第5章 方案构思与主尺度选择.doc

第五章方案构思与主尺度选择5.1 总体设计方案构思总体设计方案构思是新船设计过程中的一个重要环节，是一项基础性的工作。它对设计工作顺利进行和保证新船设计质量有重要意义。总体设计方案构思的任务是： 分析各项设计要求，明确设计任务； 分析同类型船的资料，采用适当的估算方法和各种可用的技术手段，设立一个初步的新船总体设计方案，分析和确定各个设计参数可能的选择范围，研究新船设计中可能存在的主要矛盾； 分析新船的主要技术性能和经济性指标，考虑所要采取的主要措施以及进一步开展设计工作的设想。总体设计方案构思的特点是综合性强，涉及面广。该项工作涉及到总体设计所有方面的内容，需要考虑的因素很多，要在各种错综复杂的关系中理出头绪，寻找解决问题的办法。针对具体的设计任务，由于设计技术任务书规定的要求和明确程度不同，方案构思工作的难易程度也不同。例如常规船型的设计，如果任务书的要求详细又具体，那么方案构思相对比较简单；如果船型较特殊，要求上比较笼统、原则，设计方案选择的范围又广，那么方案构思就比较复杂。就一般情况而言，船舶总体设计方案构思主要包括以下几个方面的内容： 船型特征和总布置设想； 考虑和初步选择主尺度； 主要技术性能的估算与分析； 其他重要方面的考虑（如船舶的主要装备、法规和规范的要求等）。以上这些方面的内容，在实船设计工作过程中，不是分割开来单独逐一进行，而必须将有关内容综合起来统一考虑。下面对方案构思中有关方面的内容作一介绍。5.1.1 船型特征和总布置设想这里所说的船型特征是指某一类型船舶总体的基本特征。根据设计技术任务书的要求，新船的类型已经给定，通常吨位（载重量或总吨位）的大小也有基本要求，在此基础上进行总体设计方案的构思，需要对新船的特征和总布置有一个基本的设想。通过这项工作，可以对新船的概况有一个明确的概念，对如何满足新船的各项要求可以进行具体的考虑，可以将设计工作的各个方面直接联系起来，也便于暴露存在的主要矛盾。船型特征和总布置设想的主要内容有：主船体特征、机舱部位、甲板层数、货舱形式、上层建筑的大小和位置、船体结构特点等。这些设想必须从新船的使用要求和客观情况出发，参考相近的优良实船资料和使用经验才能合理作出。每种类型的船舶，经过长期的使用和不断地改进，都已形成了各自的特征和特点。设计新船时对这些实践证明合理、有效的特征和特点应予以借鉴，并结合新船的具体要求有所改进和创新。船舶的类型很多，就运输船舶而言，就有散货船、集装箱船、多用途船、滚装船、冷藏船、运木船、油船、化学品船、液化气体船、客船、车客渡船等各种船舶，它们有各自的特点。设计不同类型的船舶，总体方案的构思有所不同，对船型的特征和总布置的构思差别很大。限于篇幅，本书仅对散货船、集装箱船、多用途船这三种船舶的特点作一简要说明，其他类型船舶的特点可参阅有关文献。1. 散货船散货船以运输大宗货物为主，主要有：煤、谷物、矿砂等，也可以装运木材、钢材、纸浆、重货等。设计时一般以其中的一、二种货物为主来考虑。散货船的载重量一般都在万吨以上，大型散货船为13万吨17万吨（好望角型），68万吨级为巴拿马型（型宽限制约为32.2m），45万吨级的称为灵便型。3.5万吨级以下的散货船有不少是吃水受限制的宽浅吃水船。国内沿海也有5千吨级左右的小型散货船。图5.1.1是一艘载重量为27000t的散货船。图5.1.1DW=27000t散货船载运大宗货物的散货船都是低速船，所以船体都比较丰满，大多为单桨推进，宽浅吃水型船也有采用双桨。现代散货船一般都设置具有整流作用，并能兼顾压载航行工况的球首。散货船的总布置有以下特点： 现代散货船都采用尾机型（机舱设在尾部）。这样中部方整的部位都可以用于货舱，有利于货舱口的布置和提高舱容利用率，也有利于结构的连续性，提高总纵强度。机舱的长度在机舱布置许可的情况下应尽量缩短。方案构思时可用第四章4.1.3节介绍的方法估算机舱长度。首尖舱的长度约0.050.07LPP，尾尖舱的长度约0.0350.045LPP。 散货船的货舱通常设有顶边水舱和底边水舱，如图5.1.2（a）所示。这种货舱形状的好处是：减少了卸货时的清舱工作量；可以将散货装满，减少平舱工作量；顶边舱和底边舱用于装载压载水，增加了压载量，提高了压载重心，可增加压载航行的首尾吃水和改善压载状态的横摇性能。顶边舱和底边舱的形状参数详见第七章的图7.2.2。图5.1.2（b）的货舱形状是在（a）的基础上增设了舷侧的内侧板，从而形成了一个完整的双壳体结构，增加了船体的强度和刚度，对破舱稳性也有利，但对货舱舱容有一定的损失，也增加了一些船体钢料。图5.1.2（c）是矿砂船的货舱形状，因矿砂密度大，所需舱容小，所以双层底高度和边舱尺寸都很大，这样可避免货物重心过低，初稳性过高，横摇周期过短。散货船货舱的数量根据船的大小、装卸设备的配备以及破舱稳性的要求确定，每舱长度一般不超过30m。图5.1.2散货船货舱剖面形状 散货船一般都为单甲板（仅有一层连续露天甲板）。大型散货船大多仅设甲板室，无首楼和尾楼，也有些仅设首楼，无尾楼；中小型船一般都设有首楼，并根据需要也有设置尾楼。驾驶室以及船员生活舱室等都设置在船尾。甲板室的层数和高度根据所需的布置地位以及驾驶盲区的要求确定。 散货船大多设有甲板起重机，主要用于卸货。对于主要用于定线运输煤、矿砂等散货的船，如码头有装卸设备，则船上可以不设起重机。现代散货船根据需要也有采用自动卸货设备，称为自卸散货船，常用重力喂料、皮带输运方式。这种设备一般由料斗、斗门、舱底输送带、横向输送带、提升带以及悬臂输运带等组成。自卸船的造价比较昂贵。2集装箱船集装箱船的大小通常以20ft标准集装箱（TEU）数量来表示。一般来说载箱数超过2500TEU为大型船，载箱数在500TEU以下的为小型船。目前，巴拿马型集装箱船的载箱数在2500TEU4400TEU，超巴拿马型的集装箱船都在4000TEU以上。图5.1.3是一艘小型集装箱船的布置概况。图5.1.3365TEU集装箱船集装箱船的航速一般较高，大多为中速船（Fn大多在0.220.26），现代集装箱船有向更高航速发展的趋势。集装箱船为了快速离靠码头，除了小型船以外，大多设有首侧推装置。集装箱船的总布置有以下特点： 集装箱船的机舱部位，对于中小型船大多采用尾机型，大型船也有采用中尾机型（即机舱后面还设一个货舱）。由于集装箱船航速较高，方形系数较小，所以船尾部比较削瘦，采用尾机型机舱需要较大的长度，而中尾机型船的机舱长度相对可减小。图5.1.4集装箱船货舱形式 集装箱船的货舱形状由于大开口的要求，绝大多数采用双壳体结构。为了提高甲板大开口船的抗弯、抗扭强度，双壳体的上部都设有平台，形成箱形抗扭结构，如图5.1.4所示。由于货舱盖上要堆装多层集装箱（一般在4层以上），所以舱盖要有足够的强度。吊装式舱口盖（集装箱船绝大多数采用这种形式的舱盖）因每块盖板的重量要控制在起货设备的起吊能力范围内，所以舱盖的大小、布置和支撑形式与货舱的设计也有密切关系。图5.1.4是横向布置三个货舱口的集装箱船货舱形式。关于集装箱的布置详见第四章4.4.2节。无舱盖集装箱船是近年来发展起来的船型。它的优点是没有甲板上需要绑扎的集装箱，无需开启和关闭舱口盖，因此可大大缩短停港时间。无舱盖集装箱船设计中必须考虑货舱进水的问题，对此规范有专门的规定。为了防止甲板上浪时货舱的大量进水，无舱盖集装箱船的型深都特别大。设计中对货舱上浪进水量的考虑一般需要通过船模试验确定，此外船舶还需配备较强的舱底水排放系统。 集装箱船的上层建筑具有长度短，层数多的特点。长度短是为了节省甲板面积；层数多是驾驶室高度的需要，目的是为了解决驾驶盲区的问题。IMO规定集装箱船驾驶盲区不应大于2倍船长。有些集装箱船为了解决驾驶盲区的问题，将驾驶室和整个居住舱室设于首部，以求有大的载箱数，但造价会有所增加，且机舱人员工作不便。集装箱船因航速较高，船首容易上浪，所以一般都设有首楼，并在首楼上设置一定高度、具有足够强度的挡浪板，以便保护首部甲板上集装箱免受波浪的正面冲击。 大中型集装箱船通常不设起货设备。小型集装箱船为适应小型港口的需要，常设置甲板起重机。为了减少设置起重机对集装箱布置的影响，有些船将起重机布置在舷侧。 集装箱船由于重心很高，为解决稳性问题，满载情况也常需要用压载水来降低重心高度，所以双层底舱几乎全部用作压载水舱。此外，首尾尖舱、两舷双壳体内一般也用作压载水舱。为了平衡装卸集装箱时的横倾，两舷边舱中的左右一对压载水舱通常各装50压载水，用作调整横倾。集装箱船在装卸舱内集装箱时横倾不能超过5，以免集装箱被导轨卡住。3多用途船多用途船一般是指多用途干货船，其用途不包括装载液体货。多用途船是从杂货船演变而来的。由于集装箱运输的迅速发展，一般包装杂货（如百货、五金、一般机械设备等）几乎都采用集装箱运输，普通件杂货的货源已很少，因此以往的杂货船已经淘汰，取而代之的是多用途船。多用途船可以看成是杂货船、集装箱船、散货船几种船型的混合型船。由于不同货物性质上的差别，多用途船不可能对各种货物都有最高的运输效率。设计多用途船通常以某一类货物为主，兼顾其他货物，例如以集装箱为主的多用途船，或以散货为主的多用途船等。多用途船的优点是灵活，在货源不稳定的情况下，具有适应性强的特点，特别适应中短途的货物运输。对于长航线的运输，多用途船显然没有大型专用船舶效率高。所以多用途船的吨位一般都不大，载重量大多在25000t级以下，大于25000t级的多用途船大多以散货为主。表5.1.1多用途船经济航速DW(t)V(kn)500080008000100001300015000180002200025000以上（散货多用途船）121313141415151614.515多用途船的航速一般介于同吨位的散货船和集装箱船之间。不同吨位的多用途船经济航速约为表5.1.1所列之值。船东从提高揽货能力考虑，常希望服务航速比经济航速再提高1节左右，特别是以集装箱为主的多用途船。多用途船的建筑特征与散货船或中小型集装箱船相似，一般都采用尾机型，上层建筑位于尾部，船首设有首楼。多用途船的主要特点是货舱形式与散货船和集装箱船有所区别。例如图5.1.5是一艘2万吨级的多用途船，货舱设有双层甲板和双列货舱口。多用途船的货舱主要有以下特点：图5.1.5DW=20000t的多用途船 设置双层甲板。船舶装载多种货物时，为了便于理货和防止货物堆高太大，压坏下层货物，杂货船的货舱一般都设有多层甲板。多用途船为了仍能适应装载多种货物的需要，万吨级及以上的多用途船大多设有双层甲板。小型多用途船因型深不大，没有设置双层甲板的必要。在设双层甲板的情况下，如兼顾装载集装箱，下甲板至上甲板的舱口盖板下缘的距离以能装载二层集装箱为宜。双层甲板间的层高可作如下考虑：如果上甲板舱盖上与舷墙间的集装箱下面的高度能让人通行，假设其高度为h1（一般不小于1.9m），舱盖厚度为h2，上甲板梁拱为f（下甲板无梁拱），集装箱与舱盖下缘以及集装箱之间的总间隙为h3，则甲板间高（甲板边线处）最小为：2.5912+h2+h3-h1；上甲板舱口围板的高度（中心线处）为h1-h2-f。总之，下甲板上考虑装载集装箱时，甲板间高要与上甲板的舱口围板高度和梁拱等因素综合起来考虑。图5.1.6敝开式舱口的货舱结构形式 货舱大开口。多用途船为适应装载多种货物的需要，货舱一般为大开口。船宽方向仅设一个货舱口的称为敞开式货舱结构，如图5.1.6所示，其开口宽度一般在0.8B左右，大的也有达到0.83B以上。为补偿结构上甲板剖面积的损失，大开口货舱的船侧一般都采用双壳体结构。为了减轻舱盖的重量及便于开闭和收藏，对于船宽较大的多用途船，不少采用双列式货舱口。双列式货舱口保留了中心线处的甲板，并与舱口围板一起形成箱形的甲板纵桁，如图5.1.7所示。对于双层甲板的船，甲板间有些设有纵舱壁（如图5.1.7（b）所示），甚至双层纵舱壁，有些仅以支柱支撑甲板纵桁（如图5.1.7（a）所示）。甲板间设置纵舱壁的好处是增加了纵总强度，在装运散装谷物时可以减少谷物移动引起的横倾力矩。图5.1.7双层甲板双列舱口的货舱形式 减少货舱数和设置大小货舱。为了提高装卸效率和增加载箱数，减少货舱数是多用途船的一个特点。采用较少的货舱数可以加大货舱和货舱口尺寸，减少起货设备和船口盖的数量。不利之处是同一航次货种较多时理货困难。多用途船为了适应装载大件货的需要，也有采用大小货舱的形式。例如设置3个货舱时，可采用一小二大，设置4个货舱时可为一小三大或二小二大。设置大舱时要注意满足破舱稳性的要求。5.1.2 主尺度的考虑与初步选择船舶主尺度是描述船舶几何特征的最基本的参数。主尺度对船舶的运载能力、航海性能、操作使用和船舶的经济性等都有重要影响。合理地选择和确定主尺度是船舶总体设计中最基本最重要的工作之一，也是开展各项具体设计工作的基础。因此，在新船设计初始阶段的总体设计方案构思中，主尺度的选择是首先要考虑的问题。由于选择主尺度要涉及新船设计的各个方面，在初始阶段这些工作尚未开展，许多因素还不能确定，所以方案构思时对主尺度只能先进行一些基本的考虑和初步的选择，在设计深入以后逐步完善和最终确定。当然，在初步选择主尺度时相关方面的因素考虑周到，矛盾解决得合理，那么后续的设计进展就比较顺利。如果到设计工作的后期才发现问题而必需修改主尺度，那么设计工作的返工量就很大。船舶主尺度是指船长L（一般指垂线间长LPP）、型宽B、型深D和设计吃水d，通常把方形系数及主尺度比参数也归为主尺度的范围。（习惯上把主尺度、排水量、载重量及载客数、航速、主机功率、船员人数等统称为船舶主要要素。）方案构思时，对主尺度的选择首先考虑一个尺度选取范围。这个范围可以用绝对尺度的形式表示，也可以用主尺度比的形式给出，如L/B、B/d、L/D等。确定一个主尺度取值范围可以减少主尺度选择中的盲目性。考虑主尺度选择范围的方法主要有以下几种。 母型船方法：这种方法是根据同类型的吨位相近的实船主尺度资料，结合新船的具体要求，分析母型船在载重能力、积载因素、航速、稳性等主要性能和使用要求方面与新船的差异，根据确定主尺度的基本原理（详见本章5.2和5.3节）分析确定新船主尺度的选择范围。 统计方法：统计方法是建立在同类船统计资料的基础上。这种方法对于常规船型确定主尺度选择范围时也是经常使用的。一般情况下，根据任务书的载重量、航速等基本要求，可以从统计资料中得到新船主尺度的大致范围。选用统计资料时一定要注意统计的对象，是否与新船的类型、吨位大小等基本特征是否相近，不能随意套用。采用统计方法时，有条件情况下最好结合新船特点自己选择统计样本，统计样本不求数量之多，而应注意其相近程度。对于单参数的统计，也可以用简单的图表形式进行，这样可以更加直观。例如图5.1.8是多用途船按载重量统计的主尺度情况。图5.1.8多用途船主尺度统计资料 经验方法：经验方法是指采用一些适用的经验公式估算主尺度，根据估算所得结果再结合新船的特点，确定一个适当的主尺度选择范围。如果在实际工作中积累了一些经验，设计者根据任务书的要求和分析调查研究的结果，一般情况下很容易估算出新船主尺度的范围。在实际的设计工作中，通常并不需要区分什么方法，而是根据实际掌握的资料、经验和知识，采用一切可用的手段和方法，无论是主尺度的绝对数值还是尺度比的参数，都有必要进行估算和分析，以便对主尺度可能选择的范围有一个全面的了解。在研究新船主尺度选择范围时，对尺度比参数的分析是很重要的，因为尺度比参数比绝对尺度更能发映与船舶性能、强度之间的规律性关系。实践表明，主尺度在适宜的尺度比范围内选择，可以有效地控制船舶的一些基本性能。有关主尺度之间的联系规律详见本章5.2.3的介绍。确定主尺度的选择范围和初步选择主尺度的方法及步骤详见5.2节的介绍。在方案构思中，先粗略地选择一个主尺度方案对进行方案构思的其他工作很有帮助，可以使许多问题的考虑具有针对性。5.1.3 主要技术性能的分析一艘新船的质量好坏，与它的技术性能直接相关。船舶的技术性能有很多方面，其中主要有：浮性、快速性、完整稳性、分舱与破舱稳性、耐波性、操纵性、以及船体的强度和振动等。船舶的技术性能关系到使用、安全和经济性。船舶的性能要服从于使用要求，技术性能的提高通常是有代价的，必须与船舶的经济性联系起来考虑，它们之间存在的各种矛盾，需要设计者去权衡。考虑船舶的技术性能，设计者必须针对新船的特点，清楚地了解：哪些性能是要必须保证的，哪些是要力求提高的，哪些是要兼顾的；这些性能与船舶要素之间有何联系和规律；为了达到预期的效果，设计中应采取哪些技术措施。船舶的技术性能大多与船的主尺度、船型系数、总体布置、型线等有密切的关系，因此在设计的初始阶段，在总体设计方案构思和主尺度选择时，就必须对主要的技术性能进行认真的分析和必要的估算。下面我们分别对船舶的快速性、稳性、耐波性等主要性能作一分析与讨论。1. 快速性快速性是船舶总体性能中一项极为重要的性能，与船舶经济性关系重大。研究快速性的问题是在有关约束条件下，希望能以较低的推进功率达到给定的航速要求，或者在给定的推进功率下，尽可能地提高航速。减小阻力，提高推进效率始终是船舶设计中研究快速性问题的两大方面。我们知道，在一定的已知条件下确定船舶的阻力和推进效率，现在已有许多的方法和手段，通常不存在大的困难。然而，在设计的初始阶段，船体型线、螺旋桨等都尚未设计，在考虑主尺度时就要把握新船的快速性，这就显得有些困难，但这又是必须要解决的重要问题。影响快速性的因素，从阻力方面看，船舶的总阻力取决于排水量、航速、棱形系数（或者方形系数）、尺度比（L/B、L/T等）、船体型线等许多因素；从推进效率方面看，对于螺旋桨推进方式，螺旋桨的负荷是主要因素，这涉及到螺旋桨的收到功率、转速、直径和航速。一般来说，单桨功率越大，转速越高，桨的直径越小，航速越低，螺旋桨效率也就越低。从设计的角度来说，解决快速性的问题主要是选择合适的主尺度，优化船体的型线，控制好螺旋桨的设计参数，必要时采用一些改善快速性的特殊技术措施。在设计方案构思中，主要是抓住主尺度与快速性之间的联系进行综合分析，把握好主尺度与快速性之间的关系。当选取了适宜的主尺度以后，其他与快速性有关的船型参数（如型线设计参数）大致上根据与傅汝德数Fn或者CB的关系就可以确定。关于主尺度与阻力的关系在船舶原理（阻力部分）书中已有详细的讨论，本章下节关于主尺度的综合分析中也有简要介绍，这里不再叙述。下面对方案构思中如何考虑快速性问题的基本思路作一介绍。（1） 选用合适的方法估算快速性根据初步选择的主尺度，选用合适的方法估算阻力和推进效率，以便能定量地分析研究新船的快速性。本章5.3.2节给出了一些估算方法，此外在船舶阻力、推进的书籍和船舶设计手册及有关的文献中还可找到不少的估算方法。在选用估算方法时，应充分考虑到新船的特点和估算方法的适用性。任何估算方法（特别是统计回归公式）在适用范围以外使用，其结果通常没有参考价值。有些方法虽然比较简单、粗略，但如果选用适当，其结果往往也是比较可靠的。（2） 分析影响快速性的原因和考虑采取的对策根据快速性的估算结果和任务书对快速性的要求以及相关的约束条件，分析影响新船快速性的主要矛盾是什么，研究主尺度应该如何调整以及可能采取的其他技术措施。例如： 尺度比参数的影响。尺度比参数L/B、L/1/3和B/d对阻力性能都有较大的影响，其中L/B和L/1/3随Fn改变对剩余阻力的影响有相似的规律，总是随着L/B或L/1/3的减小而剩余阻力增加，特别是当Fn0.25以后，剩余阻力增加的程度会加剧。B/d对摩擦阻力和剩余阻力都有一定的影响。如果设计吃水受限制较多，B/d较大，此时应考虑适当增加船长，特别是当CB较大时。 方形系数的选取不仅与Fn有关，还与兴波阻力的“峰”、“谷”有关。有时选择船长时由于要考虑其他因素而不能顾及到Fn是否落入兴波阻力“峰”范围内的问题。如果Fn落在阻力“峰”的范围内，适当减小CB值可减轻其不利影响。 船体型线的影响。根据主尺度粗略估算阻力时，可对不同尺度比和CB对阻力的影响进行比较，但由于近似公式一般都只能代表某类船型的平均水平，对型线的改进和特殊考虑的影响难以反映。所以在分析新船快速性的因素时，应参考型船和其他资料，对新船的型线作出基本的分析。当新船的主尺度比较特殊时，采用适用的特殊型线往往在快速性方面可以得到较好的弥补，例如采用球首，特殊的尾部型线等。 推进方式和效率的考虑。船舶的推进器有常规螺旋桨、可调距螺旋桨、导管螺旋桨和喷水推进器等多种型式，在推进效率上是有差别的。即使是常规螺旋桨，由于转速不同、直径受限制等因素，对推进效率也有不小的影响。此外船尾型线对推进效率也有直接影响。 新船采用特殊节能增效技术措施的可能性。例如桨前反应鳍、前置导管、桨后回收水流旋转能量的叶轮装置等。一般来说，当注重其他因素而选择的主尺度导致快速性不良时，选用适合新船特点的节能装置会有较多的收益。（3） 综合分析，制订方案船舶主尺度的选择并非仅仅考虑快速性的因素，还有许多重要的因素要考虑。所以在分析了快速性以后，还需要综合研究其他因素。只有经过比较全面地分析研究以后，制订出的解决快速性的方案才有可行性。2稳性船舶的完整稳性包括初稳性和大倾角稳性。与初稳性相关的因素主要有：重心高度、型宽以及水线面系数。与大倾角稳性有关的因素除了上述因素以外，还与干舷、上层建筑（符合计入稳性条件的部分）、进水口位置以及受风面积和形心高度有关。从保证稳性考虑，降低重心无论对初稳性还是大倾角稳性都是很重要的，但是设计中受各种因素的限制，控制重心高度的努力和效果总是有限的。水线面系数对稳性有一定的影响，但在型线设计中对水线面系数的选择同样受其他因素的限制。与大倾角稳性有关的因素中，受风面积、进水口位置以及上层建筑大小是由总布置设计决定的，它们受船舶使用要求的限制。所以在方案构思时对稳性的考虑主要还是应从型宽和型深的选择上来控制。船舶适宜的初稳性高必须从上限和下限两方面来考虑：初稳性下限是从保证安全和使用要求来考虑，其最低限度必须满足法规对各种装载情况初稳性高的要求（见第二章2.3节）。初稳性过低的船在不大的横倾力矩作用下就会发生较大的横倾而且回复缓慢，使人有不安全感。此外船在随浪中航行时，当波峰处于船中时，初稳性高会下降，特别是当波长接近船长，首尾型线呈V型时，其下降数值较大。从使用要求看，也需要保证一定的初稳性高。例如，货船尤其是集装箱船在装卸货时、客船在旅客集中一舷时、拖船在受侧向牵引力时、工程船在作业时，都会产生较大的横倾力矩，初稳性不足将严重影响船舶的使用和安全。所以，设计中初稳性下限的考虑除了要满足法规对稳性的要求以外，还需要从实际使用要求出发，确定适宜的初稳性下限值。初稳性上限是从横摇缓和性方面来考虑。初稳性高越大，船的横摇周期就越短，横摇加速度也越大，这对船舶的安全性也不利，并使船上作业困难，设备易出故障，货物受损，更使人员易晕船或感到不舒服。因此，设计中对初稳性高的控制是要求在保证初稳性下限的条件下力求使横摇周期长一些，横摇运动缓和些。为了缓和船舶的横摇，通常希望船舶的横摇固有周期（T）超过航区较常见的大的波浪周期（TW），以避免发生谐振横摇，一般希望T1.3TW 。TW与波长(m)的关系为TW0.8。根据我国沿海和近海的波浪情况，大的波长约为60m80m，则对应的横摇周期T 应不小于89秒，远海（或无限航区）的船舶，如果按波长140m计算，则T 以大于12秒为宜。船舶的横摇固有周期TB / 。由于小船所需的初稳性高一般并不比大船小，法规对稳性的要求也与船的大小无关。所以大船一般具有较大的T值，横摇缓和性较好。对于小型船舶也要求很大的横摇固有周期是不切实际的。宽浅吃水船（通常是船的吨位大，但吃水受限制，船宽取得很大）的初稳性很高，横摇周期往往很小，这也是宽浅吃水船性能上很重要的一项缺陷。横摇周期小，横摇加速度就大，这对于装载甲板货的船舶安全很不利，因此我国法规对非国际航行的江海航行船舶（这种船大多是宽浅吃水型）规定在装载甲板货时，必须满足横摇加速度的衡准要求。在船舶设计中，由总布置来调整重心高度的余地较小，初稳性高（GM）很大程度上由所选择的船宽（B）决定。从适宜的横摇周期出发，希望船舶有适当的初稳性高是用船部门所关心的。航海部门根据经验，以横摇周期不小于9秒为限所提出的GM/B值见表5.1.2，供参考。表5.1.2适度的初稳性高度船型总吨位状态GM/B船型总吨位状态GM/B客货船30005000空船满载0.0840.1110.0520.064散货船500070000空船满载0.1410.1940.0690.110货船500010000空船满载0.0880.1670.0570.092集装箱船300010000空船满载0.0930.1550.0230.045货船1000020000空船满载0.1010.1810.0770.092集装箱船2000040000空船满载0.0940.1500.0090.029油船10000140000空船满载0.3210.3250.1610.167不同类型船舶的稳性和横摇情况常有很大的差别。例如：集装箱船往往是稳性不足；而装载重货的船（如矿砂运输船）又为了降低初稳性高需要采取一些特殊的措施来提高重心；小型船舶要兼顾稳性和横摇，常难有两全齐美之策。有些船舶在设计中要注意稳性的某些特殊问题，例如：客船应注意乘客集中一舷和全速回航时船舶的静倾角；拖船应注意拖索急牵倾侧力矩作用下的稳性衡准要求；散装谷物船需要考虑谷物移动产生的倾侧力矩等等。这些在查阅母型资料时应特别注意，并应熟悉法规的有关规定。3耐波性在船舶设计中对耐波性的考虑是关系到提高船舶在一定的海洋环境条件下航行或作业的能力。船舶在波浪中的运动和加速度引起船体砰击、甲板淹湿、阻力增加和螺旋桨飞车，会导致船体结构损伤、设备仪器损坏、航行失速以及人员疲劳和工作效率低下，甚至伤及人员。因此，耐波性是船舶的一项重要性能，在设计方案构思中就应对此作出认真的考虑。不同类型的船舶，根据其任务和使用特点，对耐波性考虑的程度和采取的措施是有区别的。这主要是因为改善耐波性的措施往往对经济性有影响（如增加造价）。一般来说，军船、客船、渔船、海洋调查船以及其他海上作业船，应将耐波性放在重要的地位来考虑。对于一般货船，根据船的大小对耐波性考虑的程度也有区别。小型船舶由于耐波性问题比较严重，因此在主尺度决定、型线设计等方面对耐波性问题应多加注意。大型船舶一般来说耐波性的矛盾并不突出，所以设计中对此的考虑相对次要些。近年来，国内外有关耐波性的研究较以往已有很大的进展，这主要是计算机应用以后，耐波性的研究除了模型试验和统计研究以外又增加了计算流体力学这一强有力的手段，从而使许多定性的结论发展到定量的衡准，为船舶设计提供了依据，也提高了船舶设计的质量。有关这方面的内容在船舶耐波性的教材、设计手册、文献和专著中有详尽的介绍，本书限于篇幅，不作详细讨论。下面仅从总体设计出发，对耐波性中主要的问题作一简要说明。（1） 横摇在一定的海洋环境条件下，改善横摇的问题主要是提高船舶固有横摇周期和减少横摇幅值。周期和幅值也决定了横摇的加速度。设计中关于横摇周期的考虑在以上讨论初稳性中已作了介绍。对于减小横摇幅值，主要是从增加横摇阻尼方面来考虑。改善船舶横摇的措施，从设备方面考虑，可以选用合适的减摇装置。目前船舶的减摇装置主要有：舭龙骨、减摇鳍、被动式减摇水舱、可控式减摇水舱以及舵减摇系统等。舭龙骨是最简便又有效的减摇装置，几乎被所有的海船所采用。舭龙骨的减摇作用是增加横摇阻尼，在船低速时也有效果，对其他性能和使用几乎没有影响。舭龙骨是安装在舭部距横摇中心最远的部位，通常位于中剖面舭部的方框线之内，纵向沿流线布置。舭龙骨的面积约为LPPB的24。其有效长度随CB增大而增加，在CB=0.60.7时，一般不超过0.4LPP，CB0.8时，可达0.6LPP 。船首、尾端的舭龙骨因距中心线很近，几乎没有作用。横摇性能重要的船舶还可以设置其他减摇装置，其中减摇鳍是各种减摇装置中效果最显著的，减摇效果可达80以上，但在低速时效果迅速下降。减摇鳍有收放型和非收放型两种。小型船舶因地位所限，可采用非收放型。减摇鳍的造价较高。被动式减摇水舱的效果是有争议的，实践中常不受欢迎。可控式减摇水舱的效果在3560，且在低速时也有效，但造价也较大。减摇水舱要占据一定的容积，其增加的重量约为排水量的14，对稳性也略有影响。舵减横摇系统是新发展起来的一种技术，据文献报导减摇效果在30以上。舵减摇的技术关键是能否实现既能操舵（维持航向或回转）又能减摇的控制。随着新的控制技术的出现，舵减摇系统会日趋成熟。（2） 纵摇与升沉船舶在迎浪或斜浪中航行会产生纵摇与升沉运动，其不利影响主要是产生船体砰击、螺旋桨出水、阻力增加以及甲板淹湿等。此外，纵摇与升沉运动产生的垂向加速度超过0.15g时，对船上人员的生活和工作就有较大的影响。因此减缓纵摇与升沉运动无论对船舶的使用和人员的舒适性都有重要意义。船舶的纵摇与升沉运动难以通过减摇措施来改善，只能从主尺度的选择以及型线设计方面来考虑。就主尺度而言，船长L越大越有利，即L/越大，船在各种海况中维持中等程度的纵摇及甲板干燥的航速范围也就越大。为了使船舶在纵摇与升沉运动下能达到较高的航速，纵摇与垂荡的固有周期（T及TZ）应具有较小的值，为此取较大的L/d，较小的CB和较大的CW是有利的。但吃水d太小会增大螺旋桨出水的频率，因此有人建议d/L应不小于0.045。此外，保证船舶空载或压载航行时一定的首尾吃水也是减少船首砰击和螺旋桨飞车的重要措施。由于船长对造价影响甚大，应综合经济性和其他因素一起考虑，但耐波性重要的小型船舶适当增加船长常常是必要的。方形系数CB对船在波浪中运动的影响相对次要些，低速大型船舶CB取大的值对运动影响并不显著。水线面系数CW对耐波性的影响是比较显著的，研究结果表明CW（尤其是前半体的CWF）取大的值对改善耐波性总是有益的。型线的横剖面形状一般以V形为有利，一方面它与大的CW相配合，另一方面也有利于减轻船体砰击的烈度。减少甲板淹湿的一个重要措施是船舶应具有足够的船首高度。船首干舷不足对甲板淹湿影响很大，中小型船舶采用较大的首舷弧或者设置首楼就是为了增加船首高度。我国法规研究机构还从甲板淹湿性角度来研究船首最小高度的衡准，提出了与载重线公约等效的最小船首高度衡准。此外，小型船舶也要注意保持一定的船尾干舷，因为船尾干舷太小，随浪航行时也可能导致船尾甲板上浪。（3） 风浪中的失速船在风浪中航行产生失速的原因，在一般海况下是阻力增加和推进效率降低，这种情况通常称为自然失速；在恶劣海况时，船舶运动超过了所能忍受的程度，为避免严重的甲板上浪、船底砰击或螺旋桨飞车，而被迫大幅降低航速或适当改变航向，这种情况通常称为被迫降速。船舶在风浪中的阻力增加包括逆风航行时的空气阻力和迎浪航行时的水阻力。当风速较大时逆风航行的空气阻力所占总阻力的比例不小，设计中应尽可能控制上层建筑的大小和形状。水阻力的增加主要是由于船的运动和海浪的变形以及这两者的相互影响。船的主尺度和船型系数对波浪中水阻力增加的规律大体上是： 大的CB总是不利的，尤其是在波长与船长之比（/L）大于0.75以后，CB的影响更为显著； 船宽B增大是不利的； 在/L=0.91.25范围内，增大L/可能是有利的： 在型线方面船首U形的剖面形状是有利的，但/L1.2以后，U形和V形的影响差别不大； 浮心位置后移一般是有利的。船在风浪中失速的理论计算方法，目前还不成熟，但有一些近似估算的方法。在设计方案构思中，对风浪中失速的考虑，通常从减少船在风浪中的阻力增加和改善恶劣海况中船的运动二方面入手，在主尺度选择和型线设计以及上层建筑形式确定中加以考虑。此外，在主机选型、螺旋桨设计中应考虑适当的功率储备（也称功率的航海裕度），这对于定班航行船舶尤为必要。4操纵性船舶操纵性的优劣关系到航行的安全，对船舶实际航速也有很大的影响。操纵性良好的运输船舶应具备：足够的航向稳定性；中小舵角时良好的应舵性能；符合要求的大舵角回转性能以及适中的主机仃车和主机倒车时的仃船性能。总体设计中关键是要处理好航向稳定性和回转性的矛盾，避免出现操纵性异常的情况。船舶主尺度对航向稳定性和回转性的影响规律通常是矛盾的，例如L/B增大、B/d和CB减小都可改善航向稳定性，但回转性都会下降。在选择主尺度时应避免出现对航向稳定性或回转性产生极端不利的情况，要兼顾操纵性中航向稳定性和回转性的利弊得失。在船型和主尺度已确定情况下考虑操纵性时，可以从合理地配置舵和呆木、尾鳍等附体来保证新船所需的操纵性能。图5.1.9船体水下侧面积和形状 对航向稳定性的影响合理地配置舵包括确定舵的数目、舵的形式、舵面积以及舵与螺旋桨、船体型线的配合。其中舵面积是一个重要要素，舵面积越大，产生的回转力矩就越大，但舵面积过大，一方面增加了舵机功率和舵设备重量，另一方面也增加了阻力。有关舵的形式，舵面积的选取等参见第七章7.5.1节的内容，舵与螺旋桨及船体型线的配合参见第六章6.3.2节的内容。船体水下侧面积（A）和形状对航向稳定性有很大的影响。当侧面积系数（A/LPPd）较小，面积形心位于中前时，航向稳定性就差，当侧面积形心一定时，侧面积系数大，航向稳定性也会改善。图5.1.9大致给出了这种影响规律。当航向稳定性不好时，船尾设置呆木或尾鳍是一种常用的有效措施，增大呆木和尾鳍的面积能显著改善航向稳定性，对回转性略有影响。所谓操纵性异常情况是指回转阻尼过小，回转性过强，在零舵角附近航向左右不稳定；更有甚者，在把定某一小舵角后，船首还会左右摇摆，甚至反向回转。这种情况说明船对小舵角应答不灵，必须用大舵角才能纠正航向。出现这种情况的原因是，船型丰满度太大，特别是船尾型线过于肥钝或尾框设计不当，舵桨处的流场过分紊乱，存在不定常横流并导致尾部水流不对称分离，从而产生不定向的侧向力。船舶设计中应避免出现这种不稳定的操纵特性。改善肥大船航向稳定性的措施主要是适当增加舵面积，尽量增大呆木或尾鳍的面积，优化尾端型线和尾框的设计。5船体强度和振动及噪声船体强度（包括纵总强度和抗扭强度）的问题不仅仅是结构设计的问题，在总体设计中，如果对结构强度的问题没有充分的考虑，那么结构设计中可能会产生无法解决的困难或者付出不必要的巨大代价，这对于大型船舶尤为重要。从纵总强度方面考虑，主尺度中L/D和B/D参数很重要。强力甲板的货舱开口尺寸（长度和宽度）和主船体的船舱划分都与纵总强度有关，必须统筹兼顾。对于压载量大的大型货船，压载水的分布对压载状态的纵总纵强度关系重大，应在总体布局方面充分考虑尽量减小静水弯矩。对于扭转强度，强力甲板大开口的船（如集装箱船）要特别给予重视。总之，总体设计方案要为结构设计创造条件，既要避免结构损害舱室的有效容积和布置地位，又要保持结构的连续性和改善强力构件的支撑条件，这些需要通过总布置设计来协调。船体的振动是船舶设计中的一个重要问题，应给予充分的注意。导致船体振动的原因主要是主机和螺旋桨的激振力和这些激振力的频率与船体结构的固有振动频率在低阶范围内相等或相近，从而引起共振。当船舶的结构设计完成以后，船体结构的固有频率已经确定了，此时发现有共振危害而再想改变船体固有频率是很困难的。当然，对于局部振动问题可以采取局部加强的办法来改变振动部件的刚性。避免有害振动的措施主要应该从减小激振力和改变振动源频率方面来考虑。即从主机选型（特别是缸数），螺旋桨型式、叶数、转速以及桨与船体及舵之间的间隙等多方面来考虑。对于单桨功率较大的船舶，更应在总体设计方案中将振动问题放在重要的地位来考虑。船舶的噪声对船员和乘客是很有害的。船舶噪声主要来源于螺旋桨和各种机械以及振动导致的结构噪声。控制噪声主要从减振和隔声两方面着手。通过总布置设计中舱室布局、分隔以及隔声、吸音材料的应用等多方面采取措施，可以减少噪声对船员工作、生活和乘客的有害影响。5.1.4 其他方面的考虑总体设计方案构思的内容除了以上讨论的船型与总布置、主尺度和主要技术性能以外，其他需要考虑的重要方面还有主要的技术装备、法规和规范对新船的要求等。1主要技术装备新船的主要技术装备通常有：主机、电站、操纵设备、货舱盖和起货设备、锚泊设备、救生设备、消防设备、防污染设备、以及通讯、助航、信号等设备。这些设备中有些属于其他专业设计的内容，也有些属于具体局部设计中需要详细考虑的，但作为总体设计，所有这些设备的大致情况和基本的配备要求必需了解，并在总体布置设计中给予具体的考虑。在上述各种设备中，至少主机和货舱盖及起货设备在方案构思时，就必须给予考虑，特别是主机的选型，更是新船设计中一项极为重要的工作，对新船的技术状态具有重大的影响。本书的第七章对起货设备、锚泊设备、救生设备等有一些介绍，这里主要对主机选型中需要考虑的因素作一说明。船舶主机的选型，通常由总体设计人员会同轮机设计人员进行。主机的选型必须从总体要求出发，考虑船、机、桨的配合，经过全面的技术和经济性分析后作出。在主机选型中要考虑的主要因素有以下几个方面： 类型：船用主机有内燃机（柴油机和燃气轮机）、蒸汽轮机、推进电动机及核动力装置等，民用运输船舶的主机绝大多数为柴油机。柴油机中也有许多种类型和品牌、型号，例如有些柴油机可倒转，也有需依靠倒顺离合装置来实现船舶的前进和倒退。调距桨也可通过调整螺距来改变推力的方向。船用柴油机的缸数从5缸到12缸的都有，使用较多的是6缸机。选择主机的类型要根据船舶的使用要求，更要考虑船东的习惯和条件。 功率：主机所需的功率取决于航速的要求及船舶阻力和推进的性能。主机在额定转速下，在规定的正常维修周期内按标准环境条件连续运转的最大功率称为连续最大功率MCO，或称连续功率或额定功率。在主机的特性曲线图上，连续最大功率和额定转速的交点代表主机的连续最大运转工况MCR（Maximum continuous rating）。从动力装置设计的角度出发，考虑主机的经济性和维修保养，常对主机功率扣除一个运转裕度OM（Operational margin）。对于运输船舶，其范围为015，常取10。扣除裕度后的主机功率为常用功率。在常用功率和MCR转速下的运转工况称为连续运转工况CSR（Continuous service rating）。推进器设计工况通常还要考虑航海裕度SM（Sea margin），即风浪和污底的影响所引起的阻力增加或推进性能的下降。SM一般在025，国际航行的运输船通常取1015。 转速：船用柴油机根据转速不同，分为低速机、中速机和高速机，中速机和高速机一般需设置减速齿轮箱，以便使螺旋桨有适宜的转速和直径。通常螺旋桨的转速范围为：远洋船舶（90150）r/min；沿海船舶（100200）r/min；沿海小型船舶和内河船舶（200400）r/min。 外形尺寸和重量：由于主机外形尺寸对机舱大小影响较大，因此在条件允许情况下，尽可能选用外形尺寸小、重量轻的主机。一般来说，同等功率下，主机转速越低，外形尺寸和重量越大。高速机和低速机在外形尺寸和重量上有很大的差别。 耗油量与燃油品质：主机的耗油量与燃油品质对船舶的营运成本影响很大。一般高速机只能使用柴油（轻油），而低速机可以燃用劣质燃料油。 价格：不同类型、品牌的船用柴油机价格相差不少。考虑价格时必须与耗油量、燃油品质、相关的配套设备价格以及使用寿命、大修周期、可靠性等因素联系起来，综合分析投资成本与营运经济性。 振动与噪声：应避免主机的振动频率引起船体共振，其中主机的缸数是主要的因素。主机的噪声与缸数也有一定的关系，一般来说，缸数少平衡差，振动也大。 其他因素：如主机的摇控和自动化要求，节能措施（如主机废气和冷却水余热的利用、轴带发电机等）。2法规和规范对新船的要求船舶设计受法规和规范的制约，必须满足相关的规定。法规和规范的规定有很多，与新船有关系的主要有哪些规定，在方案构思时必须弄清楚。在总体设计方案构思时，一般来说首先是考虑完整稳性、分舱与破舱稳性、最小干舷、油船的防污染等规定，这些与主尺度选择直接有关。其次是结构防火、吨位丈量、救生设备、舱室设备等，这些与舱室划分、总布置方案有密切关系。对于国际航行船舶，近年来SOLAS公约和防污染公约连续作出了许多重大的修正，尤其是在分舱与破舱稳性方面，提出了更高的要求。例如，一般干货舱在1992年以前没有破舱