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第九十三章 木質帆船結構是最大的難題

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視察了幹船塢工地後,李憬等人繼續參觀岸上的車間,這裡主要是生產船舶構件。木材要在車間裡處理好,做成元件,然後在幹船塢裡組裝成帆船。下水後在繼續舾裝,安裝鎖具和船帆,助力絞盤等。

可能大家會奇怪,為什麼木質帆船的長度一般都不超過60米,最長的勝利號也不過67米。這和木材的效能有關。歐洲各國為了能將木頭戰艦造到勝利號那樣60多米的“極限”程度,19世紀英法兩國發展出新的造船技術,以最大限度利用木材的特性,幾乎將木材這種材料的能力發揮到極致。

那如果使用木頭建造船舶,會有哪些缺點限制了艦體的加長,必須克服由此而產生的問題呢?和鋼鐵比起來木材自然是可塑性差得多的結構材料,一、木頭的強度低,二、構件之間不容易銜接。三、木材難以變形,或者變形後損害內部纖維完整性,無法保持足夠的強度。這三個問題共同制約著,讓木頭戰艦不能造得太長。

尤其是船舶建造需要的很多木材都不是直的,蒸煮壓彎的木材多少都會造成內部纖維斷裂,損失結構強度。為了獲得天然形成的弧形樹木,造船工程師們幾乎走遍了歐洲大小的森林。

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18世紀成熟期,風帆戰艦和風帆商船到底有什麼區別呢。

最大的區別在於龍骨和船肋骨。戰艦的龍骨是特殊加固設計的。而船肋骨,戰艦是一根三十公分見方的整根木材。船肋骨一根緊緊挨著一根,除了炮窗外幾乎密密麻麻的緊緊挨著排列。肋骨外邊的船板一般用的都是歐洲的橡木和緬甸的柚木。當然這些木材中國也產。這樣戰艦就形成了半米厚的船壁裝甲帶,用來抵禦炮彈。

而商船的龍骨比較簡單,商船一般不需要做劇烈的機動,承受的應力小得多。而船肋骨也不需要如此粗大,一般幾米才有一根。船板也非常薄,一般不到十公分。烈焰鳳凰號這種荷蘭戰艦商船二合一船型,其實是按照商船標準建造的。為了抵禦炮彈,李憬不得不在損失載重效能的前提下,給水線和炮倉覆蓋鋼板。

李憬在張承等造船工場高階工頭的陪同下走進一個用竹子搭建的非常高大和寬闊的車間,其他木作坊車間加工好的木材,運到這裡。這裡靠裡邊一條條碩大的鑄鐵長槽子冒著熱氣,裡邊沸水滾滾,鐵槽子下面燃燒著煤炭。頂棚的吊車把整根的陰乾好的木材放進沸水裡蒸煮,等木材的纖維軟化後,用鑄鐵的模具壓彎。

在壓彎時不可以一下子壓到需要的彎度,要像馴弓那樣,一英寸一英寸的壓彎,再恢復回來,儘量不崩斷內部的木纖維,以最大限度的保持木頭的張力和韌性。不論是船板還是船肋骨都需要根據設計,加工到合適的彎度。

小師姐一直跟在李憬的身後,這次沒有把她關起來,但是她很清楚,李憬現在帶他看的就是李憬家族最核心的秘密。這讓她更加好奇,那幾天李憬到底去幹什麼了。

她認真的聽著李憬和這些工程師們的對話,李憬和大家討論了很多目前涉及到的和未來會涉及到的技術難點問題。由於這些人都是老師傅,精通專業,所以討論的比較深入。

船舶在海上航行,在受力的時候,是六個方向的受力,上下東西南北,都有海浪和的大風,在擠壓拉扯船體,桅杆和船帆鎖具受力情況更加複雜。船舶搖擺、升沉、大浪拍擊船體側,木造船的木結構更容易發生形變。不管任何材料,受力不大的情況下,就只是暫時形變罷了,如果外力撤去後還能彈回去,這就是彈性形變,問題不大。

如果突然很大的受力,或者長期不撤去的“荷載”,材料變形回不去了,甚至材料抵抗不住外力而產生裂痕。前者就是”塑性形變”,比如撞車事故中汽車外殼變形,要是後者材料就算完全廢了,這個變形有多大,多恐怖,舉個例子就可以非常直觀的看出來。一般甲板上會有幾個艙蓋。在巨浪鋪天蓋地的情況下,一定要把艙蓋用楔子釘死,否則,海浪擠壓船殼,船殼形變擠壓艙內的空氣,空氣會崩飛甲板上的艙蓋。

木頭強度低還有更嚴重的問題,船舶承載越大的貨物載重,造船木料就需要越粗大。然而,隨著時間的流逝,歐洲已經造了150多年的大型帆船,天然大型木料很難找到;大明還好些,至少四川巨木還儲存了很多。

其次,粗大的木料自重也更大,於是越粗大的木頭承重效率也越低,最後單純自己的重量恐怕就把自己壓彎了。甚至壓折了。

彼此之間木頭構件不容易連線,“連線”就是需要一個木頭構件的受力能夠傳遞到另一個上面,這樣船體結構才能成為真正連貫的一個受力的整體,所有應力都能儘量平均,不至於讓區域性某些結構承受超過自身強度和韌性的力量。快速疲勞、斷裂。甚至直到二戰前,人類主要的造船技術都還是用鉚釘。

鋼鐵形變小,受力不論是鉚接還是焊接都可以輕易的傳導給相鄰的構件。木頭就大大不同了,一般肉眼可見,貫通材料的紋理——“木心年輪”。木頭就像肉一樣,是許多纖維平行排列成的。這些木頭纖維之間的連線強度,遠遠趕不上單獨一根纖維內部,俗話說“劈柴不照著紋,累死劈柴人”。木材的強度在不同方向差異巨大。

在這種情況下,釘子釘進木料裡,原本就是破壞了木材結構的連貫性,而釘子對木料的緊固壓力,也只能波及釘子附近小範圍內的木質纖維,更遠處的與此無關,因為木頭纖維彼此之間沒有鋼鐵顯微結構那樣的緊密連接。

兩個木構件、甚至數個木構件被一根鉚釘緊固在一起。這時如果戰艦是在風浪中航行,那麼船體就會承受應力,各個構件受力就會發生彈性扭轉、彎曲。如果戰艦在風浪中橫傾,右側那邊的大炮和上層結構件全部都要壓到水線下的船體上去,如果左側迎風一邊的大炮和上層船體構件卻有相互間拉散開的趨勢。

這樣,受力形變的木頭構件之間,就把緊固它們的鉚釘來回拉扯、挫動。每一根木料都很粗大,鉚釘為了不破壞木料整體結構只能儘量做得細些,這樣整個木料拉扯鉚釘產生的壓力,全部集中在鉚釘附近的木料中,鉚釘和木料就不是緊密的結合,而是形成空腔。很快這些木質纖維就被鉚釘壓迫變形,鉚釘的釘子孔就疏鬆、擴大了。這樣木料之間就能夠相互錯動。這種海上波濤中承受應力、木材形變、釘子活動導致的木料鬆動和相互錯動,在高海況的情況下,在船艙裡可以觀察到整條船的木樑和各種構件像蛆蟲一般的扭動。

鉚接這種非常不牢靠的結構,首先會在風浪中各種產生各種鬆動;其次整體上存在一個很大的問題,也就是整個船體變形的問題,始終困擾風帆時代工匠與設計師的最重大的問題,限制了風帆戰艦的最大長度。而最大長度不增加,就只能加寬寬度來增大容積,這樣短粗胖設計,長寬比小的船,阻力巨大,也裝不了太多的桅杆,桅杆少,船帆面積就上不去,利用風的效率就低,嚴重拖累了速度。

小師姐聽著李憬和造船的師傅們討論著技術難題,對這個時代的帆船也有一定的瞭解。後續繼續參觀鑄造車間,鉚釘鍛造車間,油漆車間,小師姐才發現原來造一條帆船有這麼複雜和這麼大的難度。

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