新型龙舟的研制与开发

2021-10-02许亚萍贾浩程刘慧慧

当代体育科技 2021年25期

许亚萍贾浩程刘慧慧

(1.浙江大学公共体育与艺术部浙江杭州 310023;2.浙江科技学院体育部浙江杭州 310023;3.北京市第一七一中学北京 100013)

龙舟运动的基本器械是龙舟，离开龙舟即无所谓龙舟运动[1]。2016年，国家体育总局印发的《水上运动产业规划》推动水上运动装备升级专栏中提到大力发展水上运动船只、水上娱乐设施、水上安全及救生用品、水上休闲装备等水上运动产品，为水上运动装备“中国制造”升级及拥有自主知识产权的自主品牌制造探索出一条新的道路[2]。龙舟运动依托于场地、器械等物质条件而存在[3]。目前，在正式比赛中使用的龙舟主要有两种标准，材质上已经由实木改为玻璃纤维，经过调查分析发现目前龙舟存在体型笨重、速度缓慢等缺陷。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

该文以新型龙舟的研制为研究对象。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

通过查阅学校图书馆、CNKI中国知网及Web of Science等论文数据库，以龙舟运动及船只改造为主题检索相关研究文献，为该研究中新型龙舟设计的理论技术、结构要求及材料选择等方面提供参考与借鉴。

1.2.2 头脑风暴法

针对新型龙舟的研制与开发，邀请了3位高校龙舟队教练员、2位国内龙舟运动资深从业者及3位机械设计方面的教研人员组成了新型龙舟设计研究小组，共同探讨了关于我国新型龙舟的设计、研制想法与观点。在归纳汇总现有龙舟问题缺陷的同时，确认新型龙舟将面向专业龙舟运动群体进行设计，优先考虑龙舟运动的竞技性和观赏性，在保证一定稳定性的前提下尽可能减小阻力，提升速度。

1.2.3 实验法

初步确定新型龙舟的总体设计方案后，通过计算机建模模拟的方式进行设计与计算，从龙舟的外形、结构和材质方面进行研制开发，通过优化船体线型、优化结构和减轻自重等方式达到提升速度的目的，研制出的新型龙舟在实践检验中进行了样船制造与模型试验，浮力情况符合使用需求，并具有一定的稳定性，且船体阻力有所降低。

2 结果与分析

2.1 新型龙舟的设计

要深入研究龙舟运动，建立适应龙舟运动发展的比赛规则和管理体制，改变现有的不同民族各具特色的比赛器材、参赛人数、比赛场地设置、成绩计算方式等[4]。在保留传统龙舟文化元素的基础上，设计出在速度上较传统龙舟有明显提升的新型12人龙舟和新型22人龙舟。新型龙舟将面向专业的水上运动群体人员进行设计，基于流体力学、人体工程学和美学等方面进行优化。优先考虑龙舟运动的竞技性和观赏性，在保证一定稳定性的前提下尽可能减小阻力，提升速度，满足更加专业的高竞技性比赛需求。

2.1.1 新型龙舟的材质选择

龙舟项目对场地和器材要求较高[5]。新龙舟将采用碳纤混合的复合材料和高密度填充材料，龙舟船体双面贴合复合材料，龙骨采用碳纤维与芳纶混纺材料，脚蹬预埋不锈钢配件，满足运动员发力强度。整体减重约40%，重量约138～156kg，一定程度上减小了龙舟浸润面积，有效降低阻力。新型材料在提高速度的同时，还增加了40%的表面强度，能够满足冲滩的需求。船的整体密度小于水，船舱满水状况下不会沉入水面以下。

2.1.2 新型龙舟的船体线型

根据计算机模拟计算，两种几何外形的船体在以4m/s的速度前进过程中，尖头船体产生的水波更小，水面较为平稳，水波的波长更长。尖头船体所受到的压力较小，最大压力位于船首上半部分。新型龙舟的升力系数达到4.099，阻力系数可降至1.473。由于新型龙舟的船身较窄及浮力等因素，船头升沉幅度相对更大，船头船尾将做20cm抬高处理，船型设计转弯时考虑船体倾斜回稳性，其转弯半径约27m。新型龙舟设计为流线型船底，如图1所示。改进后的船底线型为连续外凸弧面，能够在保证一定稳定性的条件下，将阻力系数降低至一半以下。

图1 12人新龙舟（左）与22人新龙舟（右）横截面图

2.1.3 新型龙舟的座位排布与装配

改进后的新型龙舟采用交错的座位排布，减少船宽的同时也为运动员提供足够的运动空间，新型龙舟的总体长度并没有过度加长（见图2）。新型12人龙舟最大宽度从1m减小至0.85m，22人龙舟最大宽度从1.1m减小至0.95m。新型12人龙舟和22人龙舟的总长仅分别由9.60m和12.40m增长至10.45m和13.95m（见表1）。

图2 现有龙舟（左）与新型龙舟（右）座位排布对比图

表1 新旧龙舟尺寸表

在龙舟的装配上，考虑到运输因素，国际标准集装箱长为40ft，船体长度不能大于12m，新型12人龙舟长度为10.45m能够满足装箱要求，新型22人龙舟船体从船头隔离舱分隔为两段，分别为11.8m与1m。龙舟行进过程中截断截面最低处位于水面以上，能够最大程度降低因接缝导致的流体阻力提高，同时对制造过程中的密封需求影响较小。

2.1.4 新型龙舟的脚蹬与坐凳

新型龙舟脚蹬设计为全脚掌支撑，脚蹬角度与前后距离可以调整（见图3）。新型龙舟坐凳板向前倾角调整为7.5°，运动员在此状态下能够更好地发力并且相较以往坐凳具有更好的舒适度（见图4）。坐凳中心点距离上船舷20cm，保证运动员脚部发力的舒适性。新型龙舟设计有单向排水装置，可以使船内水快速排出，以免影响船艇浮力、稳定性和划行速度。

图3 可调节脚踏示意图

图4 新型龙舟坐凳示意图

2.2 新型龙舟的实验分析

新型龙舟的样船测试分别在千岛湖国家水上水上训练基地与浙江大学紫金港校区启真湖进行，新型22人龙舟测试人员为专业皮艇与划艇运动员，新型12人龙舟测试人员为专业划艇运动员。此次实验中，新型22人龙舟样船采用木质，新型12人龙舟样船为玻璃钢材质，主要通过浮性、稳定性与速度方面测试新型龙舟的流线外形与内部结构的性能，同时找出样船存在的不足，为下一阶段的设计与生产提供科学的建议。

2.2.1 新型龙舟的浮性分析

舟艇浸没在水中所受到的浮力大小等于舟体水下部分所排开相同体积水的质量。浮体上通常作用有两个力，即物体自身的重力与液体产生的浮力[6]。舟艇除受浮力作用外，还受到重力作用。在样船测试中，新型22人龙舟的测试运动员平均体重达到95.6kg，高于预估计算值，新型22人龙舟处于超载状态。测试中吃水线距离船上舷20cm，较设计理论值少2cm。新型12人龙舟，虽然采用密度较小的玻璃钢材质，但是船身重量依然较大，因此也处于超载状态，测试中吃水线为19cm，较理论值少3cm。相比22人龙舟，12人龙舟船舱体积较小，对浮性变化的敏感性更高。通过样船实验观察，即使处于超载情况下，吃水线距离船沿能够保持最少5cm的距离，新型龙舟依然能够正常划行，并满足一定的竞技需求。由于设计采用了轻型材料，船体在满水状态下不会沉入水面以下，根据计算新型龙舟翻船后可为落水人员提供300kg以上的浮力。

2.2.2 稳定性分析

船舶的稳定性是指船舶在外力的作用下不致于倾覆，在外力消失后能够自行恢复到平衡位置的能力[7]。为确保龙舟运动员具有更加舒适、科学的发力环境，满载时船艇的重心会处于较高的位置。在样船测试中，通过观测新龙舟运动姿态，新型12人、22人龙舟满载在静止状态下能够保持良好的稳定性，但在尝试划行阶段稳定性较难保持，需要运动员平桨来控制船体稳定。对于从未接触过水上运动的初学者来说，新型龙舟的稳定性还有所欠缺，在运动状态下的稳定性保持对于运动员的技术水平和默契程度有着较高的要求，专业运动员在经过一段时间的训练磨合下，能够对新型龙舟进行较好的控制，达到竞技运动状态。总体来说，新型龙舟在稳定性与高速度兼容方面的表现达到设计的预期。

2.2.3 船速及阻力分析

舟艇在实际行进过程中处于水和空气两种介质中，所以船舶总阻力可以分为水下部分的水阻力和水上部分的空气阻力[8]。水阻力占主要部分，而水阻力又可以进一步划分为静水航行时所受到静水阻力和汹涛阻力。由于技术方面的限制，舟艇阻力较难进行准确的测量与计算，因此速度实验主要通过新型龙舟与传统龙舟的对比进行，实验对象主要选择同为玻璃钢材质的新旧两种12人龙舟，参与实验的运动员全部选自具有至少3年龙舟运动经历的浙江大学龙舟队队员。在多次50m和200m的对比测试中，严格控制队员与间歇恢复时间。新型12人龙舟用时较传统龙舟分别缩短约0.6s和3s。通过实验观察，船头部分在运动员周期发力的过程中会有较大的起伏，龙头的接口断面会出现浸入水面以下的情况，船头部分会产生较大的阻力，因此在下一阶段的设计中可以适当增加船头仓浮力以抬高船头，优化船底型线，避免此情况下的船头阻力提高。