艇体的几何形状

第一节　艇体的几何形状

一、主尺度的定义

我们拿一艘帆艇的侧面形状图（图5-1）来说明主尺度的概念和定义。

图5-1　主尺度的定义

1）艇长L

笼统地说艇长L是多少，那是一个十分模糊的概念。下面来逐个介绍各种艇体长度的概念。

艇体长度的单位，我国（法定计量单位制）用“米”，英美国家多用“英尺”或“呎”，两者可用系数“3.28”来换算。从“米”换算到“英尺”须乘以3.28；若从“英尺”换算到“米”，则须除以3.28。例如20ft换算到法定计量单位制，约等于6m。

在游艇的统计、买卖、报关和检验上提到的艇长L，习惯上系指艇在满载排水量下静浮于水面时，其刚性水密艇体位于水线以下部分的总长，但不包括水线处及以下的附体。

（1）艇体总长LOA。是指艇体首部最前端到尾部最后端之间的最大长度，有些附件或舾装件，如伸出艇首的斜桅、标枪舌以及伸出艇尾的舵不包含在艇体总长度之内。

（2）水线长LWL。是一个用于理论计算游艇排水体积的长度量，它随艇体吃水而变化，通常是指设计水线的长度。设计水线通常是指满载水线。对于钢质或铝合金船舶，水线长LWL系指沿满载水线由首柱前缘量至舵柱后缘的水平距离（不包括首柱前和尾柱后的船壳板厚度在内）。对纤维增强塑料船，水线长LWL则是从水线处壳板最前端量到最尾端的水平距离（即包括壳板厚度在内）。

（3）两柱间长LPP。是指首柱和尾柱间理论线的长度，对驾艇者来说意义不大，但对于艇体设计来说是一个重要的参数。因为设计艇体时通常把首尾柱之间划分为10个或20个等分，这些等分的竖线称为“站线”，我们可以在图5-1中看到这些编号的站线，首柱是指通过设计水线的首部端点的一条垂直线；尾柱通常与舵杆的中心线重合，但也不一定。

几种长度的概念虽不同，但在数值上往往有一到两个长度是相等的，例如LWL＝LPP＝L。但也不总是如此，视不同的艇型而定。

2）吃水d

艇体吃水是经常变化的，它因装载情况的不同而变化。所以具有变量的概念。这里所指的吃水通常是指满载吃水（设计吃水），根据不同的需要可区分为：最大停泊吃水d和艇体吃水dC。

（1）最大停泊吃水d。是指艇满载静浮时的最大吃水深度。包括舵、螺旋桨等凸出在船底下面的附件。这个深度对于进出港口和寻觅泊位非常重要。

（2）艇体吃水d_C。对于常规游艇来说，是在船长L中点处由平板龙骨上缘（对纤维增强塑料船为龙骨下表面）量到满载水线的垂直距离。

对帆艇等有凸龙骨的艇体来说，艇体吃水dC是不包含凸出艇体的龙骨（或稳向板）浸深在内的，这个吃水仅仅对计算艇的排水体积有用。

3）型深D

型深与吃水不同，首先它是一个常量而不是变量。

对于常规游艇来说，型深D是在船长L中点处，沿舷侧由平板龙骨上缘量至上层连续甲板（甲板艇）横梁上缘或舷侧板顶端（敞开艇）的垂向距离；对纤维增强塑料船，则由平板龙骨下表面量起。

对帆船来说，型深有两个概念，即最大型深D和艇体型深DC。最大型深D是从帆船龙骨的最低点量到舷弧线的垂直距离。艇体型深DC则是从龙骨上缘量起的，不包括下垂的龙骨或稳向板。

4）干舷F

干舷F系指在船长L中点处，由满载水线量至干舷甲板（甲板艇）上缘或舷侧板顶端（敞开艇）的垂向距离。

干舷F和型深D和吃水d有下列关系：F＝D-d。

实际上，干舷F也具有变量的概念，因型深D是不变的，当吃水d减小时，干舷就会增加。干舷增加对于艇的抗沉性（又称“不沉性”）是有利的，即万一艇体进水，干舷就起到抵抗下沉的作用。

5）艇宽B

我们利用图5-2来介绍艇体横剖面形状和艇宽B。艇体横剖面通常都是对称的，所以只须画出一半的形状就行了。图中有两根曲线，代表两个横剖面形状。左边那一根曲线靠近艇体的中心线，它代表首部横剖面形状，从图中可以看到它比较瘦削，而且呈侧向外飘的形状，这种形状对于切开波浪，防止飞溅的浪花打到甲板上来很有利。靠右边的曲线代表中部横剖面的形状，从图中可以看出它比较丰满，舷侧和舭部呈弧形，上部靠近甲板处向内凹进，这种形状比较适合游艇，在一般的船上是很少出现的。

图5-2　横剖面形状

艇体的宽度有两个主要尺度，即最大宽度B和水线宽BWL。

（1）最大宽度B。是指艇横向的最大尺度，包括防擦的护舷条。

（2）水线宽BWL。是指设计水线（通常指满载水线）处的最大宽度。对于钢质或铝合金船舶，系指水线最宽处，由一舷的肋骨外缘量至另一舷的肋骨外缘之间的水平距离（注意：不计入外壳板的厚度）；对于纤维增强塑料船为船体两侧外表面之间的最大宽度（即包含壳板的厚度在内），但不包括护舷材等突出物。

6）排水体积Δ和排水量Δ

艇体排开水的体积Δ可以通过理论计算得到，当吃水不同时，艇体排开水的体积也不同，所以作为主尺度指标的排水体积指的是设计水线下的排水体积Δ。

对于钢质或铝合金船舶，由于计算的排水体积中不包括外板的体积，所以实际的排水体积Δ还要在理论计算排水体积的基础上乘以壳板系数1.006。但对于玻璃钢船，计算的排水体积中已包含壳板在内，所以不必再乘以壳板系数了。这是两者的不同之处。

这个排水体积Δ乘以水的密度即得到艇的排水量Δ。水的密度随水的温度而变，而且海水和淡水也不同。常温下通常取海水的密度为1 026kg/m³；淡水的密度为1 000kg/m³。

排水量Δ是指艇体排开水的重量，相当于艇的质量。通常说的排水量是指艇的满载排水量Δ。

满载排水量Δ系指船上所有按规定配备的船员、设备、货物、备品、附件及索具等都装备齐全，并装满燃油、滑油、淡水、食品和供应品，额定乘员全部上船，船处于立即可以起航状态时所排开水的重量。

二、肥瘠系数

艇体水线以下部分的形状对航行的阻力有重大影响，所以要做得非常流畅。有几个系数可以用来判别艇体的胖瘦程度，称为“肥瘠系数”。

1）棱形系数C_P

它是排水容积与最大横剖面面积乘以水线长度之比。它的含义在图5-3中作了形象化的表达，计算公式为：

式中：C_P——船体之棱形系数；

　　　Δ——艇体的排水体积，不含凸出龙骨和稳向板；

　　　A_M——设计水线下最大横剖面面积；

　　　L_WL——设计水线长。

在像帆船那样的游艇上，凸出龙骨、稳向板等突出物的影响不可忽视，因此要像图5-3那样，扣除凸出龙骨、稳向板的体积后，才能计算艇体的菱形系数。

图5-3　棱形系数的概念

这个系数对快速性的影响很大，将在第二节“尺度系数对快速性的影响”中加以讨论。

2）方形系数CB

它是艇体排水容积与水线长、水线宽和艇体吃水所围成的立方体容积之比。它的含义在图5-4中作了形象化的表达，计算公式为：

式中：C_B——船体之方形系数；

　　　Δ——艇体的排水体积，不含凸出龙骨和稳向板；

　　　B_WL——设计水线宽；

　　　L_WL——设计水线长；

　　　d_C——艇体吃水。

图5-4　方形系数的概念

在像帆船那样的游艇上，凸出龙骨、稳向板等突出物的影响不可忽视，因此要像图5-4那样，扣除凸出龙骨、稳向板的体积后，才能计算艇体的方形系数。

方形系数反映了艇体的丰满程度。这个系数越大，说明在同样的主尺度下，艇体内的容积大，可以多装载货物。在一些低速大型船舶上，这个系数可以达到0.8以上。但这个系数大，对提高航速不利，所以在大多数高速艇上，这个系数一般不超过0.5。

如果已经知道方形系数C_B，那么就能按下面的公式求得艇的排水体积：

Δ＝C_B·L_WL·B_WL·d_C　　　　　（5.3）

3）横剖面系数C_M。

横剖面系数C_M反映了艇体最大横剖面的丰满程度，它的计算公式为：

式中：C_M——船体之横剖面系数；

　　　A_M——设计水线下最大横剖面面积；

　　　B_WL——设计水线宽；

　　　d_C——艇体吃水。

三、艇体的几何形状

艇体的几何形状主要是指艇体甲板以下部分的形状，根据游艇种类、航速的不同而差别很大。这里只介绍几种适合中小型游艇的常见类型。

1）帆船的体形

帆船的体形通常比较狭长，底部圆顺。舷侧和舭部都呈光顺的弧形曲线。其特征是有深入水下的鳍状龙骨。它能增加帆船的倾侧稳性和航向稳定性，所以又称稳向板。如图5-5所示。

图5-5　帆船的体形

2）圆舭型艇体

对于大多数中低速游艇来说，通常都采用圆舭型艇体。它属于排水型艇体。图5-6是这种艇体常见的横剖面形状。图的右侧反映了首部横剖面的形状，左侧反映了中部向尾的横剖面形状。这一类游艇普遍采用前冲的倾斜首柱，首部线型比较瘦削，呈外飘的V形。这种横剖面形状有利于水花向两舷飞溅，避免甲板上浪；从首部到中部，横剖面形状逐渐丰满，由外飘的V形变为向下凹的圆弧形，形成“圆舭”，再向后逐步过渡到U形，平坦的底部有利于尾部流线的平顺。尾部用垂直或倾斜的平板切断，俗称“方尾”。这种艇体形状在低速和中速时的性能都很好，但不适合高速航行。大型游艇几乎都是这种形状。

图5-6　圆舭型艇体形状

3）折角型艇体

对于需要达到高速的运动型游艇来说，大都采用折角型艇体（hard chine）。其明显的特征是在舷板和底板交界处（即舭部）有尖锐的折角，所以又称为“尖舭型艇体”。这种艇体在纵长方向根据是否设置断阶，可区分为无断级艇、单断级艇和多断级艇。图5-7属于无断级艇的艇体形状。

图5-7　折角型艇体形状

折角型艇体的特征是舭部有一条明显的折角线，它把舷侧和底部分成两个不连续的曲面，每个曲面的曲率都不大，有利于制造。由于艇底相对于水平面来说形成一个较宽阔的倾斜的滑行平面，当艇的速度越来越高时，艇底面上会产生水动压力，它的垂直分力把艇体渐渐托出水面。这样，艇底接触水的面积会不断减小，阻力也相应减小，因此这种艇体形状特别适合于高速滑行。但这种艇体形状在中低速时阻力较大，其阻力高于圆舭型船体。所以要根据艇的使用速度要求来选择合适的艇体形状。

4）槽道型艇体

这种船型最早见于美洲狮造船公司建造的近海竞速快艇，它创造了84.6kn的近海竞速世界纪录，1982年10月又刷新为95.7kn。由于艇体中间设有槽道，处在高速航行时，槽道顶板和水流之间形成了一层相当厚度的气膜或气水混合层。这种气水两相混合流体的密度比较小，从而降低了摩擦阻力，又起到了风浪中的减震作用，避免了常规滑行快艇严重的拍击现象。这种艇型的超高速，在沿海乃至近海海况下的耐波性、稳性、吃水以及人机工程学方面的优良性能已被广泛用于港口警戒、缉私、打击海盗和沿海巡逻。到了20世纪90年代，高速旅游船、渡船、客船也开始应用这种槽道船型（图5-8）。

图5-8　双体槽道型艇体横剖面形状