專利名稱：一種減小水阻力的船體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種船體，特別是一種減小水阻力的船體。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的艦船船體頭部多為圓弧或尖角形，而其船體尾部往往做成垂直平面狀，根據(jù)尾部阻力效應(yīng)，這種船體在航行時(shí)受到的水阻力仍很大，需要尋求進(jìn)一步減小水阻力的新型船體設(shè)計(jì)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供能降低整個(gè)船體所受水阻力的一種減小水阻力的船體。
本實(shí)用新型是通過下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種減小水阻力的船體，它的船體底板及船體吃水部分平行于底板的橫截面的頭部和尾部都是尖劈形，特別是尖三角形，吃水部分的船體側(cè)板垂直于船體底板。艦船甲板可為橢圓形、梭形或其它形狀，它的結(jié)構(gòu)和功能可與現(xiàn)有的艦船等同，艦船甲板與吃水部分的船體側(cè)板之間有弧面過度?？蓪⒕鶠榧馊切蔚拇w底板的頭部和尾部連成一體，構(gòu)成菱形船體底板；也可將船體底板的頭部和尾部設(shè)計(jì)為尖劈形或尖三角形，其中部為矩形或鼓形。
船體在水中航行時(shí)由于自身具有一定的迎水面積而引起水阻力作用，我把這種水阻力作用叫做迎水截面水阻力。實(shí)際船只由于吃水部分船體的外表面不是理想光滑的，因此還會(huì)受到水粘滯力作用，但是截面水阻力比水粘滯力大很多，因此，我在這里主要討論截面水阻力作用。下面推導(dǎo)截面水阻力表達(dá)式時(shí)具備的條件是運(yùn)動(dòng)體為封閉的，且自身具有一定的吃水截面，即迎水面，下面先推導(dǎo)迎水垂直截面的水阻力公式。
設(shè)垂直于船體運(yùn)動(dòng)方向的吃水垂直截面積為S，船體自身質(zhì)量為M，水密度為ρ，船體在勻速航行時(shí)的速度為V，吃水垂直截面以速度V撞擊前面一dl厚的靜止垂直水層微元，作用時(shí)間為dt，則在撞擊后，被撞擊的垂直水層微元也以相同的速度V向前運(yùn)動(dòng)，有dl＝Vdt，則引起的垂直水層微元的動(dòng)量變化為dP＝dmV，dm＝dlSρ＝VdtSρ，則dP＝VdtSρ×V＝dtSρV2，另外，垂直水層微元受到的沖量dI＝Fdt，根據(jù)動(dòng)量定理垂直水層微元受到的沖量等于動(dòng)量的變化，dP＝dI，即dtSρV2＝Fdt，約去dt，得到F＝SρV2。這個(gè)F就是吃水垂直截面對水的作用力，根據(jù)作用力與反作用力原理，F(xiàn)也就是水對吃水垂直截面的阻力，即迎水垂直截面水阻力。
再來推導(dǎo)迎水斜截面水阻力公式設(shè)吃水斜截面的傾角為θ(斜截面與船體運(yùn)動(dòng)方向的夾角)，吃水垂直截面積為S，吃水斜截面的面積為S/sinθ，具有吃水斜截面的船體自身質(zhì)量為M，水密度為ρ，船體在勻速航行時(shí)的速度為V，吃水斜截面以速度Vsinθ撞擊前面一dl厚的傾角為θ的傾斜靜止水層微元，作用時(shí)間為dt，則在撞擊后，被撞擊的傾斜靜止水層微元以速度Vsinθ向前運(yùn)動(dòng)，有dl＝Vsinθdt，則引起的傾斜水層微元的動(dòng)量變化為dP＝dmVsinθ，dm＝dl×S/sinθρ＝Vsinθdt×S/sinθρ＝VdtSρ，則dP＝VdtSρ×Vsinθ＝dtSρV2sinθ，另外，垂直水層微元受到的沖量dI＝Fdt，根據(jù)動(dòng)量定理有，dP＝dI，即dtSρV2sinθ＝Fdt，約去dt，得到F＝SρV2sinθ，這個(gè)F表示的是水對斜截面的垂直水阻力，可以分解為兩個(gè)方向的分力，一個(gè)是與運(yùn)動(dòng)方向一致的水阻力，另一個(gè)是與運(yùn)動(dòng)方向垂直的水作用力，我們知道與運(yùn)動(dòng)方向一致的水阻力才會(huì)對船體的前進(jìn)做負(fù)功，因此船體受到的有效水阻力，即迎水斜截面水阻力的公式為F＝SρV2sinθ×sinθ＝SρV2sin2θ。
船體在水中航行時(shí)不僅遇到船體運(yùn)動(dòng)方向的迎面水阻力，同時(shí)也受到吃水船體的尾部水阻力作用。船體向前航行時(shí)，設(shè)吃水船體尾部在微小的時(shí)間內(nèi)駛離了某個(gè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域立即會(huì)被周圍的水迅速補(bǔ)充，也就是說時(shí)時(shí)刻刻都有水分子以其特定的速度尾隨著吃水船體尾部的運(yùn)動(dòng)，都要引起水動(dòng)量的變化，導(dǎo)致受到水阻力的作用。因此，船體在水中航行時(shí)，頭部和尾部都要引起水的運(yùn)動(dòng)，且二者引起水的運(yùn)動(dòng)的效果是一樣的，當(dāng)其形狀都一樣時(shí)，它們受到的水阻力也相同。所以，設(shè)計(jì)吃水船體形狀時(shí)，不但要考慮吃水船體頭部，而且也考慮吃水船體尾部。當(dāng)我們把吃水船體設(shè)計(jì)成菱型時(shí)，吃水船體尾部和頭部都是尖狀，由于對稱性，左右方向水阻力的作用分力相互抵消了，船體只受到與運(yùn)動(dòng)方向一致的截面水阻力，這個(gè)有效截面水阻力表達(dá)式為F＝2SρV2sin2θ(頭部水阻力與尾部水阻力各為F1＝SρV2sin2θ)。其中θ為頭部(尾部)尖角的一半，S為吃水船體的最大垂直截面積，ρ為水的密度，V為船體自身航行的速度。從上式中可以看到，船體受到的水阻力與吃水船體頭部和尾部的尖角有關(guān)，且與θ正弦的平方成正比。減小頭尾部的尖角，將成倍地降低船體受到的水阻力。如果將均為尖三角形的船體底板的頭部和尾部連成一體，構(gòu)成菱形船體底板，這樣在船體設(shè)計(jì)任務(wù)書所要求的長度和寬度尺寸內(nèi)，可使頭尾部尖狀程度最大，即其尖角最小，所以菱形船體在航行時(shí)受到的水阻力最小。
本實(shí)用新型提供的一種減小水阻力的船體與現(xiàn)有的艦船相比，能大大降低整個(gè)船體所受水阻力，這種技術(shù)實(shí)施應(yīng)用后，可大幅度提高軍艦或船舶的航行速度，從而能大大提高我國海軍的防御作戰(zhàn)能力和民用船舶的運(yùn)輸能力，或者艦船在傳統(tǒng)的航速下航行，則可大大的節(jié)約能源，降低航行費(fèi)用。菱形船體具有很好的穩(wěn)定性，并且在快速航行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生船頭抬升而船尾下降的現(xiàn)象，而是一直保持水平狀態(tài)。菱型船體是非常規(guī)則的簡單幾何體，其制造工藝比目前的船體要簡單很多，從而可縮短制造工期和降低制造成本。總之，本實(shí)用新型具有可以提高航速、節(jié)約能源從而降低航行費(fèi)用，減少排污、有利環(huán)保，穩(wěn)定性好，便于制造等優(yōu)點(diǎn)。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。



圖1是菱形船體底板的示意圖。
圖2是菱形船體吃水部分的示意圖。
圖3是配有橢圓甲板的菱型船體的示意圖。
圖4是配有梭形甲板的菱型船體的示意圖。
圖5是兩端為尖劈形，中部為鼓形的船體底板示意圖。
具體實(shí)施方案 實(shí)施例如
圖1-2所示一種減小水阻力的船體，它的船船體底板(1)及船體吃水部分平行于底板的橫截面的頭部和尾部是連成一體的尖三角形，構(gòu)成水阻力為最小的菱形船體。吃水部分的船體側(cè)板(2)垂直于船體底板(1)。船體底板(1)，吃水部分的船體側(cè)板(1)與船體上部甲板(3)之間有弧面過度。
實(shí)施例1配有橢圓甲板的菱型船體軍艦(圖3)與深圳號驅(qū)逐艦的比較深圳號，旅海級(051B型)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦排水量6000噸(滿載)。
主尺寸全長153米；寬16.5米；吃水6米。
主機(jī)CODOG，48600馬力。
航速30節(jié)。
按下列公式計(jì)算菱型船體軍艦的對應(yīng)參數(shù)排水量＝艦長×艦寬×吃水高/2，單位為噸；最大垂直截面S＝艦寬×吃水高，單位為平方米；θ為頭部(尾部)尖角的一半，sin2θ＝艦寬的平方/艦寬與艦長的平方和；ρ＝1000噸每立方米；動(dòng)力＝2sin2θSρV3(/735)，單位為瓦(馬力)設(shè)二者之間的主尺寸相同，則菱型船體軍艦的排水量為7573.5噸，略大于深圳號。以同樣主機(jī)動(dòng)力算出來的航速為25米每秒，合48節(jié)(航速1節(jié)即時(shí)速1海里，1海里約為1852米)，比167深圳號大18節(jié)；以同樣航速算出來的主機(jī)動(dòng)力為12000馬力，是深圳號動(dòng)力的四分之一，亦即耗能比它節(jié)約了四分之三。從耗能上看，菱型船體軍艦已比現(xiàn)有的艦船少很多。
實(shí)施例2配有梭形甲板的菱型船體軍艦(圖4)與珠海號驅(qū)逐艦的比較珠海號，旅大□級(051G2型)
排水量3250噸(標(biāo)準(zhǔn))，3670噸(滿載)主尺寸長132米，寬12.8米，吃水4.6米主機(jī)2臺(tái)鍋爐，2臺(tái)蒸汽輪機(jī)，72000馬力，雙軸航速32節(jié)設(shè)二者之間的主尺寸相同，則菱型船體軍艦的排水量為3886噸，略大于166珠海號的滿載排水量。以同樣主機(jī)動(dòng)力算出來的航速為36.3米每秒，合70節(jié)，是珠海號航速的兩倍多；以同樣航速算出來的主機(jī)動(dòng)力為7000馬力，是珠海號動(dòng)力的十分之一，亦即耗能比它節(jié)約了十分之九。
實(shí)施例3配有航母甲板的菱型船體航空母艦與美國尼米茲級核動(dòng)力航母的比較美國尼米茲級核動(dòng)力航母排水量72916噸(輕載)，1487噸(滿載)主尺寸長332.9米，寬40.8米，吃水11.3-11.9米主機(jī)2座通用電氣(GE)A4W/A1G壓水堆，4臺(tái)蒸汽輪機(jī)，260000馬力；4臺(tái)應(yīng)急柴油機(jī)，10720馬力，4軸航速30節(jié)設(shè)二者之間的主尺寸相同，則菱型船體航母的排水量為80815噸(總長332.9米，艦體寬40.8米，吃水11.9米)，與尼米茲級核動(dòng)力航母的滿載排水量少10672噸，但大體相當(dāng)。同樣主機(jī)動(dòng)力算出來的航速為23.5米每秒，合45節(jié)，比尼米茲級航母航速大15節(jié)；以相同航速算出來的主機(jī)動(dòng)力為75338馬力，是尼米茲級航母動(dòng)力(260000馬力)的3.5分之1，由此可見，應(yīng)用菱型船體技術(shù)制造的航母比尼米茲級核動(dòng)力航母可以節(jié)省大量燃料。
以上均是理想狀態(tài)菱型船體的軍艦或航母與當(dāng)前實(shí)際軍艦或航母的數(shù)據(jù)比較，理想狀態(tài)也即假設(shè)吃水菱型船體外表面光滑，只考慮截面水阻力，不考慮水粘滯力。其實(shí)在船體的實(shí)際航行中，船體是受到截面水阻力和水粘滯力兩種水阻力的作用，但是截面水阻力比水粘滯力要大的多。因此以上比較考慮了主要因素截面水阻力作用，而忽略了次要因素水粘滯力作用。
實(shí)施例4對于需要寬體船艙的艦船，也可將船體底板的頭部和尾部設(shè)計(jì)為尖劈形或尖三角形，其中部為矩形或鼓形(圖5)。
權(quán)利要求1.一種減小水阻力的船體，它由船體底板和船體側(cè)板組成，其特征在于船體底板(1)及船體吃水部分平行于底板的橫截面的頭部和尾部都是尖劈形，吃水部分的船體側(cè)板(2)垂直于船體底板(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種減小水阻力的船體，其特征在于船體底板(1)及船體吃水部分平行于底板的橫截面的頭部和尾部都是尖三角形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種減小水阻力的船體，其特征在于吃水部分的船體側(cè)板(1)與船體上部甲板(3)之間有弧面過度。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種減小水阻力的船體，它的船體底板及船體吃水部分平行于底板的橫截面的頭部和尾部都是尖劈形，特別是尖三角形，吃水部分的船體側(cè)板垂直于船體底板。艦船甲板可為橢圓形、梭形或其它形狀，它的結(jié)構(gòu)和功能可與現(xiàn)有的艦船等同，艦船甲板與吃水部分的船體側(cè)板之間有弧面過渡?？蓪⒕鶠榧馊切蔚拇w底板的頭部和尾部連成一體，構(gòu)成菱形船體底板；也可將船體底板的頭部和尾部設(shè)計(jì)為尖劈形或尖三角形，其中部為矩形或鼓形。本實(shí)用新型能大大降低整個(gè)船體所受水阻力，具有可以提高航速、節(jié)約能源從而降低航行費(fèi)用，減少排污、有利環(huán)保，穩(wěn)定性好，便于制造等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B63B1/02GK2799391SQ20052004178
公開日2006年7月26日 申請日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者熊思官 申請人:熊思官