骨架交叉式风帆的制作方法

本发明涉及船舶风帆的建造技术领域，更具体地说，涉及一种骨架交叉式风帆。

背景技术：

风能资源在船舶上的应用愈发受到重视，节能环保型船舶愈发受到市场青睐，硬质升力型风帆可高效地利用清洁的风能，被越来越多地应用在船舶领域。为了获得可观的助推效果，风帆的面积和高度往往很大。如图2所示，在现有的风帆建造技术领域中，并没有与风帆帆面的剖面形状相对应的风帆骨架的标准结构可以参考利用，如采用常规的结构布置，如图4所示，通过分析，该结构的局部应力在267mpa左右，重量约21吨，完成焊接工作需要约122小时。那么如何在减轻风帆自身重量前提下，保证风帆的结构强度及简化加工工艺降低制造成本成为风帆建造领域的一个难题。

技术实现要素：

本发明目的是研制一种骨架能够满足结构强度且降低建造成本的新型风帆。

为了达到上述目的，本发明提供一种骨架交叉式风帆，包括风帆帆面和支撑所述风帆帆面的骨架，所述骨架包括若干间隔设置的横向板材、与所述横向板材垂直且间隔设置的若干纵向板材，以及设置在所述横向板材和所述纵向板材围成的方格内且相互交叉的斜向板材；

所述骨架分为帆面中部骨架、帆面顶端骨架、帆面底端骨架，以及帆面两侧骨架；

所述骨架的横向板材、纵向板材和斜向板材之间满足如下参数要求：

45°≤所述帆面中部骨架中斜向板材与横向板材之间的夹角≤55°。所述帆面中部骨架中两两相邻的横向板材之间的距离/所述风帆帆面的总长度≤16％。所述帆面中部骨架中两两相邻的纵向板材之间的距离/所述风帆帆面(1)总宽度≤12％。30％≤所述帆面顶端骨架中两两相邻的横向板材之间的距离/所述帆面中部骨架中两两相邻的横向板材之间的距离≤35％。12％≤所述帆面底端骨架中两两相邻的横向板材之间的距离/所述帆面中部骨架中两两相邻的横向板材之间的距离≤20％。所述帆面两侧骨架中两两相邻的纵向板材之间的距离/所述帆面中部骨架中两两相邻的纵向板材之间的距离≤60％。

优选的是，与若干所述横向板材交叉连接的纵向板材均为一体式板材。

优选的是，所述风帆帆面为硬质风帆帆面。

本发明在节约钢材的前提下，减少焊接工作量与风帆帆面重量；通过布置帆面中部与端部的骨架结构间距，提高钢材利用率。本发明简化了建造、加工工艺，减轻了重量，减少了焊接工作量，达到成本低、强度高的效果。本发明的优点在于不仅满足结构强度，同样能够进行重量控制。

附图说明

图1是交叉式风帆骨架主视结构的平面示意图。

图2是现有风帆帆面剖面结构的平面示意图。

图3是交叉式风帆骨架标注了各支撑结构位置的主视平面示意图。

图4是交叉式风帆骨架各支撑结构均匀布置的主视平面示意图。

其中：1、风帆帆面；2、帆面中部骨架；3、帆面顶端骨架；4、帆面底端骨架5、帆面两侧骨架；6、横向板材；7、纵向板材；8、斜向板材。

具体实施方式

如图1～3所示，本发明包括风帆帆面1和支撑所述风帆帆面1的骨架，所述骨架包括若干间隔设置的横向板材6、与所述横向板材6垂直且间隔设置的若干纵向板材7，以及设置在所述横向板材6和所述纵向板材7围成的方格内且相互交叉的斜向板材8；与若干所述横向板材6交叉连接的纵向板材7均为一体式板材，减少了焊接工作量。所述风帆帆面1为硬质风帆帆面，强度高不易变形。所述骨架分为帆面中部骨架2、帆面顶端骨架3、帆面底端骨架4，以及帆面两侧骨架5。本发明所述骨架的横向板材6、纵向板材7和斜向板材8之间满足如下参数要求：

45°≤β≤55°，

a/b≤16％，

c/d≤12％，

30％≤e/a≤35％，

12％≤f/a≤20％，

g/c≤60％，

其中：

β——所述帆面中部骨架(2)中斜向板材(8)与横向板材(6)之间的夹角；

a——所述帆面中部骨架(2)中两两相邻的横向板材(6)之间的距离；

b——所述风帆帆面(1)的总长度；

c——所述帆面中部骨架(2)中两两相邻的纵向板材(7)之间的距离；

d——所述风帆帆面(1)总宽度；

e——所述帆面顶端骨架(3)中两两相邻的横向板材(6)之间的距离；

f——所述帆面底端骨架(4)中两两相邻的横向板材(6)之间的距离；

g——所述帆面两侧骨架(5)中两两相邻的纵向板材(7)之间的距离。

如图2所示，基于目前风帆的帆面的剖面形状，本发明采用交叉式风帆帆面骨架的布置形式，包括风帆帆面中部与端部的横向板材、纵向板材和斜向板材。横向板材6与纵向板材7的角度α为90°；垂向布置方向上，横向板材6的间距a不大于帆面总长度b的16％；横向布置方向上，纵向板材7的间距c不大于帆面总宽度d的12％；在帆面垂直方向的上端，横向板材6的间距e不大于横向板材间距a的35％，且不小于横向板材间距a的30％；在帆面垂直方向的下端，横向板材6的间距f不大于横向板材间距a的20％，且不小于横向板材间距a的12％；在帆面横向方向的两端，纵向板材7的间距g不大于纵向板材间距d的60％；在帆面中部，设置交叉式支撑结构，即以横向板材6与纵向板材7围成的最小的方格上进行布置呈交叉状的斜向板材8，交叉式支撑结构中的斜向板材8与横向板材6的夹角β满足45°≤β≤55°。无论是在风帆帆面中部或是端部，纵向板材7用连续型的结构设计，即减少焊接操作次数又考虑到风载荷产生的垂直弯矩的影响。其中，横向板材即横向支撑结构，纵向板材即垂向支撑结构，呈交叉形式的斜向板材即交叉支撑结构。

如图4所示，现有风帆帆面骨架采用均匀布置方案，横向板材与纵向板材之间的夹角α’布置为90°。横向板材的间距a’等于帆面总长度b’的25％；纵向板材的间距c’等于帆面总宽度d’的17％。设置交叉式支撑结构，以横向板材与纵向板材围成的最小的方格上进行布置，交叉式支撑结构与横向板材的夹角β’为46°。通过计算，在风压力和惯性载荷作用下，均匀布置方案的全部帆面最大应力值在267mpa左右，总重量约21吨，完成焊接工作需要约122小时。

实施例1：

如图2所示，本发明基于图1中的风帆帆面的剖面形状，进行风帆帆面骨架的布置，首先将横向板材6与纵向板材7之间的夹角布置为90°。在图3所示的风帆帆面中部与端部划分区域中，在帆面中部，垂向布置上，横向板材6的间距a等于帆面总长度b的16％；横向布置上，纵向板材7的间距c等于帆面总宽度d的12％。而在帆面垂直方向的上端，横向板材6的间距e等于横向板材间距a的35％；在帆面垂直方向的下端，横向板材6的间距f等于横向板材间距a的20％；在帆面横向方向的两端，纵向板材7的间距g等于纵向板材间距c的60％。设置呈交叉形式的斜向板材8，以横向板材6与纵向板材7围成的最小的方格上进行布置，呈交叉形式的斜向板材8与横向板材6的夹角为55°。纵向板材7采用连续型的结构设计，即横向板材6在纵向板材7处断开，可考虑风载荷产生的垂直弯矩的影响。在此布置方案下，在风压力和惯性载荷作用下，本发明全部帆面最大的应力值在268mpa左右，总重量约12.5吨，完成焊接工作需要约112小时。

对比实施例1和图4所述常规风帆帆面骨架采用均匀布置方案，结构应力在同一量级，实施例2方案重量较均匀布置方案降低约40.4％。就焊接量而言，实例1方案的焊接量降低约8％。

实施例2：

如图2所示，本发明基于图1中的风帆帆面的剖面形状，进行风帆帆面骨架的布置，首先将横向板材6与纵向板材7之间的夹角布置为90°。在图3所示的风帆帆面中部与端部划分区域中，在帆面中部，垂向布置上，横向板材6的间距a等于帆面总长度b的16％；横向布置上，纵向板材7的间距c等于帆面总宽度d的11.3％。而在帆面垂直方向的上端，横向板材6的间距e等于横向板材间距a的32％；在帆面垂直方向的下端，横向板材6的间距f等于横向板材间距a的14％；在帆面横向方向的两端，纵向板材7的间距g等于纵向板材间距c的55％。设置呈交叉形式的斜向板材8，以横向板材6与纵向板材7围成的最小的方格上进行布置，呈交叉形式的斜向板材8与横向板材6的夹角为55°。纵向板材7采用连续型的结构设计，即横向板材6在纵向板材7处断开，可考虑风载荷产生的垂直弯矩的影响。在此布置方案下，在风压力和惯性载荷作用下，本发明全部帆面最大的应力值在269mpa左右，总重量约11吨，完成焊接工作需要约109小时。

对比实施例2和图4所述常规风帆帆面骨架采用均匀布置方案，结构应力在同一量级，实施例2方案重量较均匀布置方案降低约45％。就焊接量而言，实例2方案的焊接量降低约10％。

实施例3：

如图2所示，本发明基于图1中的风帆帆面的剖面形状，进行风帆帆面骨架的布置，首先将横向板材6与纵向板材7之间的夹角布置为90°。在图3所示的风帆帆面中部与端部划分区域中，在帆面中部，垂向布置上，横向板材6的间距a等于帆面总长度b的16％；横向布置上，纵向板材7的间距c等于帆面总宽度d的12％。而在帆面垂直方向的上端，横向板材6的间距e等于横向板材间距a的30％；在帆面垂直方向的下端，横向板材6的间距f等于横向板材间距a的12％；在帆面横向方向的两端，纵向板材7的间距g等于纵向板材间距c的60％。设置呈交叉形式的斜向板材8，以横向板材6与纵向板材7围成的最小的方格上进行布置，呈交叉形式的斜向板材8与横向板材6的夹角为45°。纵向板材7采用连续型的结构设计，即横向板材6在纵向板材7处断开，可考虑风载荷产生的垂直弯矩的影响。在此布置方案下，在风压力和惯性载荷作用下，本发明全部帆面最大的应力值在262mpa左右，重量约13吨，完成焊接工作需要约114小时。

对比实施例3和图4所述常规风帆帆面骨架采用均匀布置方案，结构应力在同一量级，实施例3方案重量较均匀布置方案降低约35％。就焊接量而言，实例3方案的焊接量降低约6.5％。

因此本发明的优点在于不仅满足结构强度，同样能够进行重量控制。本发明采用风帆帆面的横向板材6、纵向板材7的布置形式，旨在节约钢材的前提下，减少焊接工作量与风帆帆面重量；通过布置帆面中部与端部的骨架结构间距，有效提高钢材利用率的同时，简化了建造、加工工艺，减轻了重量，减少了焊接工作量，达到成本低、强度高的效果。

本发明通过在风载荷、惯性载荷以及重力载荷下的有限元分析，计算出骨架交叉之间的角度以及各个部分中横向与垂向的布置间距，本发明方案优点在于不仅满足结构强度，同样能够进行重量控制。得到风帆帆面在中部与端部布置间距的上限，对比常规均匀布置方形式，本发明大幅减少焊接工作量和风帆帆面重量，提高了钢材利用率；纵向板材的连续形式，可有效地传递风载荷。因此，本发明的骨架布置形式使得建造重量、焊接工作量降低，同时满足结构强度要求，即成本低、强度高的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。