【31500DWT散货船的尺度计算和方案确定研究17000字（论文）】

引言船舶总体初步设计解决了一些全局性的问题在船舶设计之中，解决这些问题是其他船舶专业设计和局部设计的基础和纽带。船舶是一种水上建筑物，结构复杂，所以在设计时必须持认真的态度。船舶总体初步设计需要对船舶主尺度和其他主要要素的确定、总布置图、主机选型、船体型线、主要性能等方面进行细致的工作，通过计算、绘图等技术手段得出决定全船技术形态的总体方案。总体方案初步设计得到的方案不合理，会对后续设计工作影响较大。由于船舶是个复杂的系统，因此设计中要求一步到位是不可取的，必须统筹全局。本设计主要包括以下内容：1）运用母型船法、经验法和比值法三种方法分别得出三个不同类型的的新船主尺度的初始方案，然后对每个方案进行重力与浮力平衡，校核船舶布置地位，绘制出船舶货舱中横剖面图和舱室划分图，对航速、稳性、干舷等主要性能指标的估算，确定船舶的主尺度的可行方案。2）进行三种主尺度的方案优选：选取载重量系数、海军系数、舱容利用率、单位油耗、总吨位与载重量的比值等五项指标作为本次船舶设计方案优选的综合评价指标。其中确定指标权重利用层次分析法；再用建立评价模型，建立评价模型使用TOPSIS法，其中效益型指标越大越好、成本型指标越小越好。3）由于设计船参考了母型船设计，其技术性能与母型船技术性能相近，所以母型船改造法是新船型线设计中最有效的方法。通过对母型船的横剖线图中的型线通过缩放得到新船横剖线图，依据横剖线图再绘制出半宽水线图与纵剖线图，得到新船初步的型线图。4）根据船舶的初步型线图，运用船舶原理等相关知识进行新船的静水力计算，并绘制出静水力曲线图与邦戎曲线图。1新船主尺度的确定载重型船舶主尺度的选择步骤1.1.1载重型船舶主尺度确定的步骤在确定载重型船舶主尺度时首先应该确定新船的主尺度范围，获得新船主尺度的方法一般有母型船法，经验法等，初步选定一个主尺度方案之后，需要估算重量重心，校核各舱室的布置地位和各舱室的舱容是否符合要求等性能指标，如果不符合要求需要综合各部分性能指标，需要修改主尺度到船舶符合规定要求。载重型船舶主尺度的确定步骤如图1-1[1]所示。图1-1载重型船舶主尺度确定的步骤1.1.2新船主尺度选择依据1）母型船基本信息表1-1母型船主要性能参数（m）（m）（m）（m）（t）（kn）CSR（kW）176.7530.0014.7010.10.823500014.060002）新船设计要求表1-2新船设计要求（t）（kn）船员（人）航区（nmile）船籍船级3150013.524无限航区16000中国CCS1.2主尺度选择第一方案1.2.1主尺度近似估算排水量由于本设计计算船舶为散货船，是载重量占排水量比重较大的船舶，因此新船的排水量可以用载重量系数法来估算[1]，新船载重量系数与母型船载重量系数相等，计算载重量系数与排水量公式如（1-1）～（1-3）[1]所示。（1-1）（1-2）（1-3）下标“o”在上述公式中表示母型船。公式（1-1）中附体系数附体系数通常为1.002-1.010，通常大船取小值，小船取大值，在本设计中附体系数取1.006，海水密度=。计算得到新船的排水量，对于新船和母型船速度和载重量差别不大的载重型船舶，可按与成正比，估算出新船的[1]，本设计中为了保证新船保持母型船的优良性能，假定设计船与母型船CB相同，主尺度第一次近似的计算公式如（1-4）～（1-8）[1]所示。（1-4）（1-5）（1-6）（1-7）（1-8）根据式（1-4）～（1-8）得到新船主尺度的第一次近似值如表1-3所示。表1-3新船主尺度估算值170.6528.9614.199.750.8240754.941.2.2新船空船重量和主机功率的估算空船重量包括船体钢料重量、舾装重量和机电重量[1]，舾装重量采用统计公式估算，机电设备重量按主机功率的平方根关系进行换算，重量估算公式如（1-9）～（1-12）[2]所示。（1-9）（1-10）（1-11）（1-12）公式（1-9）适用于载重量在10000与50000之间的散货船[2]。式中：——主机功率，由于新船和母型船主尺度排水量等相近，所以根据海军系数法估算新船所需功率。——系数，由于此处缺少母型船的资料，根据参考文献[2]MCR在10000kW以下时可取8～9，所以本次设计CM取为8。海军系数计算公式如（1-13）所示。（1-13）根据上式计算得到海军系数，假定新船的海军系数C值与母型船相等可以得到新船的最大持续功率PCSR=P0∆2/3V3∆在估算空船重量时，一般要考虑加一定的排水量裕度来避免估算的误差以及未预计的其他重量的增加。故本次设计取4%的船体钢料重量以及9%的舾装重量和机电设备重量为排水量裕度，得[1]则空船重量为：通过公式（1-9）～（1-13）及其空船重量公式计算，得到新船空船重量和主机功率的估算结果如表1-4所示表1-4第一次空船重量和主机功率的估算结果（t）（t）（t）（t）（t）（kW）5853.171193.04696.56404.198146.965572.131.2.3重力与浮力的平衡由1.2.2和1.2.3排水量和空船重量的估算可知：∆=40754.94t，LW=8146.96t，而本次设计船的载重量为DW=31500t，但设计船的空船重量与载重量之和为39646.96t，由此可知新船空船重量与载重量之和比排水量Δ小了1107.98t，重力与浮力相差较大，不平衡，需要进行调整。故采用诺曼系数法修改L、B、d的值来改变排水量让重力与浮力平衡。诺曼系数法运算公式如（1-14）[1]所示。（1-14）这里选择调整d的值来改变Δ，则（1-14）式中取值0.4，和取值为0[1]。通过式（1-14）计算可得到：-1107.98t，诺曼系数N≈1.06，-1175.51t，新的排水量∆=∆0d的值改变之后，需根据1.2.2中的公式（1-9）～（1-12）重新估算空船的重量，第二次估算空船重量的结果如表1-5所示。表1-5第二次空船重量估算结果单位：t5839.661193.04689.79403.048125.54经过调整后的主尺度如表1-6所示。表1-6主尺度的第二次近似值170.6528.9613.789.470.8239579.43新船的载重量经过再次计算为31546.11t，与设计船舶要求的载重量31500t相差较大，故进行再次近似计算。通过诺曼系数法修改d的值来改变排水量让重力与浮力平衡，得到第三次近似后的主尺度值如表1-7所示。表1-7第三次近似后的主尺度值（m）（m）（m）（m）（t）170.6528.9613.809.480.8239628.43主尺度改变后，需要再次按照1.2.2中的公式（1-9）～（1-12）计算空船重量和主机功率。估算结果如表1-8所示。表1-8第三次空船重量及主机功率的估算结果（t）（t）（t）（t）（t）（kW）5839.661193.04690.08403.078125.855468.97通过表1-8可知本次设计船要求主机功率为5468.97kW，通过沪东重机有限公司的官方网站查得，得到一款与设计船要求主机功率相近的柴油机，为WCH系列RTA52U型柴油机，主机功率为5450KW,故设计船使用该主机。选取的主机具体参数如表1-9所示。表1-9主机参数型号功率（）主机耗油率RTA52U54501691.2.4载重量估算1）人员及行李重量计算本次设计的新船要求船员26人，人均的重量按每人65kg，每人的行李的重量取45kg[1]来计算。2）食物和淡水重量计算关于食物与淡水重量的估算与设计船舶的自持力和船员人数有关，有关定量的标准根据公式（1-15）[3]估算。总储备量=自持力（d）×人员数×定量（kg/（d∙式中：自持力=RVs×24（d）[3]，其中R为续航力（nmile），Vs为服务航速（kn）；食品及淡水的定量按照每人每天3.5kg燃油、滑油、炉水、备品及其供应品重量计算根据式（1-16）～（1-18）可估算燃油、滑油和炉水的重量[1]。（1-16）（1-17）（1-18）其中：为一切燃油装置耗油率[]，可近似取主机耗油率的1.18倍[1]故主机耗油率为0.169kg/（kW∙h）；P1是主机的额定功率，这里1.2.3中计算的功率值5468.97kW；t为航行时间t=R/VS；k为考虑船舶风浪影响的系数，本设计中取1.1[在公式（1-17）中对于一般的柴油机[1]，取0.03；本次设计船的锅炉为辅锅炉，式（1-18）中G为锅炉额定蒸发量（t/h），ε为蒸汽漏失率可取0.05～0.06，查阅凯能官方网站，选取型号为LSK1.5-0.7的锅炉，因此G取值为1.5t/h，ε取0.05；备品与供应品一般取（0.5%～1%）空船重量，在此处备品与供应品的重量取为0.7%LW[1]。根据公式（1-15）～（1-18），估算出新船人员及行李、食物及淡水、燃油、滑油、炉水、备品及其供应品重量载重量，根据上述计算结果汇总如表1-10所示。表1-10载重量估算结果项目重量值（t）人员及行李2.64食品4.15淡水177.78燃油1421.85滑油42.66炉水88.89备品供应品56.88载货量29705.16载重量315001.2.5空船重心高度估算对于空船重心的高度相关估算公式如（1-19）～（1-24）[1]所下所示。（1-19）（1-20）（1-21）（1-22）（1-23）（1-24）式（1-19）中ZgH为船体钢料重心高度；其中CEH为系数，由于此处缺乏母型船的资料，故通过式（1-20）的统计公式进行计算；其中CBD是计至型深的方形系数，式（1-21）是该系数的计算公式，式中C1这里取值为3；D1为计入舷弧和舱口围壁容积影响的相当型深，式（1-22）中ZgO为舾装重心高度，由于本次设计船为干货船，故用上述公式粗略估算，此处系数取1.05；式中D2为计入上层建筑影响的相当型深式（1-23）中ZgM在船舶总体设计中，通常留有一定的裕量对于重量的估算结果，同样也留一定的裕度对于重心高度，将新船空船的重心高度取在1.2ZgE的位置[1]根据上述公式（1-19）～（1-24）的计算过程，各部分的重心高度计算结果汇总如表1-11所示。表1-11重心高度估算结果（m）（m）（m）（m）6.7014.497.989.581.2.6新船各舱室所需的舱容估算1）货舱所需容积新船要求的载货量、货物的种类都与货舱所需容积有关，其数值可按（1-25）[1]估算。（1-25）式（1-25）中：WC为载货量，为货物的积载因数（m³/t），设置本船运输的货物是煤，查阅参考文献[1]积载因数取1.21；kC容积折扣系数取0.9922）压载水舱容积在船舶设计的初始阶段，用式（1-25）来初步估算压载水舱的容积[1]。（1-26）式（1-26）中：kB是系数，通常对于单向运输的散货船的取值范围约为0.32～0.5[1]，本次设计船舶的kB取0.3）机电设备布置地位所需的机舱长度LM决定了机舱所需容积，故机舱舱容可由式（1-27）～（1-28）进行估算[1]（1-27）（1-28）式（1-27）中：KM表示的是机舱段体积的丰满度系数，本设计船为尾机型船舶故KM取0.9[1]；ℎDM表示双层底高,根据CCS《钢质海船入级规范》（2018）对国际航行船舶双层底的要求，并参考母型船对双层底的设置，本设计船的双层底高度取为4）燃油舱、淡水舱、滑油舱、炉水舱都被包括在船上的油水舱内，油水舱容积可按储存量来进行计算，如（1-29）～（1-30）[1]所示。VOW=ViVi=Wiρi式（1-30）中：Wi为油和水的储存量（t）；ρi是油水的密度（t/m3），此处重油取0.9，轻油取0.84，淡水取1.0[1]；kCi是容积的折扣系数，对于水舱结构折扣系数取值为0.98，对油舱考虑膨胀系数因为重油舱内需设置加热管系的原因，需要占去百分之三左右的容积，5）其他舱室容积V如艏尖舱、尾尖舱、隔离空舱、轴隧室等这些舱室都包括在主船体的其他舱室中,上述的舱室的容积约占总容积的2%～5%，这里取3%[1]。通过上述计算过程，得到各舱室所需容积，结果如表1-12所示。表1-12各舱室所需容积估算结果36233.1111025.005873.162013.331189.966）主船体总容积的估算V根据新船设计的主尺度，可根据公式（1-30）～（1-35）粗略估算垂线间长范围内的主船体型容积[1]。（1-30）（1-31）（1-32）（1-33）（1-34）（1-35）D1为计入舷弧和舱口围壁容积影响的相当型深，可按式（1-31）估算，SM为相当舷弧高，可近似取为首尾舷弧之和的1/6，计算公式如式（1-32）所示；式（1-33）中的C为梁拱值，取值范围是（0.01～0.02）B，本文取0.02[1]。根据上述公式可计算得VH1.2.7舱容校核与调整 1）货舱横截面设计与货舱舱容校核： 横剖面舭部半径R如（1-36）[1]所示。（1-36）计算得R≈1.79m梁拱取为海船的标准梁拱值[3]，即0.58。在AutoCAD中画出中货舱中剖面图如下图1-2所示。图1-2货舱中剖面图示意图单位：m由AutoCAD可测量出货舱舯横剖面的数据：顶边舱和底边舱都可放置压载水，其面积分别为20.32m3和16.61m3；货舱面积为286.13m3。对主船体舱室进行划分，并且考虑了对货舱典型剖面的形式之后，货舱实际可提供的舱容根据公式（1-37）～（1-38）[1]进行估算。（1-37）（1-38）式（1-37）中：LM为机舱长度，LA和LF分别为尾、首尖舱长度，LA的长度约为0.04～0.05LPP，LF的长度约为0.05～0.08LPP，本此设计船舶中LA=0.05LPP，LF=0.08LPP；AC代表的是船中处货舱横剖面积，通过公式（1-37）～（1-38）计算可得货舱可提供舱容为VTC≈37873.03m3双层底所提供的舱容可延伸至船首位，其提供舱容可根据公式（1-39）[1]估算。VD=LPPB通过式（1-39）计算可得双层底可提供舱容为VD≈6304.58m32）主船体初步分舱设计（1）艏部外轮廓形状：根据母型船资料中的型线图绘制外轮廓。本次设计中新船参照母型船型线图采用直立型船首。一般情况下货舱数目按船长进行选择，且每个货舱的长度不超过30m。新船是31500DWT散货船，故新船设置5个货舱[1]，每个货舱的长度为25.94m。（2）压载水舱的布置：本设计中将压载水舱布置在货舱双层底和底边舱、顶边舱。（3）燃油舱的布置：在机舱前端两侧的顶边舱用来布置燃油舱。可使重力的作用使燃油进入主、辅机油泵中，有利于加热管系的布置和减少。（4）滑油舱的布置：本次设计将滑油舱布置于机舱下方的双层低内，以便节省空间，为了防止滑油舱破损泄露造成环境污染，故滑油舱与船底还应该保持一定的间隔。（5）淡水舱与炉水舱的布置：淡水舱考虑到取用方便，将其布置于尾尖舱上方且靠近上层建筑的位置，同时不能妨碍到艉部的轴系的布置，所以淡水舱分为左右两部分，炉水舱则设置在淡水舱前端，机舱后端。（6）艉部外轮廓形状：巡洋舰尾一般都被采用于现代单浆运输船，本次设计船的母型船采用的尾轮廓线类似于巡洋舰尾[1]，且采用了开式尾框。这样设置船尾可以下移螺旋桨轴线，增加了尾悬体的浸没深度，对改善阻力性能有利，建造工艺被简化了的同时还能节省材料[1]。船体的初步分舱图如图1-3所示。图1-3船体初步分舱设计图单位：m3）新船全船所需容积校核由1.2.6和1.2.7得到了新船全船所需的各部分容积，可采用公式（1-40）[1]来校核全船容量方程。（1-40）式（1-40）中：VU代表的是上甲板以上装货的容积。V由1.2.6节可估算出VC+VB+VM+VOW+V4）压载水舱容积的校核：由初步分舱图可估算压载水舱提供的容积。5）其他舱室容积的校核其他舱室实际提供容积：6）综合上述过程，舱容校核结果如表1-13。表1-13舱容校核结果舱容校核结果舱室所需容积（m3提供容积（m3校核结果货舱36233.1137873.03合格压载水11025.0011846.83合格淡水181.41193.50合格炉水90.70108.00合格燃油舱1688.342401.01合格滑油舱52.8754.00合格其他舱容1889.964649.02合格1.2.8重量重心估算关于设计船的各项重量计算重心高度的过程如下：由1.2.5节可知空船的重心高度为ZgE2）根据参考文献[1]将人员（包括行李）、食物的重心高度近似取为在甲板以上1m处[1]，Zg1=14.80m3）滑油、淡水、炉水的重心高度都近似认为重心在舱室高度中点，各舱室重心高度分别为：Zg2=1.2m，Zg3、4=4）根据我国《国际航行海船法定检验技术规则》（2014）规定，货船满载或压载到港时，载有10%的燃油和备品，因为燃油布置在顶边舱中，在压载、满载到港时剩余10%在顶边舱中近似为一梯形，通过CAD可查到燃油重心高度为Zg5=11.59m，到港（剩余10%时）5）备品及其供应品一般放置在机舱内部，主机之上中控室内，取机舱底板上5m的位置，其重心高度Zg6=6.8m，到港（剩余10%时）6）取为货舱横剖面的形心高度作为货物的重心高度[1]，查CAD可得Zg7=7.60m7）压载水的重心高由双层底部分重心高、底边舱部分重心高、顶边舱部分重心高三部分综合得到，其中双层底重心的部分可近似取为双层底高度的3/5[1]，底边舱和顶边舱的重心高度用CAD查取，分别为Zg8=2.92m，Zg9=11.59m，查的各部分重心高度后，压载水重心高度运用如下所示公式4.29m由1.2.7节及1.2.8节计算结果可汇总船舶满载出港、到港及压载出港、到港时的各重心高度及其他数据如表1-14、表1-15所示。表1-14压载状态的重量重心估算结果项目Δ1(t)KG1(m)Δ1×KG1Δ2(t)KG2(m)Δ2×KG2人员及行李2.6414.8039.072.6414.8039.07食品4.1514.8061.394.1514.8061.39淡水（炉水）266.6711.543077.33266.6711.543077.33燃油1421.8511.5916472.101421.8510.4714886.74滑油42.661.2051.1942.661.2051.19备品供应品56.886.80386.795.696.5036.97空船8125.859.5877841.358125.859.5877841.35压载水11300.634.2948535.4311300.634.2948535.43续表1-14货物0.000.000.000.000.000.00总计21221.316.90146464.6521170.126.83144529.48表1-15满载状态的重量重心估算结果项目Δ1(t)KG1(m)Δ1×KG1Δ2(t)KG2(m)Δ2×KG2人员及行李2.6414.8039.072.6414.8039.07食品4.1514.8061.394.1514.8061.39淡水（炉水）266.6711.543077.33266.6711.543077.33燃油1421.8511.5916472.101421.8510.4714886.74滑油42.661.2051.1942.661.2051.19备品供应品56.886.80386.795.696.5036.97空船8125.859.5877841.358125.859.5877841.35压载水0.000.000.000.000.000.00货物29705.167.60225809.7329705.167.60225809.73总计39625.858.17323738.9539574.668.13321803.781.2.9初稳性高校核初稳性高根据船舶静力学进行估算，由于缺乏母型船的资料，系数a1、a2、a3需要用近似公式进行计算，计算公式如（1-41）～（1-44）[（1-41）（1-42）（1-43）（1-44）但是此时无法估算出非满载吃水状态下的初稳性高，因还需先估算出非满载状态下对应的吃水d‘、方形系数CB'、水线面系数CW'，得到了非满载状态下的排水量∆’，便可以用公式（1-4（1-45）（1-46）（1-47）可根据式（1-44）～（1-50）计算得出初稳性高GM（m），具体数据如表1-16所示。表1-16初稳性高估算结果载况d（m）CBCWa1a2GM(m)压载出港5.2990.7860.8430.5180.0798.410压载到港5.2870.7860.8430.5180.0798.505满载出港9.4820.8200.8800.5180.0834.068满载到港9.4700.8200.8800.5180.0834.109根据我国《国际航行的海船法定检验技术规则》，初稳性高下限为0.15m,由表格数据可知，四种载况均满足要求。1.2.10计算最小干舷及其校核由于在船舶的最小干舷的计算中，其他各个季节区最小干舷计算的基础是夏季最小干舷的计算，因此本文计算和校核的都是设计船的夏季最小干舷，可通过公式（1-48）～（1-52）[1]计算。（1-48）（1-49）（1-50）（1-51）（1-52）式（1-48）中，f0为基本干舷，可以通过查阅B型船的基本干舷表通过插值法等到其具体数值，截取B型船的基本干舷表1-17[1]，得到：f0表1-17B类船舶基本干舷表169269817027161712735z1722754f1是对船长小于100m的B型船舶的修正值，本设计船L大于100m，故f1=式（1-50）中，f3是型深对干舷的修正值，当船长大于或等于120m时，R=250式（1-51）中，f4是对于上层建筑于凸型甲板干舷值的修正，K=0.075[1]f5是舷弧对干舷的修正值。由于缺母型船的资料，f5无法准确计算，但f5算出来显然是负值，如果省略f5的值，最小干舷校核依旧可以满足要求，说明不省略f5的干舷校核也同样能满足要求通过上述公式计算可得：f2≈280.86mm，f3≈605.93mmFmin≈3.53m，d+Fmin≈13.02m<1.2.11横摇周期校核在国际海事组织IMO的完整稳性规则中，海船横摇周期可按照式（1-53）[1]计算：（1-53）式（1-53）中，C=0.373+0.023Bdm−0.43LWL×10−3，L横摇周期计算如表1-18所示。表1-18横摇周期估算结果载况吃水d（m）水线长度LC值横摇周期T压载出港5.30169.110.438.51压载到港5.29168.540.438.47满载出港9.48170.650.3710.62满载到港9.47169.970.3710.58对于国际航行的船舶，横摇周期应满足TΦ≥12s[1]。由表1-18可知，本次设计不符合要求，故需要修改主尺度方案。1.2.12新主尺度方案的确定1）新主尺度的确定根据上述计算结果，发现横摇周期并没有达到设计要求，不符合相关标准，在主尺度的修改中，型宽的改变对横摇周期的影响最大，因此考虑在原有的主尺度方案上对型宽进行减小，来达到增大横摇周期的目的。同时减小型宽的同时，保持船长和方形系数的值不变，增加一定型深，改变了排水量，由此得到一组新的主尺度。新选取的主尺度如表1-19所示。表1-19主尺度的初始值（m）（m）（m）（m）（t）170.6525.0014.4910.500.8237876.63主尺度改变后空船重量也会相应改变，因此需要重新进行重力和浮力平衡，采用1.2.3节中的内容，诺曼系数方法式（1-14）达到重力与浮力平衡后，得到主尺度值第三次近似值如表1-20所示。表1-20第三次近似后的主尺度值（m）（m）（m）（m）（t）170.6525.0014.8010.720.8238684.39同时，主尺度改变后各项重量重心、舱容布置以及相关性能参数也会改变，因此需要重新进行计算和校核。计算过后的数值如表1-21所示。表1-21空船重量及主机功率选取（t）（t）（t）（t）（t）（kW）5204.57942.69648.56354.637186.455381.76根据1.2.4节内容，各部分载重量根据公式（1-15）～（1-18）计算，估算结果如表1-22所示。表1-22载重量的估算结果项目数值单位人员及行李2.64t食品4.15t淡水177.78t燃油1399.18t润滑油41.98t备品、供应品50.31t炉水88.89t载货量29735.09t3）空船重量重心估算根据1.2.5节公式（1-19）～（1-24）进行对空船重量重心高度的计算如表1-23所示。表1-23空船重量重心高度估算结果（m）（m）（m）（m）7.115.548.1410.043）各舱容计算及核算参照1.2.7中的公式及其内容，可以得到货舱横截面积的舭部半径R=1.77m，此处双层底的高度取为1.55m，新船的货舱中横剖面图以及船体初步分舱图如图1-4，图1-5所示图1-4货舱中横剖面图（单位：m）图1-5船体初步分舱图（单位：m）4）舱容校核与调整根据1.2.7节的内容及公式（1-36）～（1-40）可得到各个舱容校核的结果，如表1-24所示。表1-24舱容校核的计算结果项目所需容积（）提供容积（）校核货舱36269.6236447.97符合压载水10710.0010884.25符合淡水181.41186.00符合炉水90.7093.00符合燃油舱1661.422320.97符合滑油52.0360.00符合其他舱容1379.161893.30符合总容积55924.8457465.00符合5）重量重心估算根据1.2.8节的内容，各重量重心估算的结果如表1-25所示。表1-25各重量重心高度估算结果项目出港重心高度（m）到港重心高度（m）空船10.0410.04淡水（炉水）舱12.3012.30滑油1.051.05燃油12.2811.13双层底0.930.93货物8.208.20备品及供应品8.508.20压载水8.558.55人员行李食品15.8015.80压载载况下的重量及重心估算结果汇总如表1-26所示。表1-26压载载况下重量及重心计算结果项目（t）（m）（t）（m）人员及行李2.6415.8041.702.6415.8041.70食品4.1515.8065.534.1515.8065.53淡水（炉水）266.6712.303280.00266.6712.303280.00燃油1399.1812.2817181.871399.1811.1315572.82滑油41.981.0544.0741.981.0544.07备品供应品50.318.50427.595.038.2041.25空船7186.4510.0472183.257186.4510.0472183.25压载水10977.758.5593854.9910977.758.5593854.99货物0.000.000.000.000.000.00总计19929.119.39187079.0119883.849.31185083.61满载载况下的重量及重心估算结果汇总如表1-27所示。表1-27满载载况下重量及重心计算结果项目（t）（m）（t）（m）人员及行李2.6415.8041.702.6415.8041.70食品4.1515.8065.534.1515.8065.53淡水（炉水）266.6712.303280.00266.6712.303280.00燃油1399.1812.2817181.871399.1811.1315572.82滑油41.981.0544.0741.981.0544.07备品供应品50.318.50427.595.038.2041.25空船7186.4510.0472183.257186.4510.0472183.25压载水0.000.000.000.000.000.00货物29735.098.20243827.7329735.098.20243827.73总计38686.458.71337051.7538641.188.67335056.366）初稳性校核根据1.2.9节中公式（1-41）～（1-47）及其内容进行初稳性高估算，得到数据如表1-28所示。表1-28初稳性高估算结果载况（m）（m）校核压载出港5.7800.7840.8410.5180.0792.166符合压载到港5.7680.7840.8410.5180.0792.256符合满载出港10.7240.8200.8800.5180.0831.667符合满载到港10.7120.8200.8800.5180.0831.707符合7）计算最小干舷及其校核对于最小干舷的计算和校核根据1.2.10节中的公式（1-48）～（1-52）和内容，得到结果如表1-29所示。表1-29干舷修正值（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）2728.350280.86854.91-80.253783.87计算得14.51m，则干舷校核符合要求。8）横摇周期估算与校核横摇周期根据1.2.11节式（1-53）校核结果如表1-30所示。表1-30横摇周期估算结果载况d（m）LWL（m）C值横摇周期T校核压载出港5.78167.210.4013.61合格压载到港5.77167.540.4013.34合格满载出港10.72171.250.3513.67合格满载到港10.71171.250.3513.51合格本次主尺度方案经过上述过程的论证，最终可行的方案能够符合设计船舶的各项性能要求，最终确定的主尺度如表1-31所示。表1-31最终可行主尺度（m）（m）（m）（m）（t）170.6525.0014.8010.720.8238684.391.3主尺度选择第二方案1.3.1主尺度的确定本方案初步估算设计船的主尺度的是采用统计公式的方法，具体计算过程与第一方案大致相同，与第一方案不懂得的地方与计算过程都会在后文中详细说明，其余与第一方案相同之处以表格形式呈现。新船的主尺度估算相可由统计公式（1-54）～（1-57）[1]估算得出。在主尺度确定过程中，出现了与主尺度选择第一方案中同样的问题，第一次估算出的主尺度横摇周期不能满足国际航行船舶横摇周期的要求，要再次对主尺度进行调整，而满足横摇周期的最优方案即减小一定的型宽，保持与母型船相同的方形系数值，保持相同的排水量，增加型深与吃水，所以本文中将调整过后通过各性能指标校核的的主尺度方案直接呈现。LPP=8.545DW0.2918B=0.0734L1.137−2.95d=0.044L1.051+1.73D=5.46(DW/1000)0.2916+2.56根据统计公式（1-54）～（1-57）计算出新船初始的主尺度如表1-32所示。表1-32主尺度的初始值（m）（m）（m）（m）（t）170.0023.2017.4911.800.8239300.67根据1.2.3节中的内容，诺曼系数方法，公式（1-14）达到重力与浮力平衡后，得到主尺度值第三次近似值如表1-33所示。表1-33第三次近似后的主尺度值（m）（m）（m）（m）（t）170.0023.2017.0111.480.8238227.98同时，主尺度改变后各项重量重心、舱容布置以及相关性能参数也会改变，因此需要重新进行计算和校核。计算过后的数值如表1-34所示。表1-34空船重量及主机功率估算结果（t）（t）（t）（t）（t）（kW）4881.04831.37681.85331.436725.695339.351.3.2主尺度方案各项指标的验证1）各项重量的估算：根据1.2.4节内容，各部分载重量根据公式（1-15）～（1-18）计算，估算结果汇总如表1-35所示。表1-35载重量的估算结果项目重量值（t）人员及行李2.64食品4.15淡水177.78燃油1388.15滑油41.64炉水88.89备品供应品47.08载货量29749.67空船重量重心高度估算根据1.2.5节公式（1-19）～（1-24）进行对空船重量重心高度的计算，估算具体结果如表1-36所示。表1-36空船重量重心高度估算结果（m）（m）（m）（m）8.2817.869.3611.57货舱横剖面和初步舱室划分图的绘制参照1.2.7中的公式及其内容，可以得到货舱横截面积的舭部半径R=1.76m，此处双层底的高度取为1.65m，新船的货舱中横剖面图以及船体初步分舱图如图1-6，图1-7所示。图1-6货舱中横剖面图（单位：m）图1-7初步舱室划分图（单位：m）4）各舱室舱容的计算与校核根据1.2.7节的内容及公式（1-36）～（1-40）可得到各个舱容校核的结果，如表1-37所示。表1-37舱容校核的计算结果项目所需容积（）提供容积（）校核货舱36287.4038873.57符合压载水10710.0011498.53符合淡水181.41186.00符合炉水90.7091.20符合燃油舱1648.332534.50符合滑油51.6252.50符合其他舱室1458.541539.88符合总容积56424.2360772.40符合压载载况下的重量及重心估算结果汇总如表1-38所示。表1-38压载载况下重量及重心计算结果项目（t）（m）（t）（m）人员及行李2.6418.0147.552.6418.0147.55食品4.1518.0174.714.1518.0174.71淡水（炉水）266.6714.003733.33266.6714.003733.33燃油1388.1515.1521030.451388.1514.6520336.38滑油41.640.9037.4841.640.9037.48备品供应品47.088.00376.644.717.5035.31空船6725.6911.5777827.476725.6911.5777827.47压载水10977.756.1867878.4310977.756.1867878.43货物0.000.000.000.000.000.00总计19453.778.79171006.0619411.408.76169970.66满载载况下的重量及重心估算结果汇总如表1-39所示。表1-39满载载况下重量及重心计算结果项目（t）（m）（t）（m）人员及行李2.6418.0147.552.6418.0147.55食品4.1518.0174.714.1518.0174.71淡水（炉水）266.6714.003733.33266.6714.003733.33燃油1388.1515.1521030.451388.1514.6520336.38滑油41.640.9037.4841.640.9037.48备品供应品47.088.00376.644.717.5035.31空船6725.6911.5777827.476725.6911.5777827.47压载水0.000.000.000.000.000.00货物29749.678.25245434.8029749.678.25245434.80总计38225.699.12348562.4338183.329.10347527.035）初稳性校核根据1.2.9节中公式（1-41）～（1-47）及其内容进行初稳性高估算，得到数据如表1-40所示。表1-40初稳性高估算结果载况（m）（m）校核压载出港6.1190.7820.8390.5180.0791.333符合压载到港6.1060.7820.8390.5180.0791.374符合满载出港11.4780.8190.8790.5180.0830.708符合满载到港11.4660.8190.8790.5180.0830.722符合6）最小干舷计算对于最小干舷的计算和校核根据1.2.10节中的公式（1-48）～（1-52）和内容，得到结果如表1-41所示表1-41干舷修正值（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）27160277.501419.57-80.254332.82d+F横摇周期估算与校核横摇周期根据1.2.11节式（1-53）横摇周期校核结果如表1-43所示。表1-43横摇周期估算结果载况d（m）LWL（m）C值横摇周期T校核压载出港6.12167.020.3915.61合格压载到港6.11167.010.3915.38合格满载出港11.48171.220.3519.07合格满载到港11.47161.220.3519.12合格本次主尺度方案经过上述过程的论证，最终可行的方案能够符合设计船舶的各项性能要求，最终确定的主尺度如表1-44所示。表1-44最终可行的主尺度（m）（m）（m）（m）（t）170.0023.2017.0111.480.8238227.981.4主尺度选择第三方案1.4.1主尺度的确定因此本方案采用比值法的方法确定主尺度的数值，除了主尺度的确定方法外，主尺度的修正方法，计算过程具体计算过程与前两个方案大致相同，这里不做赘述。已知母型船的主尺度可根据公式（1-58）～（1-62）[1]估算得出新船的主尺度。(1-58)(1-59)(1-60)(1-61)(1-62)其中计算得k1=5.892,k2=2.970,k3=0.490，在根据比值法（1-54）～（1-57表1-45主尺度与排水量的初始值（m）（m）（m）（m）(t)170.0024.0016.5911.400.8239293.06根据1.2.3节中的内容，诺曼系数方法，公式（1-14）达到重力与浮力平衡后，得到主尺度值第三次近似值如表1-46所示。表1-46第三次近似后的主尺度值（m）（m）（m）（m）（t）170.0024.0016.2211.140.8238412.23同时，主尺度改变后各项重量重心、舱容布置以及相关性能参数也会改变，因此需要重新进行计算和校核。计算过后的数值取如表1-47所示。表1-47空船重量及主机功率估算结果（t）（t）（t）（t）（t）（kW）5008.77877.71682.95340.816910.245356.491.4.2主尺度方案各项指标的验证各项重量的估算：根据1.2.4节内容，各部分载重量根据公式（1-15）～（1-18）计算，估算结果汇总如表1-48所示。表1-48载重量估算结果项目重量值（t）人员及行李2.64食品4.15淡水177.78燃油1392.61滑油41.78炉水88.89备品供应品48.37载货量29743.79货舱横剖面和初步舱室划分图的绘制：参照1.2.7中的公式及其内容，可以得到货舱横截面积的舭部半径R=1.77m，此处双层底的高度取为1.60m，新船的货舱中横剖面图以及船体初步分舱图如图1-8，图1-9所示。图1-8货舱中横剖面图（单位为m）图1-9初步舱室划分图（单位：m）各舱室舱容的计算与校核：根据1.2.7节的内容及公式（1-36）～（1-40）可得到各个舱容校核的结果，如表1-49所示表1-49舱容校核的计算结果项目所需容积（）提供容积（）校核货舱36280.2338443.51符合压载水10710.0011395.52符合淡水181.41186.00符合炉水90.7091.20符合燃油舱1653.622467.11符合滑油51.7953.90符合其他舱室1441.761529.13符合总容积56316.4360073.30符合压载载况下的重量及重心估算结果汇总如表1-50所示。表1-50压载重量及重心估算结果项目（t）（m）（t）（m）人员及行李2.6417.2245.462.6417.2245.46食品4.1517.2271.434.1517.2271.43淡水（炉水）266.6714.003733.33266.6714.003733.33燃油1392.6114.3920039.591392.6113.2018382.39滑油41.780.9037.6041.780.9037.60备品供应品48.376.25302.3248.375.85282.97空船6910.2411.0476316.866910.2411.0476316.86压载水10977.755.7963550.1210977.755.7963550.12货物0.000.000.000.000.000.00总计19644.208.35164096.7219644.208.27162420.17满载载况下的重量及重心估算结果汇总如表1-51所示表1-51满载重量及重心估算结果项目（t）（m）（t）（m）人员及行李2.6417.2245.462.6417.2245.46食品4.1517.2271.434.1517.2271.43淡水（炉水）266.6714.003733.33266.6714.003733.33燃油1392.6114.3920039.591392.6113.2018382.39滑油41.780.9037.6041.780.9037.60备品供应品48.376.25302.324.845.8528.30空船6910.2411.0476316.866910.2411.0476316.86压载水0.000.000.000.000.000.00货物29743.798.75260258.1629743.798.75260258.16总计38410.249.39360804.7638366.709.35358873.53根据1.2.9节中公式（1-41）～（1-47）及其内容进行初稳性高估算，得到数据如表1-52所示。表1-52初稳性高估算结果载况（m）（m）校核压载出港5.9670.7820.8400.5180.0792.372符合压载到港5.9670.7820.8400.5180.0792.457符合满载出港11.1440.8190.8800.5180.0830.657符合满载到港11.1330.8190.8790.5180.0830.695符合对于最小干舷的计算和校核根据1.2.10节中的公式（1-48）～（1-52）和内容，得到结果如表1-53所示。表1-53干舷修正值（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）27160278.141221.70-80.254135.59d+F横摇周期估算与校核，横摇周期根据1.2.11节式（1-53）横摇周期校核结果如表1-54所示。表1-54横摇周期估算结果载况d（m）LWL（m）C值横摇周期T校核压载出港5.97169.810.3912.23合格压载到港5.97169.820.3912.02合格满载出港11.14170.350.3520.68合格满载到港11.13170.350.3520.12合格本次主尺度方案经过上述过程的论证，最终可行的方案能够符合设计船舶的各项性能要求，最终确定的主尺度如表1-55所示。表1-55最终可行主尺度（m）（m）（m）（m）（t）170.0024.0016.2211.140.8238412.23

2主尺度方案优选2.1选择评价指标载重型船舶是一种建造复杂、投资较大、使用期长的水运工具。通常在船舶建造完成之后要对其进行总体性能的综合评价。通过对照工程实施前的总体目标和要求，评价工程是否达到预期的效果，总结经验教训，从而指导今后的工作。本设计将层次分析法（AHP）和TOPSIS法相结合，可以提高主尺度方案优选中的准确性。本次设计选取的综合评价指标有五个指标，分别是效益型指标（越大越好）包括：载重量系数、海军系数、舱容利用率三个指标和成本型指标（越小越好）包括：单位油耗、总吨位与载重量的比值两个指标[1]。五个指标分别使用Ο1、Ο2、Ο3、Ο4、Ο5来表示，其计算公式如（2-1Ο1=DW∆Ο2=∆2/3Ο3=货舱容积主船体总容积Ο4=FC×Ο5=主船体总容积载重量2.2层次分析法确定权重和TOPSIS法评价模型建立层次分析法确定权重（1）建立判断矩阵采用标度理论，进行两两指标的相对重要性比较，构造比较矩阵，即判断矩阵[4]。根据公式（2-1）[4]求出判断矩阵每一行各元素的乘积并计算n次方根。根据公式（2-2）[5]对进行归一化处理，得权数。根据公式（2-3）～（2-4）[5]计算最大特征值并做一致性检验。对层次单排序的一致性检验是计算偏差一致性指标。Wi=(Ti=（2-3）（2-4）式（2-4）中为一致性指标；λ为判断矩阵的最大特征值；n为判断矩阵的阶数。TOPSIS法评价模型建立设定理想解和负理想解，实际可行解和理想解与负理想解作比较，与理想解最贴近的方案即是最优方案[5]。（1）标准化决策矩阵评价指标之间具有不同的量纲单位，不具有对比性。为了消除指标之间的不可公度性，对评价指标进行无量纲化处理得到标准决策化矩阵B=(bij)m×n，式中，bB（2）加权标准化决策矩阵标准决策化矩阵B与指标权重向量W相乘，得到加权标准化决策矩阵C,评价对象的正理想解C+和负理想解C−可表示为[6C+=maxCC−=minC式中：J1为越大越优型指标集；J2为越小越优型指标集[6（3）评价对象与理想解之间的距离D为[6]：D=Di+=式中：Di+、Di−分别为评价对象距正、负理想解的距离；cj+cj+（4）评价对象与正理想解的贴近度EiEi+=Di式中：Ei+∈0,1，当评价对象趋近于正理想解时，Ei+趋近于1；当评价对象趋近于负理想解时，2.3方案优选三种方案的综合性指标计算结果汇总如表2-1所示。表2-1综合性指标ΟΟΟΟΟ第一方案0.8143581.02057.46%1.9250.5482第二方案0.8240581.37954.13%1.9090.4980第三方案0.8201581.02054.82%1.9160.52441）基于层次分析法确定权重（1）建立判断矩阵。判断矩阵A如下所示。A=（2）权重向量为对判断矩阵的每一行各元素的乘积并计算n次方根。各指标权重向量为W=(0.8503,0.4611,2.6052,0.3839,1.6438)（3）对进行归一化处理，得权数w=(0.1430,0.0776,0.4383,0.0646,0.2765)。（4）计算最大特征值并做一致性检验，得CR=0.0499，满足CR<1，具有较好的一致性[2）TOPSIS法评价模型建立建立方案指标评价矩阵三种方案的评价矩阵为B=加权标准化决策矩阵加权标准化决策矩阵C：C=（3）评价对象的正理想解C+和负理想解C表2-2评价对象正负理想解正理想解C+0.14304620.07756480.43827760.06457680.2765344负理想解C-00000（4）评价对象与理想解之间的距离D为：表2-3评价对象正负理想解欧氏距离D+欧氏距离D-第一方案0.3272868370.438277604第二方案0.4382776040.327291946第三方案0.3899103810.18447684（5）评价对象与正理想解的贴近度Ei表2-4相对近似度相对接近度E设计方法第一方案第二方案第三方案相对接近度0.5799599180.4200440390.312420446由上可知，综合性能排序为第一方案＞第二方案＞第三方案，因此本次选择为第一方案。3型线设计及静水力计算3.1型线图绘制型线图设绘方法有：自行设绘法、母型改造法、系列船型方法、数学型线方法。不同的方法有不同的特征，本次设计中，参考资料中有母型船的型线图，且母型改造法是绘制设计新船的型线图行之有效的一种方法，故本次型线图绘制中采用母型改造法。值得注意的是在母型改造法中，需要保持新船与母型船各要素的接近程度，如果修改量过大的话，会丧失母型船的优良性能，得不偿失。通过母型船的主尺度与新船的主尺度，可通过式（3-1）～（3-3）进行尺度间的变换（3-1）（3-2）（3-3）1）绘制横剖面图根据上述公式（3-1）～（3-3）[1]计算出各比例因子为：kkk新船的横剖面图由母型船的横剖面图在X、Y、Z方向坐标上分别乘以比例因子kL、kB、k图3-1横剖面示意图2）绘制半宽水线图根据横剖面示意图可测量得各站线与水线和纵剖线交点的半宽值，由此可绘制出半宽水线图如图3-2所示图3-2半宽水线示意图3）纵剖面图绘制高度方向的坐标通过在横剖面图测量各站线与各水线及各纵剖线交点得到，之后再测量半宽水线图中各纵剖线与各水线交点的长度方向坐标和高度方向坐标，从而得到两组坐标，由此可绘制出纵剖面型线图如图3-3所示。图3-3纵剖线图3.2静水力曲线1）根据参考文献[14]计算原理以及计算方法，计算各项静水力性能，静水力计算结果如表3-1和3-2所示。表3-1静水力曲线计算结果水线号TPC(t/cm)船底线2114.584.331————21.6742000WL3158.805.1885273.385405.214.8441.00032.378接表3-14000WL3427.124.57111859.3012155.794.8572.11135.1286000WL3623.821.76618910.2519383.014.2133.18837.1448000WL3798.16-1.53526332.2426990.553.0474.26238.93110000WL3442.56-3.45533572.9734412.301.8625.28435.28612000WL3455.59-4.88940471.1341482.900.8336.25835.42014000WL3483.46-4.80347410.1848595.430.0027.24535.705表3-2静水力曲线计算结果水线号C基线———0.496————2000WL26.353874.863287.5710.7400.9450.6180.6540.8354000WL13.355475.094351.2000.8030.9730.6950.7140.8656000WL9.015347.591409.7150.8490.9820.7390.7520.8708000WL6.805286.782470.7120.8900.9860.7720.7820.86710000WL5.354239.419501.0310.8070.9890.7870.7960.97512000WL4.599208.218525.2680.8100.9910.7910.7980.97614000WL4.084186.215550.3030.8170.9920.7940.8000.9722）静水力曲线的绘制根据表3-1和表3-2在AutoCAD绘制出静水力曲线如图3-4所示。图3-4静水力曲线3）横摇周期再估算利用公式（3-4）重新计算初稳性高[15]所示。（3-4）在静水力曲线图中量出各载况下对应排水量的对应的吃水值d、浮心垂向坐标KB以及横稳心半径BM，重心高度KG重心高在1.2.12节表1-14、表1-15中可以查得。重新计算过后的初稳性高结果如表3-3所示。表3-3初稳性高重新计算结果载况压载出港19929.117.096.116.899.393.60压载到港19883.847.076.106.869.313.65满载出港38686.4511.194.755.048.711.08满载到港38641.1811.184.765.048.671.13初稳性高满足要求。再按公式（1-36）重新估算横摇周期，估算结果如表3-4所示。表3-4横摇周期二次计算结果载况（m）（m）C值（s）压载到港7.09168.460.4011压载出港7.07168.970.4011满载到港11.19171.250.3517满载出港11.18171.250.3516在表3-4中压载出港、到港的横摇周期略小于12s对于国际航行的船舶，横摇周期应满足TΦ≥12s[1]。压载出港与压在到港的横摇周期不满足要求，但是因为没有计算上层建筑的对重心高度的影响，使得重心高度偏低才使得船舶横摇周期不满足要求，故近似认为横摇周期满足国际航行船舶的要求。3.4邦荣曲线根据型值表和参考文献[15]计算各站的横剖面图在水线下的横剖面面积，计算结果如表3-5、3-6所示。横剖面面积对基平面的静矩则如表3-7、3-8所示。表3-5各站横剖面图水线以下横剖面面积站号BL2000WL4000WL6000WL8000WL10000WL00.000.0000.0000.0000.00011.9330.50.000.0000.0000.0004.83527.41110.002.3696.24810.27619.25743.9161.50.004.64012.38420.49536.10268.30420.007.51919.81334.10856.80093.7832.50.0010.31926.82647.45078.326121.84430.0013.00337.93472.416111.863156.91640.0024.09161.661101.166144.334192.11650.0030.20375.739123.614173.239223.06760.0038.80387.582137.380187.380237.38070.0046.98996.713146.713196.713246.71380.0047.26797.267147.267197.267247.26790.0047.26997.269147.269197.269247.269100.0047.27197.271147.271197.271247.271110.0047.27397.273147.273197.273247.273120.0047.27597.275147.275197.275247.275130.0047.27797.277147.277197.277247.277140.0047.27997.279147.279197.279247.279150.0044.29394.005144.005194.005244.005160.0036.90984.512133.280181.872230.464170.0025.81966.230108.850153.798199.776180.0020.67751.48686.967125.319163.67218.50.0010.86436.74467.875100.135132.429190.006.80024.39647.51272.19996.93419.50.002.29210.83224.88940.58556.362200.000.0000.0000.0000.2940.883表3-6各站横剖面图水线以下横剖面面积站号12000WL14000WL上甲板边线上甲板边线至梁拱038.98872.385110.293110.9480.564.788104.787145.718148.274183.166126.812169.262172.6971.5111.460157.478200.627204.8372140.202189.170232.759237.4052.5171.209221.038289.978294.9113206.578256.486291.286296.3704242.116292.116326.916332.2825273.067323.067357.867363.2346287.380337.380372.180377.5467296.713346.713381.513386.8798297.267347.267382.067387.4339297.269347.269382.069387.43510297.271347.271382.071387.43711297.273347.273382.073387.43912297.275347.275382.075387.44113297.277347.277382.077387.44314297.279347.279382.079387.44515294.005344.005378.805384.17116279.056328.352363.152368.51817246.957295.311338.198343.03418202.025241.906277.314281.40418.5164.722198.744225.643229.01519121.668148.271179.542181.92619.572.13989.572112.798113.278201.4722.0473.2775.737表3-7各站横