一款国内豪华游艇的设计建造特点及技术改进

(武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

18.89 m(62 ft)游艇为非营运性豪华游艇，其动力数量及推进形式在同级别游艇中新颖少见。按CCS《沿海小船入级与建造规范》(2005)的相关要求进行建造，按CCS《沿海小船检验规范》(2001)对沿海航区营运限制的要求进行检验。该游艇造型动感美观、功能齐全、空间感强、动力强劲、操纵灵便、静音舒适且人机关系协调，充分体现了游艇的美学价值和商品价值，深得用户喜爱。

1 船舶概况

1.1 主要参数

总长Loa18.817 m

水线长(船长)Lwl16.070 m

型宽B5.736 m

型深D2.410 m

设 计 吃 水T0.860 m

满载 排水量 △ 35 t

航速V31 kn

主机功率P320 kW×4

1.2 船舶布置

该游艇布置的舱室数量、形式和功能性在同尺度的游艇中较为少见。首先，由主甲板将之分成上下2层，实现主尺度小却分舱多的目标，共5房、1厅、1沙龙、1厨、3卫、2舱、1库(小艇库)；其次，不同于欧美常规游艇布置紧凑、拥挤且会出现视觉通透感不强，该船布置合理，尽显对称之美，同时借鉴了家居复式楼的优点，既有优良的视觉效果又符合东方人之审美特点；最后，该布置使该游艇功能齐全，自动化程度高，容家居、休闲娱乐空间于整船，充分体现简约而不简单的设计理念。具体布置见图1。

图1 总布置图

2 船舶动力性能预评估

因航速高且布置紧凑，故而该游艇在初步设计时推进装置拟用4套瑞典VOLVO PENTA生产的IPS600船用柴油机系统，其单机最大功率为320 kW，最大转速3 500 r/min，IPS600系统为机-轴-桨-舵一体式结构，见图2。采用该系统不仅可减少轴系、舵系的设计、安装和调试，而且甚至比传统的主机-齿轮箱-轴系-人字架-舵系这套系统的成本低廉，体现优越的建造经济性，同时其重量也比传统的系统总重轻，方便全船重量控制。

VOLVO PENTA公司在和用户达成系列主机交易之前，需要对用户的船舶的船型作出必要的评估，来判断用户的船型是否合适配装该机型，需要用户提供的资料有：船舶的3D型线图(含上层建筑)、总布置图、满载排水量、空载排水量、满载重心纵向位置等。该公司用评估软件MPS(marine propulsion software)对本船的评估曲线见图3、4。当船舶重心向肿前调整0.25 m时，评估曲线显示航速和纵倾角两项结果符合要求，最终确定该游艇配装IPS600方案的可行性。

图2 IPS系列机-轴-桨-舵外观图

图3 航行阻力、推力与航速关系

图4 航行纵倾角与航速关系

3 船体结构

该游艇为单板、横骨架式结构形式，构件剖面为“帽型”，全船主要以手工、辅以真空注塑成型建造而成。游艇是对空间要求很严格的特殊船舶，在初步设计时采取有效方法，在不违背基本原理的情况下不仅能保证空间，也能满足规范要求。

由总布置图显示可知，主人房地台板距基线的高度直接影响了房间净空，因此该区域的船底骨架设计尤为重要。一般而言，对横骨架式游艇，船底龙骨对之影响次之，主要影响来源于实肋板，而“规范”要求实肋板间距应不大于2 个肋位。在设计的过程中对关键的12～20号肋位船底的横向构件的不同设置进行了对比计算。①每2个肋位设置实肋板；②每个肋位设置实肋板，计算要求的实肋板剖面模数前者为977.5 cm3，而后者为601.7 cm3，前者大出后者38.5%，显然在实际设计中采用后者对净空有好处。同时在绘制横剖面图中使实肋板的腹板高度从纵中剖面向舷侧逐渐减小[1-2]，给主人房地台板的布置提供了更大的调整裕度。

帽型剖面构件的腹板高度与厚度之比不应超过30，其面板宽度与厚度之比不应超过20，帽型材结构剖面见图5。

图5 帽型材剖面示意

上述比值往往被船舶设计者甚至图纸审核工作者忽略。若超过该规范限定值，帽型材的腹板和面板本身存在稳定性不足的问题，给整船的结构安全埋下隐患。而FRP成型工艺对构件的厚度亦有要求，构件太厚，若一次成型易出现固化不良[3-4]，最终致使构件存在内应力而降低构件实际强度；从施工角度，若几次成型，无疑增加了固化和施工时间，增加了作业难度、强度和人工成本，经济性不佳。因此应依据实际情况采取恰当的工艺。经计算、优化和比较，最终选定该游艇12～20号肋位实肋板尺寸b1×b2×h×t为100 mm×120 mm×250 mm×13 mm。

当前某些游艇制造厂施工人员的识图水平有限，设计者在一些最重要的环节进行结构设计的时候一般会尽量减少构件尺寸和类型，方便现场识图和正确施工。如该游艇船底横向构件每个肋位设置实肋板，除厚度t不同，b1、b2、h都取相同值，事实证明该方法是有效且受欢迎的。

游艇舷侧、上层建筑侧壁、都不可避免有大开口，但凡外板有开口均要求加强。对于FRP游艇外板大开口的补强实际施工中采取以实木等有效芯材外覆FRP的措施，进而保证装修空间。因大开口会减小补强构件的有效带板宽度，一定程度削弱了补强构件的有效强度，但有效芯材是参与结构计算的，能补偿补强构件削弱量，最廉价的有效芯材无外乎木方。

除此之外，该游艇的顶甲板上2.0 m×2.5 m共5 m2的大型自动伸缩天窗不仅能实现伸缩自动化，而且提高了沙龙和驾驶台的采光、透气之功能。天窗板为真空注塑成型的FRP“三明治”结构， 与顶甲板具有相同的梁拱。若是5 m2的常规 “三明治”结构板，不采取周边任何加强则不具备长时间耐候性，置于户外过久会变形，使天窗密封性变差、不能伸缩。为了避免出现类似故障，在施工中采用如图6所示的复合材料柱为内部加强的成型工艺，制造出来的板重量轻，强度高，不易变形，使用至今均未出故障。此加强工艺的采用和实际效果与文献[5]一致。

图6 复合材料柱/“三明治”夹芯结构示意

4 船舶经济性、操纵性和环保性

1) IPS600的主机实际单机功率为320 kW，但却能发出相当于传统主机440 kW(600 PS)的功率。由图2可知，主机与螺旋桨距离近，功率传递中机械损失小；螺旋桨采用的是对转桨，较之传统的桨，推进效率高[ 6 ]；此外传统的动力推进系统因尾轴与基线存在角度，故而推进方向也与基线存在角度，而IPS的螺旋桨推进方向与基线平行，较之传统的推力损失小。所以使用IPS系统因具有高的推进效率而具有良好的燃油经济性。

2) 采用VOLVO PENTA IPS600主机，使该游艇具备优越的操纵性。使用主机专配的摇杆，便可实现游艇8个方向的平行运动和原地360°旋转，使游艇驾驶者能轻松完成对游艇的操控，尽享高科技成果，游艇智能化更是上了一个台阶。正是因为其良好的操纵性，省去了传统的艏艉侧推装置，减少了重量和系统，进一步改善了建造经济性。

3) IPS600主机采用水下排气法，有效减少了有害气体的排放，同时也降低了噪音，实现了节能减排，真正意义体现了环保理念。

[1] 中国船级社.沿海小船入级与建造规范(2005)[S].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 中国船级社.沿海小船检验规范(2001)[S].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 田中 勤.玻璃钢(FRP)成型工艺技术及应用[M].北京：中国环境科学出版社，1996.

[4] 王耀先.复合材料结构设计[M].北京：化学工业出版社，2001.

[5] 李兴冀.复合材料柱/泡沫塑料夹芯结构板成型工艺及性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[6] 王国强，盛振邦.船舶推进[M].上海：上海交通大学出版社，1995.