當一艘新艦設計圖紙出來後,為什麼一定要按實物原型按比例做一具模型?它意味著什麼?

一杯清茶張


現代因為有計算機輔助設計,模型的重要性已經沒有這麼大了,但是在做水池、風洞試驗時,仍然還需要有實體的模型。

而在現代以前,從風帆時代開始,實際上在艦船設計的過程中,就要製做相應的模型,而且不止一具,在不同階段會有很多不一樣用途的模型。其最主要的原因還是紙上的圖不夠直觀。下面列舉一些比較常見的模型,僅供參考。

一、肋骨模型。

即根據實船的骨架設計做出來的只有龍骨和肋骨等基礎結構的模型,主要用於直觀觀察船型設計的好壞,以及各個肋位截面的形狀是否合適,還有肋距(肋骨之間的間距)的排布是否合適。

二、剖面/透視模型。

(巴黎海軍博物館展出的一件剖面模型,可以直觀地觀察該船的內部部局設計)

即一面是完整的船殼和佈局,而另一面切開,以體現船體內部構造的模型。主要用於直觀觀察艦船內部的艙室分佈等設計。

三、全外觀模型。

(清末巡洋艦“海容”級的原廠模型,類似於船東模型。這類模型基本就是實船的縮小再現,是最具觀賞性的模型。拍攝:陳悅)

是各種艦船模型中最好看的一種,如同用縮小燈把真船縮小了一般,船上各種細節事無鉅細都要一一如實。這種模型主要是為了確定艦船的總體佈置,便於直觀觀察和討論、修改。

同時一經確定,也會作為贈送給船東的船東模型,以及工廠、設計室留存的方案模型,而這種模型基本上也就代表了這艘軍艦的外觀模樣,可以拿來和實船的進行對照。

四、生產設計模型。

(法國洛里昂博物館展出的當地船廠用於輔助生產設計的白模。拍攝:陳悅。)

(工程師們利用白模進行設計的場景)

這種模型比較特殊,通常是白模。因為金屬船(鉚接、焊接之類)在設計完成後準備建造時,需要進行投料,也就是需要準備一張張合適的船板。如何將一艘整體的船,合理分解為一張張不同外形、尺寸的船板,以便工廠進行材料的剪裁準備,這在沒有電腦輔助設計的年代是個非常繁瑣頭疼的事情。用於生產設計的模型,就是將船體外觀做出很大的白模,工程師們在這個模型上進行測量、比劃、標記,以此來輔助計算,以便完成用於具體投料、放樣的生產圖紙的細化繪製。


除上述之外,還有用於水池試驗的模型(測試穩性、阻力等)。

另外還有一種外界不大容易見到的特殊艦船模型,即1:1的局部模型。現代艦船的一些重要艙室,為了確定佈局,乃至於確定線纜佈置等,有時會把整個艙室內部製作成1:1的模型,以便直觀地分析、確定。


海研會


簡單點說,這些艦艇模型是用來做試驗以獲得流體力學、艦艇線型等各種數據,建立數據庫和數學模型;通過試驗獲得數據,去驗證技術可行性和先進性。說句實話,艦艇模型是小,給模型做試驗的設施和裝備才是高技術含量和大問題,比如說試驗水池、風洞等等。

一般情況下,當一型新艦艇設計出來後,要按比例製作實物模型,然後拿去試驗水池做試驗,以進行水動力試驗,這不僅僅是軍用艦艇(水面戰艦和潛艇)如此,大型民用船舶也如此。比方說,大家經常聽到的“馬士基Triple-e”型集裝箱船在設計完畢之後,也進行了船模拖曳水池試驗,以驗證設計的合理性。

這裡你就需要了解船模試驗水池的意義和分類,就此也就能明白船模是在這裡幹什麼。船模試驗水池大致可以分為“耐波性水池和風浪水池”,用來研究研究艦艇的耐波性,這個時候就是將船舶模型置於裝備“造波機”的耐波性水池中,模擬海洋波浪情況,驗證船體的耐波性能。“造波機”見下面動圖:

還有比較常見的拖曳水池是主要用來研究船舶的快速性和阻力試驗,在拖曳水池中進行阻力試驗時,由拖車拖動船舶模型運行,而流體相對不動,以驗證船模相對於流體做相對運動時的作用力;此外阻力試驗也可以在循環水池中進行,此時流體運動而船模不動。

除了上述船模試驗,還有旋臂水池、迴轉水池等用來驗證船舶模型的操縱性,此時的船模不再是用拖車拖動的無動力模型,而是需要具備航行能力的自航船模。另有研究空泡性和尾流的空泡試驗水筒及其他特殊研究用的消聲水池、出入水水池等。

所以說船舶模型的主要作用就是用來做試驗,獲取數據,建立數據庫和數學模型,開發方程式,驗證設計合理性用的。每一型船模水池試驗留下的數據都是未來新設計艦船的寶貴經驗參數,而船模試驗的結果則決定你本次設計是否合理和具備可行性。所以船模不起眼,但是其搭配各種實驗設備、傳感器、試驗設施進行試驗的背後,則隱藏著巨大的科學技術鴻溝。比方說,現在世界上規模最大、最先進的船舶研究、工程驗證、建模測試設施仍然是美國的David Taylor船模水池(泰勒水池),見下圖:

該船模試驗中心的開發建造以及獲取的經驗數據和以此建立的各種數學模型、方程式等,時至今日仍然在世界各國艦艇設計中得到應用,比方說下面一篇研究潛艇大機動論文在數學建模時,仍然要以美國泰勒水池開發的數學方程為基礎:


衛青點兵


這屬於艦艇技術開發的一個重要一個部分,所謂的圖紙實際上只能算是一個數學模型,雖然有關的設計對各方面影響可以在計算機系統當中進行模擬計算,這種模擬只能模擬一部分情況,不能滿足設計的全部要求,所以在完成基本設計,形成外觀之後,會製作成一定比例模型,進行進一步的測試,比如在風洞內進行外觀吹風的測試,以及在雷達暗室中進行雷達反射效果的測試,在放到模擬海洋環境的水池當中進行試驗。

在軍事裝備研發中,製作模型不是為了外觀好看,向大家趕緊展示其設計,而是作為測試之用,還不會僅製作一個兩個模型,可能會制今晨不同的模型,來進行大量的測試工作,在現代技術開發當中屬於很正常的現象,大概多少個模型,經過大量結果測試之後,才能選出最後的標準設計,這是一個很正常的現象,並不是什麼意外。


浴火


所有制造業都是這樣。


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