性能出色的复合双体船

来源:国际复材技术商情

发布时间:2020年4月14日下午 07:04:48

受竞赛双体船设计元素的启发,并以创新方式采用复合结构,Compmillennia推出了一款兼具高速、出色的燃油经济性和平稳行驶性的钓鱼远足船。
 
 
停泊的双体船
 
受竞赛双体船设计元素的启发,并以创新方式采用复合结构,Compmillennia推出了一款兼具高速、出色的燃油经济性和平稳行驶性的钓鱼远足船。
 
既能保持良好的行驶速度,又能省油省力,同时乘坐舒适,是大多数船舶用户的愿望。其中,行驶速度是最受重视的。但当大多数船舶设计师讨论这三个特点时,他们通常是在权衡之下做出妥协——例如,为了速度而牺牲燃油经济性,或者为了乘坐舒适而牺牲速度。因此,当Compmillennia公司的总经理JimGardiner着手在在一条船上实现高速、出色的燃油效率和出色的乘车体验时,他知道必须进行创新。事实证明,复合材料技术对其成功至关重要。
 
其结果是CompmillenniaLIGHTSPEED1188型双体船,这是一款具有39英尺的中控台、专为8名左右垂钓者的海上钓鱼团体设计,或多位家庭成员和朋友进行短途旅行。这艘船的横梁异常宽大——该系列中的第一艘横梁为12英尺,现在达到了14英尺——从而提供了极佳的稳定性,并为人员和装备提供了足够的空间。虽然只有两个300马力的发动机,双体1188提供最高时速超过60英里每小时,几乎相当于配备了三或四个300马力发动机的大型V型底中控台船的最高速度。更大的V型底需要很大的发动机马力才能将其推入水中,而更大的马力等于更大的重量、更多的成本、更大的牵引力和更多的燃料。
 
快速、高效、舒适
 
为了实现速度、效率和舒适性的三位一体,Gardiner从“一张白纸”开始设计光速1188,他认为,这使他能够避免“纯粹的生产思维和固定工具”的限制。他注意到,例如,在生产双体船时,驾驶舱通常是一个单独的“桶”,带有甲板底和船体侧衬垫,设计上Gardiner把它称为“碗形杯结构”。
 
为了减轻1188的结构,Gardiner借鉴了大型海洋帆船比赛双体船的设计元素,使驾驶舱成为该船更为完整的组成部分。
 
这些竞赛船的船体由两个横梁连接在一起,并通过在船体之间拉伸高强度网状材料简单地创建了一个“甲板”。Gardiner复制了该结构的非竞赛性方面,通过将后舱壁和前舱壁用作主要的横向结构,从而使两者之间的复合甲板非常轻巧。
 
除了消除传统座舱设计中存在的冗余结构部件外,轻巧的重量在1188的8x12英尺高架T型顶篷设计中尤为明显。这种元件可能只携带电子设备和照明设备,但它在结构上的坚固性足以为可选的第二操舵站提供一个上层甲板。
 
在其他这种类型的大型中控台钓鱼双体船上,这部分的重量可能高达1,000磅,其中包括用于坚固的焊接铝管框架及固定在船上的支撑。而LIGHTSPEED1188使用经过优化的碳纤维层压板,重量不到200磅,并且无需螺栓即可粘接。
 
由于重量是Lightspeed1188设计的核心,因此Gardiner将其定为定制其他设计元素的固定点。也就是说,他根据船的结构元素和装备计算出了船的重量,然后在优化设计的其他参数时将这个重量考虑进去。例如,Gardiner只有在确定了船的重量后,才设计了两个船体之间隧道的几何结构——这不是一项简单的任务,因为他的目标是通过提供至少12英寸的离海间隙从而来防止水击。
 
重量轻,有助于减少排水量,从而提高燃油经济性。Gardiner指出,燃油经济性与船的总重量大致成正比。LIGHTSPEED1188的重量为8,500磅,传统双体船的设计重量为13,000磅。但是,重量仅仅是燃料消耗的一个因素。单步船体设计对1188的燃油效率也至关重要。
 
在阶梯式船体中,结构“槽口”位于船体两侧足够高的位置,以便在船舶巡航时达到水线以上。在槽口的后部,船体底部略高于槽口的前部。这个台阶形成了一个低压区,通过侧面的槽口吸进船底的空气。据报道,随着更多的船体被提离水面,这艘船的阻力更小,提升效率更高达15%。
 
Compmillennia公司努力使燃油经济性最大化,其结果是,1188的巡航油耗为1.5英里/加仑,比其他同样大小的渔船所能达到的最高航速增加了一倍。
 
阶梯式船体的优点在于,它大大增加了船体设计的复杂性,但Gardiner以前并没有处理过。他数十年的船舶设计和建造生涯使他的设计工作更少依赖于计算机分析,而更多地依赖于基于经验的设计决策。Gardiner表示:“我每周建造一条18英尺长的轻型钓鱼小艇,已经13年了。这使得我每周都有机会试验材料和分层时间表。这是一次‘凭直觉’的测试。每个星期,我都会带不同的员工去试航。尽管每艘船都是用同样的模具造的,但我还是学会了从航行中识别出建造一艘完整的船所使用的树脂、增强材料和核心材料。”
 
描述LIGHTSPEED1188的设计过程时,Gardiner表示,设计是用铅笔和纸、样条曲线和船的曲线绘制的。进行了浮力计算,并进行了重量和力矩的研究。在此基础上,对设计进行了修改,使重心在正确的位置。只有在Compmillennia建造了船模之后,设计才进入Autodesk公司,并为进一步的生产计划和修改奠定了基础。
 
单级船体比多级船体更有效,更普遍。此外,还解决了运行角度、稳定性和舒适性与几个设计元素。燃料箱位于船的重心,这样当425加仑的燃油容量被消耗掉时,船的平衡不会改变。这也有助于提高燃油效率。船体层压板、泡沫夹层在设计上,使用玻璃和芳纶增强乙烯基酯,有助于乘坐舒适的能力,吸收能量。总的来说,1188大多采用碳纤维复合材料,因为它们在顶篷中以及沿着诸如前后舱壁等载荷路径的刚度适合且重量轻。玻璃和芳纶纤维复合材料则在其他地方使用。
 
与许多复合材料层压设计一样,1188的设计是重量优化的,这既是因为复合材料的高强度重量比,也是因为它们的适配性。这种设计使层压板尽可能薄(通常是一层或两层双轴、三轴或四轴非织造布和一些单向布),并在需要防止水拍打或船坞碎片冲击损坏的区域加入更多层压板。
 
先进的复合材料制造
 
Gardiner的第一个任务是把他的设计成果是建立成本效益的模具。40英尺中控台双体船的生产工具成本约为100万美元。作为一家向市场推出新设计的小型复合材料制造商,那将是一笔巨大的投资。Gardiner做出了不同的选择。“我认为,建造一个覆盖高压层压板的胶合板船体模具将会具有很好的成本效益。”到2019年底,Compmillennia公司将开始在这些模具上建造第九艘船体,他们已经为此支付了好几倍的费用。该公司在其20英尺乘80英尺的平板真空模具上制造了该船的其余复合部件——驾驶舱底板、甲板、控制台,该真空模具生产的面板表面具有接近生产质量的凝胶涂层。
 
复合双体船的树脂注入
 
LIGHTSPEED1188的大多数组件都是通过手工铺设干增强材料然后注入树脂来制造的。手工叠放加树脂灌注的组合用于构造LIGHTSPEED1188。主要的玻璃增强材料是Vectorply公司的E-LT32000/90缝合双轴织物。对于小型零件和粘合带,使用Vectorply的E-BXM1708和240845/-45双偏置缝制织物。芳纶增强材料KDB130845/-45双斜度缝合织物也来自Vectorply公司。碳纤维增强部件使用了一系列Zoltek公司单向机织和45/-45缝合产品。
 
 
双体船示意图
 
对于基体,Gardiner选择了InterplasticCorp.的CORVE8175-60树脂,一种高伸长率灌注乙烯基酯。乙烯基酯与胶衣的相容性是决定性因素。这种特殊的乙烯基酯提供了良好的织物增强剂,对各种纤维类型具有良好的附着力,并有足够的伸长率来确保负载是由增强剂而不是基体承担的。使用MagnumVenusProducts设备和GougeonBrothers的浸渍剂来浸润纤维。
 
夹心板使用的是戴铂Diab的DivinycellH或HM泡沫芯制成。在高负荷区域,例如发动机安装的龙骨区域和横梁,使用了更高密度的板材。
 
渐进式设计
 
Compmillennia最近完成了LIGHTSPEED1188系列的第七艘船。该系列的每艘新船在设计和建造方面都随着系列的发展而不断进步。结构上的修改包括增加前叉的前叉上升力(即,前船体中更明显的V形),优化的尾板角度以及龙骨和列板细节。Gardiner还致力于进一步优化层压板和空气动力学。由于该设计是为每个新客户量身定制的,因此将前后重心保持在正负2.5%之内,无论是对内饰还是乘坐舒适性而言,都是相当重要的。
 
虽然第一个LIGHTSPEED1188被限制在12英尺的范围内,以满足美国道路上的拖车规则,但后来他们决定不受拖车行驶的范围所限。最近,Compmillennia推出了1188的四引擎版本。这艘船上的双船体更宽,因此每个船体可以容纳并排发动机,产生的横梁总长度为14英尺。驾驶舱有近15%的增加,但增加的重量成本很小。这台1188配备了4台400马力的发动机,在首次试航期间达到了令人印象深刻的最高时速95英里。
 

 

 

 

Tell A Friend

评论

Image CAPTCHA