基本信息
- 項目名稱：
- 高強水泥輕舟結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗應(yīng)用研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本項目船體的設(shè)計綜合運用了船舶設(shè)計軟件Free!Ship、Adobe Photoshop CS2中文版軟件、AutoCAD 2007中文版等軟件對輕舟進行了主尺度設(shè)計、型線設(shè)計、圖像處理以及立體圖的繪畫，最終制作出長6m，最大高度為40cm,最大寬度為75.7cm，吃水線約為17.8cm，厚度12mm，表觀密度1800 kg/m3的大跨度輕質(zhì)高強水泥輕舟。
- 詳細介紹：
- 本項目中“高強輕質(zhì)水泥輕舟的設(shè)計與制作”涉及材料科學和土木工程的專業(yè)性知識，船體的設(shè)計需要用到專業(yè)的Free!ship船舶工程軟件，同時需要將輕舟簡化為等截面的靜定梁結(jié)構(gòu)運用同濟曙光有限元正反分析軟件對其進行應(yīng)力計算，分析輕舟界面上應(yīng)力分布情況并加以控制，水泥輕舟的制作只利用水泥等純無機膠凝材料，沒有加入任何金屬材料和有機材料，但不同的輕舟結(jié)構(gòu)設(shè)計需要的混凝土配合比是不同的，這為發(fā)現(xiàn)新的更合理的混凝土配合比起到很好的推動作用。 另外本項目結(jié)合建筑學院特色，涉及多學科交叉，建筑學、土木工程、材料科學與工程、藝術(shù)設(shè)計、工程管理等，采用輕質(zhì)高強混凝土造出厚度只有12mm的船體，這為開辟水泥、混凝土在其他非建筑材料領(lǐng)域的研究起到了積極導向的巨大推動作用，本項目制作的船體所采用的高強輕質(zhì)混凝土是按“高標號水泥+優(yōu)質(zhì)輕集料+高效減水劑”復(fù)合的設(shè)想進行設(shè)計，并通過試驗得到了證實，最終得到的最佳配合比為：水泥︰粉煤灰︰砂︰陶砂︰減水劑︰可再分散性乳膠粉︰聚丙烯纖維︰水=400︰100︰550︰300︰8.5︰2︰2︰190 。在本次課題設(shè)計中采用先外模后內(nèi)模的步驟造船，這在國內(nèi)水泥輕舟制作方面尚屬先例，屬于創(chuàng)新性科學實踐的典型。 同時本項目為解決混凝土跨度問題提供了一個很好的依據(jù)。水泥輕舟設(shè)計與制作是研究輕質(zhì)高強多功能結(jié)構(gòu)材料很好的載體，其研究對促進高跨度無機材料的開發(fā)和發(fā)展具有重要的價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的與思路： 從水泥輕舟主體設(shè)計要求的工程設(shè)計出發(fā)，綜合運用了船舶設(shè)計軟件Free!Ship、同濟曙光有限元正反分析軟件、Adobe Photoshop CS2中文版軟件、AutoCAD 2007中文版軟件對輕舟進行了主尺度設(shè)計、型線設(shè)計、應(yīng)力計算，圖像處理以及立體圖的繪畫，最終制作出長6m，最大高度為40cm,最大寬度為75.7cm，吃水線約為17.8cm，厚度12mm，表觀密度1800 kg/m3的大跨度輕質(zhì)高強水泥輕舟。 創(chuàng)新點： 1、結(jié)合建筑學院特色，項目涉及多學科交叉，建筑學、土木工程、材料科學與工程、藝術(shù)設(shè)計、工程管理等，符合CDIO工程培訓理念。 2、采用輕質(zhì)高強混凝土造出厚度只有12mm的船體，這為開辟水泥、混凝土在其他非建筑材料領(lǐng)域的研究起到了積極導向的巨大推動作用； 3、本項目制作的船體所采用的高強輕質(zhì)混凝土是按“高標號水泥+優(yōu)質(zhì)輕集料+高效減水劑”復(fù)合的設(shè)想進行設(shè)計。 4、在本次課題設(shè)計中采用先外模后內(nèi)模的步驟造船，這在國內(nèi)水泥輕舟制作方面尚屬先例，屬于創(chuàng)新性科學實踐的典型。 關(guān)鍵技術(shù)：船體材料的配合比，船體的設(shè)計與制作 主要技術(shù)指標： 1、船體長度必須在5.85～6.15m之間； 2、輕舟的主體材料必須為水泥混凝土，船身中水泥混凝土質(zhì)量比和體積比都必須在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，混凝土抗折強度不低于8.0MPa
科學性、先進性
- 本項目設(shè)計的水泥輕舟船體長為6m，這在國際上是屬于領(lǐng)先地位，混凝土耐壓不耐拉，大跨度的船體結(jié)構(gòu)給混凝土的拉應(yīng)力提出了較高的目標值，在本次項目設(shè)計中很好的解決了該問題，同時在本次項目設(shè)計中采用先外模后內(nèi)模的步驟造船，這在國內(nèi)水泥輕舟制作方面尚屬先例，打破了國內(nèi)其他高校一致采用的先內(nèi)模后外模的制作方法，屬于創(chuàng)新性科學實踐的典型。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1、研究報告 2、作品實物展示錄像 3、本作品于2011年2月在《安徽建筑》（第 18 卷第1期 （總第176期））上發(fā)表
作品所處階段
- 成果展示階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 繼續(xù)合作研究
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本項目中“高強輕質(zhì)水泥輕舟的設(shè)計與制作”涉及材料科學和土木工程的專業(yè)性知識，船體的設(shè)計需要用到專業(yè)的Free!ship船舶工程軟件，同時需要將輕舟簡化為等截面的靜定梁結(jié)構(gòu)運用同濟曙光有限元正反分析軟件對其進行應(yīng)力計算，分析輕舟界面上應(yīng)力分布情況并加以控制，水泥輕舟的制作只利用水泥等純無機膠凝材料，沒有加入任何金屬材料和有機材料。 水泥輕舟采用高強輕骨料混凝土，混凝土干表觀密度為1800 kg/m3，同時在混凝土結(jié)構(gòu)上采用多層次的材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，有效的保證了水泥輕舟的強度、防水、抗裂等多種性能。水泥輕舟設(shè)計與制作是研究輕質(zhì)高強多功能結(jié)構(gòu)材料很好的載體，其研究對促進輕質(zhì)高強無機材料的開發(fā)和發(fā)展具有重要的價值。 隨著現(xiàn)代化建筑工程的發(fā)展，建筑設(shè)計越來越要求具有極大的自由度，所以更高效、高強度的輕質(zhì)混凝土就應(yīng)運而生了。高強輕質(zhì)混凝土具有重量輕、強度高和耐久性好等特點，高強輕質(zhì)混凝土會有很大的市場應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 1848年法國南部Lambot制作了世界上第一條水泥輕舟。 1969年，伊利諾斯州大學Clyde Kesler教授在他的《混凝土性能與行為》的課堂上建議學生做一只水泥輕舟，1970年春，他的學生制作了由鋼筋增強的水泥輕舟，這可能是世界上第一條用于競賽的水泥輕舟。這個想法很快被附近的普度大學John McLaughlin教授所認同并介紹到普度大學，于是普度大學的一群學生在Charles Schuler和Robert Lee教授的指導下，通過不懈努力，也制作了自己的水泥輕舟。當時制作的兩條船都是在富水泥砂漿(rich mortar)里張拉幾層小間距的網(wǎng)格增強材料制作而成，這種鋼筋增強混凝土幾乎是各向同性的均值材料。伊利諾伊大學在Clyde Kesler教授指導下制成的船的殼體平均厚度是13mm，船體重量為163Kg。 John McLaughlin教授向普度大學透露了伊利諾伊大學的進展，普度大學在Charles H．Scholer和Robert H．Lee的指導下，采用更細的增強材料制備了更薄的船身,船身厚度僅為10 mm，船體重量為57 Kg。 水泥輕舟的設(shè)計與制作在國外已經(jīng)有很好的發(fā)展，加州大學伯克利分校在水泥輕舟的設(shè)計和制作方面具有很強的實力，該校在歷屆的水泥輕舟賽中分別獲得四次賽事冠軍和四個第三名的成績。2006年，該校制作的水泥輕舟的長度為6.6m，最大寬度為0.79m，重量為79Kg，同時其使用的混凝土配合比在提升船體強度的同時降低了船體的重量。2004年德雷克塞爾大學所制作的水泥輕舟其長度為6.33m，最大寬度為0.79m，重量為86Kg，該校在船體的設(shè)計上做了很大改進，他們在船尾部分加了一個類似“鯨魚尾巴”的東西，這種改進可以提高船在水中的滑行速度。2009年，新墨西哥州立大學制作的水泥輕舟的長度為6米，最大寬度為0.82m，重量為89Kg。 國內(nèi)目前只有武漢理工大學以教研立項的形式成功制作了兩條輕舟。安徽省目前只有安徽建筑工業(yè)學院有自己的水泥輕舟團隊，并制作出安徽省的第一條水泥輕舟。國內(nèi)的“水泥輕舟設(shè)計與制作”活動才剛剛起步，與發(fā)達國家相比還存在不小的差距，隨著該活動的發(fā)展和國家相關(guān)部門的支持，勢必將成為風靡全國的大學生活動。
