《7.5m旅游快艇初步设计及布置图建模分析（附曲线图）》15000字（论文）

引言沿海旅游快艇是航行于沿海海域、遮蔽海域、岛屿之间的一种小型功能船，是我国沿海旅游服务中的一项必不可少的项目之一。作为一种旅游快艇，它不仅要能达到一定的速度，还要保证旅客在航行过程中的舒适性，还要求能够进行一定的休闲娱乐活动。我国是一个海岸线较长的国家，沿海旅游业是沿海城市中经济的重要来源，而沿海旅游业的繁荣发展就需要新型的旅游快艇。由此可见，沿海旅游快艇在沿海旅游业中起到了极其重要的作用。本文将进行7.5m沿海旅游快艇初步设计，即参照设计技术任务书要求同时结合所学专业知识，完成主要参数设计、快艇艇型设计、快艇总布置设计并逐步完成对艇体的静水力计算、重量重心的估算、稳性校核、阻力性能计算等。除此之外，还利用了Rhino软件对船舶进行建模设计，用3D模型更加直观的表达出设计艇的造型与性能，更能让人深入了解本次初步设计的快艇。本次设计必不可少的素养即是系统工程思想，结合相关知识，从确定主尺度入手至相关性能计算与校核，完成一艘沿海旅游快艇的初步设计。1设计技术任务书1.1设计技术任务书要求1)航区、用途此次设计的快艇为沿海旅游快艇，主要用于运送旅客并提供海上娱乐休闲服务。该艇主要航行为我国沿海海域及遮蔽航区。2)船型及材料本船的船型为单体滑行艇。本船的船体结构根据强度需求设计为横骨架式，船体结构材料根据具体情况选用纤维增强材料。3)快艇船级本船级拟入编中华人民共和国沿海船级社,按照现行中华人民共和国沿海船级社的《沿海小船入级与建造规范》要求进行船舶设计与建造,并应遵守中华人民共和国《船舶与海上设施法定检验规则》。旅游快艇动力装置本次快艇主机设计选用高速汽油机，本快艇的推进方式设计为双机双桨，且搭配与主机配套的螺旋桨。5）主要参数（1）总长约7.5米；（2）吃水不大于0.4米；（3）最大航速不小于26节；（4）续航力不小于100海里；（5）设定人员不小于14人（船员2人）。1.2母型船资料此次沿海旅游快艇的设计是通过优良母型改造法，以下为母型船资料：1）Loa=12.928m；2）Lwl=11.808m；3）Boa=2.52m；4）D=1.184m；5）d=0.48m1.3本次初步设计的思路及流程第一，先搜集初步设计所需的母型资料以及各种参考文献，然后进行市场调研，进一步分析沿海旅游快艇设计的市场前景以及快艇设计需求。通过现有的单体滑行艇研究和综合专业所学知识，参考设计技术任务要求对沿海旅游快艇完成初步设计工作。第二，通过收集的母型资料分析确定本快艇的主尺度，同时新船的参数只能根据现有资料取得初步估计的范围值。第三，将收集的优良母型型线图进行改造设计，进而完成型线设计。第四，完成型线绘制之后，对新船进行总布置设计。需要考虑舱室的划分、客位布置，内装的设计等绘制。第五，开始对设计船的静水力性能、阻力性能、稳性等各项技术性能进行计算和校核。在此过程中，若计算结果不符合相关规范以及法规等，需要对所确定的主尺度进行重新考量，并进一步完成设计工作。整个设计流程是一个系统工程思想的体现。船舶初步设计更是螺旋式的过程。2旅游快艇主要参数的选择在确定沿海旅游快艇的主尺度和主要船艇参数时，一般从现有船型和航行区域进行系统考量，从而达到沿海旅游快艇的最佳经济性能。沿海旅游快艇作为一种水上运送旅客并提供海上休闲娱乐的客船，不仅具有快速性和舒适性，而且具有实用性和时尚性。由于近年来海洋治理出现新的绿色要求，许多的旅游快艇等需要进行更新换代以及改进现有技术并考虑更加环保的设计，因而需要综合多方面的需求考虑，设计目的是为了更好地使用。2.1快艇主要尺度的初步选择1）总长Loa对于沿海旅游快艇来说，本艇的总长Loa是主尺度选择过程中首先确定的尺度，它在快艇的造价以及总布置上占据了重要的地位。在分析了设计任务书和其他母型船资料后，确定快艇的艇长Loa为7.50m。一旦确定了快艇的总长，满载水线长Lwl和舭部侧投影线长Lp（2-1）快艇的满载水线长Lwl可取0.90Loa，则Lwl=6.75m。快艇的舭部侧投影线长Lp可取0.96L2）型宽Boa由于在此次设计任务书中对本艇的型宽没有做具体的要求，因此在确定型宽时，考虑总布置及乘员的出行体验，收集大量母型船资料对型宽进行参考选择。根据下表2-1的数据,进行绘制了型宽与总长关联的综合曲线。通过拟合数据,最后得出的拟合公式为:Boa=0.029L+2.3861（2-2计算得型宽Boa=0.029L+2.3861=舭部宽度Bp可取（0.82~0.95)Boa，这里取0.85Boa，即Bp=2.22m，表2-1母型船资料表型号总长（m）吃水（m）型宽（m）母型船17.320.52.59母型船27.370.392.59母型船37.440.452.59母型船47.60.352.6母型船57.710.42.58母型船67.380.352.58母型船77.570.382.59母型船87.410.462.59母型船97.480.42.55母型船107.10.42.54图2-1型宽与总长拟合图3）吃水d在考虑本艇的吃水时，需要考虑航行区域及码头的限制因素，因此无法确切的确定。故通过收集的母型船资料，进行绘制了型宽与总长关联的综合曲线。通过拟合数据,最后得出的拟合公式为:d=-0.0801L+1.0039（2-3）计算得吃水d=-0.0801L+1.0039=0.40m。图2-2吃水与总长拟合图4）型深Dℎ对于型深Dℎ的选取，主要是从快艇的总布置设计方面考虑，结合快艇设计时造型方面的要求，最终确定实船的型深Dℎ=2.2快艇排水量的计算1）载重量在计算本艇的载重量时，主要考虑船员及行李、淡水、燃油及其他储藏品和备品的重量，计算结果如下：（1）乘员及行李重量W根据设计任务书的要求，本沿海旅游快艇乘员共14人，设人均体重为65kg，且每人携带10kg的行李，计算乘员及行李重量得W1=1050kg（2）燃油重量W根据本快艇的航速初步选取主机为Mercury·4.5H.O.DTSECT，下表2-2为该主机相关参数。表2-2Mercury·4.5L主机主要参数参数名称参数值品牌Mercury型号功率（kW）4.5L184燃油消耗率g/(kW·h)24000转速（n/min）4800活塞行程（mm）92长/宽/高（mm）696×740×559缸径（mm）102重量（kg）345在计算燃油重量时，由公式（2-4）计算可得：（2-4）其中，g0为燃油装置耗油率，该值近似取主机耗油率的1.20。k为沿海旅游快艇在风浪中受影响的航行系数，这里取为1.20。由于本艇动力装置设置为双机双桨形式，故在计算时，需要将重量加倍。则W2=424kg（3）淡水重量W使用近似公式（2-5）计算淡水重量：总储备量=自持力（d）×人员数×定量（kg/(d⋅人））（关于淡水定量地选择按每人每天100kg，则供应品、储藏品及其他物品重量W3=193kg根据《船舶设计原理》中的规定，取供应品、储藏品及其他杂品总重量（0.5%~1%LW），这里取1%LW，即W4=10kg（5）载重量DW载重量为各项重量和：DW=W1+沿海旅游快艇的空载排水量∆L空船重量一般也用立方数公式（2-6）来估算：∆0=C∆0·N（2-其中，C∆0为空船重量系数，它是由母型船的空船重量除以母型船的立方数求得的。空船重量计算所需数据有下表2-3表2-3空船重量计算表名称主尺度(m)满载排水量（t）立方数空船重量（t）C=∆母型船7.5×2.7×1.33×0.453.126.9331.3750.501设计船7.5×2.6×0.98×0.419.2660.984此次设计取排水量裕度为5%，由此得本艇的空船排水量为1032.78kg。3）沿海旅游快艇满载排水量Δ计算得满载排水量Δ=Dw+∆L=2.3重要的快艇参数1）沿海旅游快艇面积载荷系数的确定面积载荷系数对快艇的阻力具有重要影响，艇的阻力与该系数的变化相关，若该系数增大则阻力减小，所以在本次设计中，快艇的舭部折角线和艉板所围的水平投影面积Ap的选值一般落在（80％~86％）Lp×Bp[2]，这里取85％。计算可得Ap的值为13.586m²，因此面积载荷系数计算得5.454。2）沿海旅游快艇体积傅汝德数由公式（2-7）计算：（2-7）由公式计算得Fv≈4.2。图2-3为根据水线和航速确定艇型的设计参考图[2]，由图可知，本艇属于滑行艇，再结合计算结果及图可确定本艇为滑行艇（3.0＜Fv≤4.5）。由此可根据航速初估本艇的重心位置，滑行艇的重心位置为（35%~43%）Lwl[2]，因此确定本艇的重心相对最佳位置为40%L图2-3艇型设计参考图[2]2.4沿海旅游快艇设计参数汇总本快艇的各项技术性能随着艇体主要参数的改变而大有不同，因此在选择快艇的主尺度和艇体参数时需全面考虑。经计算，将本快艇的主要参数的选择汇总如表2-4。表2-4沿海旅游快艇主要参数汇总参数参数结果7.50m6.75m7.20m2.60m2.22m0.40m0.988m1032.78kg2760kg服务航速36kn续表2-4面积载荷系数5.454体积佛氏数4.20，属于中高速艇（滑行艇）重心相对最佳位置取40%Lwl=2.7m2.5本章小结首先，在确定本艇的主尺度时要将设计任务书的要求和自己设计时本艇所要体现的功能特点。其次，主要尺度的确定要参考各种优秀母型船系列资料以及各种计算公式及其适用性，避免误用公式导致的估算错误。最后，在整个确定流程中要树立系统工程的思想，保证本艇的主尺度及其他重要艇体参数在计算时无误，并尽可能地让已初步拟定的主尺度在后续的设计过程中避免重复性修改。3沿海旅游快艇型线设计在现代船艇的设计中，快艇的型线特征包含了许多船型参数，不同的参数会影响型线特征，也对艇体主要技术性能具有非常大的影响。即要使设计新艇与母型艇的主要船型参数一致，但若是艇体形状不同，二者在性能上也会有很大的不同。对于快艇的设计来说，不仅快艇的主尺度会影响到性能，而且型线的影响会更大。实际上，单就快艇的性能来说，其重点就是型线设计。3.1沿海旅游快艇艇型选择1）现代艇的艇型主要可分为三类，即圆舭型、尖舭型、混合型。不同的艇型在不同方面也有不一样的性能优劣。根据表3-1可以分析确定适合此次设计的艇型。表3-1沿海旅游快艇艇型选择参考性能性能考虑选择适航性FL≤0.40.4＜FL≤1.1FL＞1.1圆舭型艇两者均可尖舭型艇静水阻力两者均可掩湿性尖舭型艇超载能力尖舭型艇航向稳定性尖舭型艇动态稳定性尖舭型艇运送效率EtFV≤1.8FV＞1.8圆舭型艇尖舭型艇由艇型参数可得FL≈2.259，FV≈4.2，同时尖舭的主要功能是使水流从舭2）沿海旅游快艇横剖面形状确定由于沿海旅游快艇是高速航行艇且受风浪影响较大。而深V型横剖面形状的舭部斜升角要大一些，可以更好地改善快艇在风浪中的性能。平面舭剖面在动态航行方面可以提高动升力，又能将海浪对船主体影响减小。所以，本快艇选取深V型平面舭剖面。3）舭部折角线形状确定折角线的高低、宽窄与舭部斜升角有直接的关系，而舭部斜升角对快艇的性能的影响巨大。对于中高速艇而言，折角线在艏部有升高，给予人一种飘逸欲飞的感觉。在设计折角线的侧面形状时，其位置会随着设计航速的不同而在一个范围内前后变动；其次，要注意折角线与艏柱的交点高度，速度越高，该交点越高，折角线与设计水线的交点也就越靠后，一般在船中靠前处性能最佳；最后，速度较高的艇，艉部折角线较宽，面积形心比较靠后。本快艇的折角线（面）如图3-1、3-2所示。图3-1沿海旅游快艇折角线图图3-2沿海旅游快艇折角线图3.2沿海旅游快艇型线设绘型线设绘是船舶总体设计的重要内容之一。初步设计阶段中的型线设计通常是在船舶主尺度（L、B、D、d）确定后开始设计工作。型线设计考虑是否周到，设计出的型线是否优秀，对船舶的航海性能、使用以及建造等方面有很大的影响。型线设计的方法有母型船改造法、优良船模资料法、计算机生成型线法等。其中，母型改造法是利用与新船相近的优秀母型船的型线资料，这样不仅保留了母型船的良好性能，而且能更好把握新船的各项技术经济性能。所以，此次设计采用母型船改造法。首先，根据设计船与母型船各项尺度的比较，计算出各项尺度的比例，进而对母型船的横剖面进行线性变换；其次，将所变换的横剖面进行重新分站和划分水线。最后，绘制格子线、确定绘图比例、测量横剖面中的半宽值以及高度值绘制出设计船的纵剖面图和半宽水线图，进行三面投影光顺配合。设计船的横剖面、半宽水线面、纵剖面如图3-3、3-4、3-5所示，型值表见附录A，型线图详见附录B。图3-3横剖线图图3-4纵剖线图图3-5半宽水线图3.3本章小结首先，型线的设计需要上一步所计算的快艇相关参数包括体积傅汝德数以及长度傅汝德数等，这也是系统工程思想和螺旋式设计流程的体现。其次，型线的设计要充分考虑到此次设计的快艇需要达到什么样的功能以便选择合适的艇型进而设计。最后，在采用优良母型船按吃水进行型线的缩放时，特别注意缩放以后的吃水是保持不变的，但是要关注缩放以后的水线以及站距，并将其进行合理的调整，选定适合的绘图比例，绘制格子线，进而完成型线的改造及绘制。4沿海旅游快艇总布置4.1总布置设计原则总布置是总揽全局性的一项工作，它不仅涉及到各个方面，而且贯穿了一艘新艇设计的各个阶段。其基本原则是舒适且切合实际。没有舒适性就不符合沿海旅游快艇的初衷，而不切实际的舒适就可能适得其反。因此，在此次设计的过程中，不仅要考虑船艇的造价以及建造工艺，而且要用人机工程学的思想来综合考量设计工作的可行性。在设计中，要最大限度的考虑船员能否在该舱室内正常工作，并在实现沿海旅游的功能下愉悦地完成工作。与此同时，还需要考虑乘客有一个相对舒适的环境以达成旅游的目的。4.2总布置设计要求1）乘客高度艇上乘员的高度一般考虑成年男性的高度，本次设计就以身高等于1800mm的男性为基准来作为设计考量的出发点。2）舱室的净层高以乘客净身高1800mm为基准，在艇上设施及设备正常操作的基础和艇上各个舱室的净层高不应小于2000mm的情况下，否则会让人有压抑感，故以室内2200mm的净高为设计高度，符合设计的要求。3）座椅尺寸本沿海旅游快艇的驾驶座椅高度为800mm，布置在主甲板的驾驶室7~9站之间并设置该座椅可在高度和前后、左右方向上都可调，宽度为500mm，且根据人体工程学设计，配有折叠式扶手以及脚踏板；普通座椅高度是430mm，椅背和坐垫间的夹角设定为95°，布置在4~6站之间；均符合设计要求。4）柜台为了提供驾驶员有舒适的驾驶环境，驾驶室的驾驶台高度设置为950mm，布置在8~9站之间。5）走道本艇属于小型旅游快艇，在考虑客位及其他设施的布置下既能满足布置要求，也能符合规范要求。故本艇设计普通走道的宽度为640mm。6）台阶在快艇内部向下的空间延伸的舒适性和方便性时，将本艇普通台阶每级高度设计为200mm。7）栏杆栏杆的布置根据所设计的上下船方式在尾部安装可推拉式的封闭栏杆，在乘员上下船的时候开启可以方便通行，同时在海上航行游玩的时候将其关闭以保证安全。艏部栏杆的安装是为了船员工作和维修进行时给予必要的防护措施。8）机舱布置机舱布置的关键在于主机的位置，本次设计主机位于船艉部，其他的设备就围绕着主机来布置。故本艇的机舱布置设计在艉部，该位置远离乘客乘坐区域，为乘客的休闲娱乐提供较好的环境。本次机舱的布置采用传统的斜轴V形传动，如图4-1所示。采用这样的机舱布置相对紧凑，空间利用率较高，符合近、便、顺、隔、净五个方面的布置要求。而操舵系统布置在艉封板前面，舵轴的位置保证了舵叶的随边在艉板内，从而避免了舵叶转动时吸进空气，影响螺旋桨的运作。图4-1斜轴V形传动9）淡水舱、污水舱布置淡水舱布置在驾驶舱的舱底，污水舱与淡水舱对称布置，这样，可以使重量重心均匀分布于全艇。水舱的容量约为400L，故淡水舱设为600mm×800mm×320mm，污水舱设为600mm×800mm×320mm，进而满足本艇出海航行的需求。10）燃油舱布置本次设计沿海旅游快艇所采用的发动机为汽油发动机，所以将本艇的燃油舱布置在机舱往前的一侧，即布置在比全艇重心稍往前一点的地方，这样，随着燃油的消耗，艇的重心后移对减少阻力有利。本艇的燃油舱下留有一定的高度作为隔离作用。根据计算排水量时得知油舱的容量约为800L，以此设计本艇的燃油舱尺寸大小为1200mm×2500mm×300mm。4.3总布置图设计绘制1）主甲板舱室布置本艇主要功能是用于沿海旅游，故本艇的不同舱室根据使用功能的不同，将主甲板分为3个区域，分别是驾驶室、乘员室、观光区，如图4-2所示图4-2主甲板舱室分布图驾驶区是全艇的控制中心，所以将其布置在主甲板室最前端的中央，该区域设备包括驾驶台、水平罗盘、驾驶椅、方向仪等。驾驶台在舵轮的部分台面倾斜15°，主要布置主机操纵柄。主机显示器、舵角显示仪、侧推器操纵纽、油位显示器以及各种开关等。倾斜的目的主要是为了使驾驶员可以清楚地观察仪表，方便地操纵主机操纵柄和各种开关。舵轮垂直安装在驾驶台正面，中心离地面700mm，其直径为320mm，由柚木制成。驾驶员可以直接操纵舵轮来控制艇的航向。驾驶员所处的位置对于驾驶安全性具有非常大的影响，为保证本快艇在航行时的安全，驾驶员所处位置的前方30°范围内，不得有任何的遮挡，并且要求航行时视野“盲区”应在4倍艇长或者50m之内。由以下两个参考公式（4-1）和（4-2）校核：若巡逻艇航行纵倾角，（4-1）若巡逻艇航行纵倾角，（4-2）本巡逻艇的对应参数如下表4-1：表4-1盲区校核计算参数项目数值巡逻艇总长Loa7.50m眼睛到盲点的水平距离A2.98m水面到盲点的垂直距离H0.85m将公式（4-1）和（4-2）得出结果汇总于表4-2：表4-2盲区校核计算结果项目数值垂直距离C10.33m假定的航行纵倾角τ4.5°垂直距离C20.30m实际的垂直距离C0.78m由表4-2可得，本快艇的实际驾驶员眼睛到盲点的垂直距离C大于应满足的距离，故本艇的视野范围满足设计要求。本艇视线检查如图4-3所示。图4-3视野范围检查图本层甲板包括驾驶室、乘员室、卫生间以及艉部的观光区。在乘员室中，各乘员座位间的走道宽度为640mm，并设有舱口盖以通往储物舱。卫生间布置在艉部进门一侧，游客到达方便且不影响他人的休闲娱乐。艉部观光区空间较为宽敞，游客可在此区域感受海上风浪带来的激情，也可以在此拍照留念。毗邻乘员室的后部布置有储物柜和饮水机，可为游客提供游玩之余所需的零食酒水。艉部设置有通往机舱的舱口盖，以便工作人员进去检查和维修。主甲板布置图如图4-4所示。图4-4主甲板布置图2）下甲板绘制本艇的下甲板布置可以直观地表达各舱室沿船长方向的布置情况。发动机、主机以及其他机械装置围绕着艉部安装，可以减少管系的布置，使得机舱相对简洁宽敞，同时有助于操作人员进入内部进行检查和维修。储物舱布置在乘员室下方，便于取拿。淡水舱与污水舱对称布置在前中部，可以使全船重量相对均匀分布。下甲板布置图如图4-5所示。图4-5下甲板舱室分布图3）外甲板设备布置外甲板设备主要为系泊、安全和航海而设，包括锚、锚链和锚机，系揽柱和导缆孔，栏杆和扶手，用于快艇排水的进水孔、流水孔等。而本艇还配备了保障通讯正常使用的无线电天线，航行时所需的信号灯以及照明使用的高功率照明灯，还有其他的航行设备如喇叭及扶手。本艇的设备从坚固、耐用、轻盈、安全等方面出发兼顾合适的造型加以布置。4.4本章小结船艇的总体布局是设计环节的重要内容之一。实际上，许多游客对沿海旅游快艇的第一感觉就好比一见钟情的感觉，是先感性而理性。只有在快艇下水试航时，才转变为对性能优劣的重视。而我们在设计时要二者兼顾的考虑，这样，既保证了船艇必要的性能，又能完成先进美观的外形设计。首先，总布置设计要有流程可循，不然会导致设计过程中得此失彼。虽然在此次设计过程中遭遇了不少的坎坷，但是锻炼了自己，以便建立系统工程的思想方法。船舶设计流程正是一环接一环的螺旋过程。5性能设计5.1性能设计概述船艇性能，是每一个造船设计师在任何一种船型设计时都要仔细考虑的问题。船艇特性设计是评估快艇在航速、安全和稳定、快速性等各个方面的特性。此性能设计一般包含快艇的空船重量重心的计算、静水力的计算、快艇满载出港及满载到港两种载况下的稳定性校正、静稳性计算和大倾角稳性计算结果等一系列特性的计算结果。通过这一系列计算结果,可以详细地分析所设计快艇的各项运行性能特点。5.2重量重心计算本快艇的重量包括；空载重量、半载重量、满载重量。其中，半载重量指的是船只载货按设计规定的载货量但油水等供给品为设计储存量的50%时的重量。而满载重量为船上装载按设计规定的储备量且油水等供给品为设计储备量100%时的重量。空船重量重心计算空船重量重心的计算结果对于其他方面性能计算有较大的影响，此次对空船重量重心的计算由2.2中得知，假定重心垂向坐标约在（0.8~0.9）之间。此次设计取为0.8。本快艇的重心纵向位置取的40%。这里知空船重量LW=1032.78kg，重心距基线高Vcg=0.7904m，重心距船舯距离Lcg=2.7m。在重量重心的计算中，假设供应品。储藏品100kg，其他杂物10kg。乘员的垂向重心高度取为主甲板上人员的一半处。对本快艇的轻载、半载、满载等不同载况进行重量重心的计算，结果见表5-1。表5-1重量重心计算结果项目重量/kg巡逻艇轻载重量1032.780.792.740.00燃油50%212.000.223.130.80淡水50%96.500.225.060.00乘员10位910.001.905.000.00个人用品140.001.905.000.00供应品、储藏品50%25.000.304.350.00其他杂物50%5.000.344.350.00污水50%100.000.312.830.80载重量（半载）1488.501.414.580.05巡逻艇半载重量2521.281.163.830.00燃油100%424.000.293.130.00淡水100%193.000.315.060.00乘员10位910.001.905.000.00个人用品140.001.905.000.00其它杂物100%10.000.304.350.00载重量（满载）1727.001.274.530.00巡逻艇满载重量2759.781.093.860.00将计算所得沿海旅游快艇空载重量、半载重量、满载重量以及三个方向X、Y、Z上的重心坐标值如表5-2所示。表5-2沿海旅游快艇重量重心位置汇总项目重量/kg巡逻艇轻载重量1032.780.792.740.00巡逻艇半载重量2521.281.163.830.00巡逻艇满载重量2759.781.093.860.002）重力与浮力的平衡校核根据浮力原理，快艇的重力与浮力应大小相等，方向相反且位于同一铅垂线上。对于本艇而言，满载出港的载重量与设计吃水处的排水量应相等。由表5-2计算得本艇的满载载重量等于轻载重量加上载重量，等于2.76t；而根据静水力的计算，新艇在设计吃水处的排水量为2.84t。浮力与重力的差值小于5%。因此，可认定本艇的重力与浮力平衡，无需调整主尺度。5.3静水力计算静水力计算采用Excel表格以及AutoCAD绘图进行，从而计算出浮态及稳性所需数据并绘制静水力曲线图。静水力计算表如表5-3~5-5所示。表5-3静水力计算结果（一）水线号Si（m2）（m3）（t）XF（m）XC（m）150WL4.9170.3690.387-0.575-0.575300WL10.8671.5531.591-0.591-0.583400WL13.5652.7742.844-0.433-0.548600WL15.4315.6745.816-0.200-0.426800WL16.8968.9079.129-0.031-0.312表5-4静水力计算结果（二）水线号ZB（m）TPC（t/cm）BM/(m)BMLMTC（t/cm）150WL0.1500.0500.72442.7040.024300WL0.2290.1111.75325.1250.058400WL0.2850.1391.77317.2630.072600WL0.3980.1581.12410.1890.086800WL0.5090.1730.8307.8110.104表5-5静水力计算结果（三）水线号CVCWCBCM150WL0.5000.2520.1260.164300WL0.4760.5570.2650.333400WL0.5110.6960.3560.443600WL0.6130.7910.4850.595800WL0.6590.8660.5710.681根据静水力表格计算内容在AutoCAD绘制出静水力曲线图，如图5-1所示。大图见附录D。图5-1静水力曲线图在AutoCAD软件中绘制邦戎曲线图如图5-2所示。大图见附录E。图5-2邦戎曲线图5.4快艇稳性计算5.4.1初稳性校核1）船舶在外力作用下会偏离其原平衡位置而倾斜，当外力消失后，能自行回复到原平衡位置的能力，称为船舶稳性[3]。船舶稳性与初稳性高密切相关。此次稳性校核取船舶典型载况中的满载出港和满载到港两种载况进行计算校核。本快艇的满载出港和满载到港时的重量重心如表5-6所示。表5-6满载出港、满载到港重量重心项目重量/kgZ/mX/mY/m满载出港2759.781.093.860.00轻载重量1032.780.792.740.00燃油10%42.400.162.830.00淡水10%19.300.164.930.80乘员10位910.001.905.000.00个人用品140.001.905.000.00供应品、储藏品10.000.303.740.00其它杂物8.000.303.740.00续表5-6载重量1129.701.784.900.01满载到港2162.481.313.870.01由计算表可得快艇在这两种典型载况时的重量分别约为2.76t和2.16t。从静水力曲线图中找到满载出港和满载到港对应排水量的点，分别测量出这两种载况下的艇体吃水，如图5-3所示。图5-3满载到港及满载出港数据状态由静水力曲线测量得，满载出港时排水量为2.76t，吃水约为0.4m；满载到港时排水量为2.16t，吃水约为0.374m。两种载况的数据如表5-7所示。表5-7稳性计算结果汇总序号项目/单位满载到港满载出港1船舯吃水/m0.3740.42水线长度/m6.676.75续表5-73排水量/t2.162.764水线面面积/m²0.3740.45菱形系数（CP）0.3740.46方形系数（CB）0.3740.47最大中横剖面系数（CM）12.38813.5658水线面系数（CWP）0.7970.8029浮心纵向位置/m0.30940.35610漂心纵向位置/m0.3870.44311浮心垂向高度（KB）/m0.6350.69612重心垂向高度（KG）/m-0.521-0.54813横稳心半径BMt/m-0.536-0.43314纵稳心半径BML/m0.2530.28515每厘米吃水吨数（TPC）t/cm1.311.0916每厘米纵倾的力矩（MTC）t/cm1.8151.773由上表5-6、5-7计算结果可对这两种载况的初稳性高进行计算。初稳性高度的计算按照公式（5-1）进行计算：GM=KB+BM-KG（5-1）初稳性高的结果如表5-8所示。表5-8初稳性高结果项目、项目满载到港满载出港GM/m0.7580.968KB/m0.2530.285BM/m1.8151.773KG/m1.3101.090ZM/m2.0682.058由表可得，在满载到港时，快艇的初稳性高GMt为0.758m；满载出港时，快艇的初稳性高GMt为0.968m，均大于规范所要求的下限0.35m，满足沿海旅游小艇相关规范对初稳性的要求。2）横摇周期估算与校核船舶的横摇周期与初稳性高有一定的关联。初稳性高越大，横摇周期越小。反之，则横摇周期越大。船舶的横摇周期可由公式（5-2）计算：（5-2）其中两种典型载况的横摇周期计算结果如表5-9所示。表5-9横摇周期结果载况d/mLwl(m)C值满载到港0.3746.670.5300249483.165665717满载出港0.46.750.51959752.7462035095.4.2大倾角稳性计算1）绘制乞氏剖面手工计算大倾角稳性时，为了尽量使计算简便，一般都采用乞氏法。一般取9~12个站号，此次设计取9个站号，在AutoCAD中将其分为9个剖面。如图5-4所示。图5-4乞氏剖面图2）选取计算水线计算水线一般取4~5根。此次设计取4根水线，在选取水线时，最高水线略高于满载水线而最低水线略低于空载水线，分别为200WL、300WL、400WL、500WL。3）量取入水和出水宽度a和b首先，在AutoCAD中绘制出各倾斜水线间的等分角线φ=5°、15°、25°、35°、…，其对应的倾斜水线分别为φ=10°、20°、30°、40°、…。然后，量取每一等分角线处各横剖线入水和出水部分的坐标a和b。如图5-5所示。图5-5入水及出水楔形量取图根据量取的坐标值，计算出稳性插值曲线结果如表5-9~5-11所示。表5-9稳性插值曲线计算结果（一）水线横倾角10°20°30°200WL排水体积（t）0.8871.4232.201静稳性臂（m）0.2190.5250.723续表5-9300WL排水体积（t）1.8872.5283.432静稳性臂（m）0.3480.5770.745400WL排水体积（t）3.1503.8384.747静稳性臂（m）0.3380.5570.715500WL排水体积（t）3.7944.5275.172静稳性臂（m）0.3530.6010.730表5-10稳性插值曲线计算结果（二）水线横倾角40°50°60°200WL排水体积（t）3.1893.9044.434静稳性臂（m）0.8440.8540.861300WL排水体积（t）4.2424.8505.310静稳性臂（m）0.8180.8280.808400WL排水体积（t）5.3265.7436.042静稳性臂（m）0.7710.7890.780500WL排水体积（t）5.5575.7875.939静稳性臂（m）0.7870.8080.802表5-11稳性插值曲线计算结果（三）水线横倾角70°80°90°200WL排水体积（t）4.8645.2455.606静稳性臂（m）0.8270.7680.691300WL排水体积（t）5.6816.0026.299静稳性臂（m）0.7650.7050.629400WL排水体积（t）6.2766.4726.647静稳性臂（m）0.7480.6960.627续表5-11500WL排水体积（t）6.0456.1296.198静稳性臂（m）0.7720.7200.649据表5-9~5-11中的计算结果绘制稳性插值曲线图，如图5-6所示。图5-6稳性插值曲线图利用变排水量的计算方法，根据稳性插值曲线图可量取满载到港水线对应的排水体积下的静稳性臂，并计算出动稳性臂的值。在稳性计算中，应该把自由液面对其的影响进行修正。计算结果如表5-12，其中修正因子k在图5-7中查得iT。表5-10自由液面修正计算项目燃油舱1.22.50.30.128500.0056254.78125淡水箱0.60.80.320.410000.0021845332.184533333图5-7最小操作状态下的修正因子k自由液面的修正通过公式（5-3）计算：（5-3）经过自由修正之后快艇满载到港状态下静稳性和动稳性计算数据如表5-11所示。表5-13静稳性和动稳性曲线计算数据/m/m/mM/kN·mLd/m·radTR/kN·m00.0000.000000.00000.000100.0410.00000.0418.3840.0040.732200.0140.00000.0142.8290.0081.712300.0170.00000.0173.4820.0112.2644）稳性衡准数K校核根据表5-11所计算的数据及公式（5-4）可计算出稳性衡准数：K=lq/lf（计算结果及校核结果如表5-14所示。表5-14稳性衡准数K校核横倾角10°20°30°静稳性臂（m）0.0410.0140.017动稳性臂（m）0.0040.0080.011稳性衡准数K10.251.751.55由表5-12结果可知，本快艇的稳性衡准数K均大于1，故本艇大倾角稳性符合规范要求。5）绘制静、动稳性曲线图由表5-12及5-13计算数据绘制静、动稳性曲线。如图5-8所示。图5-8静、动稳性曲线图6）重物移动对GZ曲线影响我们可以利用初稳性高GM来求出重物移动后的横倾角，由公式(5-5）计算可得:∅0=57.3δw由上式计算得当所有乘客都集中在一舷时，其横倾角∅0为3.79°，参考规范得知当所有乘客归于一舷时其横倾角一般不大于5.0°7）动横倾分析动横倾状态下快艇航行时会出现一种不稳定的状态，通常中高速艇都需要校核动横倾现象。若一艘快艇的面积载荷系数Ap/∇23≤5.8,而重心位置系数(Lca−Lcg)/图5-9动横倾检查图豚跃是指快艇在静水中以高速航行时，由于水动压力的改变，其航行纵倾角和升沉以一定的振幅和频率像海豚一样在水中不断跃动的现象[2]。周期性的升沉和振荡运动对艇体具有重要影响。在本次设计中采用萨维斯基限制曲线进行豚跃现象的校核。可由公式（5-6）、（5-7）、（5-8）计算得：（5-6）（5-7）（5-8）计算所得结果如表4-11、4-12所示。表5-15豚跃计算结果（一）静载荷系数CB艇宽傅氏数CV水动力系数C0.2924.0550.0410.268表5-16豚跃计算结果（二）β01020τcr5.2296.569结合所得结果可由下图5-10判断是否发生豚跃现象。图5-10豚跃检查图由图5-10可知，本艇不会发生豚跃现象5.5阻力计算此次设计的船舶为高速滑行艇，可利用的阻力计算方法有：母型船系列资料法、穆雷法船模试验法、萨维斯基法等。根据建立的模型，本次计算采用萨维斯基法。裸体船总阻力Rtℎ可用公式（5-9（5-9）艇底水流平均速度和须状飞溅面积产生的阻力可用公式（5-6）、（5-7）计算：（5-10）（5-11）Sspcosθ和（5-12）（5-13）由此可写成式（5-14）：（5-14）最终阻力可由公式（5-14）计算得到。Maxsurf是一套非常完整的船舶设计和计算机辅助建造软件，是由设计师和造船商共同研发，适用于各种类型的船舶设计、分析和建造。在这里，阻力的计算则采用MaxsurfResistance进行计算：将建好的船体模型使用import导入Maxsurg软件，并将导入的模型进行型线比对，优化所导入的模型。在Maxsurf中勾选萨维斯基法和1957ITTC公式，设置好所需的船速范围，运行软件即可得到新船的有效马力和阻力曲线。如图5-11、5-12所示。图5-11有效马力曲线图5-12新船阻力曲线从图5-11和5-12可知，船舶的阻力和有效马力均随着船速的增加而增加，且增加的速率也越来越快。通过Maxsurf软件可以进行兴波云图的分析，如图5-13、5-14所示。图5-13兴波云图（一）图5-14兴波云图（二）5.6本章小结首先，在快艇的性能计算中，稳性部分需要注意初稳性高和稳性衡准数的结果是否满足要求，若不满足要求需要对快艇的重量及重心进行调整，自由液面的在50%液体容量时对稳性有巨大影响，需要对其进行修正，在绘制稳性图时比例的转换也要注意，尽量使得绘制的曲线美观、易懂。阻力性能计算时，先采用了别的阻力计算方法如hulldrop、KB等不能进行准确的计算，最后选用了萨维斯基法和1957ITTC公式。6计算机辅助建模6.1Rhino介绍Rhino，中文名称为犀牛，是一款应用性极强的三维建模工具，其主要功能包括三维造型建模、二维图形绘制、模型渲染等。而船体型表面主要由型值转换的曲面表示，Rhino正是基于NURBS曲线建模的软件，所以它与船体建模相当的契合。Rhino不仅能轻易整合其他3D软件模型功能部分，而且它兼容多种软件的输入和输出，例如AutoCAD、DXF、3dm等，这为我们利用型线图及其他图纸建造模型提供了便利。6.2建模思路及步骤1）建模概述快艇的造型有别于一般船舶，快艇的造型设计占据了设计中的重要地位。作为CAM的一项革新技术，其是借助3D软件对快艇的三维造型进行初步设计，用于造型精修以及各种可行性分析的设计。2）Rhino软件建模流程首先，将建模分为船体和上建两部分，将用AutoCAD绘制好的总布置图的各向视图导入Rhino软件中，进行各个视图的对准，确保比例准确和站号、水线、折角线的位置无误。其次，绘制大型曲面，先在各个视图对齐曲面相应的曲线利用控制点将其对照横剖面图、纵剖面图、半宽图连成线，再用双面扫轨绘制出快艇的主要曲面。最后，将总布置图的上层建筑导入Rhino，在俯视图、侧视图将其轮廓描绘出来，将其在三维视图延展出来，利用单面扫掠及双面扫掠将上建轮廓建成曲面。其他细节部位的建模参考现有的快艇模型对其进行改良设计。6.3本章小结运用Rhino软件，采用合理的建模思路，可以得到高精度、直观又符合造型设计预期要求的快艇模型。此次建模过程中，通过互联网查阅、请教老师和学长及研究建模视频将船模建成。在此过程中，最重要的是建立起三维逻辑思维，建立一个船体三维坐标。船模效果如图6-1~6-4所示。图6-1俯视图图6-2侧视图图6-3正视图图6-4三维视图结论此次设计主要内容是7.5m沿海旅游快艇初步设计，包括以下内容：(1)快艇的艇型设计根据新船设计任务要求及功能确定新船的主要参数包括主尺度、排水量等。并通过母型改造法将X、Y、Z三个方向按照一定的比例进行缩放得到新船的型线图，再将其进行改良绘制，在绘制的过程中要保证型线图三面光顺。艇型设计关乎全船各项技术性能的优劣，利用优良母型的型线改造可以保留母型的良好特性，在原有的特性基础上进一步优化设计。（2）快艇的总布置设计根据新船的航行功能，将快艇的总布置规划及舱室划分用人体工程学的相关知识进行设计绘制，最大化使舱室划分合理且舒适。合理与舒适是总布置设计中最重要原则之一，一切的设计都要以这一原则为出发点。总布置设计需要参考相关的规范以及文献，对于总布置来说，参考的资料越多，越能保证总布置设计的合理性和舒适性，同时可以避免一些不必要的错误。（3）性能计算本次设计主要完成了重量重心估算、静水力性能计算、初稳性及大倾角稳性计算，运用Rhino软件建模及萨维斯基法计算船舶阻力，在性能计算中，首先要注意重力与浮力的平衡，其次是稳性校核时注意初稳性高与大倾角稳性是否符合相关规范的要求，最后阻力的计算过程中可以尝试选用Maxsurf里多种方式进行计算。当所有计算完成后校核其相关性能，均符合相关规范的要求。初步设计阶段是一项涉及面很广的复杂工作，对设计的要求也是多方面的。其特点就是由粗到细、逐步近似，