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1、分类号： U661.31；U661.33 密级： 公 开 学号： 05010121 江苏科技大学硕 士 学 位 论 文自控船模的研制 研究生姓名 指 导 教 师 学科、专业 船舶与海洋结构物设计制造 研 究 方 向 船舶与海洋结构物流体力学性能 二OO八年一月Jiangsu University of Science and TechnologyDevelopments of Automatic-control Research Model of ShipsA Thesis inDesign and Construction of Naval Architecture and Ocean St
2、ructure byGao LeiAdvised byProfessor Yang Song-linSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree ofMaster of Engineering January, 2008论 文 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做
3、的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期：学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布，有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 研究生签名： 导师签名：日 期： 日 期：摘 要摘 要本课题在传统自由自航模型基础上增加了运动姿态的自动化控制系统与数据的采集与存储系统，从而提出了“自控船模”（Automatic-controlled Resear
4、ch Model of Ships, ARMS）这样一种概念，并以其开发作为论文的主要研究内容。开发了两型自控船模系统，分别是ARMS-型与ARMS-型。包括推进系统、操纵系统、运动控制系统与数据采集系统。船型分别是高速单体船与三体船。完成了轴系、舵系的设计与加工，主机的选型与采购、螺旋桨及舵的设计、自航实验的设计、运动控制程序与数据采集程序的编写。型相比型，主要在推进与操纵系统上进行了改进与深化研究。进行了推进性能试验与操纵性能试验，包括静水阻力试验、自由直线自航试验与连续回转试验。并采用系统辩识的手段对实验结果进行处理，得到了KT-J关系曲线。试验表明了自控船模系统，既可以高效率完成传统自
5、由自航模型试验，又可以完成设计的新型实验，与系统辨识手段结合，可以对船舶综合航行性能展开研究。该系统能够在不进行约束模型试验情况下得到操纵性方程水动力导数，可以在不进行螺旋桨敞水试验的情况下得到其水动力参数，因此，有别于任何传统的流体性能实验手段，是一种全新的实验系统，在水动力研究中拥有着良好的应用前景与发展潜力。关键词：自控船模，推进性能试验，操纵性能试验，运动控制，数据采集，综合航行性能，水动力研究，系统辨识。Vbelow AbstractThe concept ARMS(Automatic-controlled Research Model of Ships)has been devel
6、oped by adding Automatic Control System and Motion Measurement system to traditional free-running model. The thesis shows the process of how to develop ARMS.Two types of ARMS, ARMS-and ARMS-, have been developed, including the propulsion system, maneuvering system, Automatic Control System and Data
7、Collection system. ARMS- is a high-speed monohull model ship and ARMS-is a trimaran. Following work has been completed, the design and manufacture of shafting ,propellers and rudders, selections and purchase of motors and sensing device, programming of PLC and PAC and writing the test schemes.Tests
8、of propulsive performances and maneuverability have been carried out, including resistance tests in calm water, linear propelled test and free-running test. System identification theories are applied in the analysis of the datas. The KT-J curve is got.The tests prove that ARMS are able to be more ef
9、ficient to carry out traditional free-running model test and new types of experiments. Researches on sailing abilities of ships can be done by using ARMS, with the help of system identification theories. ARMS are able to obtain hydrodynamic derivatives in maneuvering equations and parameters of prop
10、ellers without doing captive model tests and propulsive tests. A new type of experiments has been developing by using ARMS and system identification which is potential in the researches of hydrodynamics.Keyword: Automatic-controlled Research Model of Ships, propulsion test, maneuverability test, mot
11、ion control, measurement system, sailing ability, hydrodynamic, system identification.攻读硕士学位期间发表的学位论文目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章绪论11.1 论文研究背景11.1.1 船舶综合航行性能研究现状11.1.2 自动化技术在船舶水动力试验中的应用21.1.3 系统辨识技术在船舶水动力试验中的应用31.2 论文研究的目标与意义41.3 论文主要工作6第二章模型的选型设计制作及实验方案的确定72.1 引言72.2 ARMS-型设计选型加工72.2.1 选型72.2.2 加工设计8
12、2.2.3 加工102.3 ARMS-型设计选型加工142.3.1 选型142.3.2 初步设计142.3.3 加工设计152.3.4 加工162.4 试验方案的确定192.4.1 概述192.4.2 静水阻力试验192.4.3 自由推进试验202.4.4 连续回转试验21第三章推进系统223.1 引言223.2 轴系的设计223.2.1 轴系概述223.2.2 主轴233.2.3 中间轴263.2.4 万向节263.2.5 连轴器293.2.6 轴套管293.2.7 轴承及轴承套303.2.8水密装置313.3 主机的选型343.4 螺旋桨的设计353.4.1 已知船模的主要参数353.4.
13、2 推进因子的决定353.4.3 采用 AU五叶桨K-J图谱设计36第四章操纵系统404.1 引言404.2 舵系的设计404.2.1 舵系概述404.2.2 舵杆的设计404.2.3 舵头414.2.4 轴承套414.2.5 附加装置424.3 舵的设计434.3.1 舵要素的选择434.3.2 舵叶剖面尺寸434.3.3 舵水压力及扭矩计算444.3.4 尺度作用444.5 轴系舵系的安装45第五章运动控制系统465.1 引言465.2 运动执行机构475.2.1 舵机475.2.2 无刷电机控制箱495.3 PLC简介495.4 运动控制程序的编写535.4.1 概述535.4.2 运动
14、控制程序框图545.4.3 运动控制程序545.5 硬件及外设565.5.1 抗沉箱565.5.2 电路接线56第六章数据采集系统586.1 引言586.2 PAC系统586.2.1 PAC的产生及发展586.2.2 系统及应用软件596.2.3 扩展模块616.2.4 PAC在研究领域的应用情况616.3 各型传感器626.3.1 加速度传感器626.3.2 功率测功仪636.4 运动姿态测量63第七章推进性能试验657.1 引言657.2 ARMS-型阻力实验657.2.1 试验场所657.2.2 试验准备657.2.3 实验方案667.2.4 实验数据677.2.5 数据处理677.3
15、ARMS-型阻力实验687.3.1 概述687.3.2 实验数据707.3.3 数据处理707.4 ARMS-型自由直线航行试验727.4.1 试验概况727.4.2 试验数据737.4.3 结果处理737.4.4 试验结论747.4.5 思考75第八章 操纵性能试验768.1 引言768.2 试验情况说明768.2.1 模型基本情况768.2.2 实验方案778.2.3 试验概况788.3 试验结果798.3.1 试验结果798.3.2 结果分析79第九章 总结与展望809.1 主要研究成果809.2 展望80参考文献82致 谢85攻读硕士学位期间发表的学位论文86 第一章绪论第一章绪论1.
16、1 论文研究背景本论文的研究背景有三方面内容，分别是船舶综合航行性能的研究现状，自动化技术与系统辨识技术在船舶水动力试验中的应用。1.1.1 船舶综合航行性能研究现状船舶综合航行性能是船舶水动力学的一个分支。概括而言，船舶水动力学是一门研究水面及水下运载器运动以及与运动相关流场的学问1。水动力学的发展，造就了当代船舶技术发展的新局面。船舶的发展，每一步都包含着在该领域的新认识与把握，诸如阻力的减少，航行性能的改善等等。它主要的研究领域分为以下四个方面。1）综合航行性能，包括阻力与流动、耐波性、操纵性等。2）推进器，螺旋桨、喷水推进器以及新型推进装置等。3）空泡问题。4）其他前沿学科，例如超空泡
17、推进技术、表面减阻降噪技术、仿生推进技术等等。综合航行性能的研究，主要分为理论手段（数值计算）与实验手段两种。理论的发展，推动了实验类型与深度的不断扩展。理论计算的结果，最终需要实验结果来进行验证。当今综合航行性能的研究主要有以下两个热点，分别是综合航行性能的CFD预报，以及自动化操纵技术。CFD技术即计算流体力学，利用计算机运算速度快的特点进行流体问题的数值计算，从而可以对运载器（水上或水下）的运动作出预报或者对其周围流场做分析。该技术的难点在于非线形波面、粘性效应、湍流模式等问题的确定。目前CFD技术难以对综合航行性能进行全面、定量的预报，但是在许多问题上均获得了很好的应用。将船舶水动力学
18、研究同自动化控制技术、专家系统、船舶操纵运动的反馈与测量系统结合起来，构成了自动化操纵技术。该技术已经获得了部分成果，例如自动化操舵设备已经投入应用。但是，船舶动力定位、停车、避碰，已经水下运载器的自动化操纵等问题研究仍然任重道远。实验手段分为实船实验（全比例实验，Full Scale）与模型实验两种。实船实验的结果即为可靠值，所有的手段计算或者获得的结果都必须以实船实验的结果为最终验证的标准。由于开展该类型实验花费巨大，而且在部分情况下存在高风险（例如潜艇操舵失误实验等），往往限制了它的应用与开展。模型实验（缩尺比例实验）与之相比，花费较小，风险小。虽然存在着尺度效应等问题，但是可以通过各种
19、手段进行修正，许多方面已经满足工程上的精度要求。因此，模型实验在实践中得到了广为采用。这里需要特别说明的是，即使采用CFD技术进行计算，所进行建模的，往往也不是全比例模型（实船），而是进行缩尺比例的“模型”。这主要是由于面片数量等方面的原因，如果采用实船建模的话，会导致计算量过大。模型实验分为阻力试验、操纵性实验、耐波性实验等。阻力试验进行模型静水或者波浪中不同速度下阻力的测量，从而可以全面掌握该型船舶的阻力性能，直接的应用是实船有效功率的预报。该类实验，手段已经比较成熟与完善。数值处理已经有结合了实船实验资料的经验方法进行修正。耐波性实验主要是为确定横摇、垂荡、纵摇运动的频率响应函数，据此可
20、以对实船在给定波浪下运动的统计数值进行预报。操纵性试验又分为约束模试验与自由自航试验。约束模试验的理论基础是船舶操纵性运动水动力方程。通过该试验以确定水动力方程中的水动力系数。利用这些系数，求解水动力方程，可以得到船舶在给定舵角与初始航速下的操纵情况，例如回转直径等参数。分为三类，直线拖曳试验、旋臂试验、平面运动机构试验。每一种试验，均需要对应的设备。例如，旋臂试验需要悬臂水池。典型的悬臂水池，直径不小于35m。可以进行23m长模型的约束模型试验。自由自航模型试验是采用按照水动力相似缩小比例的模型，安装动力与操纵装置，在操纵性实验水池或者室外宽广水域开展操纵性试验，例如回转试验、Z型操舵试验、
21、螺线及逆螺线试验等。可以直接通过得到的试验曲线来判断其操纵性的优劣。约束模型试验虽然可以对影响操纵性诸要素进行定量研究，但是，其实验设施投资巨大，开展实验费用高昂。自由自航模型试验，开展简单方便，并可直接得到操纵性的有关参数，以及一阶K、T指数等，因此得到了广为应用2。美国Witod Giruszd等人，利用长度超过10米的人操模型，进行操纵性自航试验6。在该模型尺度下，尺度效应已经可以忽略不计7。1.1.2 自动化技术在船舶水动力试验中的应用自动化技术应用于实船，诞生了船舶的自动化操纵系统，改善了船舶的驾驶。自动化技术在模型实验领域应用，提高了实验进行的效率，数值的精度与可靠性，并且在部分领
22、域开辟了新的试验方式。船模试验数据的准确性与船池测试系统的精度有直接关系，应用计算机对船模试验数据的采集，分析和处理是提高测试精度及实现船模试验研究现代化的重要手段。华中科技大学刘航等人研制了一套以船模试验为主要对象的计算机数据采集处理统。该系统主要由多功能数据处理器和船模阻力、自航、敞水、耐波、等试验分析、处理软件组成，并以技术先进、稳定可靠、实用性强等特点，完全替代了船模性能试验传统的测试、处理方法7。大连理工大学崔杰，王少新等人研制开发了船模水池实验计算机数据采样控制系统。该系统主要由多功能高速数据采集板、各种精密传感器以及船模压力、阻力、速度、加速度、摇荡等试验分析、处理软件组成，充分
23、体现了先进、稳定、实用的特点，大大提高了实验效率8。中国船舶科学院谢楠等人研制了一种可以应用于船模和实船试验中的船舶运动测量系统。该系统主要采用加速度传感器和角速度陀螺与数据处理分析软件组成。在数据处理中，应用了非线形迭代算法。通过模型及实船实验验证与三自由度运动平台的比测，证明了该系统的可靠性9。上海交通大学费乃振等人在自由航行模型横舵减摇试验研究中，采用了单片机进行数据的测量与存储10。江苏科技大学闫玲，方开翔，姚寿广等人研制出基于LabVIEW的多功能数据采集与信号处理系统，该系统同样可用于模型实验研究领域。该系统重量、尺寸、储存速率、人机界面等方面拥有很大优势11。传统的自由自航模型试
24、验采用人工操纵遥控的方式。国外部分研究所，如俄罗斯克雷洛夫研究院曾在一些自航模型上加装自动化控制系统（AS），主要是为纠正人工遥控操纵带来的偏差。模型运动的自动化控制系统的引入，避免了了人工遥控操纵的一系列问题。其中包括由于操纵者站在岸上所引起模型与实船之间”视角相似”的问题，以及人工操纵在进行需要复杂精确的试验，如Z形操舵与逆螺线试验，往往无法精确并可靠的问题。英国QinetiQ公司为英国国防部研制了潜艇研究模型（SRM）。模型为半自动化，采用自动航行仪控制运动姿态，采用电磁计程仪、陀螺仪等传感器来测量、反馈潜艇模型运动参数，从而需要最少的岸基支持，可以不受任何设施的约束，可在30m深的深度
25、进行操纵，并通过重新包覆（即换装不同的外壳），再现一系列艇体外形与操纵面布置，完成相应操纵性实验，为无风险测试艇体外形与控制方案提供了一个理想平台。1.1.3 系统辨识技术在船舶水动力试验中的应用在前文已经说明，对于自由自航模型试验，采用传统的数值处理手段，只能得到简化的操纵性数学模型中极其有限的几个操纵性指数。且其数值仅仅表示各项流体动力的综合影响。因此，不可能通过该类试验在物理特性上对数学模型中个别的流体动力进行透彻的分析。但是，如果将系统辨识技术应用于操纵性研究之中，可以通过费时较少的实船或自由自航模型试验，来求得运动方程中的系数，起到类似于约束模型试验的作用11。系统辨识技术利用动态测
26、得的输入和输出数据，按照等价原则从已知模型类中，找出一个与该系统输出数据有最优拟合的动态数学模型。哈尔滨海洋工程大学船舶海洋工程学院刘建成、刘学敏、徐玉如等人采用极大似然法应用于水下机器人系统辨识，用辨识得到的数据建立数学模型，并用仿真结果证明了模型的可靠性12。上海交通大学马岭等人就载人潜水器水平面动力学模型系统辨识展开研究，基于最小二乘准则，以收缩映射遗传算法为辨识算法，对载人潜水器水动力系数进行辨识，获得了水平面动力学系统数学模型。通过某型深海载人潜水器的运动仿真试验，有效地验证了该种建模方法的正确性13。东南大学林莉、万德钧、李滋刚等人采用神经网络的方法对船舶运动数学模型进行辨识14，
27、他们的研究避开了船舶操纵性水动力方程等过程，将船舶的运动作为一个整体，以操舵作为输入，以船舶的运动响应作为输出。系统辨识技术同神经网络技术结合，产生了基于神经网络的系统辨识方法。该方法用于非线性问题的识，拥有十分明显的优势15-16。船舶操纵性问题，存在非线性数学模型。实际上，也只有非线性数学模型能够比较精确反映船舶操纵运动情况，基于一阶线性操纵性方程，仅仅在某些小舵角情况下适用。1.2 论文研究的目标与意义自控船模的全称是运动自动化控制自由自航模型（Automatic-controlled Research Model of Ships，ARMS）。它的全部工作，包含以下几点内容：1）在传统
28、自由自航模型上加装运动的自动化控制系统以及运动的测量及数据储存系统。2）采用系统辨识的手段对实验测量的各种数据进行分析，从而得到操纵性方程水动力导数螺旋桨敞水性能参数、摇荡运动水动力系数等。3）基于系统辨识技术及自控船模开展的新型实验。本论文的主要目标是开发一套自控船模系统，开展2到3个试验验证该系统的可靠性，能够初步展示其优越性。自控船模的最终目标是：1）在传统的试验，拖曳阻力试验、约束模型试验、自由自航操纵性试验之外增加一种新的试验类型，即自控船模系列试验。2）作为验证船舶自动化操纵及其他自动化控制技术的平台。利用各种传感器测量螺旋桨转速、推力及扭矩，结合系统辨识手段，可以在不需要进行螺旋
29、桨敞水试验、模型静水拖曳阻力试验、船模自航试验的情况下，得到螺旋桨的相关参数，如敞水效率、伴流分数等。自控船模所需要进行的试验为自由自线航行试验。运动的自动化控制系统可以保证航行的直线性，并调整主机至不同转速，然后由传感器测量推力、扭矩、船速等，采用系统辨识技术进行数据的处理与分析。可以得到所需要的有关螺旋桨的参数，并且可以对该船的快速性进行分析。自控船模在完成传统自由自航操纵性试验方面的优势（例如效率）是传统模型所不能比拟的。根据其自身特点可以设计并完成一系列新型实验。利用传感器测量模型在不同舵角、主机转速下的运动姿态，包括航向角、横倾、速度随着时间的变化情况，再结合系统辨识的手段，可以得到
30、操纵性方程水动力导数。不需要进行约束模型试验。自控船模运动的控制及测量为其系统的组成部分，也就是意味着不需要外在的设备或仪器进行测量。再引申一步，意味着不需要投资兴建或购买拖曳水池、旋臂水池、平面运动机构即可开展综合航行性能的研究。自控船模系统拥有很好的通用性，系统的核心部分，包括运动的自动化控制及测量，数据的存储等，可以从一个船壳移植到另一个船壳。即通过换装船壳可以完成要求船型的综合航行性能研究。实验的场所可以是室外宽广平静水域，例如湖泊、港湾，以及游泳池。这两点与英国的潜艇研究模型类似，即换装船壳与室外水域开展试验17。以下几点是确定的：1）进行拖曳阻力试验是确定模型阻力的最可靠手段；2）
31、进行螺旋桨敞水试验以及船模自航试验是确定螺旋桨水动力参数的最可靠手段；3）进行约束模试验是确定操纵性方程水动力导数的最可靠手段。自控船模运实验在这些方面所能够实现的功能，采用传统的实验手段可以代替，并且在精度上更有优势。自控船模不是要取代所有传统实验手段，而是成为与之对等、相互补充的一种新型实验方法。笔者在进行系列高速三体船静水阻力试验中，发现由于附体与主体之间相对位置的不同，导致如果试图寻求最优的布置方案（纵距与横距），需要进行海量的拖曳阻力试验。例如五组的纵距与七组横距的组合情况，需要进行35次拖曳阻力试验。众所周知，拖曳阻力试验的耗费巨大（人力，物力及时间）。在这样的情况下，发挥自控船模
32、开展试验方便的优势，利用螺旋桨推力或有效推马力的测量，配合附体移动装置，可以在很短的时间内得到推力速度曲线或者有效推马力速度曲线。由此可以定性并且部分意义定量的反映不同布置方案快速性的优劣。然后利用拖曳阻力试验数值测量精确的优势，在通过自控船模实验确定的最优布置方案附近进行阻力试验，从而可以确定该船型阻力性能最优的可靠结果。CFD技术应用于新船型的开发或者船型的改进时，存在着类似的情况，即用CFD手段定性确定，然后采用拖曳阻力试验定量确定。事实上，在现有的技术条件下，自控船模进行推力或有效推马力的测量，其精度要远远高于CFD。许多科研机构在进行船舶操纵性研究之时，因为悬臂水池、平面运动机构、拖
33、曳水池所需硬件设备投资巨大，转而开展自由自航模型试验。自控船模系统可以完全取代传统的自由自航模型，且无论在研究的深度（更高阶的操纵性方程，更多水动力导数）与还是广度（操纵性能试验及推进性能试验）上，优势明显。自控船模可以作为验证船舶自动化操纵及其他自动化控制技术的平台。这是其独特之处。前文中已经说明，这是综合航行性能研究领域的热点之一，并且拥有很好的应用前景。1.3 论文主要工作本论文的主要工作分为三部分。1）自控船模船体部分的选型、设计；螺旋桨及舵的设计；系统的选型（应用何种控制器及传感器等），实验方案的设计。2）自控船模船体部分的加工；轴系、舵系的设计加工，舵的加工及螺旋桨的选购；PLC与
34、PAC控制器选购及调试，运动控制程序及数据采集程序的编写。3）推进性能试验及操纵性能试验，包括静水阻力试验、自由直线航行试验、连续回转试验；以上三类试验数据处理。6第二章 模型的选型设计制作及实验方案的确定第二章模型的选型设计制作及实验方案的确定2.1 引言开发了两型自控船模系统，分别是ARMS-型与ARMS-型。自控船模（ARMS）系统，需要搭载于一定的平台之上。该平台为船舶模型，模型的主尺度及型线图需要进行选型与设计。笔者将该过程分为初步设计与加工设计两个阶段。初步设计的内容包括：1） 选型，主尺度的选取等；2）型线设计，主体型线，包括附体型线的设计（对于ARMS-型）。加工设计指在型线已
35、经完成的情况下，进行细化设计，确定如何将模型从图纸转化为实物。加工就是指将模型转化为实物。自控船模（ARMS）系统最终的目标是进行船舶水动力实验。所以，需要设计实验以确定该系统的可靠与有效；并且，希望通过实验能够发现问题，使系统进一步改进。安排自控船模完成以下实验：静水阻力试验、自由推进试验、连续回转试验。2.2 ARMS-型设计选型加工2.2.1 选型ARMS-型型线图取自702所20型系列护卫舰资料中的，编号为M03模型资料。该模型设计吃水状态下主尺度为：，。型线由M03模型资料提供型值表采用AutoCAD软件直接进行绘制。在此过程中，针对原型线中，尾部形状过于复杂的特点，进行了改进，将尾
36、部改造为方尾。方法是利用纵剖线图进行。这样做的好处是可以保证尾部线型的光顺。图2.1 利用纵剖线对尾部形状进行改进图2.1为利用纵剖线对尾部形状进行改进。剖线使用了四条。分别量取对应坐标点，然后光顺连接可以得到尾封板的形状。见图2.2。最终得到的肋骨型线图中，不包含20号肋故型线。由倾斜的尾封板、龙骨、龙筋条及19号肋板共同保证尾部的形状。图2.2 尾封板形状（图中圆环为辅助线）图2.3 改进的型线图2.2.2 加工设计从型线转化为实体需要进行加工。加工设计是指导如何进行加工的工作。笔者采用木夹芯玻璃纤维强化塑料18-19来进行模型的制作。与实船类似20，模型主体纵向强力构件为龙骨，横向为肋板
37、。主要由龙骨、肋板、甲板保证船体外壳的形状。加工设计所完成的主要工作为肋板、龙骨的加工图纸设计。设计分以下几个步骤：1）设计总体方案。2）肋骨线到肋骨加工线。3）龙骨线到龙骨加工型线。4）甲板轮廓线到甲板加工线。ARMS-型加工总体方案有以下几个要点：肋板、龙骨、甲板采用开槽并相互镶嵌的方式连接固定。1）所有肋板厚均为10mm。2）肋板采用截面轻木条作为龙筋条（对应于实船，相当与实船上的龙骨）。3）甲板、龙骨分段。4）采用特殊方式对其进行连接。双底。图2.2为2号肋板肋骨线（左）与肋骨加工线。1）使肋骨线向船中方向，采用”偏移”命令，距离为30mm。得到肋板初步轮廓。2）从船底基线向上方量取1
38、00mm画水平线，绘制内底。3）在内底水平线中央向绘制50mm深10mm宽槽。其作用是配合龙骨。图2.4 8号肋板肋骨线与加工线4）在上甲板处开槽留出给甲板装配用的位置。5）在肋骨线外侧开截面的方孔，为安装龙筋准备。6）开圆孔，相对位置为距离肋骨线最又上端偏移（-30mm，-15mm）。图2.5 9号肋板肋加工图纸7）最后需要将所有线条改造为多线段，以确定线条之间完整连接。因为肋板等均交付数控加工，按照数控加工的需要，所有线条应该为连续线。ARMS-型甲板存在斜升。是肋板辅助板法。设计专门的肋板立板辅助板。通过精心量取尺寸与计算，合适的辅助板可以将各肋板抬起至各自合适的高度，使得船底基线水平。
39、在ARMS-型的制作中采用了该工艺。8号肋板之后所有肋板上端连线与船底基线平行，配合板将肋板抬升100mm。图2.6 9号肋板肋配合板加工图纸由于模型总长为2900mm。龙骨无法一次成型加工，因此采用分段设计。图2.7 ARMS-型龙骨后段及连接配合板图2.8 ARMS-型龙骨中段图2.9 ARMS-型龙骨前段与龙骨类似，上甲板也采用分段的方法设计。图2.10为后段上甲板。图2.10 后段上甲板2.2.3 加工加工分为以下步骤：1）铺设船台；2）立肋板；3）装配龙骨及龙筋；4）外部蒙外板；5）玻璃纤维强化外壳；6）外表面处理；7）拆船台，安装上甲板；8）上甲板的玻璃纤维强化；9）最终的表面处理
40、，打磨，油腻，打蜡。铺设船台利用平整的地面进行。该地面事先经过水准检查，基本平整。在地面铺设”甲板肋骨图”。图2.11 甲板肋骨图甲板肋骨图实际上是甲板轮廓线+肋位线及其平移线。肋板与其配合板，实际安装理论线采取的是板边缘线而不是板中心线，这样方便对齐。因此绘制平移线，以使肋板中心线与设计中心线一致。首先完成立肋板工作。图2.12 立肋板之后完成龙骨的安装与龙筋条的镶嵌。图2.13 安装龙骨及龙筋条外板采用0.8mm厚ABS塑料板。图2.14 ABS板蒙外壳外表面采用玻璃纤维强化。使用环氧树脂作为黏合剂。图2.15 玻璃纤维强化外壳 之后进行表面处理。使用原子灰涂抹外表面，然后对其进行打磨。打
41、磨有标准有两个：1）保证型线光顺，采用卡板去确定型线。2）打磨直到玻璃钢表面。这样保证原子灰完全是用来填补模型外壳处的凹陷，而非使表面凸起。图2.16 表面处理图2.17 表面打磨图2.18 油漆最后进行油漆，图2.15中可见油漆用气泵。油漆是采用喷漆的方式进行。至此，船壳工作完成。2.3 ARMS-型设计选型加工2.3.1 选型ARMS-型选型设计有以下几个要点：1）高速三体船型；2）水线长度约三米；3）设计排水量不小于40kg；4）主体部分长宽比不小于15，附体20。由于ARMS-型为高速单体船型，ARMS-型再选用同样的船型，没有必要。同时，需要体现自控船模在高性能船研究领域中的用。该论
42、文的项目背景之一为8623项目，”可移动附体五体船”，ARMS的研制需要与之联系。但是五体船型过于复杂，对于系统研究开发阶段是不利的，不能直接选取五体船型，而又必须与之相关。综合以上三点，选择三体船型。水线长度的选取，与设计排水量、主体长宽比是相互关联在一起的。根据ARMS-型的经验，考虑各种设备重量，并且必须为进行浮态调节而留出余量，故要求排水量不能小于40kg，否则会对各种设备的装载造成很大困难。经过排水量估算等工作，确定了模型水线长为3.00m。2.3.2 初步设计主体部分的型线，采用NAPA软件进行设计。设计时参考集装箱船及护卫舰型线。图2.19 主体肋骨型线图图2.20 主体肋侧投影
43、图图2.21 主体甲板轮廓图及等高水线图附体肋骨型线图由主体改造而成。可以看作肋骨型线在船宽方向直接进行压缩而成。具体形状可见其加工图纸。2.3.3 加工设计ARMS-型加工总体方案有以下几个要点。肋板、龙骨、甲板采用开槽并相互镶嵌的方式连接固定。1）肋板、龙骨、甲板板厚均为5mm。甲板、龙骨分段。采用特殊方式对其进行连接。2）双底。双底使设备的安装十分便利。双层甲板。存在上甲板与下甲板。该方法更好的保证了结构强度与线型。3）肋骨加工图纸相比肋骨线外边缘向内收缩3mm。在ARMS-型中，理论线实际上是在外板下表面。但是外板总厚度达到1.5mm。也就是说，模型实际船宽相比设计要多出3mm（左右两
44、舷累计）。向内收缩，留出外板总厚度。相当与实船生产过程中，考虑焊接变形等情况事先留有余量。4）舵管、轴套管预舾装。实际上在骨架安装过程阶段就已经安装上舵管及轴套管。这一点同样参考ARMS-型经验。ARMS-型是先做船体，然后在船体上开舵孔与轴孔。这主要参考了实船建造过程中的经验。但是，具体到模型的制作过程中，由于缺乏精确测量几何外型及位置的设备，舵孔、轴孔均出现了不同程度的位置偏差。以至于模型在0舵角下无法直线航行。因此，ARMS-型采用以下思路：预先安装轴套管与舵管，利用骨架装配过程中，肋板、龙骨位置的保证来使之到达设计位置，同时尽量减少模型在加工过程中的变形。图2.22 各肋板加工图纸图2
45、.23 分段龙骨及分段甲板附体的加工设计出现了反复，第一套方案因为强度问题被废弃。第二套方案成功。成功的方案要点如下：1）与横梁连接形式，采用长螺纹杆；2）利用甲板、肋骨、龙骨相互镶嵌连接。龙骨贯穿上甲板及船底基线。3）甲板、肋骨、龙骨厚度5mm。图2.24 附体肋板、龙骨、甲板加工图纸注意龙骨板靠近上甲板处开槽，是用处是镶嵌长螺纹杆及六角形螺母。在失败的方案中，将长螺纹杆直接固定于上甲板之上，上甲板直接承受弯矩，破损。成功的方案中，令龙骨板与上甲板共同承受弯矩（主要是MY），大大提高了结构可靠性。在拖曳阻力试验中， 最大拖曳速度5.08m/s。之后检查附体各构件，没有发现螺纹杆相对附体发生移动。这意味着该结构的强度满足要求。2.3.4 加工主体部分加工基本步骤与ARMS-型类似。改变的地方为：1）铺设船台之后，上甲板直接固定在上面。2）在骨架的平装过程中，进行轴套管、舵管的安装。取消龙筋条。图2.25 骨架图2.26 蒙玻璃纤维