基本信息
- 项目名称：
- 高强水泥轻舟结构设计及试验应用研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目船体的设计综合运用了船舶设计软件Free!Ship、Adobe Photoshop CS2中文版软件、AutoCAD 2007中文版等软件对轻舟进行了主尺度设计、型线设计、图像处理以及立体图的绘画，最终制作出长6m，最大高度为40cm,最大宽度为75.7cm，吃水线约为17.8cm，厚度12mm，表观密度1800 kg/m3的大跨度轻质高强水泥轻舟。
- 详细介绍：
- 本项目中“高强轻质水泥轻舟的设计与制作”涉及材料科学和土木工程的专业性知识，船体的设计需要用到专业的Free!ship船舶工程软件，同时需要将轻舟简化为等截面的静定梁结构运用同济曙光有限元正反分析软件对其进行应力计算，分析轻舟界面上应力分布情况并加以控制，水泥轻舟的制作只利用水泥等纯无机胶凝材料，没有加入任何金属材料和有机材料，但不同的轻舟结构设计需要的混凝土配合比是不同的，这为发现新的更合理的混凝土配合比起到很好的推动作用。 另外本项目结合建筑学院特色，涉及多学科交叉，建筑学、土木工程、材料科学与工程、艺术设计、工程管理等，采用轻质高强混凝土造出厚度只有12mm的船体，这为开辟水泥、混凝土在其他非建筑材料领域的研究起到了积极导向的巨大推动作用，本项目制作的船体所采用的高强轻质混凝土是按“高标号水泥+优质轻集料+高效减水剂”复合的设想进行设计，并通过试验得到了证实，最终得到的最佳配合比为：水泥︰粉煤灰︰砂︰陶砂︰减水剂︰可再分散性乳胶粉︰聚丙烯纤维︰水=400︰100︰550︰300︰8.5︰2︰2︰190 。在本次课题设计中采用先外模后内模的步骤造船，这在国内水泥轻舟制作方面尚属先例，属于创新性科学实践的典型。 同时本项目为解决混凝土跨度问题提供了一个很好的依据。水泥轻舟设计与制作是研究轻质高强多功能结构材料很好的载体，其研究对促进高跨度无机材料的开发和发展具有重要的价值。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的与思路： 从水泥轻舟主体设计要求的工程设计出发，综合运用了船舶设计软件Free!Ship、同济曙光有限元正反分析软件、Adobe Photoshop CS2中文版软件、AutoCAD 2007中文版软件对轻舟进行了主尺度设计、型线设计、应力计算，图像处理以及立体图的绘画，最终制作出长6m，最大高度为40cm,最大宽度为75.7cm，吃水线约为17.8cm，厚度12mm，表观密度1800 kg/m3的大跨度轻质高强水泥轻舟。 创新点： 1、结合建筑学院特色，项目涉及多学科交叉，建筑学、土木工程、材料科学与工程、艺术设计、工程管理等，符合CDIO工程培训理念。 2、采用轻质高强混凝土造出厚度只有12mm的船体，这为开辟水泥、混凝土在其他非建筑材料领域的研究起到了积极导向的巨大推动作用； 3、本项目制作的船体所采用的高强轻质混凝土是按“高标号水泥+优质轻集料+高效减水剂”复合的设想进行设计。 4、在本次课题设计中采用先外模后内模的步骤造船，这在国内水泥轻舟制作方面尚属先例，属于创新性科学实践的典型。 关键技术：船体材料的配合比，船体的设计与制作 主要技术指标： 1、船体长度必须在5.85～6.15m之间； 2、轻舟的主体材料必须为水泥混凝土，船身中水泥混凝土质量比和体积比都必须在95％以上。每方混凝土的水泥用量不大于550 Kg/ m3，水灰比不得高于0.40，混凝土抗折强度不低于8.0MPa
科学性、先进性
- 本项目设计的水泥轻舟船体长为6m，这在国际上是属于领先地位，混凝土耐压不耐拉，大跨度的船体结构给混凝土的拉应力提出了较高的目标值，在本次项目设计中很好的解决了该问题，同时在本次项目设计中采用先外模后内模的步骤造船，这在国内水泥轻舟制作方面尚属先例，打破了国内其他高校一致采用的先内模后外模的制作方法，属于创新性科学实践的典型。
获奖情况及鉴定结果
- 1、研究报告 2、作品实物展示录像 3、本作品于2011年2月在《安徽建筑》（第 18 卷第1期 （总第176期））上发表
作品所处阶段
- 成果展示阶段
技术转让方式
- 继续合作研究
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目中“高强轻质水泥轻舟的设计与制作”涉及材料科学和土木工程的专业性知识，船体的设计需要用到专业的Free!ship船舶工程软件，同时需要将轻舟简化为等截面的静定梁结构运用同济曙光有限元正反分析软件对其进行应力计算，分析轻舟界面上应力分布情况并加以控制，水泥轻舟的制作只利用水泥等纯无机胶凝材料，没有加入任何金属材料和有机材料。 水泥轻舟采用高强轻骨料混凝土，混凝土干表观密度为1800 kg/m3，同时在混凝土结构上采用多层次的材料复合结构，有效的保证了水泥轻舟的强度、防水、抗裂等多种性能。水泥轻舟设计与制作是研究轻质高强多功能结构材料很好的载体，其研究对促进轻质高强无机材料的开发和发展具有重要的价值。 随着现代化建筑工程的发展，建筑设计越来越要求具有极大的自由度，所以更高效、高强度的轻质混凝土就应运而生了。高强轻质混凝土具有重量轻、强度高和耐久性好等特点，高强轻质混凝土会有很大的市场应用前景。
同类课题研究水平概述
- 1848年法国南部Lambot制作了世界上第一条水泥轻舟。 1969年，伊利诺斯州大学Clyde Kesler教授在他的《混凝土性能与行为》的课堂上建议学生做一只水泥轻舟，1970年春，他的学生制作了由钢筋增强的水泥轻舟，这可能是世界上第一条用于竞赛的水泥轻舟。这个想法很快被附近的普度大学John McLaughlin教授所认同并介绍到普度大学，于是普度大学的一群学生在Charles Schuler和Robert Lee教授的指导下，通过不懈努力，也制作了自己的水泥轻舟。当时制作的两条船都是在富水泥砂浆(rich mortar)里张拉几层小间距的网格增强材料制作而成，这种钢筋增强混凝土几乎是各向同性的均值材料。伊利诺伊大学在Clyde Kesler教授指导下制成的船的壳体平均厚度是13mm，船体重量为163Kg。 John McLaughlin教授向普度大学透露了伊利诺伊大学的进展，普度大学在Charles H．Scholer和Robert H．Lee的指导下，采用更细的增强材料制备了更薄的船身,船身厚度仅为10 mm，船体重量为57 Kg。 水泥轻舟的设计与制作在国外已经有很好的发展，加州大学伯克利分校在水泥轻舟的设计和制作方面具有很强的实力，该校在历届的水泥轻舟赛中分别获得四次赛事冠军和四个第三名的成绩。2006年，该校制作的水泥轻舟的长度为6.6m，最大宽度为0.79m，重量为79Kg，同时其使用的混凝土配合比在提升船体强度的同时降低了船体的重量。2004年德雷克塞尔大学所制作的水泥轻舟其长度为6.33m，最大宽度为0.79m，重量为86Kg，该校在船体的设计上做了很大改进，他们在船尾部分加了一个类似“鲸鱼尾巴”的东西，这种改进可以提高船在水中的滑行速度。2009年，新墨西哥州立大学制作的水泥轻舟的长度为6米，最大宽度为0.82m，重量为89Kg。 国内目前只有武汉理工大学以教研立项的形式成功制作了两条轻舟。安徽省目前只有安徽建筑工业学院有自己的水泥轻舟团队，并制作出安徽省的第一条水泥轻舟。国内的“水泥轻舟设计与制作”活动才刚刚起步，与发达国家相比还存在不小的差距，随着该活动的发展和国家相关部门的支持，势必将成为风靡全国的大学生活动。
