(高清版)GB∕T 19314.8-2019 小艇 艇体结构和构件尺寸 第8部分：舵

小艇艇体结构和构件尺寸国家市场监督管理总局I Ⅲ 1 1 1 25设计应力 45.1舵材料 4 46.1通则 4 5 97.1通则 97.2F₁和相应的载荷情况 7.3F₂和相应的载荷情况 8舵弯矩和舵承上的反作用力 8.2铲形舵的分析(类型I) 8.3挂舵柱舵的分析(类型Ⅱ到类型V) 9舵设计扭矩T 10.1舵的载荷支承部件 10.4要求的实心圆形金属舵杆直径 10.5类型I舵(铲形)直径的垂向变化 10.10类型I舵杆在舵承间的偏差检查 12.2舵杆和舵承之间的间隙 Ⅱ 13.4非FRP的舵叶 21 2114.1通则 21附录A(规范性附录)舵杆使用的金属材料 22附录B(规范性附录)复合舵杆设计 25附录C(规范性附录)带挂舵臂舵的完整计算 27附录D(资料性附录)一些典型舵叶形状的几何性质 附录E(资料性附录)类型I舵直径的垂直变化 附录F(资料性附录)类型I舵——在舵承之间舵的偏移 Ⅲ 2010年第1次修正案。1GB/T19314的本部分规定了按ISO8666测量的艇体长度不大于24m的小艇所安装舵的构件尺本部分仅考虑因小艇操纵而作用在舵上的压力载荷。因搁浅或进坞引起的作用在舵或挂舵柱(若2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引GB/T19314.5—2019小艇艇体结构和构件尺寸第5部分：单体船的设计压力、设计应力和ISO8666小艇主要参数(Small适于航行在有义波高超过4m且风速超过蒲福8级但不包括诸如飓风等异常情况的海况的艇。适于航行在有义波高不超过4m且风速不超过蒲福8级的海况的艇。适于航行在有义波高不超过2m且风速不超过蒲福6级的海况的艇。适于航行在有义波高不超过0.5m且风速不超过蒲福4级的海况的艇。2主要靠风力推进且As>0.07(muc)²³的小艇，其中As按ISO8666定义是帆拉起后同时使用时A舵叶有效面积(类型Ⅱ到1V)舵叶面积(类型Ⅱ到1V)或上舵叶面积(类型V)下舵叶面积(类型V)挂舵柱面积[只用于特定类型(见图3)]cmm上弦长度(类型I)m下弦长度(类型I)m上弦补偿(从导边到舵杆中心线的距离)(类型I)m下弦补偿(从导边到舵杆中心线的距离)(类型I)d管状舵杆内径管状舵杆外径FN舵的确定侧向力N设计类别海况下的舵上侧向力N轻海浪下转舵时舵上侧向力mmm舵顶部和挂舵柱中心之间的高度差(类型V)m舵底部和挂舵柱中心之间的高度差(类型V)m上舵承中心和艇体内部某点之间的高度差(类型I)3表1(续)m舵铲底部和艇体外部某点之间的高度差(类型I)m舵叶的平均高度(见图1)m挂舵与艇体连接处到挂舵柱舵承之间的挂舵柱高度差(类型Ⅱ到V)m11111111F₂的设计应力降低系数11mmM8rmm9N分别为上舵承、艇体舵承、挂舵柱舵承的反作用力8管或空心封闭部分的外壳厚度T对舵杆的扭矩(转矩)9um中心弦处从导边到舵杆轴线的纵向距离Wm有效弯矩臂zn=kb·h,+h2m等效弯矩臂α1顶弦和底弦的比率(c₂/c₁)A1σ正应力(极限、屈服、设计)5t剪切应力(极限、屈服、设计)5X14设计应力的值应取自表2。正应力合成应力拉伸/压缩弯曲金属min(o,;0.5o,)塑料(FRP)·钢材、不锈钢、铝合金、钛合金、铜合金(见附录A)。焊接金属是在焊接条件在表2中：——ta是设计剪切应力；附加要求在附录A(金属)和附录B(复合材料)中给出。木材和复合材料应使用GB/T19314.5相关附录中的强度值。6.1通则56.1.4限位机构对通过遥控(不直接通过舵柄直接操控)舵机系统驱动的舵杆应安装限位机构，该限位位于30°~45°(通常中心线处为0°)的某个角度上。对设计类别A和设计类别B的仅靠舵柄驱动的舵适用本限位机构可以是作用于舵、舵柄、连杆或直接连接到舵上的任何装置。下列装置应能传递在第9章中定义的舵扭矩T,而不超出第5章中定义的设计应力。 应急舵柄(若安装)的任何组件应能够传递舵扭矩0.5T,T在第9章中定义，而不超出第5章中定6.2.1类型I(铲形)舵(见图1和图2)——A是舵(铲形)面积； ——h,是舵顶部和舵承中心之间的高度差；——h和h分别是图5中所用的艇体舵承中心的外部和内部的任意高度差；——k,是舵弯曲系数k,=he/h,;—u对于类型I(铲形)舵，是在舵面积形心高度处从前到后量，从导边到舵旋转轴的水平距离；梯形铲的面积A=h,…………(2)6见表3。h.=k,×h, (4)c=c₁-k₁(c₁-c (5)u=co₁—k,(co₁—co₂)对于梯形铲 (6)7图2铲形舵：类型I86.2.3舵类型Ⅱ到类型V(见图3)——A是舵活动部分的总面积，在类型V中分为A₁和A₂;——A₃是挂舵柱面积(仅在图3中用于确定舵的类型);——h,是舵叶的平均高度； 是有效的舵几何尺度比(展弦比)…………(7)——h、,对类型V是挂舵柱舵承与船体之间距离，对类型Ⅲ和类型IV是船体与底部舵承之间的表4给出了相应舵类型的A和A。的值。类型AⅡAⅢV对于类型V,h。和h。分别为是h,在挂舵柱舵承上部和下部的一部分。对于类型Ⅱ到类型V:——对于类型Ⅲ和类型V,u是在舵面积形距离。对于类型Ⅱ和类型IV,u是舵杆中心线到挂舵柱导边的水平距离(见图3)。9图3其他舵类型：类型Ⅱ到类型V7设计舵力计算舵力F的设计，应按如下取值：——对于动力艇，F₁和F₂的较大者，分别按7.2和7.3定义；——对于帆艇，F₁在7.2中定义。7.2F,和相应的载荷情况在不同设计类别海况操纵时：F₁=23×Lwi.×kseA×k²o×KGAP×Kuse×A式中：——1.4,设计类别A和设计类别B的帆船，以及设计类别A的动力艇；——1.2,设计类别B的动力艇；——1.0,设计类别C和设计类别D的艇。kLo=6.15,对于所有设计类别的动力艇与设计类别C和设计类别D的帆艇。对设计类别A和设计类别B的帆艇：但是取值不应小于6.15。——1.0,对于舵根部间隙(艇体和舵根部平面的平均间隙)小于平均舵弦5%的舵。该间隙不应在任何舵角时超出。——0.85,对于表面贯穿(例如尾封板支撑)或超出间隙限制或另外的在根部表现出显著的3-D流的舵。对于所有的艇kuse=1,但对主要用于有适当保护措施的近岸比赛及在常规基础下能够方便检查的设计类别C和设计类别D的帆艇可取0.9。若kuse取为0.9,在用户手册中需要有对舵进行常规检查的警示。7.3F₂和相应的载荷情况在轻浪海况下，本情况对应转弯时动力艇上与操艇有关的载荷。因此，仅应用于动力艇。F₂=370×A0.4³×VMλx×koAP×kskv×kpAr×ksc;×A………………(10)式中：A——舵的几何尺度比(展弦比),在式(1)或式(7)中定义；VMAx——mLx条件下艇在平静水面的最大速度；kgAP——在7.2中给出；——1.0,对于设计类别A和设计类别B的艇；——0.8,对于设计类别C和设计类别D的艇(也可取为1)。若kstky=0.8,应在用户手册提示。kpLAr=1.08-0.008×VMAx且0.75≤knLAT<1(11)为计算舵叶、舵杆、舵叶襟翼或是它们组合的作用，应具备弯矩、舵承的反作用力和扭矩的相关——8.2铲形舵；8.2铲形舵的分析(类型I)——F按7.1确定；zb=(kb×h,)+h,=he+h 对于梯形或近似梯形形状，取下面二者其一：a)使用式(3)或表3中给出的k,值；b)应用图1中所示的几何方法。 (14)Ru是上舵承(在甲板或中间水平结构上)的反作用力，其中h。是在上、下舵承中心之间的垂直距离(见图2): (15)通过挂舵柱支撑的舵是由从底部到顶部的三个舵承固定的(见图3):只有两个舵承(艇体处和挂舵柱处)支撑的舵不类型Ⅱ到类型V的舵可用下列的方法之一进行分析：—连续梁理论(也称为三力矩方程)或附录C中给出的方法；连续梁理论将上舵杆和下舵杆(包括舵叶)简单地视为由每个舵承支撑。何刚度变化可用多个梁元来表示。挂舵柱可用梁元代替挂舵柱轴承处单Ⅱ到类型V的舵可选方法。简化方法(见图4)仅允许对艇体舵承和挂舵处舵承的弯矩进行估算。这种方法假定：——艇体和上舵承之间的距离非常小，可认为舵杆完全固定在艇体舵承上；——在三个舵承之间的舵杆具有接近一样的弯曲刚度EI;——舵力均匀分布在舵高度h,处；——艇体舵承与舵叶的顶部之间的间隙非常小。这种假设通常是保守的(即弯矩将会超过估计)。这个方法是一种考虑挂舵柱柔性的一种折中办下面挂舵柱舵承和艇体舵承处的设计力矩，分别在第10章应力校核中使用：舵杆挂舵柱舵承处的设计弯矩 (16)舵杆艇体舵承处的设计弯矩 (17)式中：F按7.1确定；式中：x——挂舵柱产生的反作用力Rs和舵力F的比率。为计算X,EIk是舵杆和舵叶的平均弯曲刚度。为了分析挂舵柱或艇体舵承的强度，需要在该点实际截面的基础上进行计算(即舵杆仅在有艇体舵承的情况)。ks——挂舵柱可理想化为悬臂梁情况下的挂舵柱的刚度系数，用式(19)估算：式中：EIk——挂舵柱上平均弯曲刚度，单位为兆牛平方米(MN·m²);Ls挂舵柱顶部到挂舵柱舵承之间的有效长度。 (20)反作用是：挂舵柱舵承的反作用Rs=X×F (21)艇体舵承的反作用R=F-Rs (22)在简化方法中，舵视为完全固定在艇体舵承上，没有转动。若想要在上部舵承上产生一定数量的反作用力(以此检查轴套压力或支撑与连接舵承强度),可使用式(23):上部舵承反作用的数值(±30%)估算 (23)9舵设计扭矩T舵的设计扭矩T=F×r…………(24)F——在7.1中定义；rI0.1cⅡ0.1cⅢ0.5c一V舵支承的设计弯矩M和扭矩T,分别在第8章和第9章中定若来自试验，则确定o。的机械特性o,和oy,取值为90%的平均相关试验值或平均值减去两个标准10.4要求的实心圆形金属舵杆直径 或 (26)其中M和T分别是圆形截面的弯矩和扭矩，也就是，I类型舵(见8.2.1)的艇体舵承以及其他类型舵(见8.3)的艇体舵承与挂舵柱舵承中截面较大者。d为要求的实心圆形金属舵杆直径。10.5类型I舵(铲形)直径的垂向变化弯矩M和扭矩T,在垂向随着局部舵杆直径的变化而变化。附录E给出了这一变化计算的详细步骤。图5给出了计算值，左边是h。/h,(在艇体舵承上部)和右边是ho/h,(艇体舵承下面，即在艇体外侧):——实线代表α=1的矩形铲的值；——虚线代表α=0.5的梯形铲的值。a的中间数值可通过插值法获取。为了简化制造和避免机器制作复杂的舵杆铲形曲线轮廓，可使用下列简化的近似计算方法：——在艇体舵承以上，直径是常数为dm[即d值由式(27)给出直到h。/h。=0.85,并随之减少到顶部的0.53dmx(见图5中左侧的细点线)];——在艇体舵承以下，舵杆从hou/h,=0.95开始缩小，为了hou/h,=0.3减小到d/dmx=0.5(见图5右侧的点划线)。此方法也可近似应用于α≠1的情况。注意——这些数值未考虑由于图6中所示的键槽或矩形截面造成的最终等效直径减少。2——锥形舵杆的近似值从h。/h。=0.85时的d=d.变化到hn=0时的d=0.53dm;4——下舵承的d/dm.;注1:为了易于理解，式(27)所需的直径称为dm..,而在高度h。或h。所需的直径称为d。也是因为T和M在较小数值时变化的不同更加显著。10.6圆管舵杆若使用圆管舵杆，其外径和内径需要符合式(28):d——10.4中定义的实心圆舵杆所需要的直径；d。圆管舵杆所需要的外径；d;——圆管状舵杆所需要的内径。为了防止局部翘曲，且舵承在同一截面上提供足够局部强度或能承受包括装置(键、舵柄等)在内的任何载荷，圆管舵杆壁厚度应不少于0.1d。。表6中给出了式(28)的值。表6等效直径d外径d。和壁厚t=(d-d。)/2的管的等效直径d345678一— ———弯曲和扭曲组合的设计应力o₄≥√o²+3r²…………(29)弯曲应力(M对应类型I,M或Ms对应类型Ⅱ到类型V)……(30)M和T——分别由第8章和第9章规定；SMT——扭转时的最小剖面模数(见附录D),单位为立方厘米(cm³)。附录D给出了确定SMg和SMT的方法。10.8简化非各向同性舵杆(例如木质或FRP)10.8.1舵叶充当舵和舵杆作用传统的舵配置是舵叶直接和尾封板连接，并同时起到舵和舵杆的作用(见图2,类型Id)。这种舵叶通常是水下的流线型板，有时过渡成水上的非流线型板。附录D给出了一些典型形状的剖面模型。10.8.2木质或胶合板舵的应力要求对于木质舵杆，应符合式(32)要求：式中：o.——平行于舵杆/舵叶轴的极限弯曲强度(断裂模型);t——平行于舵杆/舵叶轴的最小剪切强度。10.9复合结构的舵和舵杆复合组件的舵杆，包括连接舵叶的舵杆，按附录B进行设计。10.10类型I舵杆在舵承间的偏差检查在铲形舵中，由于侧向力F引起的弯矩，舵杆在艇体和上舵承之间的偏移产生两种后果：——舵杆旋转困难，或舵杆卡在圆柱舵承中的风险。因此推荐使用自校正舵承；——舵杆碰触或损坏其舵管的风险。为了防止产生不良后果，应满足下列条件之一：——舵杆在艇体和上舵承之间的偏移应不大于舵杆外径的15%;——h./d比率的最大值不超过…………(33)式中：h,和d——用相同单位表示，毫米(mm)或米(m);E——舵杆的弹性模量，单位为牛顿每平方毫米(N/mm²)(见附录D中金属的E的近似值);d——圆形舵杆(不论实心或空心)的外径。附录F给出了以上要求的计算背景和一些预估值。11键槽部位的舵杆等效直径在有键槽或方形剖面情况下，实际的直径要用按几何定义的等效直径来代替，见图6。等效直径将用来和第10章中要求直径d相比较。 舵承设计主要用来支撑第8章中给出的反作用载荷并传递到挂舵柱或艇体。在弯曲作用下任何材料会发生伸缩，能遵循这种弯曲的自校正或球形舵承将——间隙足够大(见下文),以保证舵杆绕轴线自由转动。太小的间隙会导致转动困难甚至卡住舵(34)和式(35)。表7给出了这两个公式的参考值。表7在舵杆和轴衬之间直径间隙D-d的计算推荐值d直径间隙最小注：这些值大致对应于ISO286-2中公差H11-cl1和公差DI1-d11之间的值。13舵杆结构和舵的构造13.1舵杆结构舵设计时应考虑在需要的时候，能将弯矩M和扭矩T从舵叶传递到舵杆。一般通过一组臂、杆、连接板材、FRP复合板等来完成。在M和T的作用下，这些设计都不应超过他们中任意一种材料的屈服强度od。若舵杆与其结构是焊接连接，受焊接热影响区域的材料的机械性能应该满足“可焊接的”要求。13.2舵的构造舵的构造和结构应能经受流体的压力载荷，并将其传递到舵杆或舵销。若舵杆不延伸到舵的底部，按舵的类型，在舵杆的底部到在舵底部的区域内，舵至少具有能承受弯曲和扭矩的能力。13.3FRP舵叶13.3.1带芯材的舵叶13.3.1.1芯材的要求当舵叶由是在泡沫芯材上包覆一层FRP材料制造时，该泡沫应用密度不小于65kg/m³的聚氯乙烯(PVC)或至少具有等效压缩和剪切力的材料(见GB/T19314.5—2019中10.5)制成。该芯材适当加强应能够传递载荷，该传递载荷通常为通过从舵叶到舵杆结构的传递载荷。w,=1.1×k₃×(0.115×Lwi.+0.15)kg/m²………(规范性附录)A.1.1通则A.1.2不锈钢——EN10088-3:1995给出所有的不锈钢棒和丝一个号码1.××××。这主要在欧盟中作为标准——ISO16143-2:2004分级是奥氏体钢为从0到49,奥氏铁素体为从50到59,铁素体为从60到79,马氏体为从80到99,沉淀硬化到100以上。ISO16143-2:2004似乎比EN10088-3:19957000系列对应Al-Zn-Mg合金，能进行热处理。它们主要用于棒材和铝型材。它们的抗海水腐蚀mm²),这会引起大挠度。因此需要检查在名义作用力F下的挠度，保证既不会削弱舵杆的功标准中通常给出的机械性能的最小值常常比实际使用的低很多。因此表A.1中的值具有指示性。若来自测试，在表2中使用的o,和o,值，以及本部分的其余部分将是相关测试值的90%或平均值E大约不锈钢AISI329不冷处理E大约铝合金，5000系列Al,Mg,4.5Mn07Al,Mg,4.5Mn07铝合金，6000系列Moncl400 一·未焊接状态下的性能，0a=min(o,;0.5ou在中性气体(氩气)中焊接。不推荐使用。表A.2不锈钢标准命名的对应关系不锈钢AISI,1AISI329不冷处理(规范性附录)复合舵杆设计B.1范围附录B用于复合的舵杆和舵叶布置，此布置中叠层板可能包括关于舵杆轴的复合单向B.2设计载荷设计侧向力F,最大弯矩M和扭矩T分别直接取自第7章、第8章和第9章。对于铲形舵，在艇体舵承以下的任何垂直位置的弯矩和扭矩都能够只考虑在积就能计算出来(见10.5和附录E)。弯矩的确定是通过假设第7章所给出的侧向力在舵叶面积的垂向上均匀分布。在计算点以下的无舵扭臂r通过表5在考虑点以下，以考虑面积的名义弦来进行计算。B.3设计准则舵杆和/或舵叶的强度应以第10章中定义的局部弯矩和扭矩进行评估，在舵承的水平和几个垂直B.3.1强度标准0,——平行于舵杆轴方向极限拉应力和压应力中较小的一个；B.4分析方法b)所有的纤维都有效。1)在单向纤维中的弯曲应力小于极限压应力(或拉应力)中最小值的50%;2)在其他纤维中的剪切应力小于极限剪切强度的5夹层舵叶面在压力作用下，压应力应不超过表面抗皱强度(见GB/T19314.5的解释)的50%。ok=0.3√Es×Ee×Gc…………(B.2)C.1通则挂舵臂对舵杆提供额外的支撑。因为舵杆有三个支撑，所以它是一个静附录C在决定挂舵臂提供的实际支撑(全部或部C.2带部分挂舵臂的舵舵面积A分为3个部分(见图C.1):是舵叶3个子面积的和。Mu是艇体舵承上的弯矩；Ms是挂舵臂舵承处舵杆的弯矩；且…………(C.8)r.=0.33c.一x.从M和T的数值看出，第7章用于确定舵杆所需的尺寸。…………(C.14)挂舵臂舵承上的反作用力为Rs=F+Ru-R…………(C.15)图C.1部分挂舵臂的舵C.3带全挂舵臂的舵和前面相比这是简单的情况，A,=A,A₁=A.=0,h.=0,且h≈h≈h,。是艇体舵承的弯矩……………Ms=0是挂舵臂舵承处舵杆的弯矩(即简单支撑)。Tn=F×r是在舵杆顶部和艇体舵承上的扭矩…………(C.17)Ts=0是在挂舵臂舵承水平处舵杆上的扭矩(即简单支撑)。上舵承上的反作用力为…………(C.19)艇体舵承上的反作用力为…………(C.20)挂舵臂舵承上的反作用力为Rs=F+Ru-Rμ…………(C.21)(资料性附录)一些典型舵叶形状的几何性质D.1尺寸D.2几何属性(弯曲)其中表D.1典型平面形状k,和kn的值舵板形状/平面图D.2.2纵向剖面模数和二次矩其中k;是修正表D.1中给出的最大情况的系数。所有相对于前缘和后缘的中间平面对称的剖面，它均等于1,而对于NACA00XX剖面等于1.16。横向腹板附加影响可使用Σtw×d×x²来添加，其中x:是从舵板和腹板的纵向中心线到腹板中D.3几何属性(扭转)是最大剪切应力…………(D.8)T——等9章