转载：19世纪风帆战舰的结构难题（三）

此文转载自核动力爱胖达老师的微博，近期我们会推出一系列核动力爱胖达老师微博里关于帆船的系列文章，在此特别感谢胖达老师的无私奉献！！

龙骨变形的物理学

题图：法国18世纪上半叶的百合花号，船体结构处理领先英国半个世纪以上。

接前文：http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404020286306571021

帆船龙骨变形是影响使用寿命的最严重问题，这变形是如何测量的?

上图，风帆战舰中部横截剖面模型（1771年22门12磅炮六级舰，共28炮，胖达记忆不靠谱），从最下一层炮甲板的甲板横梁的底部，落下铅垂，测量到内龙骨的上表面，如图中标注的距离，这就是底舱深（“型深”Molded Depth，全从外壳内测量）。（巡航舰下层炮甲板没炮，今后会专门写巡航舰）    这样的测量在船只首尾和中部各个测量，然后比较下水前、下水后、服役、入坞维修等等时候的测量存档数据，就可以知道了。根据法国人的测量，船体竣工下水后立刻就可以观察到龙骨变形，有时上拱（Sagging），有时下弯（Hogging），按道理也可能发生侧弯，不过胖达我还没有看到这样的记述。船只在海上服役劳顿，这个形变也越来越明显，最后更换整根龙骨的大修恐怕才能挽救——说到更换龙骨，其实，英国的造船习惯是建造时先拿比较次的材料当龙骨，最后把龙骨敲掉换上一根好料子拼成的真·龙骨，真是惊人；如下图，要下水的战舰就从龙骨墩上转移到首尾两侧的鞍座上，这时腾空的龙骨，胖达我猜也许就可以更换了，因为在龙骨墩上是不可能的。可见时人对龙骨变形的畏惧，让下水的龙骨尽量“崭新”，不承担建造时的磨难。

上图可能是1765年胜利号下水的场景模型，杆子上还应该飘着大不列颠联合王国旗（米字旗）、汉诺威王室旗、海军部旗这些装饰旗帜。

这种变形如何产生，从18世纪末以来有两种看法，一种是主流的，一种是非主流的。

主流的比较好理解，也暗合19世纪后半叶以来越来越科学和数学化的船舶设计实践，所以也被一代代造船人和技术历史学者所接纳，这里先描述主流的解释：

如下图上半，一艘法国74炮战列舰的下层炮甲板布局俯瞰图，可见从舰首到舰尾，十几门每尊三吨多重的36磅重炮几乎以均匀的距离一字排开。而下图下半则是同一船只水线以下的底舱布局俯瞰图，首尾比水线上部分明显纤细很多，这样就造成首尾浮力不足，但船排开水体积就等于自重，所以不足的浮力只能从中部肥大部分补偿。

如此，中部浮力过剩而有把船体托举出水面的趋势；首尾浮力不足而有船体被沉重的大炮压进水里的趋势。由于木料强度不足，龙骨被首尾重量压完了腰，向上拱起。

这种问题很早就被造船工匠意识到了，到了19世纪60年代以后，如前文（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404013725613970692&mod=zwenzhang ），人们用可以做积分的机械计算机以科学的方式设计船舶，开启了现代造船行业。这其中很重要的一个问题就是纵向结构强度，锻铁和后来钢打造的船舶比木船更加细长。

上图，法国18世纪74炮风帆战列舰（上）和19世纪60年代铁甲舰（下）俯瞰图比较，可见长宽比的拉大。铁甲舰也是木头船体的，世界唯一双层炮甲板的“铁甲战列舰”“品红色”级。

更加细长的船舶，她们的纵向结构在很多情况下都会遇到类似上述帆船的问题，比如非常高海况的时候船体被大浪“中拱”（现代造船，请自行百度，如日本“友鹤事件”、“第四舰队事件”）。所以从19世纪直到现代，纵向重力、浮力分布不均匀造成的纵向结构承受剪切应力问题是必须计算的。特别是19世纪设计的铁甲舰为了不超重并把重量尽量节约给护甲和大炮，结构重量能瘦身就瘦身，所以纵向肋骨最多能减到多细还能勉强担当这种重力-浮力非均匀分布造成的切变，是重要的设计课题。这就导致了从那时候以来留下的风帆战舰技术评论材料，异口同声说帆船龙骨是被首尾过大的重量压弯的。于是今天英国的研究者也这样说。

果真如此吗？

首先风帆战舰不到5:1的长宽比以今天眼光看就是肥大船型，要是拿钢来造根本不需要考虑纵向结构强度不足，太短了——当然前无畏之前的铁甲舰也是5:1多点，很粗短；

上图，一艘肥肥的海军上将级英国铁甲舰，19世纪80年代早期。

其次按照上述原理，龙骨只会拱起（Sagging），实际上拱起上弯和下弯的很随机；

然后按照这个原理，这种浮力和重力不均匀的应力拉锯战需要时间来积累小形变产生数十厘米的总弯曲度，但是龙骨变形是不可救药般、下水即刻变形；

最后从十九世纪就开始提出了非主流的看法，并附木料强度的实验测试；到了2013年西班牙也做过类似试验和材料力学计算，结果是木料确实强度低，但是龙骨的强度足以承担这种首尾浮力不足造成的中拱切变——龙骨不是因此而变形的。只可惜到了今天这种观点还是非主流，因为不好理解。现在胖达我阐述如下：

首先还是要看一眼风帆战舰的结构，下图是像剁椒鱼头一样的战舰纵剖图，一剁两开。可见许多肋骨排列在龙骨上（图中是“内肋骨”），肋骨与龙骨垂直，不能贡献纵向结构强度，但肋骨上设置了甲板与龙骨一道增强纵向结构强度。

喀勒多尼亚号结构模型，炮甲板下斜行的支撑肘子们是为了让开下面一层的炮门。

除了龙骨，纵向强度主要来自于船体内外纵向铺的一行行船壳，如前文第二张图所示（http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404020286306571021&mod=zwenzhang ）。龙骨、肋骨、船壳，纵+横+纵，三明治夹心，龙骨和内外船壳的首尾纵向结构把肋骨的横向结构夹在中间。

然而并不管用。

如下图，横摇的战舰横剖面。除了船底受到浮力，船体左右两舷侧水下部分还受到同样的水压力，有把水下船体往中间压缩的趋势（红色箭头标注）；相反在水线以上：下风那一舷侧被重炮等压迫，有朝下、朝外张的趋势（蓝色箭头），同时，上风那一舷侧因为横摇的惯性不断朝内、朝外摇晃散架（绿色标注）。当战舰朝相反方向横摇，左右舷侧对调重复上述情况。

这是横向的情况，纵向情况也类似，但是纵摇幅度和横摇相比小很多、摇晃快得多，这种摇摆震荡运动的加速度也就更猛。

这样一来战舰水下部分舰体是被水的侧压力从四面八方向内压缩，水上部分则有朝外被晃荡散架的趋势。于是战舰的每根肋骨的水下部分都朝中间压迫，水上部分都朝舷外掰开。

什么结构能够阻挡这种形变？船壳。如下图，船壳局部，可以看到船壳板就像砖墙上的一块块砖，一行船壳板是很多片段拼成。每两个片段之间也没有扣榫（只在英国船特殊部位有特例，另外书写。。。），相邻两行船壳板之间也没有，只有接缝里面带着黑黑的东西，描出黑线。

这些黑黑的东西叫做“捻料”，它们可以防止接缝露水。造好的战舰下水前，专门要进行这种“捻缝（Caulking）”作业，专门的工匠用凿子把船壳板条接缝凿开更大一些，然后用特殊的工具把麻绳拆散成的絮状物拌合着松树的树胶和干馏产物，黑乎乎、黏糊糊一坨，砸进接缝里。这就是中西通用的捻缝工艺，如这篇纪实（http://3g.163.com/ntes/special/00341FAQ/QQbrowser_article.html?qd=qq_page&docid=C07DGPQ400964LNH ）。

捻缝需要的工具，凿子开口，特殊榔头捶打进去填料，榔头上带着开槽，捶打时和船壳传音，可以知道船壳板内部是否有朽坏。

这样的工艺显然是只有防水的功用，指望它把各个船壳板“粘接”在一起是不太可能。于是当肋骨错动，水下压缩、水上张开；它们就带着船壳相互错动，当船壳之间克服了捻缝料的摩擦力，这时候船壳板条也就跟着肋骨沆瀣一气、相互错动了。

就这样四面八方的肋骨都在水下部分受到侧压力而朝中央挤压，就把龙骨挤压变形了。这种机理因为许多肋骨“众人拾柴火焰高”，似乎可以实现下水瞬间让龙骨变形；龙骨上弯、下弯也是随机的；这种变形也因为上文分析的海上服役中摇晃状况会进一步加剧。1839年写下这段机理的那位英国作者，字里行间读得出自己猜想不被时人接纳的无奈；不过他参与建立的英国海军部首个专业造船工程师培训学校里，也走出了1860到1880年代、里德和巴纳比这两位铁甲舰时代奠定近现代造船工程体系基础的总设计师。

按照2013年西班牙学者的计算，这种机理就是导致龙骨形变的唯一原因，不足之处是没有见到龙骨侧弯的记述，但是这种机理下龙骨可能也会侧弯。

另外造好的战舰下水后原来的结构的应力释放也是个可能，不过18世纪后期，为了避免船体木料发霉腐败（如前文：http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404020286306571021 ），尽量让船体不覆盖内外船壳和甲板（In frame），就这么光着架子在船台上晾晒几个月到三年，以让船体结构充分干燥和释放应力。

龙骨为何弯曲？可以说时人并不完全清楚，只是认为自己清楚了。就这样19世纪初的工匠-工程师在实证经验的指导下提出经验解法，解决得显然还不错，如何解决的呢？且看下回：罗伯特·赛宾斯（Robert Seppings）船体结构体系（Seppings System of Diagonal Bracing）。