军事与数学(九)

2017-10-24 贼叉 梦台州 梦台州


封面没放错,嗯


自己都没想到居然能写到九。

向一直以来孜孜求虐的各位老铁表示感谢,都特么的是真爱啊。big 么么哒~

今天打算讲讲造船。。。。中的一个小玩意——聊聊某些军事博主变态般情有独钟的球鼻艏。 

球鼻艏是个什么玩意?

在解释球鼻艏之前,先来讲讲兴波阻力。

 船在水中运动的时候,船体产生的波浪会在船首和船尾附近各发生一组波系。每组波系包括横波和散波。横波大致垂直于航向,散波同航向斜交,船波起伏的能量由船体供给,消耗了一部分推进船舶的功率。对船来说相当于克服一定的阻力,这种阻力叫兴波阻力。 兴波阻力的大小主要与航速和船长有关。航速越快,兴波阻力越大。 

球鼻艏就是一种用来克服船阻力的结构,说得再具体一点,就是用来克服兴波阻力的东西。

图中绿线是船头原来形成的波浪,蓝线是球鼻艏形成的波浪,蓝线压制了绿线,两者最后形成了我们看见的波浪——红线的波浪。 

 通过设计合理的球鼻艏的形状并且保持一定的速度,我们就可以压制住波浪,减小兴波阻力,提高船速。而没有球鼻艏时会在船舷产生波浪形的水波,阻碍船的航行。值得注意的是,球鼻艏只在其设计的航速上产生正效应,否则阻力更大,所以一般只用远洋海船。  

问题来了,什么样的球鼻艏的形状是合理的?航速又要保持在多少才合适呢?

这个就要从波开始讲起。

我们知道波是自然界中最常见的物理现象,当然也有很多旁友一看见这种现象就想开车,请遏制,我们现在是上课时间。波动方程其实是个很漂亮的偏微分方程:

这是三维的非齐次波动方程,我们可以很容易地用齐次化原理解决这个问题,这个方程的初值问题的解是:

是不是很简单?

请你控几里记几那种要打死我的冲动。

讲这些的目的只是为了说明,船体设计可是大学问,需要用到很多很多的数学知识。现代工业讲究的是定量分析。船体用什么材料,材料的组成部分比例是多少,涂料用什么漆,用多少,船体造成什么样子,这些都需要通过大量的科学计算得到。当然,这里我们就只介绍一点点波的速度啊、能量啊这些比较好算的东西:








嗯,到这里我又一次成功地激起了你打我的心思,但是距离解决我们要的问题还差的。。。

很远。

因为我们现在只是假装知道了海浪对船体受力情况,但是怎么设计出我们要的东西呢?说实话,读大学之前我也不知道这里蕴含了这么多的数学道理——虽然万吨轮经常从我家门口过。而之所以知道数学在设计船体中的作用,还是得益于读书大学时候系里的一位叫董光昌的老先生。当时浙大数学系有两位大神在应用数学界非常出名,被人们戏称造船的,炼钢的。炼钢的这位叫刘祥官,是华罗庚先生的学生,也是个大神,改日再说;造船的自然是董光昌先生了。

董先生是搞偏微分方程出身,读书的时候考上了华罗庚的研究生,但是因为太牛,浙大不放人,只好作罢。 到了1970年,六机部把船体数学放样定为国家造船工业发展的方向,目标就是要使中国造船工业实现自动化,很多地方都把它作为研究的项目,浙江省交通厅也是其中一分子,找来找去,最后决定与浙大数学系一起搞这个,董先生就是负责人。

董先生可不是那种只会推导的数呆子,解决实际问题也很有两把刷子。开始他跑到嘉兴船厂实习,向放样工人学习,用木样条与压铁作手工放样,回校后再用计算机计算数据,后来由于学校的计算机无法满足计算的需要,于是又到上海与求新造船厂和交通部船舶研究所合作研究此项目。

这里顺便说一下,船体的放样在船体设计中是最后一个环节。整个设计周期可以分为初步设计、详细设计和生产设计三个阶段。放样是生产设计中最重要的一道关口。船体数学放样的关键问题是什么?是光顺?在此问题一时难于弄清楚时,董光昌的指导思想是数学放样尽量忠实地模仿手工放样,手工放样的自然放,直尺卡样都作了数学上的模拟,形成为比其他研究课题组更为忠实于手工放样,且为放样工人所喜闻乐见的船体数学放样回弹法。并与1978年,由苏步青推荐到科学出版社出版了学术专著《船体数学放样——回弹法》 。

在长时间研究船体数学放样过程中,他又花了一小段时间研究数控绘图。1976年,挪威商人来中国,在北京、上海展示他们国家的绘图机时,当场绘出船体线性图与肋骨图。上海造船工艺研究所认为,绘图机是应该买的,至于绘图软件是否要买,要看我们能否在短期内编写出不错的绘图软件。当时董光昌等正带领学生在造船工艺研究所实习,接受了这一尝试性的软件研制任务,在不到两个月的时间内完成了任务,编出的软件绘图效果优于挪威的软件。先前挪威的表演者十分珍视他们的表演纸带,带不离身,到董光昌研制出我们自己的软件后他们也就不再珍惜了,研究所也不再购买国外的绘图软件,这为国家节省了购买绘图软件的数万美元经费。

1978年,他主持的“船体数学放样”和“数控绘图”两个研究项目都获得了全国科学大会奖,并且他本人同时获得了在科学技术方面作出重大贡献的个人奖。

国内的一些科研单位(如船舶工艺研究所)和造船厂(如上海求新造船厂、中华造船厂等),都一直在使


用“回弹法”进行船舶线型光顺。为了更加完善并丰富此方面的理论成果,时隔20年后,董光昌进一步发展并提高了上述研究内容,形成了对“光顺”含义刻画更为精确的理论体系。国外著名的计算几何专家A. R. Forrest教授认为:董的线型光顺工作是“数学与计算应用于实际问题的一个典范”。在此基础上,董光昌领导的课题组实现了船舶线型光顺过程的自动化,实际光顺效果超过国内外同类研究水平。

实在是忍不住为老头打call。

除了船体的放样之外,在前期的设计过程中,数学也起到了非常重要的作用。正如前面提到,球鼻艏必须是在一定的航速基础上才能起作用,所以这个临界速度是多少,形状该怎么样设计,必然是通过建立数学模型后求解得到的,而这一切又必然和偏微分方程以及数值计算是分不开的。

想绕过数学搞出这个

还是这个

还有这个

嘿嘿,门都没有!

顺便说一句,军舰的设计和民用船只设计的理念是完全不同的。所以对于船只的外形要求更加苛刻,数学要求也就更高。军舰上应用的球鼻艏还有一个重要用途,那就是安装扫描声呐等探测设备,由于位于舰体的最前端,可以避免船体杂波的干扰,也能相应提高作业效率。军舰的球鼻艏里面是充满着海水的,军舰球鼻艏内部通常安装主动声呐的水声换能器,它由一片片的压电晶体组成,采用柱面阵作为布阵形式。大型军舰的舰首主动声呐柱面阵的直径可达三到四米,重量可达数吨。主动声呐的换能器利用球鼻艏的特殊外形作为整流罩,这需要在球艏内精密的安装和调试。


辽宁舰的球鼻艏

是不是很高大上?

难怪你们这些军事博主会这么迷恋。。。



网友评论:


@春天的依依: 数学公式一个都看不懂,怀疑我自己是不是假数学专业毕业的[污][污][污][悲伤][可怜]


@军迷张晓予: 默念三遍“没有公式”,然后信心满满的点了进去。[允悲]


@贼叉: 这个应该像德布罗意学。。。为什么不能既是这个又是那个?//@百战刀:军事博主一般有技术派和情怀派之分,就像。。。气宗和剑宗?[笑而不语]


@重回1800年: 我能装作看懂了的样子么?//@老王聊军事:果然是关于船的!球鼻艏,就是个大鼻子,不过真的很有用[笑而不语]


@江深竹静三两家: 后来做结构去了,当年学的波浪理论,全部还给老师了。


@贼叉: 专家来给我站台了!//@航母那些事儿:造船不是随便造个船壳子那么简单,里面蕴含着许多数学力学知识,要考虑因素不少,除了船舶六性,还有军船的一些特殊需求,有大学问!


@万佛朝: 难以想象,居然还有这么认真研究波的军事博主。[赞]


@黄袍加身宋太祖: 除了数学没看懂,其他都明白了[允悲]


@贼叉:谢谢专家肯定!//@可爱的海盗船长captain:虽然能看出博主不是学造船设计的,能写成这样也很不容易了,真是应验一句话,兴趣才是最好的老师。


@宛鸠_神隐中: 没学过高树,一边懵逼一边长知识。。


@鸿森智能陈壹川: 学好数理化,走遍天下都不怕,学渣路过[允悲]


@徐州李Sir: 看到球鼻艏,我就想起来伯努利效应,后面的不明觉厉了[笑cry][笑cry][笑cry]//@巍岳钦禹:老贼,你这是逼我学数学啊[泪][泪][泪]








军事与数学(九)

军事与数学(九)

2017-10-24 贼叉 梦台州 梦台州


封面没放错,嗯


自己都没想到居然能写到九。

向一直以来孜孜求虐的各位老铁表示感谢,都特么的是真爱啊。big 么么哒~

今天打算讲讲造船。。。。中的一个小玩意——聊聊某些军事博主变态般情有独钟的球鼻艏。 

球鼻艏是个什么玩意?

在解释球鼻艏之前,先来讲讲兴波阻力。

 船在水中运动的时候,船体产生的波浪会在船首和船尾附近各发生一组波系。每组波系包括横波和散波。横波大致垂直于航向,散波同航向斜交,船波起伏的能量由船体供给,消耗了一部分推进船舶的功率。对船来说相当于克服一定的阻力,这种阻力叫兴波阻力。 兴波阻力的大小主要与航速和船长有关。航速越快,兴波阻力越大。 

球鼻艏就是一种用来克服船阻力的结构,说得再具体一点,就是用来克服兴波阻力的东西。

图中绿线是船头原来形成的波浪,蓝线是球鼻艏形成的波浪,蓝线压制了绿线,两者最后形成了我们看见的波浪——红线的波浪。 

 通过设计合理的球鼻艏的形状并且保持一定的速度,我们就可以压制住波浪,减小兴波阻力,提高船速。而没有球鼻艏时会在船舷产生波浪形的水波,阻碍船的航行。值得注意的是,球鼻艏只在其设计的航速上产生正效应,否则阻力更大,所以一般只用远洋海船。  

问题来了,什么样的球鼻艏的形状是合理的?航速又要保持在多少才合适呢?

这个就要从波开始讲起。

我们知道波是自然界中最常见的物理现象,当然也有很多旁友一看见这种现象就想开车,请遏制,我们现在是上课时间。波动方程其实是个很漂亮的偏微分方程:

这是三维的非齐次波动方程,我们可以很容易地用齐次化原理解决这个问题,这个方程的初值问题的解是:

是不是很简单?

请你控几里记几那种要打死我的冲动。

讲这些的目的只是为了说明,船体设计可是大学问,需要用到很多很多的数学知识。现代工业讲究的是定量分析。船体用什么材料,材料的组成部分比例是多少,涂料用什么漆,用多少,船体造成什么样子,这些都需要通过大量的科学计算得到。当然,这里我们就只介绍一点点波的速度啊、能量啊这些比较好算的东西:








嗯,到这里我又一次成功地激起了你打我的心思,但是距离解决我们要的问题还差的。。。

很远。

因为我们现在只是假装知道了海浪对船体受力情况,但是怎么设计出我们要的东西呢?说实话,读大学之前我也不知道这里蕴含了这么多的数学道理——虽然万吨轮经常从我家门口过。而之所以知道数学在设计船体中的作用,还是得益于读书大学时候系里的一位叫董光昌的老先生。当时浙大数学系有两位大神在应用数学界非常出名,被人们戏称造船的,炼钢的。炼钢的这位叫刘祥官,是华罗庚先生的学生,也是个大神,改日再说;造船的自然是董光昌先生了。

董先生是搞偏微分方程出身,读书的时候考上了华罗庚的研究生,但是因为太牛,浙大不放人,只好作罢。 到了1970年,六机部把船体数学放样定为国家造船工业发展的方向,目标就是要使中国造船工业实现自动化,很多地方都把它作为研究的项目,浙江省交通厅也是其中一分子,找来找去,最后决定与浙大数学系一起搞这个,董先生就是负责人。

董先生可不是那种只会推导的数呆子,解决实际问题也很有两把刷子。开始他跑到嘉兴船厂实习,向放样工人学习,用木样条与压铁作手工放样,回校后再用计算机计算数据,后来由于学校的计算机无法满足计算的需要,于是又到上海与求新造船厂和交通部船舶研究所合作研究此项目。

这里顺便说一下,船体的放样在船体设计中是最后一个环节。整个设计周期可以分为初步设计、详细设计和生产设计三个阶段。放样是生产设计中最重要的一道关口。船体数学放样的关键问题是什么?是光顺?在此问题一时难于弄清楚时,董光昌的指导思想是数学放样尽量忠实地模仿手工放样,手工放样的自然放,直尺卡样都作了数学上的模拟,形成为比其他研究课题组更为忠实于手工放样,且为放样工人所喜闻乐见的船体数学放样回弹法。并与1978年,由苏步青推荐到科学出版社出版了学术专著《船体数学放样——回弹法》 。

在长时间研究船体数学放样过程中,他又花了一小段时间研究数控绘图。1976年,挪威商人来中国,在北京、上海展示他们国家的绘图机时,当场绘出船体线性图与肋骨图。上海造船工艺研究所认为,绘图机是应该买的,至于绘图软件是否要买,要看我们能否在短期内编写出不错的绘图软件。当时董光昌等正带领学生在造船工艺研究所实习,接受了这一尝试性的软件研制任务,在不到两个月的时间内完成了任务,编出的软件绘图效果优于挪威的软件。先前挪威的表演者十分珍视他们的表演纸带,带不离身,到董光昌研制出我们自己的软件后他们也就不再珍惜了,研究所也不再购买国外的绘图软件,这为国家节省了购买绘图软件的数万美元经费。

1978年,他主持的“船体数学放样”和“数控绘图”两个研究项目都获得了全国科学大会奖,并且他本人同时获得了在科学技术方面作出重大贡献的个人奖。

国内的一些科研单位(如船舶工艺研究所)和造船厂(如上海求新造船厂、中华造船厂等),都一直在使


用“回弹法”进行船舶线型光顺。为了更加完善并丰富此方面的理论成果,时隔20年后,董光昌进一步发展并提高了上述研究内容,形成了对“光顺”含义刻画更为精确的理论体系。国外著名的计算几何专家A. R. Forrest教授认为:董的线型光顺工作是“数学与计算应用于实际问题的一个典范”。在此基础上,董光昌领导的课题组实现了船舶线型光顺过程的自动化,实际光顺效果超过国内外同类研究水平。

实在是忍不住为老头打call。

除了船体的放样之外,在前期的设计过程中,数学也起到了非常重要的作用。正如前面提到,球鼻艏必须是在一定的航速基础上才能起作用,所以这个临界速度是多少,形状该怎么样设计,必然是通过建立数学模型后求解得到的,而这一切又必然和偏微分方程以及数值计算是分不开的。

想绕过数学搞出这个

还是这个

还有这个

嘿嘿,门都没有!

顺便说一句,军舰的设计和民用船只设计的理念是完全不同的。所以对于船只的外形要求更加苛刻,数学要求也就更高。军舰上应用的球鼻艏还有一个重要用途,那就是安装扫描声呐等探测设备,由于位于舰体的最前端,可以避免船体杂波的干扰,也能相应提高作业效率。军舰的球鼻艏里面是充满着海水的,军舰球鼻艏内部通常安装主动声呐的水声换能器,它由一片片的压电晶体组成,采用柱面阵作为布阵形式。大型军舰的舰首主动声呐柱面阵的直径可达三到四米,重量可达数吨。主动声呐的换能器利用球鼻艏的特殊外形作为整流罩,这需要在球艏内精密的安装和调试。


辽宁舰的球鼻艏

是不是很高大上?

难怪你们这些军事博主会这么迷恋。。。



网友评论:


@春天的依依: 数学公式一个都看不懂,怀疑我自己是不是假数学专业毕业的[污][污][污][悲伤][可怜]


@军迷张晓予: 默念三遍“没有公式”,然后信心满满的点了进去。[允悲]


@贼叉: 这个应该像德布罗意学。。。为什么不能既是这个又是那个?//@百战刀:军事博主一般有技术派和情怀派之分,就像。。。气宗和剑宗?[笑而不语]


@重回1800年: 我能装作看懂了的样子么?//@老王聊军事:果然是关于船的!球鼻艏,就是个大鼻子,不过真的很有用[笑而不语]


@江深竹静三两家: 后来做结构去了,当年学的波浪理论,全部还给老师了。


@贼叉: 专家来给我站台了!//@航母那些事儿:造船不是随便造个船壳子那么简单,里面蕴含着许多数学力学知识,要考虑因素不少,除了船舶六性,还有军船的一些特殊需求,有大学问!


@万佛朝: 难以想象,居然还有这么认真研究波的军事博主。[赞]


@黄袍加身宋太祖: 除了数学没看懂,其他都明白了[允悲]


@贼叉:谢谢专家肯定!//@可爱的海盗船长captain:虽然能看出博主不是学造船设计的,能写成这样也很不容易了,真是应验一句话,兴趣才是最好的老师。


@宛鸠_神隐中: 没学过高树,一边懵逼一边长知识。。


@鸿森智能陈壹川: 学好数理化,走遍天下都不怕,学渣路过[允悲]


@徐州李Sir: 看到球鼻艏,我就想起来伯努利效应,后面的不明觉厉了[笑cry][笑cry][笑cry]//@巍岳钦禹:老贼,你这是逼我学数学啊[泪][泪][泪]