（交通信息工程及控制专业论文）基于型值表的船舶装载仪的研究.pdf

中文摘要 摘要 船舶的浮态、稳性和强度是船舶货物积载的主要内容，直接关系到船舶运输 的安全性。目前装载计算机软件大多基于船厂提供的空船重量分布、船舶静水力 参数、邦戎曲线等资料来完成稳性衡准、浮态和强度核算，而用于配载的船舶资 料大多是船舶正浮状态下的数据，并且在很多情况下可用的船舶数据不够精确甚 至不完备，造成所得到的计算结果往往存在较大误差；另外，所利用的计算方法 大都是基于船舶横倾、纵倾状态下漂心不变这一假设，而实际漂心并不固定，当 船舶有较大角度横倾或纵倾时，船舶水下的形状不同于正浮状态，这也会导致初 稳性、稳性曲线等均发生变化。 本文针对上述存在的问题，对传统船舶浮态计算方法和纵倾状态下船舶稳性 与正浮状态时的区别以及船舶重力和浮力相对于正浮状态发生的变化原因进行 研究和分析，提出了基于型值表应用微倾迭代计算船舶浮态参数的方法，即在给 定船舶总重量和重心坐标条件下，通过微倾和平移水线面位置，迭代计算至最终 满足船舶漂浮的平衡条件，确定浮态参数。并且在缺乏静水力性能参数资料、空 船重量沿纵向分布资料和邦戎曲线资料的情况下，建立了纵倾状态下船舶稳性和 总纵强度的计算模型，并应用于船舶装载计算机的研究，使稳性和强度计算更能 符合船舶实际状况。在进行相关积分计算时，先对积分曲线用三次样条进行拟合， 对其细化后采用梯形法进行计算，具有较高的计算精度。 本文主要包括以下几个方面的内容：首先介绍了采用三次样条函数拟合船体 型线的型值表处理与修正方法和船体近似积分计算方法；然后详细阐述了的船舶 浮态计算方法一微倾迭代法，以及基于型值表的船舶稳性和强度的计算模型；最 后介绍了以v c h 缶0 为工具、以o d b c 技术为数据库访问技术开发的船舶装载 系统和计算实例分析，结果证明这种方法是可行的、有效的。 关键词：船舶装载仪；型值表；船舶稳性；总纵强度 墨羔堑墨- r e s e a r c h 。f s h i ps t 。w a g es y s t e r nb a s e d 。n t a b l e 。fo 凰e t s a b s t r a c t s 抓，二：竺b u o y a n c y ，i ? 协m l i 妙a n d j o n g i t u d i n a i s t r e n g t h ，a st h em a i ne 。n t e n t so f h e r 黧呻8 8 栅出r e c t l y r e l a l e d t ot h es a f e t y 。s h i p i c u 玳z 焉 s 。m o s t l yb a s e so nt h ei n f o r m a l i o n s u c i g h t w e i g h td istributiont【：蒜三a b l 酬彻e , m b o n j e a n st ，a b l ：e t c , w h i c h a l e s 删e d b y t h e d o c k y 川t s 脚s ：篡： 竺= 竺竺c h e c k i n g 她s h i p i s b u 。y 勰c y ，s 劬i l i t y a n dl o n g i 钆三i n ：ls = 二= ：u 腓灿8 。v e r a ll i m i t a t i o n sa sf o l l o w s o nt h eo n e h a n d t i l 赢n n a t i o “n l g s u p t l l p l i ih eidsandus e dt os t o wi sm o s t l yi nt h e cd o n d i t i o n 0 蹦刚删n g 删nm o s tc a l s e ：篙：a t a is i n s u f f i c i e n t ；o n t h e o t h e rh a n d t h 涮删u l a 。n u s u a 。l l yb a s e so n“theth磊耋a t f lo a t i n gc e n t e r i s i n v a r i a b l ei nc o n d i t i o no ft h es h i p s t r a n s v e r s ei nclit篡=rim b u 。t 。a c t u a l l y , 出e o r a c t i c a i c e n t e r o ff l o a t j n gi s 州a b l e i nt h e s t a t = 葛：i 崎nclinationi 砌a t l 鹕e 觚g j e s ，s 。t h e c a l c u i a ：t i n gr e s ：二裂m p t n f r e c i m s e s h i p s s h a p e 吼d e rm e w 删n e i nt r i ma tl a r g e 删i u 了m e r e n t w w _ i t h ：1 胁0 f 地mn o 鲥n gs t a t e a m dt h ei n i t i a i m e t a c e n t r i eh e i 二t 二：盂i l i t ) rc u n ，ea rechan g e d f 。u 1 1 1 v 。山v ea 1 e t 三二1 e w o f t h e e 嫡s t m gp r ob l e m s ，t h ep a p e r s t u d i e st 1 1 e t r a d i t i o n a l 一 ， 黧兰州c a l c u h l a t i o n a n dt h e d i f f e r e n c e0 ft 1 1 e s h i p s s t a b i l i 帅e 1 u u u e l o n f l s t l l o e i 1 0 n g 眦黼砌i n 撕。冀a n d 也e 一曲t f l 。a t a t i 。na n dt h er e a s 。n0 fa ：三：篆w e i g h ta n db u o y a n c y t h e 一曲tf l o a t a t i 。nt 。t 1 1 e l o n g 一：一二一i i “w 二嵋m e t h n f 口嗍o d ，h o f f l o a t a t i o n c a 1 c u l a t i o n i sp r o p o s e d h a v i n g t 1 1 e d j s p 6 - l , a , - c u e m t a e n tu tl a n t ；u d n a t h t l e o n c , e n l t l e l e r 二伽饥w e o b t a i n 她舶a l a t i o n d i 锄e t e r s ，t h r o u g hj n c 峨a s m a l l ；：i = a r pa l l e l l y s h i f t i n g ，t h ep o s i t i o no f 晰雠l a n l a s t l yt h es h i p sb e a l 锄c a tb lelfl：盖=oat ar es a t 砌s f i e b y ：t e r a t i n g d i a m do n t h e c o n d i t i o n o f j 溅n g o f f h e 。l 葛茹s t r i b u t i 训川k o ，n , f h y d r o s t a t 记协j e ，b 。n j e 锄s 油l e e t c ，t h i sp a p e r 二s e n t s 。：1 ：芸 竺u 1 篓! ：! s t a b 臼i l i t ya t ，l a r ，g e a n g j e sa n ds t r e n g t h a n dt n em 妄h 。d ；s 三磊蒜 ：愁竺韶s o 胁a r e n e s h i p l ss t a b i l i t ya n ds t r e n g t hr e s u l t s 姗m 。：三： a c c 。r d a n c ew i t ht h ea c t u a l c o n d i t i o n t h ec u b i cs p l i n tc u r v e i su s e dt of i tt he“int“egra儿11cur m 。v r i e a n d k + ：i n t e r p o l a t e d d e n s e l yd a t 如t h e nt h ea l g o r i s i n so f n u m e r i c a lv a 】u e 妣1 h 酬t e g i i 8 s 1 u s e dt oo b t a i nm o r ea c c u r a t er e s u i t sv i a t r a p e z o i di n t e g r a lm e m o d “m 5 i 。 英文摘要 t h ep a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：f i r s t l yi ti n t r o d u c e st h e d i s p o s a la n dr e v i s i o no ft h et a b l eo fo f f s e t sa n dt h em e t h o d so ft h ea l g o r i s m so f t h e a p p r o x i m a t ei n t e g r a lo fs h i p sh u l lu s i n gt h ec u b i cs p l i n tc u r v e s e c o n d l yi te x p a t i a t e t h em e t h o do ft h es h i p sf l o a t a t i o nc a l c u l a t i o n ，i t e r a t i v ec a l c u l a t i o nt h r o u g has m a l l a n g l ei nd e t a i l sa n ds e t sf o n l lt h ec a l c u l a t i n gm o d e lo ft h es h i ps t a b i l i t ya n ds t r e n g t h b a s e do nt h et a b l eo fo f f s e t sa n df l o a t a t i o nc a l c u l a t i o n l a s t l yt h ep a p e rd i s c u s s e st h e s t o w a g es o f t w a r ed e v e l o p e dw i t hv c + + 6 0u s i n gd a t a - b a s ea c c e s s i n gt e c h n o l o g yo f o d b co nt h eb a s i so fo f f s e t s al o a d i n gc a s ea n di t sr e s u l t sa n a l y s i sa r eg i v e na tt h e s a m et i m e ，a n dt h i sn e wc a l c u l a t i o nm e t h o dp r o v e st ob ef e a s i b l ea n de f f e c t i v ew i t h t h er i g h to u t c o m e k e yw o r d s ：s t o w a g es o f t w a r eo fs h i p ；t a b l eo fo f f s e t s ：s t a b i l i t y ；l o n g i t u d i n a l s t r e n g t h 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 竺基王型值麦鳆魈自自筮夔垡的硒究= = 。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：彦美努墀豸年乡月斫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密酿请在以上方框内打“，) 论文作者签名：殿甥绛导师签名：彬 日期：彤年弓月2 7 日 基于型值表的船舶装载仪的研究 第1 章绪论 1 1选题背景及研究课题的提出 船舶设计与建造历史悠久，由于其运输能力强、经济性能好等优点于二十世 纪七八十年代得到较快的发展，尤其是大型散货船和集装箱船迅速发展。由于货 物运输需求的不断增加以及造船技术的不断进步，船舶发展趋于标准化、大型化 1 1 , 2 1 ，由早期二十世纪六十年代的2 万吨n - 十世纪七十年代的1 7 万吨级至现在的 2 5 万吨级，而且还有继续增大的趋势。船舶的大型化在为船公司带来良好经济性 的同时，也给航海驾驶人员的工作带来了新的挑战，其中对船舶积载工作的影响 尤为突出。 一 在船舶的营运过程中，由于货物装载不合理而造成船舶稳性减小、丧失或者 造成船舶结构损坏，甚至断裂的事故时有发生。而从大量船舶事故调查来看，造 成船舶事故的原因一个是船舶的配载不合理，由此造成船舶严重的中拱或中垂， 若船舶在涌浪作用下就会产生强大的剪力和弯矩、扭曲力矩，造成肋骨脱焊、钢 板破裂等危急现象：另一个就是货物操作不当；船舶大风浪中操纵不当。 二十世纪末以来，由船舶浮态、稳性引发的海上安全事故也时有发生，引起 了人们对船舶浮态、稳性问题的广泛关注和研究【2 引。这类事故的主要是由于船舶 驾驶人员的人为因素造成，可见很多船舶驾驶人员对船舶的浮态、稳性还缺乏全 面的认识，尤其是在大纵倾浮态下，船舶水下的形状不同于正浮状态，这将导致 初稳性、稳性曲线等均发生变化 2 3 , 2 4 1 。国际海事组织( i m o ) 和国际船级社协会( i a c s ) 以及各国相关主管部门对海难事故进行了分析并在船舶建造、设备配备、安全操 作等方面提出了新的要求和措施并强制执行有关规定，以改善船舶运输的安全性 1 3 2 。其中，i m o 颁布的s o l a s 公约2 0 0 3 年综合文本版本第章第1 l 条“装载 仪中列举了必须配备装载计算机的具体规定。 船舶配载软件能帮助驾驶员核算和调整船舶的浮态、稳性和强度，使船舶具 有适当的稳性、足够的强度和合理吃水差，确保航行安全和便于装卸作业，从而 改善船舶运输的安全性。而且在很大程度上减轻了驾驶人员的负担，使他们不必 第1 章绪论 再进行烦杂的人工手动计算。但如何改进计算方法，提高装载计算机的计算精度 和更好地符合航海人员的习惯也随即成为航海人员需要解决的问题。 随着计算机技术的迅速发展，尤其是c a d 、c a m 、c f d 等船舶现代设计方法 的基础性研究取得了长足发展，传统船舶设计已经变为数字化和虚拟化造船。这 些数字设计、虚拟设计的船舶设计方法也为船舶性能计算和校核开阔了新的领域。 文献【8 ，9 】提及了从数字型值表出发计算船舶静水力性能数据并利用计算出的 数据进行浮态、稳性和强度计算，但没有提出一种新的浮态、稳性和强度计算模 型，而只是将静水力性能数据由船厂提供改为从数字型值表计算得到。本文在此 基础上改进了船舶浮态计算方法，以及纵倾船舶大倾角稳性、初稳性和强度的计 算方法，并应用于船舶装载计算机的研究，使船舶稳性和强度的计算更符合船舶 实际状况。 1 2 课题的研究现状及分析 s o l a s 公约和国际船级社协会( i a c s ) 要求船长1 5 0 m 及以上的所有散货船和 符合船级社规范所定义的甲板大开口船均应配备装载计算机软件。到目前为止船 舶装载计算机软件的开发与设计已经走过了很长的一段路程，并取得了一定的成 果。 许多公司推出了船用配载系统，主要有s e a w a ye a s i l o a d 计算机配载系统、 s c h i f f r o 船舶管理系统、c a r g o m a x 船舶计算机管理信息系统以及c a v e s 系统等。随 着计算机软硬件的发展与船舶本身的发展，适用在各种类型船舶的装载计算机与 装载软件系统应运而生，其功能也在不断得到扩展【5 1 1 。我国的研究人员在这一领 域也做了许多有益的探索，并取得了一定的成果，大连海事大学航海技术研究所 和航海学院货运教研室在装载计算机研制方面具有很强的技术实力和丰富的开发 经验，研制开发了多艘散装船、集装箱船和重大件货船等的装载计算机软件系统。 另外上海海事大学商船学院和武汉理工大学航运学院等海事院校以及上海船舶设 计院等船舶科研单位也都在船舶装载计算机软件系统方面有深入的研究。 另外在船舶设计软件如n a p a 软件和m a x s u r f 软件等都能快速准确地完成 各种船舶性能计算，包括：船舶静水力计算、舱容计算、装载状态计算、稳性衡 基丁型值表的船舶装载仪的研究 准、破舱稳性计算、下水计算、耐波性计算、操纵性计算等。n a p a 公司的桌面 系统o n b o a r d - n a p a 即为船舶装载计算机软件。 在装载仪所提供的各种计算校核功能中，船舶的浮态、稳性和强度是船舶货 物配载的主要核算内容，直接关系到船舶运输的安全性。而且当前的装载计算机 软件大多基于船厂提供的空船重量分布、船舶静水力参数、邦戎曲线等资料来完 成稳性衡准、浮态和强度核算。但是这种方法存在着几点不足： ( 1 ) 很多情况下所得到的船舶资料和数据较少，甚至不完备。而且所提供的可 用于配载的数据都是船舶正浮状态下的。 ( 2 ) 计算大都是基于船舶横倾、纵倾时漂心不变这一假设上的。但实际上，当 船舶较大角度横倾或纵倾时，由于实际漂心并不固定，所得到的计算结果往往存 在较大误差。而且在大纵倾浮态下，船舶水下的形状不同于正浮状态，这将导致 初稳性、大倾角稳性等均发生变化。 通过基于型值表的静水力性能计算，在缺乏静水力性能参数资料和空船重量 沿纵向分布资料的情况下解决大纵倾浮态下吃水差、稳性和总纵强度的计算，更 能符合船舶的实际状况。 1 3 论文的主要工作及意义 ( 1 ) 在分析了传统船舶浮态计算方法的基础上，基于型值表应用微倾迭代计算 船舶浮态参数，即在船舶大纵倾状态下，给定船舶总重量和重心坐标，通过微倾 一小角度倾斜水线面位置移动浮心位置和平移水线面位置平衡浮力和重力，一步 步迭代，最终达到船舶漂浮的平衡条件。该方法有利于提高浮态参数的计算精度， 为稳性和强度的计算打下了基础。 ( 2 ) 在浮态计算的基础上，分析了纵倾状态下船舶稳性与正浮状态时的区别， 建立了纵倾状态下船舶初稳性和大倾角稳性的计算模型，并应用于船舶装载系统， 使计算结果更能符合船舶实际状况。 ( 3 ) 分析了纵倾状态下船舶重力和浮力相对于正浮状态发生的变化原因，建立 了纵倾状态下船舶强度的计算模型，结果证明该方法是可行的，数据是可靠的。 第1 章绪论 ( 4 ) 提出利用三次样条插值法求计算过程中的一些参数。如在求解极限静倾角 时，利用三次样条表达出静稳性力臂曲线，然后对其求导，并令导数为0 ，最后采 用二分法进行求根，其值即为极限静倾角。 ( 5 ) 介绍了以v c + + 6 0 为开发工具、以o d b c 技术为数据库访问技术的基于 型值表的船舶装载系统，包括系统实现流程、功能模块设计等内容。最后进行计 算机编程和实例计算并对结果进行了分析比较。 基于型值表的船舶装载仪的研究 第2 章型值表的处理和船体计算近似积分方法 ，船舶静力性能计算包括静水力曲线、邦戎曲线、费尔索夫曲线、船型稳性力 臂插值曲线以及破损船舶的浮性，是船舶性能计算的基础 2 7 1 。主要涉及横剖面及 水线面的面积、面积惯矩和排水体积等。一般都可以根据型线图或型值表用数值 积分的方法来进行计算，在计算之前先用三次样条对其进行插值，然后再用船体 计算近似积分方法如梯形法进行积分计算。 2 1 船体坐标系的选取 船体外形是用三个相互垂直的基本平面上的型线来表示的。这三个基本投影 平面称为主坐标平面也称为基准面，如图2 1 所示，分别为中线面、中站面、基平 面。中线面是通过船宽中点的纵向垂直平面，它把船体分为相互对称的左右两部 分，因此中线面也称为中纵平面。中站面是通过船长的中点，并且垂直于中线面 的横向平面，它把船体分为首尾两部分。中站面也称为中横平面。基平面是通过 船长中点。和龙骨线，并且与中线面、中站面相互垂直的平面。基平面平行于船 舶设计水线面。 图2 1 船体坐标系 f i g 2 1c o o r d i n a t es y s t e mo fs h i ph u l l 第2 章型值表的处理和船体计算近似积分方法 为了确切的表达重心和浮心的位置，便于进行船舶性能计算，本文采用固定坐 标系，即三个基准面两两相交组成坐标系o x y z 。坐标系的原点0 在船中处。中线 面和基平面的交线为x 轴，x 轴的正向指向船首方向。中站面与基平面的交线为y 轴，习惯上将y 轴的正向指向右舷。中线面与基平面的交线为z 轴，z 轴的正向指 向水面。 2 2 型值表的处理 2 2 1 型线图和型值表 船体表面是一个复杂的流线型三维曲面，要完整地表示它的形状，必须采用 型线图( 1 i n e sp l a n ) 【1 0 1 1 , 1 8 1 ，图2 2 是育鲲轮型线图，它是表示型船体几何尺度及 形状的基本资料。它由横剖线图、纵剖线图和半宽水线图三个视图组成。型线图 除了表示船体的形状和大小之外，还是进行船体计算的重要依据，船舶的任何静 水力性能参数都可根据型线图用近似积分法计算获得。然而，图纸常发生伸缩变 形，在型线图上直接量取所需的数据常常不准确，同时也为了便于计算机的计算 处理，船体型线图中一般都附有型值表( t a b l eo f o f f s e t s ) 。图2 3 为育鲲轮部分型 值表，篇幅所限，此处只给出部分数据。 图2 2 育鲲轮型线图 f i g 2 2l i n e sp l a no f t h ev e s s e lo f y u k u n _ 基于型值表的船舶装载仪的研究 文件瞒哩) 视田重入格式位) 豫q l ) y a 膏口瞧) 碍助 一x 一1j 二簪3 l i lf j 臼 拍nj 盘- 廿； 五_ - 棚hl w r a m 话k 1 摘n ；- 铷儿1r 3 - 1 0 0 0 i k , fr i - z o o o , l | 哥如眦1r s - 轴吡l 盯面试| _ 赫5 疏i i g - 6 嘲云i t l o _ 瑚缸f t 帚帅亿m 2 堋ii i l j 二 -马 - zb 巧 5 1 3 8 6 l 拍 一右- 13 1 2硼伽5 6 1 56 s 一 一 0ol m洲4 3 59 盯01 9 52 i h w s 笱墙7 1 9嘲蜀知3 1 盯伽m6 1 tt 嘶舵 5t8 伟o6铭9嵋l l 惦0l 锄帕9 口s t 羁6 瑚t i l 5 l7 b 2 i o5 1 t 丁0 1 51 11 岛3 ，怕5 2 25 坼tf ，4 2 47 l g lt t 计e l “ 251 31 2 51 2 b9 l tt 2 1 7t 6 5 0锄b t 3b 1 9 16 5 幅e 蟠t b o t硼锄5 3t 5t 5l h1 1 1 b1 ”2 i 蒉l l锄1e 懈t 嘲t t 5t 58 3 珂掀i 2 12 3 1 6 壁i g搦6s 0 3 l竹1 5侧e 2 露鹅3 lb t 0 l 5蕊2 5l2 幅l3 搬1 7 敛t t l o 哺98 翳钾艘8 b t t 拥s l嗍 一 e3 15l m 衢0 b 目目m8 m t t s3 1 5 1 i z5 1 外t 俩磁1 7嗍蛳哪姗锄珊 8 心辅l lt 7 埘8 3 4 9蚴哪蛳舢伽伽锄删 94 g 为娜倒qe l 帕8 7 8 1 田哪舢姗哪蛳删蛐 1 0 谨s 洲衡8 1 , 9m 2嘲哪洲帅哪哪螂蛐 1 1s t7 s5 1 6 7 1 口7 8 3 1咖魄锄眦舢哪蜘 1 2lb 1w 2lm8 ”8 m m i 3 哺巧2 州椰蜘l啪l7 憎咄b 8砷哪1 3嗍帅 h t 3s1 5 蝙3 6 5 3佩s t 5 鳓1 i 救b1 昕88 l 丝8 s t盯圻舶伯 1 5t 8 ，s坼l鲫艄7 6 3渤6 1 , 2 56 6 6 76 6 7 07 1 9 4彻嘲嘲1 m m啪珊2 8 1 6艄期钉镭1嘲娜t 0 彻 i t巧l t 5l 2 d 幅2 臂3 i | 53 啦盯m4 t l l 0 口辅5 7 9 8b s 陀 一 l e钒sot1 3 p 9i 并i研2 擞2 铷2 墨l2 啪3 蝴3 锄 1 85 盯i 巧o 2 51 0 1 盯l1 b 帕】啪 i t 计 i a 2 1 2 2 7 1 6 t 5 1 5 1 9 鸭0 5竹81 l 舯 1 3 拈 i 挪1 1 7 9 l z m l 2 0 i t 3 呻t 垤s i 雎3 t 5新6 - p l jl m 0l l 麓l 叫lt舶5ht _ r 2i 2 t s1 9 皓2 曲 即1 1 1 5 强呻1 1 1 1 5 4 幅4 7 1 1 口 新i 1 i ? t i 嘲 一 5i 口t6 女i t l t8 一 2 1 儿o 巧 一 2 l2 5 1 1 l 一 2 l 4 5 n 26 1 2 v 记t 回厂1 匝砸项圈芟葛记融3 2 t 藏勰视田啊 图3 3 育鲲轮部分型值表 f i g 3 3p a r t i a lo f f s e t st a b l e o f t h ev e s s e lo fy u k u n 通常，型值表提供横剖线与水线、甲板边线、外板顶线、舷墙顶线交点的半 宽值及横剖线与纵剖线、甲板边线、外板顶线、舷墙项线交点的高度值，所以型 值表常分为两部分。在型值表的左边部分，表中的每一横栏提供了某一站号的横 剖线与各水线及甲板边线、外板顶线、舷墙顶线交点的半宽值，而表中的每一纵 栏则就是某一水线或甲板边线、外板顶线、舷墙顶线与各横剖线交点的半宽。在 型值表的右边部分，表中的每一横栏提供了某一站号的横剖线与各纵剖线、甲板 边线、外板顶线、舷墙顶线交点的高度值。而表中的每一纵栏则就是某一纵剖线 或甲板边线、外板顶线、舷墙顶线与各横剖线交点的高度值。考虑到当前计算机 都具有较大的内存容量和较强的计算处理能力，纵向的站面及垂向的水线位置可 取得较密，以获得准确的计算结果。 第2 章型值表的处理和船体计算近似积分方法 样条( s p l i n e ) 本来是指在飞机和船舶制造过程中为了描绘出光滑的外形曲线所 用的一种绘图工具。它是一种富有弹性的细木条，使用时用压铁固定在一些给定 的点( 称为节点) 上，其他地方任它自由变化，然后依样画下的光滑曲线称为样条曲 线【3 5 l 。 ( 1 ) 三次插值样条函数的描述 设在区间【口，b 上- - 个给定的一组节点x ： a = x o 五 毛= 6 和一组相对应的函数值y ： y q ，y l ，y n 函数s ( x ) 如果满足条件： i 一致通过n + 1 个型值点( 毛，咒) ，即 s ( 而) 2 ( f = 0 ，1 ，2 ，以) i i s c 2 【口，b 】； i i i 在每个子区间【书x j ( 1 j 刀) 上，s ( x ) 是一个不超过3 次的多项式； 则称s ( 功是节点而，x a ，毛上的三次样条函数。 ( 2 ) 三次样条函数的表达式 在每个区间【x 川，x 】上，三次样条函数可表示为： m 心簧+ 呜掣饥一华，等 亿。， 也一华等 其中：xe x j 书t 】， h j l = z 一x 一l ，m = s 。( z ) rm 所满足的方程 , t i m 川+ 2 m j + 乃m 川= d ( 2 2 ) 基于犁值表的船舶装载仪的研究 扩瓦而h j - i ，乃小， d j = 6 ( 警一半m 圳1 - 1 ，2 ，扩 i 边界条件为第一型插值条件 s ( x 。) = y ：，s ( 一。) = y ：一。 由此得端点方程： 2 眠+ m = 磊= 丢( 半一成) 铊吨- = 老( 站一， 联立式( 2 2 ) 并写成矩阵形式如下： m q m l m 2 m 。一2 m n l d o d l d 2 以一： d 。一l ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) i i 若为自然样条，则： s ”( x o ) = m o = 0 = m = s ”( x 川) ( 2 8 ) 由此得端点方程： _ o ( 2 9 ) 【鸩一。= 0 ”“ 同理亦可求得膨，扛o ，l ，n l ，从而确定三次样条函数【2 2 】。 一从数学上看，样条曲线实际上是一段段的三次多项式曲线拼接而成的曲线， 在拼接处不仅函数是连续的，而且一阶导数、二阶导数也是连续的，所以样条曲 线具有良好的光滑性。 本文将三次样条函数应用于在船体计算之前船体型线的插值、拟合，半宽值 的坐标的端点修正，以及船舶静稳性曲线的绘制及特征参数的求取的插值计算， o o o 雠2 o o o 2 1 力 0 o o 一 0 0 段2 0 0 2如o 0 200 0 第2 章型值表的处理和船体计算近似积分方法 也将其应用于程序界面的改善。当然，在进行船体性能计算时，用n u r b s 进行船 体曲面拟合可以对船舶性能进行更细致、更深入的分析，包括横倾、纵倾的浮态 描述、破舱稳性的计算和分析、强度的校核和舱容计算等等，而且结果会更精确 2 8 - 3 0 。由于该方法不易实现，加之笔者时间有限，且三次样条函数亦能满足配载 要求，故选择三次样条函数作为拟合船体型线的插值方法。 2 2 3 半宽值的坐标修正 船体型线在首尾端和舭部的曲度变化较大，为了提高计算精确度，往往需要 用增加中间坐标或端点坐标修正的方法来提高精度，具体的修正方法和注意事项 请查看参考文献 1 0 , 1 2 , 1 8 】。 二一 d 、 六 、 y l y 2 y 0 名y ，o 、 g6la6l f 图2 4 端点坐标修正 f i g 2 4t h er e v i s i o no fe n d p o i n tc o o r d i n a t e 在传统的船体计算中，特别是手算，增加中间坐标和端点坐标修正被广泛采 用。在采用计算机辅助设计时，梯形法和辛浦生法的简单性并不能发挥计算机软 件的优点，这时采用样条函数法来计算船体几何是一种很好的选择。采用样条函 数法时一般不需要增加中间坐标修正，但要采用端点坐标修正。对端点坐标修正 与一般意义上的有所不同，只要将端点坐标增加到计算即可。这样修正要改变计 算区白j 的个数，例如图2 4 ，c 点在站点之外，将c 点的x 坐标值加入即可。采用 基于型值表的船舶装载仪的研究 样条函数法在修正时，只要按上述方法将端点坐标值输入，不仅对计算面积有效， 对计算惯矩、惯性矩时也不需要再重新修正。 2 3 船体计算近似积分方法 本系统采用三次样条函数近似船体线型，即以船体型值的数据为依据，将水 线面和横剖面分别用样条函数近似。在各个站号之间的水线面半宽( 某一水线) 用一 个三次样条函数表达，各个水线面之间的半宽( 某一站号) 也用一个三次样条函数表 达，这样就相当于用样条函数将船体沿纵向( 首尾方向) 和垂向( 吃水方向) 进行网格 划分。于是，根据分段的三次样条函数，可方便地积分计算得到水线面或横剖面 的面积、面积静矩等，再用样条函数方法沿纵向或垂向积分，即可得到相关的船 舶静力学性能参数。以下介绍常用的船体计算近似积分方法。 2 3 1 梯形法、辛浦生法和高斯法【1 0 - 1 3 , 1 8 】 梯形法是一种最简便的数值积分方法，它的基本原理是用若干直线段组成的 折线近似代替曲线。或者说，以若干个梯形面积之和代替曲线下的面积。其计算 公式可以表示为：。 彳= r 地等罾一半 眨 式中：n 为等分间距数。 显然，等分间距数决定了梯形法的精确度，提高梯形法的计算精度的方法就 是增加等分间距数。 辛浦生法也称抛物线法，使采用等份间距，以若干段二次或三次抛物线近似 地代替实际曲线，计算各段抛物线下面积的数值积分法。以二次抛物线近似代替 实际曲线的计算方法称为辛浦生一法，以三次抛物线近似代替实际曲线的计算方 法称为辛浦生二法。必须指出，只有当曲线底边长度的等份数目为偶数时，方可 采用辛浦生一法，只有当曲线底边长度的等份数目为3 的倍数时，方可采用辛浦 生二法。 辛浦生第一法的计算公式为 第2 章型值表的处理和船体计算近似积分方法 彳= f 地j l _ b - f a ( y l + 4 + 2 乃+ + 2 款州+ 4 此。+ 奶川) | ( 2 1 1 ) 辛浦生第二法的计算公式为 a ：广廊 筹帅川州一蠢一3 乃。二圳q 1 2 与梯形法相比，采用辛普生法计算比较繁琐，但辛普生法比梯形法具有更高 的计算精度，可以采用少数量的纵坐标值得到较高精度的计算结果。 高斯法为不等分间距法且在三种积分方法中，高斯法具有最高的代数精度。 其计算公式为 彳= r 地字“字r + 半卜b - a 夕。, 州) 亿- 1 3 ， 式中：m 为高斯积分系数，为高斯求积高数的积点。 2 3 2 龙贝格法【1 9 】 贝格积分的思想是让积分步长逐次折半，用较低精度的复合梯形积分公式，先 后两次积分的近似值通过误差补偿使积分公式加速变成更高精度的积分公式，以 此逐步获得精度高、收敛快、计算量小的积分效果。 对函数( 工) 进行积分，其复化梯形公式为： 乙：i h n - l 【厂( ) + 厂( 稚+ 。) 】 ( 2 1 4 ) 对步长h 进行二分得递推公式： 耻1 2t 。_ 呜茎他一7 掣 然后将对分前后两次积分近似值乙和乏。之差的1 3 作为对对分后积分结果的 补偿，即 于：五。+ 丢( 五。一7 ：1 ) ：4 2t ：。一i 1 乙 ( 2 1 6 ) 丁= 五。+ ( 五。一7 ：1 ) = ，：。一i 乙 ( ) jj 基于型值表的船舶装载仪的研究 可以期望所得到的t 可能是更好的结果。而丁恰好是辛浦生公式的积分值& 。 同理对辛浦生法二分前后的两个积分值鼠和曼。进行误差补偿得到柯斯特法的积 分值g ，即 e = 融一去瓯 ( 2 1 7 ) 对柯斯特法二分前后的两个积分值q 和c 2 。进行误差补偿可得龙贝格法的积 分值b ，即 民= 筹c 2 。一击g ( 2 1 8 ) 其计算误差可达h 6 级。 龙贝格积分法，从理论上说可以达到任意要求的精度，对于任意的被积分函 数都是较适合的，而且它不受等区间划分的限制。一般只要把积分区间逐次对分 五次，结果便足够精确了。 第3 章船舶浮态的计算和校核 第3 章船舶浮态的计算和校核 浮性是指船舶在装载一定数量载荷的情况下，具有能漂浮于静水面并保持稳 定平衡位置的能力，是船舶航行的重要性能。 3 1船舶漂浮的平衡条件和浮态参数 3 1 1 船舶漂浮的平衡条件 当船舶漂浮于静水面的一定位置时，作用在船上的力有船舶总重量( 包括空船 重量和货物重量、燃油、滑油、淡水、压载水、食品等各部分的重量) 以及与水接 触的表面所受到的静水压力。船舶各部分重量的合力称为船舶的重量职合力的 作用点称为船舶的重心g 。船体浸水部分所受的静水压力构成作用在船上的浮力， 浮力的作用点称为浮心b ，根据阿基米德定律其大小等于船舶的排水量，即 = p v 式中：一船舶排水量( o ； p 一水的密度( t m 3 ) ； 矿船舶排水体积( 所3 ) ； 综上所述，船舶漂浮时的平衡条件是： ( 1 ) 重力和浮力大小相等且方向相反，即 w = p v ( 3 1 ) ( 2 ) 重心g 和浮心b 在同一铅垂线上，即 五= 以 ( 3 2 ) 式中：以和鼍分别为重心g 纵坐标和浮心b 纵坐标。 3 1 2 船舶浮态方程 船舶浮于静水的平衡状态称为浮态。通常可分为正浮、横倾、纵倾、任意倾 斜，而正浮、横倾、纵倾这三种浮态是任意倾斜的特例，故由任意倾斜下的平衡 方程即可导出任意浮态下的平衡方程，从而确定船舶的浮态参数。若以坐标值 基于型值表的船舶装载仪的研究 ( 以，乓，z g ) 表示船舶重心g 的位置，坐标值( 托，五，乙) 表示船舶浮心口的位置，则 船舶在静水中任意状态下的平衡方程为： f w - p v = 0 乓一k 一( z g 一乙) t a l l 臼= o ( 3 3 ) 【托一以一( z g 一乙) t a i l = 0 式中：形为船舶总重量，p 为水密度，y 水线面下船体体积，口为横倾角， 为纵倾角。由式( 3 3 ) 可知船舶浮态可以用平均吃水如、横倾角秒和纵倾角少三个 参数表示。 综上可知，要确定船舶的浮态，必须解决下面两个问题【1 2 刀】： ( 1 ) 船舶的重量形及其重心坐标( t ，z g ) 的计算，可根据理论力学原理解决； ( 2 ) 船舶排水体积y 及其浮心坐标( 五，k ，乙) 的计算，可利用型线图和型值表通 过静力性能计算得到。 3 2 船舶重量及重心坐标的计算 船舶性能数据的计算基础是船舶资料和船舶所装载荷的数据，其中船舶资料 包括船舶基本参数( s h i pp a r t i c u l a r s ) 、船舶型线图表、空船重量分布、载荷数据 包括各类载荷的重量及重心坐标，要计算上述各项性能数据，首先必须求出船舶 的总重量及重心位置1 4 ，其计算方法如下： w 2 + 乞c + c 苁：w l x , + x p , x , + c x c y ! ：堕互圣星兰兰 ( 3 4 ) 乙：w , z , + x g z , + c l 5 形 式中各符号定义如下： 呒空船重量；五、艺、乙为空船重心的三维坐标( m ) ； 各类转载重量( t ) ，包括货物重量、燃油、滑油、淡水、压载水、食品 等，五、z 、互为相应各项的三维坐标( m ) ； 第3 章船舶浮态的计算和校核 c 船舶常数( t ) ；k 、k 、z c 为常数重心的三维坐标( m ) ； 以、乓、z g 即为船舶总重心的三维坐标( m ) 。 为了避免船舶处于横倾状态，在建造和使用过程中，总是设法使其重心位于中 纵面上，即匕= 0 。 3 3 浮态的计算 传统船舶静力学中的浮态是通过静水力曲线和初稳性的相关数据，对横倾和 纵倾分别进行计算，并且只适用于小倾角浮态的计算，但在实际情况中常常会出 现大倾角浮态，众所周知，在船舶节能技术中，合理配载使船舶在最佳纵倾状态 下营运，可收到良好的经济效益。而纵倾下的船舶，其水下的形状不同于正浮状 态，这将导致初稳性、大倾角稳性等均发生变化。因此确定船舶大纵倾情况下的 浮态一直是造船界和航运界重视的课题之一。船舶结构一般为左右对称，配载时 也尽可能兼顾平衡，所以在计算浮态时一般不考虑船舶横倾的影响，考虑纵倾即 可。 i 根据装载状态计算确定船舶总重量形和重心纵坐标x 。后，可采用本文提出的 微倾迭代法获得满足精度要求的浮态参数。其基本思想是将大倾角的船舶倾斜沙 作为小角度微顷的迭加。船舶的小角度倾斜可以视为漂心不变的等容倾斜，倾 斜目的是调整浮心位置至浮心与重心在同一直线上，而重力与浮力的平衡则通过 平移水线面位置来达到目的，通过一系列倾斜和平移水线面的迭代过程，最终满 足在给定船舶总重量和重心条件下的船舶漂浮平衡条件，并输出浮态参数。其过 程如下： ( 1 ) 根据给定的船舶总重量形确定相应的平均吃水九，见图3 1 所示。船舶 在正浮状态下吃水为九时排水体积为g v = r 句忽 ( 3 5 ) 由= i f 2 y d x ( 3 6 ) 式中： 基于型值表的船舶装载仪的研究 w 五，五分别是船的首尾端点至船中的距离( 聊) ； 匆吃水为z 处的水线面的面积( 珊2 ) ； 】，船的半宽值( 聊) 。 q e l d h”j 壶 图3 1 平均吃水的计算 r i g 3 1c a l c u l a t i o no f a v e r a g ed r a f t l 故确定九值的计算式为： b = = p rr 2