船舶设计原理 第五章 方案构思与主尺度选择

5 1总体设计方案构思 总体设计方案构思的任务 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 总体设计方案构思主要包括以下几个方面的内容 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 5 1总体设计方案构思 散货船船型特征 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 5万吨 好望角型 6 8万吨级为巴拿马型 型宽限制约为32 2m 4 5万吨级的称为灵便型 散货船一般都是低速船 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 5 1总体设计方案构思 散货船图片 5 1总体设计方案构思 75000t散货船总布置图 5 1总体设计方案构思 散货船总布置特征 现代散货船都采用尾机型 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 首尖舱的长度约0 05 0 07LPP 尾尖舱的长度约0 035 0 045LPP 散货船的货舱通常设有顶边水舱和底边水舱 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 运输矿砂的散货船因矿砂密度大 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 5 1总体设计方案构思 集装箱船船型特征 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 巴拿马型集装箱船的载箱数在2500TEU 4400TEU 超巴拿马型的集装箱船都在4000TEU以上 国内正在建造的比较典型的巴拿马型集装箱船为4250TEU 超巴拿马型的为8530TEU 5 1总体设计方案构思 集装箱船布置特征 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 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 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 5 1总体设计方案构思 集装箱船布置特征 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 过巴拿马运河时盲区另有规定 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 5 1总体设计方案构思 4250TEU集装箱船总布置图 5 1总体设计方案构思 5 1 2主尺度的初步考虑 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 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 考虑主尺度选择范围的方法主要有母型法 统计方法和经验公式 需要强调的是 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 5 1总体设计方案构思 5 1 3主要技术性能的分析 主要技术性能有 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 技术性能的指标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 必须清楚 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 在总体设计方案构思中 必须清楚性能与船舶要素之间的联系规律 本节针对船舶的快速性 稳性 耐波性和操纵性作一分析与讨论 5 1总体设计方案构思 一 快速性 船舶快速性包括阻力性能和推进性能两部分 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所追求的目标 从阻力方面看 船舶的总阻力R取决于排水量 航速 棱形系数 或者方形系数 尺度比 L B L d L 船体型线等因素 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 影响快速性的因素 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 船舶阻力的组成 船舶阻力的分类 因此 其中 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 傅汝德数定义 vs 速度 m s g 重力加速度 m s L m 船长 船速Vs通常用节表示 kn 1节 0 5144m s 雷诺数定义 vs 速度 m s 水的运动粘性系数 m s 与水的温度有关 温度越高 越小 L m 船长 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 兴波阻力特性 1 根据兴波阻力理论分析 可得 或 式中 A B C D是常数 是波长 m是系数 mL称为兴波长度 S是船的湿表面积 上式表明 兴波阻力RW是由两部分组成 其中第一项为首尾兴波产生的 自然兴波阻力 第二项是首尾波 横波 遭受干扰产生的兴波阻力 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 兴波阻力特性 2 兴波阻力曲线 由于 是在 1 0 1 0之间变动 因此CW曲线存在凸起和凹陷的现象 也称为兴波阻力的 峰 和 谷 当 时出现 凸起 即此时首尾横波产生了不利的干扰 当 时出现 凹陷 即此时首尾横波产生了有利的干扰 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 兴波阻力特性 3 兴波干扰 兴波阻力随航速成六次方的关系变化 因此兴波阻力占船舶总阻力的比例随航速的增加而迅速增大 对中高速船 约为30 50 对中 高速船减少船舶阻力的努力方向是降低兴波阻力 特别是高速船 兴波阻力中干扰产生的兴波阻力是人们十分感兴趣的研究对象 该部分阻力的大小取决于兴波长度mL 而mL f L Cp 因此 干扰作用主要与船长和棱形系数有关 船舶设计中对应一定的设计航速 合理选择船长和棱形系数对降低兴波阻力有重要的关系 艾亚根据船模和实船试验结果 分析得到的不同FN与波阻 峰 及 谷 的关系见下表 除此以外还有一些估算的公式 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 摩擦阻力 流体的摩擦阻力就是在边界层内发生的 边界层是指粘性流体以速度v流经平板时 在平板表面的速度为零 在距离平板一定范围后 流体速度为v 此范围称为边界层 边界层的厚薄还与流经平板的长度有关 当流过平板一定长度后 边界层的厚薄不再变化 对于粘性较小的流体 如水 流过平板时 粘性对流动的影响仅发生在很薄的一层流体内 即边界层厚度极小 但速度变化率很大 摩擦阻力为 根据摩擦定理 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 摩擦阻力 摩擦阻力的计算 摩擦阻力为 式中 对于光板的层流摩擦阻力系数可得到精确的理论计算公式 即对应的雷诺数RN范围为 3 5 5 0 10 但一般船舶的雷诺数在4 10 RN 3 10 其对应的流动状态是紊流边界层 5 6 9 船舶摩擦阻力系数计算公式是根据平板试验结果导出的经验公式 目前一般用于船模与实船换算的摩擦阻力系数是1957ITTC公式 1957年国际船模试验池会议公式 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 摩擦阻力 摩擦阻力的计算 对于摩擦阻力计算中采用 相当平板 的假定 忽略了实际船体的弯曲和粗糙 会有误差 但研究结果表面 船体弯曲度对摩擦阻力的影响并不显著 试图通过改变船体型线的办法来减小摩擦阻力其效果是不大的 同时 至今尚无公认的对形状效应的修正办法 因此一般不作修正 对于实际船体表面的粗糙度问题 有过一些研究和经验公式 但应用并不广泛 实际计算中对此的考虑 是在光滑平板摩擦阻力系数CF上加上一个与雷诺数无关粗糙度补贴系数 CF 即 我国一般取 CF 0 0004 但对大船通常取更小的值 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 摩擦阻力 减小摩擦阻力一些措施 在一定的航速下 摩擦阻力与船的湿表面积 水的运动粘性系数和船体表面的粗糙度有关 虽然 对于一定排水量的船 较小的L B和B d值可减小湿表面积 但这些尺度比的选择通常还有更重要的因素要考虑 因此 一般来说 减小湿表面积的措施是不大可行的 一种大胆的措施是改变运动粘性系数 例如在船体表面喷注稀释的聚合物溶液 设置空气薄膜装置等 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 粘压阻力 在理想流体中不存在粘压阻力 在有粘性的流体中 由于粘性和压力差影响到边界层内的水质点运动 从能量观点看 船尾形成的漩涡消耗了能量 因此粘压阻力与船的形状有关 粘压阻力主要发生在船体水下形状发生突变的地方 对于丰满度较小的船 主要发生在船尾 对丰满度较大的船 船首肩部 型线发生突变处 也会产生严重的舭涡 因此型线设计中对此应加以仔细考虑 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 粘压阻力 在船模试验换算实船阻力中 为考虑粘压阻力 较多采用的是 三因次换算法 它假定粘压阻力与摩擦阻力之比为一常数k 即 或 船模的总阻力系数表达为 实船的总阻表达为 数值 1 k 称为形状因子 形状因子 1 k 数值的确定是通过试验方法测得 有一定的难度 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 破波阻力 破波阻力的发现是在60年代末 对船首丰满 B d较大 航速又较高的船破波阻力是不可忽视的阻力成分 对于型线瘦削的船型则可忽略不计 破波阻力可通过船模试验测量得到 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 求解船舶阻力的方法 船模试验方法 用小尺度的船模 在拖曳水池中试验 应用相似定律将阻力换算到实船 经验估算方法 根据经验公式和统计公式或母型船的试验资料进行估算 理论计算方法 根据流体力学理论直接计算 例如Shipflow软件 目前 理论方法对兴波阻力的计算已有一些接近成功的算例 对于粘性阻力的计算尚在研究中 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 船舶阻力的估算方法 海军系数法 母型船数据粗估方法 式中 排水量 t V 航速 kn PE 有效功率 kw 在推进效率相当的情况下 海军系数法也可以用于主机功率PD的估算 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 船舶阻力的估算方法 母型船数据粗估方法 按排水量的引伸比较法 当两船水下形状相近时 可用母型船有效功率曲线 PEo Vo曲线 上相应速度处的PEo按排水量换算新船的有效功率PE 如假定推进效率也相当 则可用母型船的推进效率换算得新船的主机功率 具体方法是 首先根据新船的航速按排水量关系计算对应母型船的船速点 根据VO在母型船的PEO VO曲线上查得PEO后 则新船的有效功率PE为 如假定两船推进效率相等 PEO PO PE P 则 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 船舶阻力的估算方法 母型船数据粗估方法 统计公式 例如 适用于中小型船舶的回归多项式估算公式 式中 P 螺旋桨收到功率 kW N 螺旋桨转速 r min 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 船舶阻力的估算方法 比较详细的估算方法 比较详细的估算方法 常用的是采用相近的船模试验资料来估算新船的阻力 相近的船模试验资料主要有两种 一种是相近的母型船船模试验资料 另一种是相近的系列船模试验资料 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 船舶阻力的估算方法 比较详细的估算方法 应用系列船模试验资料估算阻力 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的阻力性能 方案构思中对减少船舶阻力的一些考虑 1 在选择船长时 注意避免兴波阻力位于 峰 的区域 在无法避免时 适当取较小的棱形系数 船型系数中棱形系数对兴波阻力影响重大 2 选择较大的L B和L 较小的B d对降低兴波阻力和粘压阻力有利 但尺度比选择的考虑因素还很多 必须统筹兼顾 特别是不同速度范围的船其设计考虑的侧重点是不同的 1 3 3 在一定的主尺度和船型系数下 船体型线设计是否优秀 对阻力性能仍有较大的影响 必须仔细优化 例如 浮心纵向位置适当后移 削瘦首部型线 以便减小兴波阻力 设置减阻的球首等 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 船舶推进的几种方式 螺旋桨推进 包括 普通螺旋桨导管螺旋桨可调距螺旋桨对转螺旋桨串列螺旋桨等 风帆 明轮 直叶推进器 喷水推进器 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 螺旋桨的参数 1 螺旋桨直径D 叶数Z 2 盘面比 伸张面或展开面与盘面积比 AE A0 3 螺距比 P D 4 叶切面形状特征 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 船舶螺旋桨总的推进效率由以下各部分效率组成 1 传递效率 s它是指主机发出的功率PS与螺旋桨收到的功率PD之比 这中间包括轴系中的轴承效率 尾轴填料函 减速齿轮箱效率等 一般轴系效率约为0 98 齿轮箱效率约为0 96 0 98 2 推进效率 D 也称为准推进效率或拟是推进效率QPC 它是指螺旋桨收到功率PD与有效功率PE之比 有效功率PE与主机发出功率之比称为推进系数 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 3 螺旋桨敞水效率 螺旋桨敞水效率是指单独螺旋桨在水中工作的效率 螺旋桨吸收转矩Q 发出推力T 转矩的无因次系数 转矩系数 KQ和推力的无因次系数KT分别为 式中 D 螺旋桨直径 n 转速 水的质量密度 螺旋桨敞水效率 式中J为进速系数 VA 螺旋桨进速 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 4 船身效率和相对旋转效率 在船尾工作的螺旋桨和在敞水情况下工作的螺旋桨不同 首先 船尾处由于伴流的影响的 水流速度不同于船速V 而且伴流是不均匀的 其次 由于螺旋桨工作时的抽吸作用 导致船尾压力下降 使得船体阻力增加 这些称之为螺旋桨与船体间的相互作用 产生伴流的原因有形势伴流 摩擦伴流和波浪伴流 在螺旋桨盘面各点的伴流速度大小和方向各不相同 取盘面处伴流的平均轴向速度为v 也称为平均实效伴流速度 则螺旋桨与该处水流的相当速度 VA 为 定义伴流分数w 若已知伴流分数 则螺旋桨的进速为 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 螺旋桨对船体阻力的影响 推力减额分数 由于螺旋桨工作导致阻力的增加为 R 则相对的螺旋桨发出的推力也要由T再增加一个 T 称 T为推力减额 即 定义推力减额分数 由此得船体阻力R与螺旋桨推力T之间得关系有 推力减额与伴流之间有密切的关系 螺旋桨在一般工作情况下 推力减额分数t 伴流分数w 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 船身效率 船的有效功率PE螺旋桨推进功率PT之比称为船身效率 船模在桨盘处的各点水流速度可以测量 从而可得到桨盘各半径处的伴流情况 包括伴流的不均匀程度以及平均伴流分数 伴流分数和推力减额的估算公式 详见教材 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 伴流不均匀性的影响 相对旋转效率 由于在船尾工作的螺旋桨盘面上各点速度不等 即伴流不均匀 使船后桨和敞水桨在同一进速下的推力和扭矩也不同 考虑到目前使用的是等推力测量法 因此用相当旋转效率来表示船后桨与敞水桨在扭矩上的差异 相当旋转效率可通过试验获得 对普通单桨船的相对旋转效率约在0 98 1 05之间 双桨船在0 97 1 0之间 螺旋桨设计中 在缺少资料时 一般可取 相对旋转效率也可作写作螺旋桨敞水收到功率PD0与船后桨收到功率PDB之比 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 综上所述 螺旋桨各项推进效率为 推进系数P C为 对于采用普通螺旋桨推进方式 提供推进效率的措施主要是设法提高船身效率和螺旋桨敞水效率 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 简单判别螺旋桨敞水效率可以从螺旋桨功率系数考虑 功率系数 负荷系数 式中 N 螺旋桨转速 PD 螺旋桨敞水收到功率 VA 螺旋桨进速 螺旋桨功率系数越大 敞水效率也越低 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 考虑螺旋桨的性能还有空泡和激振问题 总体设计中 特别对螺旋桨的激振必须加以足够的重视 螺旋桨激振力是引起船舶振动的主要因素之一 现代船舶的吨位 尺度 航速 主机功率和螺旋桨负荷也越来越大 因次螺旋桨的激振力问题也引起人们越来越严重的关切 船舶的振动问题除了设计中仔细把握全船总振动问题以外 局部振动也必须加以重视 为减少螺旋桨激振力对船体的影响 增大桨叶与船体的间隙是有利的 但是 此要求常常与有限的船尾框尺寸发生矛盾 设计中必须对螺旋桨的大小和型线设计中船尾框的尺寸加以仔细的把握 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 螺旋桨设计中的若干考虑 1 螺旋桨的数目 考虑的因素 推进性能操纵性船舶的主尺度和尺度比主机的选型振动 2 螺旋桨叶数的选择 考虑的因素 效率空泡性能振动 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 螺旋桨设计中的若干考虑 3 螺旋桨直径和转速转速与直径的关系 考虑的因素 直径的限制条件主机选型和减速比 4 螺旋桨与型线的配合 考虑的因素 船身效率特殊尾型的考虑 5 1 3主要技术性能的分析 5 特殊螺旋桨 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 螺旋桨设计中的若干考虑 船 机 桨的配合 螺旋桨设计中 通常以设计吃水 新船情况的静水有效功率曲线为对象 但是 船舶实际营运中 不同装载情况下排水量不同 实际海况中有风浪作用 船体会产生 污底 都会使阻力增加 主机使用旧了 发出的功率会有所减小 等等 因此航速 螺旋桨工况都会发生变化 因此 螺旋桨设计中 一方面对设计桨要进行不同有效功率曲线下检验螺旋桨在不同转速时的推进特性 这种检验就是计算绘制航行特性曲线 另一方面 在螺旋桨设计时要仔细斟酌主机的功率点和转速点 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 船舶的推进性能 螺旋桨设计中的若干考虑 主机功率的折扣和有效功率的风浪储备 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 Maximumcontinuousrating 在使用中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 Operationalmargin 对于运输船舶 其范围为0 15 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 Continuousservicerating 推进器设计工况通常还要考虑航海裕度SM Seamargin 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0 25 国际航行的运输船通常取10 15 5 1 3主要技术性能的分析 5 1总体设计方案构思 二 稳性 5 1 3主要技术性能的分析 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重心高度 型宽因素以外 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确定的 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 5 1总体设计方案构思 二 稳性 5 1 3主要技术性能的分析 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要求 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 有不安全感 此外船在随浪中航行时稳性会下降 从使用要求看 也需要保证一定的初稳性高 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 还需考虑实际使用要求 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 5 1总体设计方案构思 三 耐波性 5 1 3主要技术性能的分析 船舶耐波性是研究船舶在波浪中的运动 船的运动有六个自由度 横摇 纵摇 首摇 垂荡 升沉 横荡 纵荡 其中人们主要关心的是横摇 纵摇和升沉 此外 船在波浪中的失速也是耐波性研究中的重要内容 船舶耐波性也有称为 适航性 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 对于一般货船 根据船的大小对耐波性考虑的程度有所区别 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 5 1总体设计方案构思 三 耐波性1 横摇 5 1 3主要技术性能的分析 横摇是指船舶绕纵轴所作周期性的角位移运动 由于横摇复原力矩较小 船在风浪中最容易发生横摇 且摇幅较大 因此对船舶的航行性能影响也较大 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运动的加速度 横摇周期的计算公式 式中 Ix和Ax分别为船体和附连水质量惯性矩 为排水量 t GM为初稳性高 m 由于Ix和Ax都不易计算 习惯上将两者合二为一 即 5 1总体设计方案构思 5 1 3主要技术性能的分析 横摇周期估算公式 IMO近似公式 国内法规近似公式 式中 B d 2 5时 f取1 0 三 耐波性1 横摇 5 1总体设计方案构思 5 1 3主要技术性能的分析 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T 1 3TW 根据我国沿海和近海的波浪情况 大的波长约为60m 80m 则对应的横摇周期T 应不小于8 9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T B 由于小船的初稳性高一般并不比大船小 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 三 耐波性1 横摇 5 1总体设计方案构思 三 耐波性 横摇 5 1 3主要技术性能的分析 改善横摇的措施 设计中对横摇周期的考虑主要通过选择合适的主尺度与尺度比 特别是B d 对于减小横摇幅值 主要是从增加横摇阻尼方面来考虑 改善船舶横摇幅值的措施 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 可控式减摇水舱等 5 1总体设计方案构思 三 耐波性 横摇 5 1 3主要技术性能的分析 改善横摇的措施 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 1 舭龙骨 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LPP B的2 4 其有效长度随CB增大而增加 在CB 0 6 0 7时 一般不超过0 4LPP CB 0 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 5 1总体设计方案构思 三 耐波性 横摇 5 1 3主要技术性能的分析 改善横摇的措施 2 减摇水舱 重力式减摇水舱 如U型 平面 槽型减摇水舱等 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35 60 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1 4 对稳性也略有影响 3 减摇鳍 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 一般使用在横摇性能比较重要的船舶 5 1总体设计方案构思 三 耐波性2 纵摇与升沉 5 1 3主要技术性能的分析 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 5 1总体设计方案构思 三 耐波性 纵摇与升沉 5 1 3主要技术性能的分析 船舶的纵摇与升沉运动一般难以通过减摇装置来改善 主要从主尺度的选择以及型线设计方面来考虑 改善纵摇与升沉的措施 就主尺度而言 船长L大对改善纵摇与升沉运动有利 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 5 1总体设计方案构思 三 耐波性 纵摇与升沉 5 1 3主要技术性能的分析 改善纵摇与升沉的措施 保证船舶空载或压载航行时一定的首尾吃水是减少船首砰击和螺旋桨飞车的重要措施 船型系数中水线面系数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 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 5 1总体设计方案构思 三 耐波性 纵摇与升沉 5 1 3主要技术性能的分析 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 9 1 25范围内 增大L 可能是有利的 浮心位置后移一般是有利的 5 1总体设计方案构思 四 操作性 5 1 3主要技术性能的分析 操纵性良好的船舶应具备 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适中的主机仃车和倒车时的停船性能 解决操纵性的主要技术措施 选择有效合理的操纵装置 控制好主尺度及尺度比 5 1总体设计方案构思 四 操作性 5 1 3主要技术性能的分析 舵是实现船舶操纵的主要设备 操舵能使船舶改变航向 把舵置于零舵角位置则具有稳定航向的作用 操纵装置 舵 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 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 LBP d 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 船型参数对操纵性的影响 5 1总体设计方案构思 四 操作性 5 1 3主要技术性能的分析 船舶设计中应避免出现操纵性异常情况 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 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 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 船型参数对操纵性的影响 5 1总体设计方案构思 四 操作性 5 1 3主要技术性能的分析 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 回转性有特殊要求的船可采用360度全回转螺旋桨 要求快速离靠码头等操纵要求时可设置侧推装置 改善操纵性的其他措施 5 1总体设计方案构思 五 关于船舶振动与噪音的考虑 5 1 3主要技术性能的分析 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振动源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两方面来考虑 例如从主机选型 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 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 5 2主尺度的分析与初步选择 习惯上把主尺度 排水量 载重量或载客数 航速 主机功率 船员人数等统称为船舶主要要素 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 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 方案构思时 对主尺度的选择首先考虑一个尺度选取范围 这个范围包括绝对尺度和尺度比 如L B B d L D等 5 2主尺度的分析与初步选择 一般运输船舶在选择主尺度时需要考虑的主要因素和影响程度 一 主尺度选择时考虑的主要因素 5 2主尺度的分析与初步选择 船长除了对稳性影响较小以外 对其他许多方面都有重要的影响 一般的考虑是 在满足船长尺度限制的条件下 初始选择船长可以从浮力 总布置 舱容和布置地位 快速性这三个最基本的因素来着手考虑 1 船长L 从经济性方面考虑 各个主尺度中船长对空船重量 特别是船体钢料 的影响最大 虽然取较大的L对阻力性能可能有利 可节省燃料开支 但一般来说 船长增加对综合经济性指标的不利影响总是比较大的 所谓 经济船长 的概念就是从经济性有利的考虑来选择船长 一 主尺度选择时考虑的主要因素 对于载重型船舶 还可以首先从浮力和快速性两个方面 再结合总布置来考虑 对于布置地位重要的船可以首先从布置地位和快速性两个方面来考虑 5 2主尺度的分析与初步选择 2 船宽B 在满足船宽尺度限制的条件下 选择船宽时首先考虑的基本因素是 浮力 总布置 舱容及布置地位 初稳性高度 上 下限要求 因船宽对空船重量的影响程度小于船长 从降低造价方面考虑 在同样满足浮力和布置地位的前提下 以减小L 增大B有利 但B过大 L B太小 会造成快速性上的损失 包括风浪中的阻力增加 此外B太大还可能会使初稳性高过大 导致横摇加剧 从快速性方面考虑 如果CB相对于Fn的合理配合偏大时 适当增大B以减小CB 在阻力上一般是有利的 一 主尺度选择时考虑的主要因素 5 2主尺度的分析与初步选择 3 吃水d 设计吃水的选择主要从浮力及保证螺旋桨有适宜的直径这二个方面来考虑 从浮力方面看 用增加吃水来减小CB或B及L 对快速性和减轻空船重量等许多方面都是有利的 当然减小B和L都应满足稳性和布置地位等有关的要求 如果吃水不受限制 对载重型船舶 取适当大的吃水一般是有利的 如果吃水受限制 在不影响L和B满足其他要求的情况下 一般总是用足吃水 如果吃水太小 对桨的直径限制太大 会严重影响推进效率 一 主尺度选择时考虑的主要因素 5 2主尺度的分析与初步选择 4 方形系数CB 方形系数主要根据浮力和快速性两个基本因素来选择 在超常规选择CB时 如选取很大的CB 应注意对操纵性 耐波性等性能的影响 载重型船舶因浮力的需要 选择大的CB 可以减小L和B 对减轻空船重量是很有利的 但是CB对阻力影响很敏感 所以 通常是选取与Fn的配合上不引起阻力显著增加的值 这样选择的CB也称为 经济方形系数 系列船型试验资料中以阻力性能 不产生严重恶化 得到的 临界方形系数 如英国船舶研究协会 BSRA 的系列船模试验资料设计中可参考 对于低速运输货船 从经济性和舱容利用率等方面看 取大的CB总是有利 大型的散货船和油船CB可取到0 86 甚至更大 小型船舶选用大的方形系数时 应考虑周到 慎重对待 为什么 一 主尺度选择时考虑的主要因素 5 2主尺度的分析与初步选择 5 型深D 型深的选择 可按以下两种情况来考虑 对于载重型船舶 舱容要求不高时 如要求的积载因素小于1 4 型深可先按最小干舷的要求来选择 然后通过校核舱容和考虑其他因素来确定 如果舱容要求高 装载轻货 型深可以先从满足舱容要求的角度来选取 对于有布置地位要求的船舶 型深取决于舱内的布置地位 如集装箱船舱内集装箱的层数 客船 滚装船上甲板以下各层甲板的层高等 型深对稳性的影响要区别不同情况来考虑 增加型深会引起重心升高 加大风压倾侧力矩 但型深加大能使甲板入水角加大 增加大倾角下稳性复原力臂曲线下的面积和最大复原力臂对应角 综合起来看增加型深由于重心升高会减小初稳性高 但对大倾角稳性可能有利 初稳性的不足以增加船宽来解决最有效 一 主尺度选择时考虑的主要因素 5 2主尺度的分析与初步选择 6 主尺度的限制条件 国际航线上通航的限制因素还有运河对船舶尺度的限制 例如巴拿马运河现行的通航限制为 船长294 13m 船宽32 31m 吃水12 04m 水面上高度57 91m 通常巴拿马型散货船的总长 型宽为225 0 32 26m 据报道 巴拿马运河将于2007年开工 2014年完工第三通道 其船闸尺度为 长度427m 宽度55m 水深18 3m 对象为12000TEU集装箱船和17万吨的散货船 预定2015年启用 新船预定航线上的航道 包括水深 航道宽度 桥梁通航高度等 港口 以及码头条件往往是限制主尺度的主要因素 在新船设计中对各种尺度的限制必须彻底弄清 一 主尺度选择时考虑的主要因素 5 2主尺度的分析与初步选择 1 长宽比L B 二 尺度比参数的分析 尺度比参数 主要有 长宽比L B 长度型深比L D 宽度吃水比B d和吃水型深比d D 用实船的统计资料分析新船尺度比是否选择恰当是把握船舶基本性能的有效手段 L B参数对阻力影响较大 主要反映在剩余阻力上 因为长宽比影响水线的平均斜度 在相同的航速下 L B减小 剩余阻力增加 如果L B过小 兴波阻力和水流严重分离引起的旋涡阻力会迅速增加 在波浪中的汹涛阻力增加也会很快 L B对耐波性 操纵性都有一定的影响 选取时应结合其他尺度的情况综合考虑 5 2主尺度的分析与初步选择 二 尺度比参数的分析 中等吨位的散货船和多用途船的L B一般在6左右 小型船舶的L B一般比大型船小些 有些船舶在船宽或吃水受限制时 为了提高载重吨位 选取了较大的船长 这种船虽然在空船重量上有所吃亏 但在B和d限制条件下适当增加L所提高的载重能力足以弥补造价上的损失 经济性仍然是好的 美国大湖船就是一个典型的例子 这种船的L B在8 10左右 大型的巴拿马型货船因船宽和吃水受限制 要增加吨位只有加大船长 因此大型巴拿马型船的L B也较大 8 3主尺度的分析与初步选择 2 宽度吃水比B d 二 尺度比参数的分析 B d参数对性能的影响主要是稳性与横摇以及阻力性能 从型线上看 B d大 排水体积较多地集中在水面附近 兴波阻力会增加 所以B d增大 剩余阻力会随之增加 但一般并不十分显著 B d大湿表面积会增加 对摩擦阻力也有较大的影响 B d与CB的适当配合可获得较小的湿表面积 教材中图5 2 6 但设计中争取最小湿表面积的考虑通常不是主要考虑的因素 5 2主尺度的分析与初步选择 3 长度型深比L D 二 尺度比参数的分析 L D参数影响最大的是纵总强度 由于型深的选取 除了满足最小干舷要求以外 主要取决于舱容的需要 因此对于不同积载因数的船 L D会有较大的差别 对于大型船舶来说 由于总纵强度矛盾比较突出 需要有足够的型深来保证总纵强度要求中剖面模数 5 2主尺度的分析与初步选择 三 尺度的初步选择 母型船方法统计方法经验方法 在实际的设计工作中 通常并不需要特别区分什么方法 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 初步选择主尺度的方法 主尺度估算的经验公式和统计公式详见教材 5 2主尺度的分析与初步选择 三 主尺度的初步选择 主尺度选择的步骤 在实船设计中 可以根据实际情况灵活地进行 就一般情况而言 主尺度选择的步骤粗略地可用右图来表示 5 2主尺度的分析与初步选择 三 尺度的初步选择 主尺度的第一次近似值一般用母型船换算或经验公式 统计公式估算 例如教材5 3 1节中的公式 这些公式一般考虑的因素主要是基本性能 特别是快速性 对于载重型船舶 根据主尺度的第一次近似值 一般首先进行重力与浮力以及舱容的平衡 应用第三章和第四章介绍的方法 估算空船重量和舱容 如果不平衡数量较多 则须调整主尺度后再估算空船重量和舱容 直至基本平衡 在性能等其他因素尚未仔细考虑和校核前 重力与浮力以及舱容的平衡不要求精确度很高 因为在后续的性能校核时主尺度很可能还要调整 只要对误差所需的尺度调整量做到心中有数就可以了 当吃水允许改变时 用调整吃水的办法来平衡重力与浮力是比较容易的 否则需同时考虑调整L和B以及CB 5 3主尺度的和主要性能的估算方法 估算方法常用的有经验公式和统计公式 经验公式和统计公式一般不能适应新船的某些特殊因素 例如新船的尺度比超常规的情况 1 估算船长的近似公式 1 母型换算公式当新船与母型船的航速和排水量相近时 可用下式估算船长 式中下标 o 表示母型船 5 3主尺度的和主要性能的估算方法 1 估算船长的近似公式 2 巴土裘宁 Posdunine 公式 式中 V 航速 kn 排水体积 m3 C 系数 巴土裘宁建议取7 2 兰木仑 VanLammeren 建议按教材表5 3 1取 对沿海小型船舶 L 80m 有人建议取7 0 C值也可以根据同类型的母型船资料确定 5 3主尺度的和主要性能的估算方法 2 方形系数的估算公式 其他主尺度和主要性能的估算公式详见教材5 3节以及 船舶设计实用手册 等 亚力山大公式 适用于Fn 0 30 式中 C 系数 一般可取1 08 航速较高的船 Fn 0 22 可取1 06左右 大型低速船 如大型油船 散货船 Fn 0 15 0 17 可取1 12 1 10 对于兴波阻力位于 峰 区的船 C应适当取小 如减小0 02左右 5 4设计方案的优化 船舶设计方案的优化 从大的方面来说 它是运输系统优化中的一个部分 船舶的优化也涉及整个运输系统的优化问题 如果是针对某运输任务所需船舶的优化 则涉及船队的优化问题 但是 对于一个航运公司来说 在市场经济下 很少遇到一个运输系统或建造一个船队的任务 通常只是添加或更新一艘或几艘新船来改善船队的质量 这种情况下的船型优化问题常常需要考虑航运公司的实际情况 也就是优化中有特定的边界条件 从航运公司方面来考虑 新