新型龍舟的研制與開(kāi)發(fā)

許亞萍 賈浩程 劉慧慧

(1.浙江大學(xué)公共體育與藝術(shù)部 浙江杭州 310023;2.浙江科技學(xué)院體育部 浙江杭州 310023;3.北京市第一七一中學(xué)北京 100013)

龍舟運(yùn)動(dòng)的基本器械是龍舟，離開(kāi)龍舟即無(wú)所謂龍舟運(yùn)動(dòng)[1]。2016年，國(guó)家體育總局印發(fā)的《水上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》推動(dòng)水上運(yùn)動(dòng)裝備升級(jí)專(zhuān)欄中提到大力發(fā)展水上運(yùn)動(dòng)船只、水上娛樂(lè)設(shè)施、水上安全及救生用品、水上休閑裝備等水上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品，為水上運(yùn)動(dòng)裝備“中國(guó)制造”升級(jí)及擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主品牌制造探索出一條新的道路[2]。龍舟運(yùn)動(dòng)依托于場(chǎng)地、器械等物質(zhì)條件而存在[3]。目前，在正式比賽中使用的龍舟主要有兩種標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)上已經(jīng)由實(shí)木改為玻璃纖維，經(jīng)過(guò)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)目前龍舟存在體型笨重、速度緩慢等缺陷。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

該文以新型龍舟的研制為研究對(duì)象。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)資料法

通過(guò)查閱學(xué)校圖書(shū)館、CNKI中國(guó)知網(wǎng)及Web of Science等論文數(shù)據(jù)庫(kù)，以龍舟運(yùn)動(dòng)及船只改造為主題檢索相關(guān)研究文獻(xiàn)，為該研究中新型龍舟設(shè)計(jì)的理論技術(shù)、結(jié)構(gòu)要求及材料選擇等方面提供參考與借鑒。

1.2.2 頭腦風(fēng)暴法

針對(duì)新型龍舟的研制與開(kāi)發(fā)，邀請(qǐng)了3位高校龍舟隊(duì)教練員、2位國(guó)內(nèi)龍舟運(yùn)動(dòng)資深從業(yè)者及3位機(jī)械設(shè)計(jì)方面的教研人員組成了新型龍舟設(shè)計(jì)研究小組，共同探討了關(guān)于我國(guó)新型龍舟的設(shè)計(jì)、研制想法與觀點(diǎn)。在歸納匯總現(xiàn)有龍舟問(wèn)題缺陷的同時(shí)，確認(rèn)新型龍舟將面向?qū)I(yè)龍舟運(yùn)動(dòng)群體進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)先考慮龍舟運(yùn)動(dòng)的競(jìng)技性和觀賞性，在保證一定穩(wěn)定性的前提下盡可能減小阻力，提升速度。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)法

初步確定新型龍舟的總體設(shè)計(jì)方案后，通過(guò)計(jì)算機(jī)建模模擬的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，從龍舟的外形、結(jié)構(gòu)和材質(zhì)方面進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，通過(guò)優(yōu)化船體線(xiàn)型、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和減輕自重等方式達(dá)到提升速度的目的，研制出的新型龍舟在實(shí)踐檢驗(yàn)中進(jìn)行了樣船制造與模型試驗(yàn)，浮力情況符合使用需求，并具有一定的穩(wěn)定性，且船體阻力有所降低。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型龍舟的設(shè)計(jì)

要深入研究龍舟運(yùn)動(dòng)，建立適應(yīng)龍舟運(yùn)動(dòng)發(fā)展的比賽規(guī)則和管理體制，改變現(xiàn)有的不同民族各具特色的比賽器材、參賽人數(shù)、比賽場(chǎng)地設(shè)置、成績(jī)計(jì)算方式等[4]。在保留傳統(tǒng)龍舟文化元素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出在速度上較傳統(tǒng)龍舟有明顯提升的新型12人龍舟和新型22人龍舟。新型龍舟將面向?qū)I(yè)的水上運(yùn)動(dòng)群體人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于流體力學(xué)、人體工程學(xué)和美學(xué)等方面進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)先考慮龍舟運(yùn)動(dòng)的競(jìng)技性和觀賞性，在保證一定穩(wěn)定性的前提下盡可能減小阻力，提升速度，滿(mǎn)足更加專(zhuān)業(yè)的高競(jìng)技性比賽需求。

2.1.1 新型龍舟的材質(zhì)選擇

龍舟項(xiàng)目對(duì)場(chǎng)地和器材要求較高[5]。新龍舟將采用碳纖混合的復(fù)合材料和高密度填充材料，龍舟船體雙面貼合復(fù)合材料，龍骨采用碳纖維與芳綸混紡材料，腳蹬預(yù)埋不銹鋼配件，滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)員發(fā)力強(qiáng)度。整體減重約40%，重量約138～156kg，一定程度上減小了龍舟浸潤(rùn)面積，有效降低阻力。新型材料在提高速度的同時(shí)，還增加了40%的表面強(qiáng)度，能夠滿(mǎn)足沖灘的需求。船的整體密度小于水，船艙滿(mǎn)水狀況下不會(huì)沉入水面以下。

2.1.2 新型龍舟的船體線(xiàn)型

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，兩種幾何外形的船體在以4m/s的速度前進(jìn)過(guò)程中，尖頭船體產(chǎn)生的水波更小，水面較為平穩(wěn)，水波的波長(zhǎng)更長(zhǎng)。尖頭船體所受到的壓力較小，最大壓力位于船首上半部分。新型龍舟的升力系數(shù)達(dá)到4.099，阻力系數(shù)可降至1.473。由于新型龍舟的船身較窄及浮力等因素，船頭升沉幅度相對(duì)更大，船頭船尾將做20cm抬高處理，船型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎時(shí)考慮船體傾斜回穩(wěn)性，其轉(zhuǎn)彎半徑約27m。新型龍舟設(shè)計(jì)為流線(xiàn)型船底，如圖1所示。改進(jìn)后的船底線(xiàn)型為連續(xù)外凸弧面，能夠在保證一定穩(wěn)定性的條件下，將阻力系數(shù)降低至一半以下。

圖1 12人新龍舟（左）與22人新龍舟（右）橫截面圖

2.1.3 新型龍舟的座位排布與裝配

改進(jìn)后的新型龍舟采用交錯(cuò)的座位排布，減少船寬的同時(shí)也為運(yùn)動(dòng)員提供足夠的運(yùn)動(dòng)空間，新型龍舟的總體長(zhǎng)度并沒(méi)有過(guò)度加長(zhǎng)（見(jiàn)圖2）。新型12人龍舟最大寬度從1m減小至0.85m，22人龍舟最大寬度從1.1m減小至0.95m。新型12人龍舟和22人龍舟的總長(zhǎng)僅分別由9.60m和12.40m增長(zhǎng)至10.45m和13.95m（見(jiàn)表1）。

圖2 現(xiàn)有龍舟（左）與新型龍舟（右）座位排布對(duì)比圖

表1 新舊龍舟尺寸表

在龍舟的裝配上，考慮到運(yùn)輸因素，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱長(zhǎng)為40ft，船體長(zhǎng)度不能大于12m，新型12人龍舟長(zhǎng)度為10.45m能夠滿(mǎn)足裝箱要求，新型22人龍舟船體從船頭隔離艙分隔為兩段，分別為11.8m與1m。龍舟行進(jìn)過(guò)程中截?cái)嘟孛孀畹吞幬挥谒嬉陨希軌蜃畲蟪潭冉档鸵蚪涌p導(dǎo)致的流體阻力提高，同時(shí)對(duì)制造過(guò)程中的密封需求影響較小。

2.1.4 新型龍舟的腳蹬與坐凳

新型龍舟腳蹬設(shè)計(jì)為全腳掌支撐，腳蹬角度與前后距離可以調(diào)整（見(jiàn)圖3）。新型龍舟坐凳板向前傾角調(diào)整為7.5°，運(yùn)動(dòng)員在此狀態(tài)下能夠更好地發(fā)力并且相較以往坐凳具有更好的舒適度（見(jiàn)圖4）。坐凳中心點(diǎn)距離上船舷20cm，保證運(yùn)動(dòng)員腳部發(fā)力的舒適性。新型龍舟設(shè)計(jì)有單向排水裝置，可以使船內(nèi)水快速排出，以免影響船艇浮力、穩(wěn)定性和劃行速度。

圖3 可調(diào)節(jié)腳踏示意圖

圖4 新型龍舟坐凳示意圖

2.2 新型龍舟的實(shí)驗(yàn)分析

新型龍舟的樣船測(cè)試分別在千島湖國(guó)家水上水上訓(xùn)練基地與浙江大學(xué)紫金港校區(qū)啟真湖進(jìn)行，新型22人龍舟測(cè)試人員為專(zhuān)業(yè)皮艇與劃艇運(yùn)動(dòng)員，新型12人龍舟測(cè)試人員為專(zhuān)業(yè)劃艇運(yùn)動(dòng)員。此次實(shí)驗(yàn)中，新型22人龍舟樣船采用木質(zhì)，新型12人龍舟樣船為玻璃鋼材質(zhì)，主要通過(guò)浮性、穩(wěn)定性與速度方面測(cè)試新型龍舟的流線(xiàn)外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的性能，同時(shí)找出樣船存在的不足，為下一階段的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供科學(xué)的建議。

2.2.1 新型龍舟的浮性分析

舟艇浸沒(méi)在水中所受到的浮力大小等于舟體水下部分所排開(kāi)相同體積水的質(zhì)量。浮體上通常作用有兩個(gè)力，即物體自身的重力與液體產(chǎn)生的浮力[6]。舟艇除受浮力作用外，還受到重力作用。在樣船測(cè)試中，新型22人龍舟的測(cè)試運(yùn)動(dòng)員平均體重達(dá)到95.6kg，高于預(yù)估計(jì)算值，新型22人龍舟處于超載狀態(tài)。測(cè)試中吃水線(xiàn)距離船上舷20cm，較設(shè)計(jì)理論值少2cm。新型12人龍舟，雖然采用密度較小的玻璃鋼材質(zhì)，但是船身重量依然較大，因此也處于超載狀態(tài)，測(cè)試中吃水線(xiàn)為19cm，較理論值少3cm。相比22人龍舟，12人龍舟船艙體積較小，對(duì)浮性變化的敏感性更高。通過(guò)樣船實(shí)驗(yàn)觀察，即使處于超載情況下，吃水線(xiàn)距離船沿能夠保持最少5cm的距離，新型龍舟依然能夠正常劃行，并滿(mǎn)足一定的競(jìng)技需求。由于設(shè)計(jì)采用了輕型材料，船體在滿(mǎn)水狀態(tài)下不會(huì)沉入水面以下，根據(jù)計(jì)算新型龍舟翻船后可為落水人員提供300kg以上的浮力。

2.2.2 穩(wěn)定性分析

船舶的穩(wěn)定性是指船舶在外力的作用下不致于傾覆，在外力消失后能夠自行恢復(fù)到平衡位置的能力[7]。為確保龍舟運(yùn)動(dòng)員具有更加舒適、科學(xué)的發(fā)力環(huán)境，滿(mǎn)載時(shí)船艇的重心會(huì)處于較高的位置。在樣船測(cè)試中，通過(guò)觀測(cè)新龍舟運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，新型12人、22人龍舟滿(mǎn)載在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠保持良好的穩(wěn)定性，但在嘗試劃行階段穩(wěn)定性較難保持，需要運(yùn)動(dòng)員平槳來(lái)控制船體穩(wěn)定。對(duì)于從未接觸過(guò)水上運(yùn)動(dòng)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，新型龍舟的穩(wěn)定性還有所欠缺，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性保持對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)水平和默契程度有著較高的要求，專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練磨合下，能夠?qū)π滦妄堉圻M(jìn)行較好的控制，達(dá)到競(jìng)技運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。總體來(lái)說(shuō)，新型龍舟在穩(wěn)定性與高速度兼容方面的表現(xiàn)達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期。

2.2.3 船速及阻力分析

舟艇在實(shí)際行進(jìn)過(guò)程中處于水和空氣兩種介質(zhì)中，所以船舶總阻力可以分為水下部分的水阻力和水上部分的空氣阻力[8]。水阻力占主要部分，而水阻力又可以進(jìn)一步劃分為靜水航行時(shí)所受到靜水阻力和洶濤阻力。由于技術(shù)方面的限制，舟艇阻力較難進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量與計(jì)算，因此速度實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)新型龍舟與傳統(tǒng)龍舟的對(duì)比進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要選擇同為玻璃鋼材質(zhì)的新舊兩種12人龍舟，參與實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)員全部選自具有至少3年龍舟運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的浙江大學(xué)龍舟隊(duì)隊(duì)員。在多次50m和200m的對(duì)比測(cè)試中，嚴(yán)格控制隊(duì)員與間歇恢復(fù)時(shí)間。新型12人龍舟用時(shí)較傳統(tǒng)龍舟分別縮短約0.6s和3s。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，船頭部分在運(yùn)動(dòng)員周期發(fā)力的過(guò)程中會(huì)有較大的起伏，龍頭的接口斷面會(huì)出現(xiàn)浸入水面以下的情況，船頭部分會(huì)產(chǎn)生較大的阻力，因此在下一階段的設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)增加船頭倉(cāng)浮力以抬高船頭，優(yōu)化船底型線(xiàn)，避免此情況下的船頭阻力提高。

3 結(jié)論

在對(duì)現(xiàn)有龍舟整體船型分析的基礎(chǔ)上，制訂了新型龍舟的總體設(shè)計(jì)方案，采用了樣船試制和實(shí)際檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

（1）船體在滿(mǎn)水狀態(tài)下不會(huì)沉入水面以下，且在翻船后可為落水人員提供300kg以上的浮力。

（2）新型12人、22人龍舟滿(mǎn)載在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠保持良好的穩(wěn)定性，吃水線(xiàn)距離船沿能夠保持最少5cm的距離，能夠滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)龍舟運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技需求。