高速双体船带T型翼和压浪板自航船模的设计建造

张小波 曾令斌 周德武

摘    要：本文針对高速双体船减纵摇技术研究验证的需求，开展带T型翼和压浪板的自航船模的设计建造，以进行自航船模试验，验证其减纵摇效果。通过对自航船模重量控制、船体材料选择、推进和动力系统设备选型、纵摇设备装配以及试验测控系统的研究，采用铆接方式成功制作了小型铝合金自航船模，其满足喷水推进自航和自控减摇试验的要求，并通过了湖试试验验证。

关键词：自航船模，双体船

中图分类号：U674.951                             文献标识码：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

大型高速双体船通常采用可控式T型翼和压浪板以减小纵摇，在船型及减摇附体设计中，首先通过水动力仿真计算，对减摇附体的形状、尺寸及布局等参数进行初步优化，并进行水池试验验证;此外，为了验证主动式减摇系统的减摇效果，还需要开展自航船模试验，在自航条件下进行主动式 T 型翼和压浪板联动的开阔水面试验。对于这样以运动模拟和测量为目的的高速自航船模，其轻量化设计及相关驱动装置、运动控制系统的模拟是关键的技术问题。

2     自航船模技术要求

该高速双体船的排水量为1 980 t，航速约37 kn，为方便数据对比，拖曳水池试验及自航试验采用同一个模型。同时，为兼顾拖曳水池试验条件以及自航湖试试验条件要求，根据水池拖车速度限制以及自航搭载等需求，采用1：14的缩尺比制作船模，船模长度控制在7 m以内，重量不超过600 kg。

自航船模（见图1）的具体参数如下：

总长                         6.80 m

水线长                     6.20 m

型宽                         1.75 m

型深                         0.50 m

吃水                         0.22 m

排水量                     586.67 kg

航速                         ≮5 m/s

由于该双体船线型复杂，船体结构重量较大，航速较高，通常情况下大约需要为各类搭载（推进器、T型翼、尾压浪板和电池）预留约三分之二的重量，也就是说，船模结构的重量应控制在200 kg左右，重量控制难度较大。此外，在考虑轻量化设计的基础上，船模结构设计还需要保证模型在波浪中高速运动的强度，并考虑推进器、T型翼、尾压浪板和电池安装拆卸的局部强度和连接便捷性。

3     自航船模设计

自航船模主要包含：自航船模结构本体;2台喷泵及电机;电池;可控式压浪板和T型翼附体结构及驱动的液压系统;升沉传感器、加速度传感器;差查分GPS;航速航向控制系统;压浪板和T型翼的减摇控制系统等;另配岸基操作系统等。

自航船模设计，主要包括：结构轻量化设计;设备选型及配重;减摇部件设计等。

3.1   船模材料选择和结构设计

传统的船模材料一般采用木质或玻璃钢材料，这两种材料价格便宜、加工成型方便。但本案例的模型需考虑内外场长期试验及不同试验场地间的转运，木质材料的变形会较大，而且T型翼、尾压浪板、喷水推进装置安装不方便;玻璃钢材料重量较轻，但其薄板强度需要进行加强，而且玻璃钢船体与T型翼、尾压浪板、喷水推进装置的连接与修改比较困难。因此，从强度、安装便捷等方面考虑，模型材料应考虑金属材料，可采取焊接或铆接形式进行外部设备的连接。

据初步估算，采用普通钢质材料，船模结构重量需要400～500 kg，远大于重量控制目标，故只能采用铝质材料。铝合金材料的密度仅为钢材的三分之一，具有成熟的薄板焊接和铆接工艺，在喷水推进器、T型翼和尾压浪板等设备的安装位置，可通过预留安装基面进行重复安装调试。

该船模尺度较大，为了便于后续对模型的重复利用，结构设计时考虑了以后上人安装调试的可行性，在材料及部件连接节点上参照了中国船级社《材料与焊接规范》的相关要求，并参照高速艇规范进行了结构强度校核。

该船模结构由外板板架、主甲板板架和横舱壁板架构成：外板为单板结构，船底板板厚3 mm，舷侧板板厚2 mm;连接桥与主甲板为一体，厚度为3 mm;主甲板其他区域和横舱壁板板厚3 mm。

该船模底部设置两道旁龙，在有设备的位置设置了横向强框架;旁龙为2 mm帽型结构，主甲板强横梁/强肋骨均为2 mm帽型结构。

船模结构的重量约210 kg，满足重量控制目标要求。具体结构图，见图2所示。

3.2   船模自控系统设备选型及配重

根据自航船模的阻力和试验航速≮5 m/s要求，每台喷泵的功率应不小于5 kW;并需配备喷水推进泵控制系统，以控制喷水推进泵的启动、停止、加/减速及转向;倒斗、转向机构应有角度指示器。经对市场产品进行对比后，采用无锡市奥维特机械制造有限公司的JT130 A 喷水推进泵，根据喷泵推力估算，航速可达5.5 m/s 。

电机控制系统需实现喷水泵的启动、停止、加/减速及转向与导航控制，经选型采用上海振浔自动化科技有限公司的电机控制系统，左右电机转速配转速表，最大转速约3 000 r/min;自航船模采用两台喷水推进泵作为推进系统，喷水推进泵具备远程遥控功能，岸基平台可通过无线电信号控制喷水推进泵的启动、停止、加/减速及转向，可满足航模试验对航速、航向控制的要求。

根据湖试试验的时间和航程要求，大约需配置20分钟电源容量。全船电源系统包含：2套48 V120 AH锂电池组、2套24 V120 AH锂电池组、2套48 V120AH充电器及相关锂电池充电插座，其中充电器放岸上。48 V锂电池组用于喷水推进供电，每套喷水推进泵的驱动器配1套锂电池组。其中一组锂电池给转向和倒斗机构供电，另外一组锂电池给液压泵站供电;24 V锂电池组主要用于遥控和减摇测控设备供电。

按以上设备选型，自航船模总重量约563 kg，各系统设备的重量如表1所列;惯量及重心位置可以用电池等可移动重量在试验现场进行调整。

3.3   T型翼和压浪板设计

T型翼和压浪板均采用铝合金材料。水翼模型选择NACA0012翼型，采用襟翼形式，襟翼摆动范围为-15°～12°。考虑到液压和联动机构的可实现性，水翼与船体之间采用可拆卸的螺栓连接。T型水翼尺寸，如图3所示。

压浪板模型的尺度和摆动角度如下：

长度          143 mm

宽度          242 mm

摆动角度范围：0°～15°。

4    自航船模建造与装配

4.1   壳体建造

双体自航船模的线型复杂，尺度较小，重量控制要求高，每个部件的重量必须精确控制。船体零部件、支架等在车间内分别制作，加工完成后进行称重，再送船台待装;船体完工后，将艇体吊起，测量船体的总重量。

为保证船体线型的精确度，采用铆接工艺，避免焊接带来的变形影响;船模的装配在专用装配胎架上进行，胎架应具有足够的强度和刚度，胎架上与铝质构件接触处必须垫以硬质木块或橡皮;纵骨、纵桁以安装线为准进行安装，误差 1 mm。

在进行船体加工时，需同步考慮喷水推进装置与船体连接的加工工艺，必须在流道的上表面预留与喷水推进器安装基面的位置，以实现泵体的无缝连接;此外，需要预留出转向和倒斗装置控制系统的安装面，以实现自航船模的操控。

4.2   部件装配

由于船模船体线型复杂，活动部件较多，试航航速高，安装时应注意防漏防溅等保护措施，重要零部件如联轴器和齿轮箱等应有备件：

（1）喷泵、T型翼和尾压浪板，按模型壳建造时预留的喷泵驱动器、电机、操作倒航机构的电机及驱动器的安装基座安装，安装时需保证连接轴对中良好，喷水泵基座及流道的贴合处、水翼与船体连接处不漏水;

（2）各种基座和设备、船体之间无明显共振;

（3）电池采用封箱安装于主甲板面上，避免水溅，高度和纵向位置可以调整;

（4）电缆线选型和布设满足模型试验标准，具有屏蔽隔离措施，动力、信号、充电线应该分开。

4.3    试验测控系统

自航船模装配完成后具有自主航行能力，并可通过岸基支持系统实现无线遥控测试。试验测控系统功能与组成如图5所示：伺服控制部分实现对喷水推进、T型翼和压浪板等执行机构的控制;航行控制部分实现船模的航速、航向控制;减摇控制部分实现纵摇和升沉的抑制;任务管理系统完成采集信息的存储、自主航行控制任务的设定、无线通讯等任务;岸基支持系统通过无线通讯实现自航船模运动信息的采集和对自航船模运动的遥控。

5     结束语

本自航船模在湖试试验中达到了5 m/s的航速要求，实现了喷水泵的启动、停止、加/减速及转向岸基遥控控制，完成了在自航条件下进行主动式T 型翼和压浪板联动的湖试试验，取得了湖试条件下的减纵摇试验预期成果。自航船模的设计和制造，为同类喷水推进高速双体船模的轻量化设计制造、设备安装、减摇装置联控等自航试验技术积累了经验。

参考文献

[1] 李忠林. 船舶建造工艺学[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 2006 .

[2] 中国船舶工业综合技术经济研究院. 常规排水型船船模双桨自航试验方法[S].  北京：船舶标准信息咨询中心出版， 2008..

[3] 王立祥. 喷水推进及推进泵设计理论与技术[M]. 上海：上海交通大学出版社2018.