，我了解到如果在双体船的俩个片体之间增加一个片体，这样就使原来的双体船变成了三体船，那么这种三体船片体之间的兴波干扰有可能成为有利的干扰，这样原本是对于船体运动不利的兴波干扰变成了有利船体运动的有利干扰，而这种有利干扰与片体和中间的主体的相对位置有很大关系。我查阅了上海交通大学的李培勇先生研究的三体船阻力试验知道，将侧体纵向靠后、横向靠中的布置会有比较好的阻力特性，此时兴波干扰较小，阻力特性较好。基于对于国内一些比较前沿的船舶研究的了解，使我最终选择了三体船作为我设计的船型，并且三体船的侧体相对主体将采用纵向靠后，横向靠中的布置（如图1） 。图1 侧体布置图为了降低船体的湿表面积，我想到将船体底部线型从舯部开始逐渐往俩边抬升，这样的设计成功的降低了船体的湿表面积，从而降低了摩擦阻力，达到了设计要求（如图2） 。这样，为了符合我设计理念，关于船体的选择，从最开始的单体船到双体船，在明白双体船也不能达到有效降低阻力的情况下，我选择了三体船的船体形式降低兴波阻力，而侧体采取纵向靠后，横向靠中的布置方式能产生比较理想的兴波干扰，底部线型由舯部逐渐往俩边抬升也减少了湿表面积，降低了摩擦阻力。图 2 底部线型3 3. .对对系系统统各各要要素素进进行行的的分分别别设设计计及及统统筹筹规规划划。主船体：为使整个船体有较多的储备浮力，主船体采用穿浪双体船的主船体造型设计，从而使本设计成为了小水线面双体船与三体船的杂交船体。主船体的造型趋势灵感来自法拉利恩佐跑车的前脸造型，富有速度感。下潜体及支柱体：下潜体和支柱体作为提供浮力和支撑上船体的结构，需要与上船体分离并通过支柱体进行连接， 宽大的连接部同时可以成为主船体到支柱体的通道，使宽大的支柱体上部空间得到更好的利用。 考虑到船体的速度感及流线型，支柱体顶部通过悬臂梁的形式与船体连接，并以此结构为船体提供支撑。而支柱体水面以上部分则的设计与主船体造型趋势一致。动力部分：动力单元置于两组下潜体内，采用喷射水流的方式推进船体运动。内部布置：由于支柱体空间较大，并通过与主船体的连接使支柱体上部成为了主船体空间的延伸。两个支柱体可以分别布置一间卧室和一间船员舱，空间利用非常充分。主船体内部则可以很宽松地布置一间主卧，娱乐区和沙龙区，而船尾露天的空间则成为乘客参与户外活动的场所，成为沙龙区的一个延伸。其他系统，包括排水、电路、蓄电池、蓄水池等都被布置在主甲板以下。4.4.系统中其他需要解决的问题系统中其他需要解决的问题1）材料选择在材料的选择上，船体大部分采用高强度轻质耐腐蚀铝合金，部分地方对强度要求特别高的地方如连接桥，采用碳纤维材料加固。2)动力配置 在动力设备的配备上，采用氢电池作为主能源，依靠电动机带动，以喷射水流的方式推进船体运动，无污染、亲和自然。经过以上的设计过程，我们进行了一些草图的绘制，并确定了最后的方案，通过草图的不断磨合，对技术方案的不断了解，我最终确定了最终方案草图，为了将我的方案以更加可视化的方式展现在人们的眼前，我在 Alias 中建出模型（如图 3） 。图3 Alias 中建出三维模型 模型建出来以后，我首先渲出白模的效果图，确认白模效果图（如图 4，图 5）造型形态已经接近自己的草图方案了，接着开始分析配色，基于我设计理念中我强调的科幻感，我便借鉴了超人、蜘蛛侠这些科幻类英雄人物服饰装饰的配色特点，采用红与蓝的颜色搭配，完成了对科幻感的诠释（如图 6） 。图4 渲染白模一图5 渲染白模二图 6 最终定案效果图综上所述，我们总结了一些在研究小水线面双体/三体游艇造型设计的方法。首先，在设计活动的初期对设计目标进行明确，亦即了解此种船体的结构特征，对造型设计和空间布置设计的制约。明确设计的尺寸、功率、乘客容量、航速等基本参数。其次，对此种船体进行市场调研以及资料的搜集，关注市场上新近出现的新船体，并同时关注这种船体在结构研究方面国内外的新成果。第三，进入设计阶段。1） 站在系统的高度，对船体进行造型和布置的总体把握，进行草图和方案的研究。2） 在方案基本确定后，深入到游艇系统中的各要素解决问题，把握设计的亮点，以及各要素之间的协调。这个部分需要着重注意的是各要素必须发挥其在系统中的作用并且在与其他要素配合的基础上将功能特点最优化、最大化。3） 确定各要素设计完成后，回到对整个系统的设计，检验各要素的深度设计对系统所做的贡献，并同时注意是否给系统带来了负面影响。4） 解决系统和各部分配合出现的问题，并同时对已经完成的设计进行补充，使其能够达到功能与造型同时满足设计要求。小水线面双体/三体船属于新型高速船体的一种，其结构的设计和探索在现阶段仍不尽成熟，相信在不久的将来，此种船体会得到更全面、更高效的设计，从而由军用、商用、政府用等进入游艇行业，届时游艇市场将很有可能出现由此引发的一场设计变革。而我们正希望我国游艇业能够在此契机下紧跟世界先进技术的步伐，成为新船体在游艇制造业的领军者。笔者本篇论文正是希望能够为我国的游艇设计推进提供一些助力。参考文献：参考文献：1 李培勇，冯铁城，裘泳铭.三体船横摇运动J.中国造船，2003.