《船舶设计原理》_重量与重心_舱容布置_主尺度1

《船舶设计原理》_重量与重心_舱容布置_主尺度1 第三章 船舶重量与重心 3.1 概述 排水量是船舶技术性能的重要参数之一，是船舶设计中各项性能计算的重要依据。船舶的排水量即为组成船舶的各项重量之和。船舶的重心位置关系到浮态和稳性。因此，船舶设计和建造中必须尽量准确地计算并控制船舶的重量与重心位置，这是保证船舶各项性能的基本条件。船舶的重量可分为空船重量和载重量两大部分。空船重量是船舶的一项重要指标，载重量反映了船舶的装载能力。 在船舶的各个设计阶段，重量和重心的估算或计算都是一项必不可少的重要工作。它是随着设计阶段的不断深入，逐步近似，由粗略到精确。本章主要介绍在船舶设计初期，如何对船的重量重心进行分析，寻求它们与船的主尺度和主要要素之间的联系规律，以便能较准确地进行估算，同时也介绍一些具体的估算方法。 3.1.1 平衡条件 根据浮性原理，船舶于静水中平衡的条件是:重力等于浮力;重力与浮力的作用线在同一垂直线上。如图3.1.1所示。 图3.1.1 船舶浮于水面的平衡条件 船在某一装载情况下的总重量为 Wi(单位为:吨，用t表示)，此时船体排开水的 重量(即排水量)为 k kLBdCB (3.1.1) 式中: ??水的质量密度(tm3)，海水一般为1.025;淡水为1.0; k??该装载情况下的型排水体积(m3); ??附体体积系数。因为 为型排水体积，它不包括外板厚度及附体(如舵、 螺旋桨、轴支架、舭龙骨等)在 为1.002~1.010,大船取小值，小船取大值，一般可取1.006。 L、B、d、CB??分别为船长(通常为LPP)、型宽、吃水及方形系数。 59 根据平衡条件可得浮性方程式: Wi kLBdCB (3.1.2) 3.1.2 民船重量分类及典型载况 1. 重量分类 船在某一装载情况下的总重量就是此时的排水量 ，它由各部分重量组成。通常在设计中将排水量分成空船重量和载重量两部分，即 LW,DW (3.1.3) 式中:LW??空船重量(t);民船设计中通常将其分为船体钢料重量WH、舾装重量 WO和机电设备重量WM三大部分，即LW WH,WO,WM; DW??载重量(t);包括货物、旅客、船员、行李、油水(燃油、滑油、淡水 等)、食品、备品、供应品以及压载水等。 2. 典型载况 船舶在营运和航行过程中，载重量如货物、油、水等都是有变化的，随着载重量的变化，排水量也不同，因此船的各种性能也就有差别。各种排水量中，取出若干个典型情况的排水量，掌握了这些典型载况，就可以基本上控制船在使用过程中各种载况下的性能。 民船通常最基本的典型排水量有以下几种。 ? 空载排水量: ? 满载排水量: LW。此时动力装置管系中有可供主机动车的油和水，但不包括。船舶装载至预定的设计载重量，这种载况称为满载航行所需的燃料、滑油和淡水储备以及其他载重量。 LW,DW 排水量。它是船舶设计时决定主要要素的出发点，因此也叫做设计排水量。 ? 压载排水量:一般货船在无货空放航行时，通常都必须加载一定数量的压载水，以便保证船舶在空放航行时的适航性能。 在核算船舶稳性时，法规对各类船的典型载况均有(见第二章2.3.3节)。对于一般货船，通常取四种典型载况，即: 满载出港??设计排水量状态; 满载到港??这时船上的油水等消耗品重量规定为设计状态储备量的10,; 压载出港??船上不装载货物，但有所需的压载水，油水储备量为设计状态之值; 压载到港??船上不装载货物，但有所需的压载水，油水为其总储备量的10,。 客舱还需增加核算满客无货出港及满客无货到港二种载况。有些船舶如存在对稳性更不利的其他装载情况，如部分装载或航行中途等情况，则还需核算这些载况的稳性。 60 3.2 空船重量估算 空船重量LW要占设计排水量 相当大的一部分，且影响因素很多，不容易估算准确，特别是在设计初期阶段。如果船舶建成以后，空船重量与原先估计的相差较大，则对船的技术性能和经济指标都会产生很大的影响。尤其是超重较多时，引起的后果更为严重。因此，空船重量估算的准确与否是新船设计能否获得成功的关键之一，对此必须给予充分的重视，估算工作要仔细认真，反复斟酌，切不可粗心大意。 船的排水量 由空船重量LW与载重量DW组成，不同类型的船舶空船重量占排水量之比差别较大，表3.2.1给出了各类船舶的空船重量占满载排水量的大致比例。 表3.2.1 各类船舶的空船重量与满载排水量之比 为了便于设计计算和寻求有关空船重量的规律性，通常按照一定的原则将组成空船的诸重量进行分类。一般将民船的空船重量LW分成船体钢料重量WH、舾装重量WO和机电设备重量WM三大部分，各部分重量的组成大体包括表3.2.2所列的项目。在船舶设计实践中，有些项目的重量归类会有所不同。例如也有将船体管系的重量归为舾装这一部分内(表3.2.2中该项重量归在机电设备部分)。因此在使用母型船重量资料时，应注意实际的分类情况。 表3.2.3为各类民船船体钢料重量WH和舾装重量WO占空船重量LW的大致比例范围。 空船重量的估算(或计算)在船舶设计的不同阶段，是采用不同的方法进行的。在设计的 初始阶段，由于仅有初步拟定的主尺度和粗略构思的总体，因此空船重量的估算只能采用很粗略的方法。例如参考母型船重量资料用某种比例的方法换算，或选择适用的经验公式、统计公式估算。当设计工作进行到一定深度以后，可以采用比较详细的方法估算。较详细的估算方法通常采用分类计算(或估算)方法，分类的详尽程度视设计的深度而定。例如:将船体钢料重量部分再分为船底结构、船侧结构、甲板结构、舱壁结构、首楼结构、尾楼结构、甲板室结构等等，分别采用适当的方法进行估算;舾装和机电部分重量的估算可将已确定的设备重量单独计算，余项分类估算。这个阶段的重量估算工作在相当程度上仍然依赖于母型船的重量资料。空船重量准确的计算是根据详细的设计结果逐项计算。这项工作十分繁琐和艰苦，但也是船舶设计中必不可少的重要工作。 61 表3.2.2 船舶空船重量分类表 62 空船重量的估算结果在设计的初期阶段就要求尽可能的准确和可靠。做到这一点虽然十分困难，但又是十分必要的。因为到设计工作的后期经详细计算后所得重量与估算的结果相差较大而不能符合设计精度要求时，必须对设计作重大修改，后果也是很严重的。把握空船重量估算结果的准确性，除了采用合适的方法以外，最重要的是要具备可靠和详细的母型船重量资料。因此， 表3.2.3 船体钢料和舾装重量与空船重量之比 母型船重量(包括重心)资料是十分宝贵和重要的，必须注意搜集和整理。 下面分别对船体钢料重量、舾装重量和机电设备重量的估算方法作一介绍。 3.2.1 船体钢料重量的估算 1. 影响船体钢料重量的主要因素 在空船重量中，船体钢料重量所占比重较大(见表3.2.3)，影响船体钢料重量的因素又较多，因此正确地分析各种影响因素对准确估算船体钢料重量具有重要意义。 (1) 主尺度 主尺度(L、B、D、d和CB)对船体钢料重量WH都有影响，其中影响最大的是L，其次是B，d和CB对WH的影响较小，而D的影响程度要根据具体情况来分析。 主尺度对WH的影响可以从构件数量(即几何关系)和强度条件两个方面来分析。 ? 船长L:L对WH的影响最大。从构件的数量和几何尺寸看，船上大部分构件都与 L 有关。从强度条件看，L越大，船在水中所受的纵总弯矩M越大，要求的船体结构尺 寸也大。因此，船长L的大小不仅直接影响到构件的数量，同时构件的尺寸、规格都将发生变化。图3.2.1反映了一般货船船长变化时，单位长度船体钢料重量的变化趋势。 63 ? 船宽B:B对船体纵向强力构件 尺寸的影响不是很大，但对横向构件的强度有较大的影响。从构件的数量看，主要与船底、甲板及舱壁等构件有关。因此，船宽B的大小与船体钢料重量有 ? 型深D:D对舷侧和舱壁等结构构件有影响。一般来说，型深增加会引起构件数量的增加。但是，从船体纵总强度看，型深D大，船体梁的剖面模数W也大，对强度有利。对于大船，由于纵总强度要求高，增加型深后对剖面模数 的贡献相当程度上抵消了构件数量的增加，因此总的钢料重量增加甚微，极端情况甚至可能减轻船体钢料重量。而小船对纵总强度要求不高，增加型深一般会导致WH的增加。 ? 吃水d:d的变化不影响构件的数量，但对局部强度(如船底构件和船侧构件等)有一定的影响，但其影响程度甚微。 ? 方形系数CB:方形系数反映的是船体的丰满程度，因此CB的增减对船体构件的数量和尺寸都影响甚微。所以CB对WH的影响很小。 新船的各个主尺度与参考的母型船相比往往不按同一个比例变化，更重要的是强度条件中各个尺度的影响程度不同。因此，实用上分析主尺度对WH的影响程度通常用指数函数的形式来表示，即: WH LB 图3.2.1 单位船长钢料重量 随船长的变化趋势 密切关系，但其综合影响程度小于船长。 Dd CB (3.2.1) 式中: 、 、 、 、 称为主尺度对船体钢料重量的影响指数。各指数的大体关系为: 和 及 ，其中 ,1(一般 在1.1~1.9之间)，其他指数都小于1。 船体钢料重量与主尺度的指数关系式也是实用中作为统计实船重量回归分析方法的基本关系式。表3.2.4就是基于式(3.2.1)的形式，对不同类型船舶的船体钢料重量统计回归所得的一些结果 ,1, 。当然，不同的统计样本回归分析后指数值会有一定的差别。由 表3.2.4 船体钢料重量指数形式的回归系数 于吃水d和方形系数CB对WH影响很小，不少统计方法中常省略d和CB的影响。 64 (2) 建筑特征 船舶的建筑特征如甲板层数、舱壁数、上层建筑、舷弧、结构形式等都对WH有影响。 它们的选取主要有以下考虑: ?甲板层数:取决于使用要求和布置特点。 ?舱壁数量:除了和法规中关于舱壁最小数目规定外实际的舱壁数目还要考虑使用要求，分舱与破舱稳性以及结构强度。 ?上层建筑和甲板室:包括它们的长度、宽度、高度、层数等，主要根据所需布置地位和驾驶室高度而定。对船体钢料重量的影响小船比大船要大些，且不同的船舶类型(如客船与货船)有很大差别。 ?布置决定的结构形式:如货舱区是单壳体结构还是双壳体结构，双层底的范围和双层底高度等等。 (3) 使用要求 新船不同的使用要求对WH也有较大的影响。例如: ? 新船要求的使用年限长，则钢板的耐腐蚀余量就要多。对于小型船舶来说，该因素对WH的影响也是较大的。 ? 船舶的航行区域不同以及规范不同对WH也有影响。如航行于冰区的船舶，船体某 些部位结构要加强;不同船级社的规范对结构强度的要求也有区别。 ? 船体结构上局部加强的材料附加量。船舶的不同使用要求以及特殊的大型设备常要求船体结构作局部加强，同样对WH有影响，如散货船使用抓斗卸货而内底板无覆盖层 时，则内底板至少需增厚5mm。 (4) 其他因素 其他因素如: ? 结构材料不同，对WH会有不同程度的影响。船体结构材料有采用普通钢、高强 度钢，铝合金等不同材料; ? 船体的特殊形状，如是否采用球首、球尾、尾鳍，单桨船还是双桨船，双桨船中是常规尾型还是双尾、双尾鳍等，这些形状特征对WH也有影响; ? 建造加工的因素。建造中为了更加合理加工(如焊接、避免校平工作等)，常会增加材料，这种情况在小型船舶上常有发生，此时钢板的厚度等尺寸已不再是由强度条件所决定。 2(WH的粗估方法 当初步拟定了新船的主尺度，并对船的布置特征有了初步设想，而其它设计尚未开 65 展的情况下，可以根据母型船的重量资料用粗略的方法估算船体钢料重量WH值。 (1) 平方模数法 平方模数法是假定WH比例于主船体结构的面积，主要着眼于结构材料的数量。其面积一般仅用L、B、D的某种组合来表示。平方模数法估算WH的一般表达式为: WH,CH1L(aB，bD) 侧为双壳体时建议b取2; CH1为系数，取自母型船。即CH1= WHO LO(aBO,bDO) (3.2.2) 式中:系数a和b的选取根据船型特征决定，如双层连续甲板船，有人建议a取为2，船 ，其中下标“o”表示母型船。 如果式(3.2.2)中系数a、b都取为1，则有: WH CH1L(B,D) 图3.2.2 平方模数法系数 随船长的变化趋势 (3.2.3) 系数CH1随船长的统计趋势如图3.2.2所示。从图中可见，系数CH1的变化趋势随船长增加而增大。因此如果新船的L比母型船大，则取母型船的CH1值估算，结果可能偏小。此外，统计资料显示不同船型的CH1值偏离很大。因此，平方模数法适用于新船与 母型船船长相近，且船体结构特征相似的情况。 (2) 立方模数法 如果新船和母型船在几何上是相似的，且假定结构材料尺寸的改变也符合主尺度改变的线性比例于关系，则相似船的船体钢料重量也应比例于线性尺度的立方，这样，船体钢料重量与船体所围容积的比值也不变。立方模数法就是假定WH正比于船的 (3.2.4) 式中:CH2取自相近母型船。 为了计及不同上层建筑和舷弧对WH的影响，立方模数法中型深D也可以用相当型深 D1来表示。D1的表达式为: D1 D, SL, lihi L (3.2.5) 式中:S??舷弧升高部分的面积，如图3.2.3中所示的阴影部分面积; li,hi??各上层建筑(包括甲板室)的长度与高度。若考虑上层建筑和甲板室结构重量与主船体的差别，也可在li hi的各项中再乘上一个小于1的系数。 66 图3.2.3 舷弧面积 图3.2.4 立方模数法系数随船长的变化趋势 如图3.2.4所示，统计表明，CH2值随L变化的趋势比较平缓，在船长较小时，CH2随L增大有减小的趋势，船长较大时，CH2随L增大有增加的趋势。立方模数法较适用于比较大的丰满型船舶。立方模数法的缺点是把L、B、D对WH的影响程度看成是同等 的。 (3) 指数法 作为立方模数法的进一步拓展，可以用主尺度的指数形式构成WH的估算公式，公式 的基本形式可参照式(3.2.1)，即: WH CH3LB DdCB ,WC (3.2.6) 如忽略d和CB的影响，则WH为: WH CH3LBD ,WC (3.2.7) 式中:指数 、 、 、 和 可从表3.2.4中选择;常数项WC为与主尺度无关的特殊重量; 系数CH3取自母型船，即选定函数关系和指数以后，用母型船的WH0减去与主尺度无关 的母型船的特殊重量WC0后再求取CH3。 这种方法从理论上讲更符合主尺度与WH之间的关系。公式的适用性关键是所选用的 指数值是否符合母型船和新船主尺度与WH之间的规律。对此除了表3.2.4给出的几种结 果以外，不少文献中还有不同的建议值。 3(统计分析法 对于一些常规船型，如常规的散货船、油船、多用途船、集装箱船等，已有大量的实船资料。将与新船同一类型(包括吨位相近)的型船重量资料进行统计分析，其结果可用于新船重量的估算。常用的方法是回归分析法。即选择某种适用的表达船舶主尺度(或尺度比)与船体钢料重量关系的基本函数公式，以型船重量资料作为样本，用数学回归方法求取公式中的有关系数，从而得到重量估算的回归公式。这种方法如选用的回归公式合理，型船资料适用，所得的回归公式用于估算新船重量结果也是比较可靠的。由于型船的样本资料可以覆盖主尺度的一定范围，回归公式在此范围内都可适用，因此这种回归公式特别适用于新船主尺度论证中对不同尺度方案的重量估算。 67 船体钢料重量的回归分析已有人做了大量的工作，也发表了不少回归公式。在选用这些公式时要注意回归公式的适用范围，有相近母型资料时，可用其数据来验证其估算的误差程度，以保证新船采用这种公式估算结果的可靠性。 下面根据有关资料，给出若干个关于船体钢料重量WH的统计回归公式，供参考。 公式中的L未加特别注明时，通常是指LPP，WH估算结果的单位为t。 应注意的是，应用那些适用范围较大的统计公式估算WH，仍然是属于粗略的估算方 法，其估算结果的误差在10,以 (3.2.8) 式中:K 10.75,(300,L 100)32 (2) 油船WH统计公式[1][27] ? WH KL1.724B0.386(dD)0.0282CB0.0032 (3.2.9) 式中，K的取值如下:仅有双层底时，K=0.261~0.273; 有双底双壳时，K=0.276~0.345。 上式对于DW 10万t的油船，K值应取较大值，采用高强度钢时应修正。K值也可用型船资料换算而得。 ? WH 0.0104[L(B,D)]1.4989(lL)0.0222(bB)0.13526 (3.2.10) 式中:l??船中区域最大舱长的横向水密舱壁间距，适用于lL 0.07~0.2; b??中舱宽度，适用于 bB 0.48~0.8。 DW 30000t~100000t上式适用于，LB 5.5~7.2，LD 10.5~14，Bd 2.3~3.5， Dd 1.3~1.65的油船。 2,4(3) 散货船WH的统计公式[24] WH 3.90KLB(CB,0.7) 10,1200 (3.2.11) 式中K同式(3.2.8)。上式适用于DW (4) 集装箱船 WH 111(LBD 1000)0.9 10000t~50000t的常规型散货船。 [1](0.675,CB 2)[0.939,0.00585(L D,0.83)1.8] (3.2.12) 上式较适用于LW 7000t~20000t的集装箱船，LW 7000t时估算结果可能偏大，而LW 20000t时估算结果可能偏小。 4(较精确的估算方法 随着设计工作的深入，当具备了一定的设计资料后，可以采用一些较为精确的估算 68 方法，以提高估算结果的准确性。 (1) 每米船长重量法 当新船已有了典型横剖面结构图和总布置图以后，可以借助母型船资料比较两船每米船长的重量从而得到新船的船体钢料重量WH值。该方法因为已考虑到设计船的具体结 构特点和构件尺寸，其结果相对比较精确。 估算步骤如下。 ?全船性结构钢料重量WH的估算: 根据典型横剖面结构图，分别计算出新船和母型船单元长度的结构重量。所谓单元长度，对横骨架式船来说，为一肋骨间距;对纵骨架式船，则是指两个强横框架结构之间的距离。计入的重量包括: 纵向构件??外板、连续甲板、连续纵舱壁、纵桁、纵骨等; 横向构件??肋骨、横梁、肋板、肘板等。 将计算所得的母型船与新船单元总重量除以各自的单元长度，则可分别得到母型船和新船的每米长度重量 O和 。然后按下式换算新船的全船性钢料重量: WH WHO 13 1 O LPPLPPO CB (3.2.12) CBO 式中:下标为“o”者是母型船之值。 ?局部修正和计入其它结构重量。包括与母型船在结构方面有差异处，如舱口、舷弧、首尾特殊结构及局部加强等，进行逐项修正。上层建筑、横舱壁、局部平台、轴支架、机座等，通常应另行估算。 ?将各部分重量相加，可得新船总的船体钢料重量。 如果缺乏母型资料，计算出新船的每米长度重量 以后，对于常规船型，根据船体重量分布的一般规律，全船性结构钢料重量WH 近似地有: 丰满型船舶 瘦长型船舶 钢料重量WH。 一般货船的上层建筑、甲板室的重量估算也有一些统计公式可供参考，例如: ?首楼重量 Wfcle 1.8L0.82[l b,10(l,b)] 10,3 (3.2.16) ?尾楼重量 Wpoop,1, WHWH L.174 L.195 (3.2.14) (3.2.15) 在此基础上，根据总布置方案，计及上层建筑、横舱壁等重量，也可得到总的船体 (0.4L 10,3,0.084)[l b,5(l,b)] (3.2.17) ?甲板室重量 WDK (0.4L 10,3,0.04)[li bi,5(li,bi)] (3.2.18) 式中:l,b??上层建筑的长度和平均宽度(m); li,bi??各层甲板室的长度和平均宽度(m)。 主船体内舱壁的重量可根据总布置逐一估算，每个舱壁的重量近似地可按舱壁板的 69 重量乘上1.2~1.35的系数得到，该系数是计及骨架的重量，深舱取大值，一般水密舱壁和局部舱壁取小值。 (2) 分项重量换算法 如母型船有详细的分项重量资料，就可以将船体构件分成若干组，如外板、 新设计一艘载重量为35000t的散货船(船侧为双壳体结构)，初步选择的主尺度为: LPP,178.0 m ; B,30.0 m ; D,15.0 m ; d,10.0 m ; CB,0.815 。 估算船体钢料重量选用的母型船是一艘载重量为39800t的散货船(船侧也是双壳体结构)。该船的主尺度和船体钢料重量WHO为(下标“O”表示母型): LPPO,185.0 m; BO,32.0 m; DO,15.2 m; dO,10.0 m; CBO,0.825; WHO,8295 t。 下面我们分别用不同的粗略方法来估算新船的船体钢料重量WH，并作一分析和讨论。 ? 用平方模数法 应用式(3.2.3)估算WH: WH CH1L(B,D) 式中CH1用母型船资料求取: CH1 WHO LO(BO,DO) 8295 0.950 185.0(32.0,15.2) 70 则新船的船体钢料重量为: WH 0.950 178.0 (30.0,15.0) 7610t ?用立方模数法 应用式(3.2.4)估算WH WH CH2LBD 式中CH2用母型船资料求取: CH2 WHO LOBODO 8295 185.0 32.0 15.2 9.218 10,2 则新船的船体钢料重量为 WH 9.218 10,2 178.0 30.0 15.0 7384t ?用指数法估算 应用式(3.2.6)估算WH，其中取常数项重量WC,0。各尺度的指数值取表3.2.4中散货船的值。 WH CH3L1.878B0.695D,0.189d0.158CB式中CH3用母型船资料求取: CH2 8295(185.01.878 320.695 15.2,0.189 10.00.158 0.8250.197) 4.9753 10,2 新船的WH为 WH 4.9753 10,2 178.01.878 30.00.695 15.0,0.189 10.00.158 0.8150.197 7378t ?用统计公式 应用式(3.2.11)的统计公式估算WH: WH 3.90KL2B(CB,0.7) 10,4,1200 式中:K 10.75,( 10.75,(300,L100)320.197 3300,178 100) 9.402 则:WH 3.90 9.402 178.02 30.0 (0.815,0.7) 10,4,1200 71 6480t 根据以上不同方法的估算结果，我们作一分析讨论:平方模数法和立方模数法的估算结果相比较，平方模数法的结果要大226t，而立方模数法与指数法估算结果很相近,WH为7380t左右。但是，用统计公式的估算结果WH仅为6480t，与立方模数法和指数法估算结果相比要小900t。那么式(3.2.11)的统计公式是否适用本船情况呢,为此，我们用所选用的母型船数据代入该统计公式试算一下母型船的船体钢料重量: WH 3.90 K 185.02 32.0 (0.825,0.7) 10,4,1200 式中:K 10.75,( 9.517300,185100)32 2,4WH 3.90 9.517 185.0 32.0 (0.852,0.7) 10 7399t,1200 而母型船实际的WH为8295t，统计公式计算结果也少了896t。可见，式(3.2.11)的统计公式不适用母型船。对此作进一步的分析: 母型船的尺度比为:LB 5.781， BD 2.105， B 3.20。该船的长宽比较小，宽度吃水比较大，是属于短而宽的浅吃水船。而且其船侧结构为双壳体，与单壳体船相比船体钢料重量也会大一些。而式(3.2.11)的统计公式，其统计对象较多的是早期的散货船，长宽一般以上二船要大一些(散货船L/B为6.5左右的较多)，且多为单壳体结构。从统计公式的表达式中可知，该式的WH与L2B关系重要，对于LB较小的船估算结果可能是偏小的。 根据新船的尺度比来看(LB 5.933， BD 2.0， Bd 3.0)比较接近母型船，并且与母型船结构形式相似(均为双壳体结构)。根据以上分析，新船的船体钢料重量7380t左右还是比较可信的。 从该例的估算与分析也说明，使用统计公式时一定要注意其适用性。 3.2.2 舾装重量的分析与估算 1. 舾装重量的分析 舾装包括甲板设备(也称为外舾装)和舱室内装(也称内舾装)，其详细的分项见表 3.2.2。 舾装部分重量的特点是:项目繁多，且各自独立，规律性差。特别是有些舾装件的型号、规格、技术参数变化和更新很快，更增加了重量估算的难度。 为了估算舾装重量，通常将舾装重量分成以下四部分，分别对照母型船的舾装重量资料来分析和估算。 ? 与船的排水量 和主尺度有关的重量??如船舶设备与系统，包括锚、舵、系 72 泊、消防、管系、油漆等。 ? 与船员或旅客人数有关的重量??如舱室木作(衬板、天花板、甲板敷料)、家俱、卫生设备、救生设备等。 ? 与船的使用特点有关的重量??如货船上的起货设备及舱口盖，拖船上的拖带设备等。 ? 特殊项目重量??如减摇装置，侧向推进装置等。 从舾装重量WO占整个空船重量LW的比例来看，大型干货船、油船相对较小，但小船，特别是客船所占比重较大。由于舾装重量初估时不易准确，因此舾装重量所占比例较大的船，对WO的估算要引起重视，否则影响很大。 2(舾装重量的估算 (1) 粗略的估算方法 WO的粗略估算方法也有类似于WH估算方法中的平方模数法和立方模数法，即: WO CO1LB (3.2.19) 或者， WO CO2L(B,D) 等等。以上各式中系数CO1~CO3取自母型船。 (3.2.20) 或者， WO CO3LBD (3.2.21) 对于货船，由于舾装重量中舱面设备所占比例较多，该部分重量与船的甲板面积或者说线性尺度的平方值相关性较密切。因此一般来说用平方模数法估算较合理些。若所考虑的船舶其WO与容积关系较密切，式(3.2.21)也可用下式替代: WO CO3(LBD)2 (3.2.22) 统计分析结果表明，WO按LB或(LBD)23来统计，比按立方数LBD的统计结果离散性小。 对于客船等舱室设备占WO比例较大的船，WO可近似地认为与船的总容积相关。 舾装重量的粗略估算除了上述利用母型资料换算以外也可利用一些统计资料。例如设: WO KLB (3.2.23) 式中K为每m2舾装重量(tm2)，统计结果见图3.2.5。应注意，按船长统计的K值离散性还是较大的，图3.2.5的结果仅供参考。 73 图3.2.5 每m2舾装重量的粗略统计结果 WO的统计估算公式在有关的文献中也可找到不少，由于舾装重量的离散性较大，因 此统计公式的估算结果很可能有较大误差。下面根据文献,1,资料，给出二个WO的统计公式: ? 油船 WO COLPP(B,D) (3.2.24) 式中:CO 0.3428DW ? 多用途货船 ,1.495,0.0886。 WO CO(LBD)2 (3.2.25) 式中:CO 0.98~1.28。 (2) 较详细的估算方法 舾装重量较详细的估算须在总布置设计完成后，对全船舾装设备作了较仔细的考虑，并具有大致的舾装设备清单，在此基础上采用较详细的分项估算方法。这样估算的结果一般较准确。 分项估算的详细程度根据设计的深度而定。对于已确定的具体舾装设备，可参照设备样本提供的重量资料来确定，如救生设备、锚泊设备、舵设备、起货设备等。对于舱口盖、甲板覆料、内装材料等可根据布置和选型结果，用型船资料或经验公式等方法估算。对于设计暂未确定的其他杂项的重量也可用型船资料换算，换算中对照新船和型船的不同处进行适当的修正。 3.2.3 项。 机电设备重量的估算 机电设备主要包括主机、辅机、轴系、动力管系(也有包括船体管系)、电气设备等 机电设备重量WM的估算方法也可分为粗略的估算方法和较详细的估算方法。较详细 的估算方法与舾装重量的估算方法一样，采用分项估算。对于设计已确定的各项设备重量，按产品样本资料逐项计算。计算中应注意有些设备的重量有干重和湿重之别，通常应取湿重的重量。对于一些杂项重量可采用与母型船重量资料对比分析的方法确定。 下面简要介绍二种粗略估算机电设备重量WM的方法。 (1) 按主机功率估算WM 根据统计，机电设备重量可以近似地按主机功率平方根(PD0.5)的关系进行换算。 对于主机为柴油机的机电设备重量WM可用下式初估: 74 WM CM(PD0.7355)0.5 (3.2.26) 式中:PD??主机功率MCR(kW); CM??系数，可用母型船资料换算。缺乏母型资料时，CM可按以下范围取值: 对于中速主机:CM=5~6;对于低速主机:MCR在10000kW以上时 CM=7~8，MCR在10000kW以下时CM=8~9。 (2) 分组估算WM 分组估算可以相对较准确地确定机电设备的重量。各部分的重量如下: ? 主机及减速箱:按产品样本资料查得。 ? 轴系:单位长度的重量(tm，不包括轴承)为: Wl 0.081(PDn)23 (3.2.27) 式中:l??轴系长度(m); PD??驱动功率(kW); n??转速(rmin)。 ? 柴油发电机组重量 W (15,P70) P 10,3 式中:P??单个机组的功率(kW); P??发电机组总驱动功率(kW)。 ? 螺旋桨重量 对一般的锰铜螺旋桨 W DK3 (3.2.28) Z,2 100式中:D??螺旋桨直径(m); K??系数，一般范围为:定螺距螺旋桨K 0.18AEAO,，其中AEAO为 。 桨的伸张面积比，Z为叶数;民用船可调螺距螺旋桨K 配电装置、备件和其它等，可按下式估算 W (0.04~0.07)P 式中:P??主机功率(kW)。 0.12~0.14? 其它重量:指以上各项重量以外的机电设备重量，包括泵、管系、锅炉、电缆、 ? 特殊重量:指一般干货船没有的特殊设备重量，如冷藏装置、油船的货油泵系统、惰性气体系统等特殊项目的重量。 3.2.4 固定压载与排水量裕度 1. 固定压载 固定压载是固定加在船上的压载，一般用生铁块、水泥块或矿渣块等物，也有用压载水作为固定压载。固定压载与船舶空放航行时用压载水压载是两种不同的压载，后者 75 是针对不同装载情况用于调整重量和重心的，以解决船舶无货空放航行时的适航性，压载水的重量属于载重量的一部分;而固定压载则无论装载情况有无变化，这部分重量是不变的，它属于空船重量的一部分。 船舶加固定压载的主要原因有: 某些船稳性不足，加固定压载以降低重心高度; 某些特殊船舶嫌满载吃水太浅或排水量太小，用固定压载加大吃水和排水量; 有的船因布置的特殊要求导致浮态不理想，用加固定压载来调整纵倾。 通常，固定压载只是在某些特定的船舶上加载，例如拖船、渡船、海洋调查船、客船等。这些船舶的载重量要求不高，但稳性要求很高，或者船舶在使用中本身需要一定的排水量。 对于一般运输货船，设计成加固定压载是不允许的。也有一种特殊情况是新船设计建造完工后，发现重心过高或浮态很不好，用加固定压载来作为一种补救措施，以便在新船牺牲了部分装载能力后还能继续使用。 2(排水量裕度 排水量裕度也叫排水量储备。在估算空船重量时，通常要考虑加一定的排水量裕度，其原因大致有以下三个方面: ? 设计中重量估算误差。 ? 未预计重量的增加，如在设计后期或建造过程中船东提出增加设备等。 ? 建造中时常难免会采用代用品(包括材料及设备等)导致空船重量增加。 因此，在船舶设计中一般都需要考虑一定的排水量裕度。排水量裕度一般都加在空船重量中。裕度加多少合适，要视设计者的经验、水平和掌握的型船资料的多少及准确程度而定。在新船的不同设计阶段，由于重量估算的精度不同，所加裕度的数量一般也不同。例如，在设计初始阶段，许多重量还不确切，采用的方法也是粗略的估算，此时应适当多考虑点裕度。随着设计的深入，各项重量估算的精确性在提高，那么裕度也可少加些。此外，组成空船重量的各部分重量的估算精度也可能不同，如船体钢料重量一般规律性较强，如果参考的型船又很相近，估算的把握性较大，则裕度可少加些;而对于舾装重量、机电设备重量的估算结果很可能误差较大，则裕度应适当多加些。在设计后期，尽管重量是由详细的设计资料经逐项精确计算得到的，此时仍需要考虑一点裕度。这是因为尽管计算结果是比较精确的，但船 上各种设备、材料众多，难免有遗漏，逐项计算方法中重量多算的可能性很少，而少算的可能性是有的，因此总体上对重量留有适当的裕度乃是必要的。 就一般情况而言，在初步设计阶段，排水量裕度可取空船重量LW的4,~6,。或者 对船体钢料重量WH取3,~5,，对舾装重量WO和机电设备重量WM各取8%~10,。 对于客船，由于舾装重量所占比例较多，且各种零星设备和材料特别多，因此要取 76 较大的排水量裕度。对于缺少设计和建造经验的新船型，裕度同样应取较大的值。 3.3 载重量估算 船舶的排水量 DW LW,DW，上面已经介绍了空船重量LW各部分的估算，本节介绍的估算。载重量DW包括了货物、人员及行李、食品、淡水、燃油、滑油、炉水以及备品和供应品的重量，如果设计状态还有压载水的话，则还包括压载水的重量。新船的设计技术任务书中有些对DW已作为设计条件给出，但也有些是给出了载货量WC的要 求。无论何种情况，为了考虑各种舱室容积的要求和计算重心的位置等，必须对组成载重量的各部分重量进行计算或估算。如已知DW，估算出除载货量WC以外的各部分重量 Wi以后，有WC DW, Wi，反之，已知WC也可求得DW。 3.3.1 人员及行李、食品、淡水的重量 1. 人员及行李 人员即指旅客和船员的重量。在我国船舶设计中人员重量通常按每人平均65kg计算。人员所携带的行李则应根据航程和航线及不同人员的具体情况确定。一般，每人行李的重量约为: 船员行李??35~55kg; 长途乘客行李??25~35kg; 短途乘客行李??10~20kg。 2(食品及淡水 分别根据人数、自持力天数及有关定量标准按下式计算: 总储备量,自持力(d) 人员数 定量(kgd 人) (3.3.1) 式中:自持力可按下式计算: 自持力,R VS 24 (d) (3.3.2) 式中:R为续航力(n mile)，VS为服务航速(kn)。 如果任务书中规定了自持力，则按任务书要求确定。 关于定量标准: ? 食品定量通常按每人每天2.5~4.5kg计算。 ? 淡水(包括饮用水和洗涤用水)的定量标准与航程、航线的气候条件(客船还考虑其等级标准)等因素有关。通常海船取每人每天定量100~200kg。我国国内航行船舶，因南方和北方气候条件相差较大，南方航行船舶淡水消耗量大，北方航行船舶消耗量较少。内河船因部分洗涤用水可直接利用江水，因此淡水可适当少带。远程航行船如本身 77 备有制淡装置，其淡水储存量也可相应减少。 3.3.2 燃、滑油及炉水的重量 1. 燃油 燃油储备量WF根据主机功率、续航力、航速、主机耗油率等计算确定。 WF t(g1P1,g2P2,g3) k 10,3 (3.3.3) 式中:t??航行时间(h)，t RS，其R为续航力(n.mile)，VS为服务航速(kn); g1??主机耗油率(kgkW h); P1??主机常用额定功率(kW); g2??辅机(主要指发电机组)耗油率(kgkW h); P2??航行时使用的辅机总功率(kW); g3??其他燃油设备(如燃油锅炉)单位时间耗油量(kgh); k??考虑风浪影响的系数，一般可取1.1~1.2。 对于一般运输货船，粗估时WF可按下式近似估算 WF g0P1t k 10,3 (3.3.4) 式中:可近似取为主机耗油率的1.15~1.20 g0??包括一切燃油装置的耗油率(kgkW h)， 倍;其他参数同式(3.3.3)。 2(润滑油 重量估算中润滑油的储量近似地可取为燃油储量的某一百分数，即 WL WF (3.3.5) ，主机功率大航程远的船取小值。 式中:对一般柴油机 0.02~0.05 3(炉水 炉水是指锅炉用水，其储备量仅需考虑蒸汽的漏失量。因现代船舶主机一般都为 (3.3.6) 式中:G??锅炉额定蒸发量(th); ??蒸汽漏失率，辅锅炉可取为0.05~0.06; t??航行时间(h)。 对于小型船舶，因炉水所需重量较少，在淡水储备量中考虑适当裕度后，可不计炉水重量。 78 3.3.3 备品、供应品重量 备品是指船上备用的零部件、设备与装置，包括锚、灯具、损管器材、油漆等。供应品是指零星物品，如生活用品、炊具、办公用品、医疗器材等。国外有时将这部分放在空船重量 (3.4.1) 式中: DW称为载重量系数。 如果已知载货量WC，则可用3.3节介绍的方法先估算出DW。 下面对载重量系数作一讨论并介绍一些估算方法。 (1) 用 DW估算 的适用对象 根据载重量要求，采用载重量系数 DW估算排水量适用于载重量较大的船舶，如散 货船、油船、多用途船等运输货船。这类船的载重量DW占排水量 比例较大。对于客船、车客渡船、拖船、科学考察船等这一类船舶，由于载重量占排水量的比例较小，用载重量来初估排水量误差可能较大，所以一般不能用式(3.4.1)的关系来估算 。 (2) DW的物理意义 从式(3.4.1)可知， DW表示船舶载重量DW占排水量的比例系数，对于相同排水 79 量的船来说，表示空船重量轻，或者说载重能力大。由此可见，一艘运输货船 DW DW大，的大小是反映该船设计建造质量的一个重要指标。 (3) DW的变化规律 统计资料表明，对于同类型的运输船舶，随着载重量的增大， DW也随之增加，也就是说，大船具有较大的 DW。这是因为大船的空船重量LW占排水量 的比例比小船相对要小。不同类型的运输货船相比较，显然运输大宗货物的低速肥大型船载重量系数要比中高速货船大得多。不同类型和大小的货船载重量系数统计结果如图3.4.1所示。 图3.4.1 不同船型和吨位的载重量系数统计结果 (4) DW的估算 从载重系数 DW的定义可知，估算出新船的 DW不仅可以用于粗估排水量，同样也可用于粗估空船重量。 根据空船重量的分类，假定组成空船重量LW的WH、WO和WM与排水量 存在某种指数关系，则有: ,WH，WO，WM，DW ,CH ，CO ，CM ，DW (3.4.2) ,1 则: , 1,(CH DW ,1 ，CO ,1 ， ，CM ) 对照式(3.4.1)，有: DW 1,(CH ,1，CO ,1，CM ,1) (3.4.3) 如果设: 1(即假定WH、WO 和WM都与 成线性比例关系)，则: DW 1,(CH，CO，CM) (3.4.4) 用式(3.4.3)估算 DW，需找出WH、WO和WM与 的指数关系，事实上有些重量(如 WM )与 的关系并不密切，难以统计出有用的规律。因此实用上 DW的估算通常直接采 用式(3.4.1)的关系，用母型船资料估算，或者用该式关系的统计公式。应该指出，由于影响空船重量的因素很多， DW的离散性很大，因此用统计公式估算 DW准确性不高。 80 此外，某些类型的船舶，如集装箱船、滚装船、车客渡船等，它们所载的单元货物的平均 重量指标有时相差较大，因此这些船的装载能力不能仅以载重量来衡量，用DW为参数来 统计 DW不能全面地反映船的装载能力。 下面根据有关文献的资料给出几个载重型船的 DW统计公式。 ? 多用途货船 ,1, DW 0.64,0.0556( DW10000 ) (3.4.5) 该式适用于DW? 散货船,18, 5000t~25000t 。 DW 0.7666,0.1304( DW10 5 ),0.0775( DW10 5 ) 2 ,0.1294( DW10 5 ),0.1441( 3 DW105 ) 4 ,0.0469( DW105 ) 5 (3.4.6) 该式适用于DW? 油船 ,1, 10000t~100000t 。 0.0551 DW 0.7337K(DW) (3.4.7) K 1.01~1.03 式中系数K:采用50,以上高强度钢的大型或超大型油船 浅吃水船型(Bd 3.5) DW 10000t~50000t ; ; 。 K 0.9~0.95 (纵中面上无纵舱壁) K 1.0~1.02 对于载重量DW占排水量 比例很小的船舶(如客船、拖船等)，通常不能采用式(3.4.1)的关系来粗估排水量。这类船舶主尺度第一次近似值一般是根据对主船体及上甲板所需的布置地位来初步选取(详见第四章有关内容的介绍)。在初步选取了一组主尺度(L、B、D等)以后，先估算出各部分重量，再考虑浮性方程的要求选择新船的吃水、方形系数和排水量等参数。然后再考虑各种其他因素和要求，调整主尺度，通过逐步近似的方法平衡重力与浮力，最后得出一组满足浮性方程的主尺度。 3.4.2 重力与浮力的平衡方法 根据浮性方程式: kLBdC B LW,DW ，如果已知粗估所得的新船排水量 ，又 根据各种因素初步选取了L、B、D、d及CB后，就可根据这些初选的主尺度要素估算出空船的重量LW，并按前面所述的计算方法计算出载重量DW(或由设计任务书给定)。经过上述步骤估算所得的重力(LW,DW)一般与由主尺度决定的浮力( kLBdCB)是不会相等的，需要调整。在这里，我们假设重量的估算是正确的(即使重量的估算存在误差，但至少目前我们没有依据随意地修改重量估算的结果)。那么应该调整的是浮力，即主尺度。调整多少浮力合适，这是需要考虑的一个问。 举例来说，如任务书要求的新船DW为17500t，由此根据初估的主尺度决定的排水 81 量 为23500t，而估算所得的空船重量LW 6500t，这样总重量LW,DW 6500,17500 24000t,总重量比排水量大了500t，或者说载重量少了500t。要保证新船的载重量DW为17500t，必须加大船的主尺度，以增加 。如果所增加的主尺度正好使 加大了500t，那么改变主尺度以后新的空船重量LW必然也随着主尺度的增加而增大，从而使新的LW超过6500t，那么 24000t仍不能保证浮力与重力的平衡。由此可见 的增量应大于500t，即 DW。但是大多少合理，这里我们引进诺曼(Normand)系数的概念。 假设组成空船重量的WH、WO和WM与排水量存在式(3.4.2)的关系，即: ,WH，WO，WM，DW CH ，CO ，CM ，DW 则 的增量为 经整理归并后有: 1,[ WH WH , WO , WM , DW WM () , (WO ) , () , DW DWWH , WO , WM ] N DW (3.4.8) 式中N即为诺曼系数: N 1,[ 1WH , WO , WM ] (3.4.9) 下面对诺曼系数N作一简单的分析: ? N 1，因为式(3.4.9)分母恒小于1。所以，如果载重量差额 Dw 1t，因为 N Dw，所以排水量必须改变1t以上。 ? N的大小取决于空船重量LW所占排水量 的大小。如果LW 小，则N也小。如设 1，则N就是载重量系数 DW的倒数。LW 小者， DW大，则N就小。 ? N的数值随WH、WO和WM与 的关系而变，其中包括了各项重量与占排水量的比例和排水量对各项重量的影响程度，即N随 、 和 的大小而变。 ? 为调整排水量而修改不同的主尺度，N也应不同。前面我们分析主尺度L、B、d和CB对LW的影响时已知，不同主尺度对LW的影响程度是不同的，其中L影响最大，B次之，d和CB影响最小。因此，如用调整L或B来改变 ，则空船重量变化就大，N应有较大的值;如调整d或CB来改变 ，则空船重量影响很小，N也应有较小的值。具体可作如下考虑: 修改L时，建议: 取1.2~1.5， 取0.5~0.8， 取0.2~0.3; 82 修改B时，建议: 取1.0， 取0.7， 取0.2; 修改d或CB时，建议: 取0.4， 和 可取为0。 事实上，由于各项重量与 的关系难以确切掌握，诺曼系数法只是重力与浮力平衡迭代过程的一种快速收敛法。如用计算机来完成迭代运算工作，即便取N 敛的，无非多运算几次。 实用中诺曼系数N也可用来估算新船的排水量。根据新船和母型船载重量之差，考虑主尺度的修改方案并利用母型船的 0、WH0、WO0和WM0计算N，从而可确定新船相对母型船排水量应改变多少。应用这种方法估算新船排水量的条件是新船与母型船的载重量相差不大。 1也是可以收 3.5 重心估算 船舶重心G的坐标如图3.5.1所示，坐标原点规定为纵中剖面基线上船长(通常指LPP)中点o。重心的x坐标用xG表示;重心的y坐标用yG表示，因通常船的左右舷重 量分布是对称的，故一般yG 0;重心的z坐标(即重心在基线以上的高度zg)习惯上用KG表示。船舶的重心估算，主要是指船重心的纵向坐标xG和垂向坐标KG的估算。xG的估算关系到船的浮态，即影响船的纵倾;KG的估算则影响船的稳性，这涉及到船舶的安全性，必须重视，如果估算不准，尤其是对于稳性富余不多的船舶，重心估算过低会带来严重的后果。 图3.5.1 船舶重心位置示意图 3.5.1 重心高度KG的估算 1(空船重心高度zgE 在设计初期，估算空船的重心高度zgE的方法是在估算出WH、WO和WM后，分别估 算出它们的重心高度zgH、zgO和zgM，然而通过下式求取zgE: 83 zgE WH zgH,WO zgO,WM zgM WH,WO,WM (3.5.1) 如果重量估算的分项较细，则在求出各分项的重量Wi和重心zgi以后，按下式求取zgE zgE Wi zgi Wi (3.5.2) 下面分别简要介绍分项重心高度zgH、zgO和zgM的估算方法。 (1) 船体钢料重心高度zgH 粗估zgH的方法通常是应用母型船资料假定zgH比例于型深来估算，即: zgH CED (3.5.3) (3.5.4) 或者 式中:D??型深; zgH CE1D1 D1??计入舷弧、上层建筑和甲板室的相当型深，可按式(3.2.5)计算; CE和CE1??母型船系数。 由于不同的船上层建筑及甲板室的大小和高度可能相差较多，其重量和重心高度的相似性可能与主船体不一致，因此较细致的考虑是将两者分别估算。 主船体钢料的重心高度zgH1可按下式估算: zgH1 CEHD1 (3.5.5) 式中:D1??计入舷弧和舱口围容积影响的相当型深，粗略地也可直接用型深D替代; CEH??系数，可用母型船数据计算而得。缺乏母型资料时，也可用以下统计公 式估算: CEH 0.48,0.0015(0.85,CBD)(L D),0.0082L B,6.5 (3.5.6) 其中CBD是计至型深的方形系数。如有球首CEH可减小0.004。 上层建筑和各层甲板室的重心高度可按其具体位置单独估算，其中首楼的重心高度可取其层高的0.8~0.85处(外飘大者取大值)，尾楼和甲板室可取层高的0.70~0.82处( zgO (1.00~1.05)D1 (3.5.7) 油船 zgO (1.02~1.08)D1 (3.5.8) 式中:D1??计入上层建筑影响的相当型深，即型深D加上层建筑容积除以甲板面积。 舾装重心高度的详细估算有一定的难度，因舾装重量所包括的项目十分琐碎。一般 84 认为船体木作及敷料的重心可根据总布置图取其面积的形心处。各种设备(舵、锚、系泊、救生、起货设备等)重心可根据具体布置的位置来确定。如有母型船详细的分项重量重心资料，可用母型船资料来换算。 (3) 机电设备重心高度zgM 粗略估算时，一般运输船舶机电设备重心高度的平均值约在0.55D处。用母型资料换算时，也可按比例于型深D的关系来换算。 机电设备的重心高度用分组重量估算时，可将其中大件设备的重心高度分项估算，剩余的 杂项设备再用型船资料换算。其中主机和柴油发电机组的重心高度，对于筒形活塞柴油机，可取其轴线上主机高度的35,~45%，十字头型柴油机该比例数取为30%~35%。 2(载重量的重心高度zgD 在设计的初始阶段，载重量的重心高度zgD的估算通常也是采用相近型船的资料来换算。分项考虑时，货物的重心高度可用相对于双层底以上的高度值来换算，以便消除不同双层底高度的影响;双层底内油水重心以双层底高度来换算;人员、行李、食品等重量的重心可按相对于上甲板的高度来换算，其余杂项的重心高度仍可按型深来换算。 当有了总布置图以后，载重量DW的重心高度zgD可以根据各个项目重量的具体位置进行估算。如人员、行李、食品的重心高度一般可取为所在甲板以上1m处，双层底内油水的重心高度可取为双层底高度的3左右;货物及深舱液体的重心高度取为舱容积的形心高度处。 3(新船重心高度的裕度 在船舶设计中，通常对重量估算的结果要留有一定的裕量。同样，对于重心高度的估算结果一般也要考虑适当的裕度。一种做法是将空船重量裕量的重心高度位置取在 1.2zg处。或者是直接增加一个 zg。特别应注意的是，对于客船、集装箱船等稳性要求较高或稳性富余很少的船舶，以及设计和建造经验较少的新型船舶，从保证船的安全性出发，往往将空船重量的重心高度再提高0.05~0.15m，作为新船重心高度的储备。 3.5.2 重心纵向位置xG 估算重心纵向位置的目的是为了与浮心纵向位置配合后使船舶有适宜的浮态。型线设计中选取浮心纵向位置时重心纵向位置是一个重要的考虑因素。 1. 空船重心纵向位臵xgE 空船重量的重心纵向位置，在设计初始阶段可近似用比例于船长L的方法，用母型船资料换算，即: 85 xgE CLL (3.5.9) 式中:CL??比例系数，取自母型船。 在有了总布置方案以后，xgE的估算应分项进行。例如机电设备重量的重心位置以相 对机舱位置的某基准点(如机舱前壁)，用机舱长度的比例关系用母型资料估算，然后再换算到距船中的距离。舾装重量的重心位置估算可分项进行。其中的大项设备(如锚泊设备、起重设备、舱盖设备等)按具体布置确定其重心位置。其余杂项(如m; B,22.8 m; D,13.2 m; d,9.28 m; CB,0.72; 主机功率(MCR)为8235KW。 请用所给出的母型船重量资料，采用不同的方法估算新船的空船重量(LW)。 (1)分别按以下几种方法估算新船的船体钢料重量WH: ? 平方模数法，用式 (3.2.3); ? 立方模数法，用式 (3.2.4); ? 指数法，用式 (3.2.6)，式中指数取表3.2.4中集装箱船的值，常数项WC取为0; ? 统计公式，式 (3.2.8)。 86 (2) 分别按以下方法估算新船的舾装重量WO: ?平方模数法:式 (3.2.20); ?统计公式:式 (3.2.23)，式中K取图3.2.5中集装箱船的值。 (3) 按主机功率估算机电设备重量WM: 用式 (3.2.26) 估算,式中CM用母型资料换算。 (4) 根据以上各项估算结果(不同方法中选用你认为合适的估算结果)，并考虑适当的 排水量裕度，计算确定本船的空船重量。 母型船资料如下: 主尺度: LPP,147.0 m; B,20.8 m; D,12.8 m; d,9.2 m; CB,0.63; 主机功率(MCR)为8820KW。 各项空船重量为: 船体钢料重量: WH=3750 t ; 舾装重量: WO=1200 t ; 机电设备重量: WM=1050t ; 3.8 什么情况下船舶需要设臵固定压载,一般运输货船设计中是否应该考虑设固定压 载,为什么, 3.9 设计给定载重量的货船，如果根据第一次粗定的主尺度计算所得的浮力比总重量小， 分别用加大L、B、d、CB来平衡重力和浮力。问:各方案重力和浮力平衡后的排水量是否相等,为什么,各方案按排水量大小排列，次序大体上怎样, 3.10 某船要求的载重量为18000t，初步选择主尺度后确定的排水量为25000t，经空船重 量估算后，LW=7500t ( 其中:WH,5200t，WO,1400t，WM,900t )，排水量缺少了500t(浮力不够)。问分别采用修改L、B、d时(即单独修改船长或船宽或吃水的情况)排水量应各增加多少吨能大致满足浮力与重力的平衡, (设: LW WH,WO,WM CH 1.25,CO 0.75,CM 0.3) 3.11 已知某船设计吃水时的排水量为7000t，空船重量为2203t，主机常用连续功率为 3321KW，主机耗油率为169g/(kW〃h)。服务航速为14.7kn，续航力为7000海里，船员人数为20人。并已知本船出港时装载淡水100t，食品3t，备品和供应品为7t。取辅机和锅炉的耗油量为主机耗油量的12,，滑油储量取为燃油储量的3,。试求本船的载重量和载货量以及满载出港和到港时的排水量。 3.12 载重量系数 DW的定义是什么,同类型货船，通常大船的 DW大还是小船的 DW大, 相同载重量的货船为什么低速肥大型船的 DW要比中高速货船的 DW大, 3.13 如果设计中船舶的重心高度KG和重心距中xg估算不准确，对船舶的哪些性能会产 87 生什么样的影响, 第四章 舱容和布置地位 4.1 概述 设计一艘新船，在决定主尺度时，一个重要的考虑因素是船舶必须具有足够的，又能充分利用的容积和布置地位。对于货船，船上要装载货物、压载水、淡水和燃油等，需要有足够的内部容积;客船要布置大量的旅客和船员的起居处所及服务处所，需要足够的甲板面积;集装箱船、滚装船等需要有适宜于装载单元货物的货舱和甲板面积。 运输船舶中，载重量(DW)占排水量比例较大的船称为载重型船舶，例如散货船、油船等。这类船舶对载重量和舱容的要求是确定船舶主尺度时考虑的主要因素。载重型船舶的货舱大小是由载货所需的容积要求所确定的。 如果船舶的主尺度主要是由所需的布置地位决定，而载重量不作为主要的考虑因素，这类船称为布置地位型船，例如客船就是典型的布置地位型船。这类船舶的特点是需要大量的甲板面积和发达的上层建筑，用于布置各种用途的舱室和设备，而载重量却很小。设计这类船舶时，通常首先考虑所需要的布置地位，确定主尺度也是从满足布置地位入手。 有些类型的船舶在设计中既要重点考虑所需的布置地位，又有一定的载重量要求，例如集装箱船、滚装船等。这类船舶运载的是具有特定尺寸的单元货，虽然单元货的密度(t/m3)不大，但单元货数量多，船舶的运载能力对载重量和布置地位具有双重的要求。例如集装箱船的运载能力既要追求载箱数，又要追求平均箱重指标。设计这类船舶时，为了充分利用舱容和甲板面积，货舱和载货甲板的尺度必须能适应单元货的特定尺寸，以便能装载尽可能多的单元货。 从以上所述可知，船舶所需的舱容和布置地位的大小，是由船舶的用途、装载货物的种类和数量、人员以及设备的多少决定的。新船满足舱容和布置地位的要求是通过选择适宜的主尺度和合理的布置等措施来保证。新船提供的舱容和布置地位要恰到好处，既要满足需要，又不能造成浪费。要解决好舱容问题的一般做法是:首先根据设计技术任务书的要求，估算出所需的舱容;然后根据初选的主尺度和总布置方案，估算出新船所能提供的舱容;再校核和调整主尺度和布置方案，直至恰如其分地满足舱容要求。对于解决布置地位的问题也可以采用上述方法，如具备母型船资料或根据统计资料，可以从所需布置地位出发估算主尺度，再通过具体的布置来校核和调整主尺度，直至合理地 88 满足布置地位的要求。在考虑舱容和布置地位而调整主尺度时，当然还要考虑重力与浮力的平衡以及性能等各方面的因素，有关这些问题在第五章中详细讨论。 当总布置图和型线图确定以后，要详细计算出货舱、压载水舱以及各类消耗液体舱的容积和形心位置，对舱容再作校核计算。舱容计算的结果也是性能校核的依据。船舶建造完工后，应根据完工资料和船舶使用的要求对各类舱室的容积重新精确计算，计算结果作为完工文件提交用船部门使用。重要产品的舱容计量是有法定计量部门通过实船测量后再计算确定的。 本章的货船主船体的各类舱室 4.2.1 货舱所需容积Vc 货舱所需的容积Vc与要求的载货量、货物的种类和包装方式以及装载形式等有关。Vc按下式计算: Vc=Wc?μc/Kc (4.2.1) 式中:Vc??货舱所需的型容积(m3); Wc??载货量(t); μC??货物的积载因数(m/t); 3 Kc??容积折扣系数。 (1)积载因数(μC) 积载因数μ单位重量的货物所占船舱的容积(mC的定义是:3/t)。它有考虑亏舱和不考虑亏舱之分，不考虑亏舱的积载因数仅与货物的种类和包装方式有关。部分干货的积载因数见表4.2.1，其他货物的积载因数从有关的设计手册中可查得。应注意，非液体货 89 物的积载因数并不等于货物密度(t/m3)的倒数。因为无论是包装还是散装，货物之间存在许多空隙，所以积载因数要比密度的倒数大。例如石灰石的密度为2.2(t/m3)，而块状石灰石的积载因数为0.84(m/t)，粉状石灰石的积载因数更大(μ 1.1)。液货(如原油、成品油等)的积载因数等于密度的倒数。 表4.2.1部分货物的积载因素μC 3 亏舱是指货舱某些部位因堆装不便而产生装货时无法利用的空间，因而亏损了舱容。亏舱量与货船开口大小、货物形状和堆装方式以及散货的休止角等有关。例如，开口以外的货舱顶部容积较难利用，开口越小，亏损容积越多;装载散装谷物时，这些部位如设置添注漏斗，则亏损容积又可减小。一般舱容的亏损量大致如下: 一般包装的杂货 10%~20% 散装货 2%~10% 木材 5%~50% 亏舱因素的考虑一般由船东根据实际装载经验结合船型特征确定。通常，船东设计技术任务书中给出的积载因数应包括对亏舱因素的考虑。 (1) 容积折扣系数kc 型容积Vc是指按型线图计算所得的容积，实际船舱容积的结构折扣系数 90 对于装载燃油、滑油、成品油等油料的液舱，由于油料受热会膨胀，不能装满，这类舱最大装载容积为净容积的97,~98,。 就散货船的货舱而言，用于装载散货的容积即为净容积。而用于装载包装货物的包装容积，高度只能由内底顶面(如有木铺板时，则由木铺板顶面)算到甲板横梁的下缘，两侧和前后由肋骨或舱壁扶强材内缘(有木护条时，则由木护条内缘)算起。此外，强框架，纵桁，舱 口端梁和舱口纵桁等强构件也要影响一定的包装容积。简化计算时，包装容积通常取净容积的90%~93%。 容积折扣系数kc就是考虑上述各种因素并根据不同舱室的具体用途来确定。 4.2.2 船舶在营运中，有不少情况是无货航行，例如运输大宗散货(煤炭、矿砂等)、原油的船舶，由于货物的单向性，每航次往返中有一次是空放。为了保证船舶空放航行时的适航性能，船舶必须具有一定的吃水，所以空放航行时通常需要压载。有些船舶由于稳性的要求，即使满载出港时，压载水也可能是必不可少的，例如集装箱船。所以，一般海上运输船舶都设有一定数量的压载水舱。 对于经常存在空放航行的船舶，压载水量是根据空放航行时所需的首尾吃水来确定。其中尾吃水一般要求达到0.04L~0.045L，并保证螺旋桨全部浸没水中。首吃水要求尽可能达到0.025L~0.03L，太小的首吃水在风浪中航行时容易引起严重的船首拍击。此外，压载航行时也不应有太大的尾倾，否则驾驶室设在尾部的船舶会严重影响驾驶视线。最大允许的尾倾值可参考表4.2.3所列值。 对于偶尔出现空放情况的船舶(如小型多用途船)，压载航行时的首尾吃水要求可适当降低。 油船空放航行时，以往采用在货油舱内灌注压载水。这种压载方式，当排出混有货油的压载水时，会造成环境污染。自1983年国际防污染公约生效以后，规定载重量2万吨及以上的原油船和载重量3万吨及以上的成品油船，必须设置专用压载水舱。防污染公约1992年修正案又规定了载重量600t及以上的油船须设置双层底以及载重量5000t及以上油船要求设置双底双壳，双层底和双壳体内不能用作货油舱。所以油船实际上都已具备设置专用压载水舱的条件。防污染公约规定了油船压载航行的首尾吃水，见表 压载水舱容积VB B96,或该水线处的垂线间长，取大者(m)。 4.2.3。表4.2.3的规定对其他船舶也有参考意义。 已知要求的压载航行平均吃水dB后，可按式(4.2.2)估算压载排水量?B，扣除空船重量以及油水、人员等重量后就可得到压载水量WB，进而可确定所需的压载水舱容积VB。 dB/d , B/ ,CB/CW (4.2.2) 在设计的初始阶段，应用式(4.2.2)时，水线面系数CW可参考母型船或经验公式估算(见6.3.1节)。更初步的压载水舱容积VB可用下式估算: VB?WB,kB?DW (4.2.3) 式中:kB??对于单向运输的散货船约为0.32~0.5，B/d较大的船取大值，宽浅吃水船取 大于0.5;多用途船约为0.2~0.3;集装箱船为0.3~0.35左右;大型油船(10 万吨以上)约为0.35~0.4，中小型油船约为0.42~0.47。有相近的母型 船时， 可参考母型船选取。 4.2.3 机舱、油水舱及其他舱室所需容积 1. 机舱容积VM 机舱所需容积实际上是由机电设备布置地位所需的机舱长度LM和机舱位置所决定。机舱位置在船长中部、中尾部或尾部的分别称为中机型、中尾机型和尾机型。已知机舱所需长度LM和位置时可按下式估算机舱容积VM: VM KMLMB,D,hDM, (4.2.4) 式中:KM??机舱段体积丰满度系数，丰满船机舱在中部的可近似取1.0，中尾机和尾机 型可参照母型船资料选取。 hDM??机舱双层底高度，一般中等大小的船为1.2m~1.5m，小型船舶0.9m~1.2m, 也可参考母型船取。 机舱长度LM对货船舱容的利用率关系重大。为提高舱容利用率，设计中机舱总是取尽可能短的长度。在机舱高度允许的情况下，一般都设有机舱平台，大船通常还设有多层平台，以便充分利用空间布置机电设备，缩短机舱长度。在设计的初始阶段，如主机为低速柴油机装置，机舱长度可按主机长度lm粗略估算: LM,lm+C (4.2.5) 式中:C??可参考与新船机舱位置、主机类型、功率和台数以及主尺度相近的母型船选 取;如缺乏资料，初估时对于中尾机型可取4~6m，尾机型可取10~12m。 对于主机采用低速重型柴油机，主机功率在5000KW以上的单桨船，机舱长度也可用以下统计公式估算: LM=15+0.607PMCR?10 (4.2.6) 式中:PMCR??主机连续最大功率(kW)。 92 -3 对于采用中高速柴油机的小型船舶，机舱长度参考相近的母型船取比较合适。 2. 油水舱所需容积VOW 船上油水舱包括燃油舱、淡水舱、滑油舱(滑油循环舱、滑油储存舱等)、污油水舱等。这些舱所需容积可按储存量来计算: VOW Vi Wi (4.2.7) Vi i KCi 式中:Wi??油、水等储存量(t); ρi??油水的密度(t/m)，一般重油(燃料油)取0.89~0.9;轻油(柴油)取0.84~086， 淡水取1.0。 kCi??容积折扣系数，对于水舱可取结构折扣系数(见表4.2.2)，油舱再考虑膨 胀系数0.97~0.98，重油舱内因需设置加热管系，还要占去3,左右的容积。 实船设计中该系数的取值还应注意与轮机部分的设计相互协调。 3 3. 其他舱室的容积VA 主船体的其他舱室还有首尖舱、尾尖舱、隔离空舱、轴隧室等(轴隧室是中机型或中尾机型船，尾轴通过其它舱时需设置的保护尾轴的舱室，轴隧室内除布置轴系以外，还应留出人员进去检修的地位)。首尾尖舱的总容积虽有一定的数量，但在垂线间长范围内的容积不多。垂线范围内上述舱室的容积约占总容积的2,~5,(尾机型船取较小的数值)。 油船根据消防要求，在货油舱和机舱之间要设隔离舱，但隔离舱的容积是可以利用的，一般用作货油泵舱和燃油舱。油船还要设置存放清洗货油舱后所产生的污油水和残油的污油水舱。防污染公约规定，此污油水舱的舱容不得小于货油舱容积的3,，对设有专用压载舱和使用原油洗舱的可为2,。 4.3 舱容的校核与计算 在船舶的不同设计阶段都要进行舱容校核工作。舱容校核就是对新船所能提供的各部分舱容进行估算或计算，然后与所需的舱容作比较，需要时对设计进行调整，以满足舱容的平衡要求。在设计的初始阶段考虑和确定主尺度时，对舱容就要进行初步的校核，以便检验所考虑的主尺度是否符合舱容的要求。在该阶段，由于型线尚未设计，新船所能提供的舱容只能用近似公式或参照母型船资料进行估算。随着设计工作的深入，舱容校核工作也愈加详细和 准确。本节首先介绍舱容估算的方法，然后讨论舱容校核和如何调整的问题，最后对详细计算舱容时应注意的问题作几点说明。 93 4.3.1 新船所能提供的舱容的估算或计算。 新船舱容的估算，应根据已知条件的详细程度来选用适当的方法，已知条件越多，选用的估算方法合理，准确性也越高。 1. 主船体总容积的估算 根据主尺度(包括方形系数)，可用下式粗估垂线长度范围 (4.3.1) 式中:CBD??计算到型深的方形系数，可按下式估算:CBD=CB+(1-CB)(D-d)/(C1d)，其中 C1为:首尾型线外飘较小时C1取4，外飘较大时C1取2.5，一般情况C1取3; D1??计入舷弧和梁拱的相当型深，可按下式估算:D1=D+SM+0.7C，其中:SM 为相当舷弧高，可近似取为首尾舷弧之和的1/6;C为梁拱值，可取 C=(0.01~0.02)B。 式(4.3.1)没有计入上甲板以上货舱舱口围板 (4.3.2) 式中C根据尺度和布置相近的母型船取，对于常规船型缺乏母型资料时，粗略估算也可用统计值确定。例如对于多用途船，C约为0.5~0.57，平均值约为0.55~0.56。 用式(4.3.2)估算货舱容积非常 粗略，主尺度比(L/B、L/D、B/D等) 非常规或缺乏相近母型时不宜使用。 如果根据初定的主尺度，对主船体舱 室进行初步划分(如图4.3.1所示)， 并对货舱典型剖面的形式有所考虑 后，建议用下式估算货舱容积: VTC=LCACKC =(LPP-LA-LF-LM)ACKC (4.3.3) 式中:Lc??货舱长度; LM、LF、LA??分别为机舱长度和首、尾尖舱长度; AC??船中处货舱横剖面积:货舱区不设边舱时，AC?B(D-hD)，其中hD为双层 底高度;设有边水舱时，根据货舱中剖面结构形式确定。 KC??考虑舷弧、梁拱、舱口围板 图4.3.1主船体舱室划分示意图 散货船KC,0.135+1.08CB; 杂货船KC,0.175+1.08CB。 3. 双层底舱容积估算 延伸至首尾的双层底舱容积VD可用下式估算: VD LPPBhD d,hD CB,0.4 d 2,CB (4.3.4) 式中:hD??双层底高度; 4. 舱容的计算 如已绘制了总布置图和型线图，就可以应用数值积分方法准确计算出各舱室的型容积，并 考虑容积折扣系数便可求得各舱净容积。 4.3.2 舱容校核与调整 估算或计算出新船所能提供的舱容以后，就可以与所需舱容比较，进行舱容校核工作。如果舱容不平衡，则需进行调整，舱容的调整包括修改主尺度和舱室划分。舱容的校核与调整应根据具体的情况，采用不同的方法。 1. 全船容积的校核方法 如果已知所需的货舱容积VC，压载水舱容积VB、机舱容积VM、油水舱容积VOW以及其他舱容积VA，可以用全船容量方程来校核，即: VH=VC+VB+VM+VOW+VA-VU (4.3.5) 式中:VH??新船所能提供的总容积，可用式(4.3.1.)估算; VU??为上甲板以上装货的容积，包括货舱口围板内的容积和有长首楼时首楼内 的货舱容积。 式(4.2.5)的等式要求也可以理解为略大于。由于该式中机舱所需容积实际上是由机舱布置地位所决定的，用容积来估算不易正确，此外，当容量方程不平衡时，如何修改主尺度或调整各部分容积也不直观，所以实践中较少采用全船容量方程的办法来校核舱容。 2. 局部容积的校核方法 初步确定主尺度后，参考母型船，如图4.3.1所示将主要舱室初步划分一下，其中:尾尖舱的长度约为(0.04~0.05)LPP，机舱的长度用4.2.3节介绍的方法估算，首尖舱的长度为(0.05~0.08)LPP，剩下的长度对于干货船一般就是货舱长度;小型船舶油水舱和压载水舱不够时，有时需要设深舱，用作油水舱或压载水舱。油船在机舱和货油舱之间需划出一个隔离舱，可作为货油泵舱和燃油舱;详细的舱室划分考虑见第七章“总布置设计”。舱室初步划分以后，就可用局部舱容的校核方法进行校核。 95 (1) 货舱舱容的校核 货舱舱容校核的要求是:新船所能提供的货舱容积VTC应等于或略大于所需的货舱容积VC，VTC和VC可分别用式(4.3.3)和式(4.2.1)估算。当货舱舱容不平衡时，采用本节3.所述的方法调整。 (2) 油水舱、压载水舱舱容的校核 货船的双层底舱、边舱(如散货船货舱区的顶边舱和底边舱以及双壳体船的边舱)、首尖舱和尾尖舱主要用于油水舱和压载水舱。货舱区没有边舱的船，上述舱扣除油水舱所需容积后，所剩容积用于压载水舱通常是不够的，除非该船空放航行情况很少，否则应采取措施。例如机舱容积较大时，在机舱两侧设深舱，或者适当加长首尾尖舱，或者在适当部位另设深舱。 对上述舱室的划分有了一个初步的设想以后，根据所要求的油水舱和压载水舱容积进行校核。校核时，新船所能提供的容积根据已掌握的资料，可采用适当的方法进行估算。例如首尾尖舱容积、边舱或深舱容积可采用局部的立方数方法并参考母型船资料进行估算。应用统计公式估算时应注意新船的特点。 3. 舱容的调整 舱容校核中，如所需舱容与新船所能提供的舱容不平衡时，应进行舱容调整。调整时应根据具体情况进行分析，确定最合理的方案。 (1) 货舱和压载水舱的总容积不足 当货舱和压载水舱总容积不足时，首先分析机舱长度能否缩短，因为机舱所占的容积属于 非盈利部分，最大限度地缩短机舱长度是提高舱容利用率的重要措施。现代船舶机舱布置都很紧凑，尽量利用空间，少占长度。缩短机舱长度的措施应与轮机设计人员协商，以便保证方案的可行性。当机舱长度不能再缩短时，舱容不足只有用加大主尺度(L、B、D)的办法来解决，此时应综合各方面情况，分析确定合理的主尺度修改方案。 ? 如果原选择的尺度比L/B是在正常范围内，稳性(主要是初稳性)也有一定富余情况下，加大型深D是增加舱容最合理的方案。因为加大船长，将使空船重量增加较多，对造价影响最显著，而加大船宽对性能影响较大。增大型深后对纵总强度有利，船体钢料增加最少，但因为重心升高和受风面积增大对稳性会有所影响。 ? 如果原选择的主尺度，考虑其他因素(如嫌稳性不足，快速性不良等)也有修改意向时，应结合舱容的要求，综合分析，统筹兼顾，确定合理的修改方案。 ? 因舱容要求修改主尺度以后，浮力和重力的平衡应重新考虑，对其他性能有较大影响时也要重新校核。 (2) 舱容明显多余 除特殊船型以外，在舱容明显多余时也应考虑调整主尺度。调整尺度时要充分考虑到对性能和其他方面的影响。在主要性能(如浮性、快速性、稳性等)已基本合适的情 96 况下，可适当减小型深。减小型深应注意是否满足最小干舷的要求以及对纵总强度等其他因素的影响。如果排水量、快速性、稳性等条件允许船长或船宽作调整，则应根据舱容多余的问题统一考虑，对主尺度进行适当调整。 专用的矿砂船由于积载因数很小，属于富余容积型船，舱容的平衡问题则另当别论。有些船的型深不能因为舱容富余而减至很低，因为还有其他因素(如强度、干舷等)要考虑。 (3) 部分舱容的调整 如果货舱和压载水舱的总容积已足够，但不平衡，例如货舱容积多余，而压载水舱容积不足，此时应进行调整。调整货舱与压载水舱容积的比例可通过调整双层底高度以及首尾尖舱的长度，有边舱时还可调整边舱的尺寸。调整时应注意以下问题: ? 调整双层底高度时，应满足双层底高度的最低要求(详见第七章有关双层底高度的要求)。如考虑增大双层底高度，则要注意满载时重心升高对稳性的影响。 ? 边舱的尺寸也有一定的范围，调整双壳体边舱的宽度时要注意到对破舱稳性的影响。 ? 首尖舱的长度规范和法规有要求，不可超越规定的范围。 ? 缩短首尾尖舱的长度对增加货舱实际的有效舱容是很有限的。因为，对于尾机型船，尾尖舱缩短后，机舱后端更尖瘦，机舱布置的长度利用率将降低，即机舱一般不可能等长度后移。首尖舱缩短后也因为首部型线削瘦，所增加的货舱容积利用率不高，即货舱首端处舱容亏损会增加。 ? 如果采用增大首尾尖舱的长度，将多余的货舱容积转移到首尾压载水舱容积中去，这种做法对于大船来说，很可能导致压载航行时船舶所受的弯矩比其他载况都大，这一点对于散货船优为严重。散货船由于压载量大，通常压载航行时的总纵弯矩比满载时大得多。大船压载水的分布对总纵强度的影响在总体设计中应予以充分重视。 4.3.3 舱容的详细计算 正式的舱容计算根据确定的总布置图、型线图和肋骨型线图进行，舱柜具体尺寸应根据相关的结构图确定。需要详细计算舱容的舱室主要有货舱、压载水舱、各类消耗液体舱。如要绘制全船容量图，其余舱的容积也要计算。 1. 计算 (4.3.6) 97 式中:l′和l??分别为扣除横舱壁扶强材后货舱的有效舱长度和货舱的理论长度; A′和A??分别为货舱型容积中心处横剖面有 效面积(图4.3.2中的阴影部分面 积)和型面积。 C??取0.995~0.998，小船取小值，大船取大值。 上式中l′和A′扣除的是舱壁护强材、肋骨和横 梁这些普通构件的影响，而系数C是考虑强框架、桁 材、舱口端梁及舱口纵桁的影响。舱口围的容积可单独 计算，无论散装容积还是包装容积都可取舱口围的型容 积的值。 ? 型容积的形心坐标，包括形心距船中的距离 XV和距基线的高度ZV，需要时还包括形心距中纵剖面 图4.3.2 包装容积 的距离YV。散装舱容和包装舱容的形心可直接取型容积的形心。由于亏舱的因素，实际均质货物的重心高度比型容积形心高度要低些，这样取的结果偏于安全。 ? 液体舱的水平面惯性矩。通常仅需计算横向的面积自身惯性矩ix，用以计算稳性时求取自由液面修正值。 2. 计算方法 型容积和形心以及面积惯性矩的计算方法是应用近似数值积分方法，手工计算通常采用辛浦生第一近似积分法。对液体舱应采用变上限积分方法，以便求得不同液体深度时的容积、形心位置以及惯性矩。 现在舱容的计算普遍应用计算机来完成。应用计算机计算，近似积分方法可以有多种选择，只要能保证计算精度就可以。目前使用的舱容计算软件主要有二种。一种是单个舱的舱容计算程序。输入数据包括各剖面(或水线)位置和型值。剖面数(或水线数)根据舱的大小、计算精度以及计算程序对输入数据的要求确定。应用这种程序时应注意对复杂形状舱的处理，因阶梯形舱存在纵向(或竖向)面积突变的情况，处理不好对计算精度影响较大。另一种是建立在全船型值基础上的舱容计算程序。计算舱容时仅需输入舱的限界面(如纵、横舱壁、甲板等)要素即可形成围蔽空间，对形状复杂的舱可以进行积木式拼接，也可扣除某一块空间。无论何种舱容计算程序，都应具有图形显示功能(最好为三维显示)，将计算舱的图形显示出来，以便使用者检验输入数据是否正确。 3. 计算结果的表达方法 采用手工计算时，对液体舱需根据计算结果绘制出液舱要素曲线，如图4.3.3所示，以便使用时根据实际液面高度或液体数量查得各要素。采用计算机计算时，可采用表格形式给出计算结果，如表4.3.1所示。表中舱深的间隔应加密，小船可加密到每隔1cm给出一组舱容数据，大船可为5cm左右。加密输出计算结果可免去绘制舱容曲线，使用时 98 可直接从表中读数。 表4.3.1 液舱舱容表 舱名; 始肋位号: 末肋位号: 容积折扣系数: 液体比重: 注:?舱深是指液面到液舱最低点的距离; ?形心高度ZV是指到基线的距离; ?液面对Y轴的惯性矩可以省略。 为了清楚形象地反映出全船各舱室的容积和形心位置，可根据总布置图绘出全船舱柜容量图，其形式与总布置图相似，在各舱室位置标出舱室名称、容积和形心坐标。如表达困难时，再辅以全船舱容汇总表，表中将各舱名称，位置(起始和终止的肋位号)、舱容要 图4.3.3 液舱要素曲线 素(包括容积、形心位置、液舱的最大惯性矩等)标注清楚。 4. 测深尺容积 完工文件中还需计算测深尺容积表。测深尺容积是指在测深管测深尺读数型式 对应起来。 4.4 船舶的布置地位 船舶设计中，对布置地位的考虑是总体设计的一项重要工作。对于载重型船舶，一般来说，布置地位(例如货舱口及堆放舱盖的布置地位，各种甲板机械的布置地位，以及船员的起居和服务处所的布置地位等)不是影响船舶主尺度的主要因素。但有些类型的船舶，如客船、集装箱船、滚装船、科学考察船、渔业加工船、某些工程船等，船舶的主尺度很大程度上取决于所需的布置地位或受布置地位的制约。设计这类船舶时，往往需要从所需的布置地位入手来考虑船长、船宽和型深，然后再根据性能、强度等方面的考虑来校核其主尺度是否合理，并决定其他要素。因此，这类船舱的布置地位是影响主尺度决定的主要因素。在设计这类船的初始阶段，对新船所需的布置地位必须考虑周到，并通过勾画总布置草图来仔细确认布置地位是否满足要求。本节以客船和集装箱船为例来讨论船舶所需的布置地位问题。对于其他各型船舶的布置地位问题，从思考方法上来说是一样的，一般根据设计技术任务书的要求，针对新船的具体情况，参考同类型船的布置来考虑。有关总布置的详细考虑在第七章“总布置设计”中再作介绍。 4.4.1 客船的布置地位 客船是指载客人数超过12人的船舶，包括纯客船和以载客为主兼载部分货物的客货船。目前，纯客船已向旅游船和高速船两个方向发展，客货船向客滚船(或称车客渡船)方向发展。这些船舶都属于比较典型的布置地位型船舶。 纯客船所需的布置地位主要包括以下各部分: ? 乘客和船员的起居处所。包括住室、盥洗室、大厅、餐厅、休息室、娱乐活动室、办公室、医务室、理发室以及走廊等。 ? 乘客和船员的服务处所。包括厨房、配膳室、贮物间、邮件舱及贵重物品室、物料间、工作间以及通往这些处所的走廊等。 ? 乘客游步处所。包括外走廊以及允许旅客到达的露天甲板等。 ? 机器处所。包括机舱、锅炉房、电站和配电舱室、通风、空调、冷藏等各种机器处所。 上述各种舱室和处所中，关于乘客所需的布置地位，我国法规“乘客定额及舱室设备”有以下规定: ? 客船根据航行时间和国际、非国际航线分为以下四类: 第一类??航行时间在24h及以上的国际航行客船; 第二类??航行时间在24h以下的国际航行客船和航行时间在24h及以上的非国际 100 航行客船; 第三类??航行时间在24h以下的非国际航行客船; 第四类??航行时间不超过4h的非国际航行客船。 ? 客舱分为卧席和坐席两种。第一、二类客船和航行时间超过6h的第三类客船应全部设置卧席客舱，航行时间在6h及以下的第三类客船和第四类客船可根据营运需要设置适当数量的坐席客舱。卧席客舱的等级和人数规定见表4.4.1。 ? 各类客船不同等级客舱每位乘客的最小居住甲板面积见表4.4.2。 ? 各类客船必须设有乘客的游步甲板，各类客船每位乘客所需的游步甲板面积应不小于表4.4.3的规定。 表4.4.1 卧席客舱等级和人数 2 表4.4.2 每位乘客最小居住面积(m) 表4.4.3 各类客船每位乘客所需的游步甲板面积(m2) 对于高速客船，客舱均设座位，无卧铺，也不设乘客游步甲板。法规适用的高速客船是指L?15m，最大航速v?3.7?0.1667(m/s)的客船。 ? 客舱净高度规定:对第一、二类客船应不小于2.1m;对第三、四类客船不小于2.0m;对设置单层铺的客舱应不小于1.9m。 ? 下列处所不应载运乘客:净高度不足1.9m的舱室;防撞舱壁之前的处所;最深分舱载重线以下超过1.2m的第一层甲板上的处所以及其他不适于载客的处所。客舱也不能与储藏易燃、易爆物料舱室及二氧化碳消防站室相毗邻。 法规“乘客定额及舱室设备”的规定除以上所述以外，对客舱通道、出入口、扶梯的数量与宽度、乘客的公共处所、服务处所、卫生和医务处所等都有规定，这些处所的布置地位在设计中都应予以考虑。 客船除了上述旅客所需的布置地位的特别要求以外，由于客船还需要人数较多的服务人 员，所以船员人数比其他运输船要多得多，船员的起居和服务处所也需要大量的布 101 置地位。此外，客船由于人员多，需要配备大量的救生艇和救生筏，且都要配备吊放设备，这些也要占据相当多的布置地位。 考虑客船的布置地位时，以下几点应注意: ? 为改善乘客的乘坐条件，除大型客船外，客舱尽量不要布置在主甲板以下。大型客船在主船体我国部分客船的主要参数 4.4.2 集装箱船的布置地位 考虑集装箱船的布置地位，主要是根据设计技术任务书对总载箱数要求，通过对集装箱的具体布置安排，得出新船满足集装箱布置地位所需的主尺度(L、B、D)，进而通过浮性、稳性、快速性和其他性能以及强度等方面因素的考虑和校核来确定船的主尺度。在这个过程中，要分析比较不同排箱方案对船舶主尺度、重心高度以及装卸使用等方面 102 的影响。 考虑集装箱船的布置地位，以下二个方面是非常重要的: ? 舱ISO指定的部分标准集装箱 集装箱在船上的布置分为行、列、层。通常集装箱长度方向只能沿船长纵向布置，并以标准箱沿船长方向的布置称为行(bay)，沿船宽方向的布置称为列(row)，沿型深 103 方向的布置称为层(tier)。 集装箱箱位的编号规定如下: 如图4.4.1所示，集装箱的行、列、层分别用一个两位数表示。对20ft集装箱的行数规定为单数，即01，03，05„„。对40ft集装箱的行数规定为双数，即02，06，10„„或04，08，12„„，其中02为20ft箱01和03的组合，06为05和07的组合，以此类推，或者04为03和05的组合，08为07和09的组合，以此类推。列数规定为自船中心线向右舷排列以单数编号，即01，03，05„„，中心线向左舷排列以双数编号，即02，04，06„„，中心线上的编号为00。层数的排列自下而上，均以两位双数表示，规定舱内以02，04，06„„编号，甲板上以82，84，86„„编号。由此，每一个集装箱的位置可以用一个6位数来表示，前两位为行编号，中间两位为列编号，最后两位为层编号。例如，图4.4.1中“B”集装箱的编号为160382，表示位于甲板上第一层、中心线右边第2列、行编号为16的40ft集装箱。垂向同一行同一 列的集装箱称为“堆”。 104 图4.4.1 集装箱箱位的编号 2. 集装箱的布臵 (1) 舱布置集装箱时的局部平台 图4.4.3 集装箱角隅处船体局部流线型突出体 为了使舱内空间得到充分的利用，型深、双层底高度和舱口围板的高度选择应相互配合好，通常舱内顶层的集装箱距舱口盖下缘的间隙为0.20m~0.30m。舱内集装箱(或无舱口盖集装箱船)的层数最多可达9层，这是因为集装箱自身强度允许最多可堆装9层。 为了便于舱内集装箱的装载和固定，专用集装箱船舱内通常设置导轨架，但多用途船不宜设置导轨架，因导轨架影响其他货物装载。大中型集装箱船考虑舱内集装箱的布置时，通常以单元货舱的方法来考虑。通常一个单元货舱纵向布置两个货舱口(中间设横向甲板条)，每个货舱布置4行20ft集装箱或2行40ft集装箱，如图4.4.4所示(首端货舱也有布置2行20ft箱)。图中间隙d约为50~150mm，取决于导轨架的形式和制造工艺;间隙a、b、c取决于舱口角隅形状、肋距大小、导轨架形式以及货舱盖的形式等因素。集装箱船主尺度的选择与单元货舱的布置直接有关，而单元货舱中各间隙大小又是决定单元货舱尺度的主要因素，所以在设计集装箱船之初必须首先考虑单元货舱的尺度，特别是对各间隙作仔细的分析和确定。 105 (2) 甲板上集装箱的布置 集装箱船露天甲板(包括货舱盖)上要布置大量的集装箱，所以上层建筑长度希望 图4.4.4 典型的单元货舱布置 尽量短些。甲板上集装箱的层数主要取决于船舶稳性，一般为4层左右，多的也有达到6层，但一般4层以上的集装箱按空箱考虑。驾驶室布置在船尾时为了满足驾驶视线盲区的要求，甲板室层数多达6~8层，并且船首的集装箱层数需适当减少。也有将驾驶室前移，以减少甲板室层数，在船尾再布置一些集装箱。驾驶室和居住舱室全部移至船首，果然可以增加集装箱的布置地位，但船的造价相对要增加。 甲板上集装箱在船宽方向的布置应尽量 利用船的全宽。堆放在舷侧的集装箱通常用 立柱撑起，箱的另一侧搁在舱盖上，舷侧集 装箱的下部作为通道，如图4.4.5所示。此种 布置舱口围板的高度加上舱口盖板的厚度应 不低于人员行走所需的高度(1.9m以上)。 集装箱船的舱口盖通常用起重设备吊装，所 以甲板上可不考虑舱口盖的收藏地位。 船舶在航行时有很大的运动，因此布置 在甲板上的集装箱不仅需要平面 图4.4.5 甲板上集装箱的布置 下也要固定。一般情况下，甲板上第一、二层不需绑扎，仅依靠4个箱角处的扭锁即能固定。第三层以上的集装箱需要绑扎，这是因为远离运动中心的集装箱受到船舶运动引起的受 力较大(装在甲板上的集装箱所受的外力有运动引起的力、风压力和重力)。具体的绑扎要求和绑扎设备的强度需按规范的要求计算确定。40ft的集装箱两端都需绑扎，对于20ft的轻箱允许单端绑扎。绑扎时需要操作地位，因此甲板上两个40ft箱的端部之间需要留出0.55m~0.65m的间隙。 思考与练习 4.1 设计新船时，校核舱容和布臵地位的一般做法是怎样进行的, 4.2 怎样计算新船所需的货舱容积,计算中需要考虑哪些因素,这些因素怎样确定, 4.3 为什么运输货船通常都需要设臵压载水舱,它的主要作用是什么,所需的压载水数 量怎样确定,需要考虑哪些因素, 4.4 某干货船的排水量为Δ=19650t，设计吃水d=9.2m，CB=0.66，CW=0.804。要求的载 货量为12308t，积载因数为1.5m3/t，需要装载的油水有:燃料油1095t( 0.9tm3)、轻柴油280t( 0.84t/m3)、滑油54t( 0.88tm3)。淡水325t。上述燃料油装载于深舱，其余油水都装载于双层底舱。请分别估算货舱所需的散装容积和油水舱容积。此外，本船要求压载出港时，首吃水dF不小于4m，尾吃水dA不小于6.5m，请计算所需的压载水舱容积VB。 4.5 新船在还没有设计型线图的情况下(仅有主尺度和总布臵草图)，如何估算各主要船 舱(如货舱、压载水舱、油水舱等)的容积, 4.6 经舱容校核以后，如舱容不足，需要用加大主尺度来解决，请问通常调整哪个尺度来 解决舱容的不足比较合理,为什么,调整该尺度时应注意些什么问题, 4.7 某散货船的总容积已大于所需总容积，但货舱容积还不满足要求，此时该如何调整舱 容,调整中应注意些什么问题, 4.8 客船所需的布臵地位一般主要包括哪些部分,设计中这些布臵地位一般怎样确定, 4.9 设计集装箱船时,对布臵地位的考虑非常重要,请问: (1) 舱内集装箱的布臵主要应考虑哪些因素, (2)甲板上集装箱的布臵主要应考虑哪些因素, 107 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。 108 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)，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。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5.1.1 DW=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0.05~0.07LPP，尾尖舱的长度约0.035~0.045LPP。 109 ? 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2500TEU~4400TEU，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。 110 图5.1.3 365TEU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0.22~0.26)，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。 ? 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 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。 111 图5.1.4 集装箱船货舱形式 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 ? 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。 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， 表5.1.1 多用途船经济航速 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 112 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5.1.5 DW=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:2.591×2+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。 ? 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 113 图5.1.6 敝开式舱口的货舱结构形式 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 114 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 115 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 116 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Fn,0.25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 117 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(Tφ)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Tφ?1.3TW 。TW与波长λ(m)的关系为TW,0.8 。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Tφ 应不小于8~9秒，远海(或无限航区)的船舶，如果按波长λ,140m计算，则Tφ 以大于12秒为宜。 船舶的横摇固有周期Tφ?B / GM。由于小船所需的初稳性高一般并不比大船小， 118 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Tφ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 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 119 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。 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。 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 120 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/ 1/3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(Tθ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(λ/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λ/L=0.9~1.25范围内，增大L/ 1/3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λ/L,1.2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 121 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。 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/LPP?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。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。 图5.1.9 船体水下侧面积和形状 对航向稳定性的影响 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 122 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 123 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(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0,~25,，国际航行的运输船通常取10,~15,。 ? 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(90~150)r/min;沿海船舶(100~200)r/min;沿海小型船舶和内河船舶(200~400)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 124 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年以前没有破舱稳性的要求，但这以后对L,100m的干货船增加了概率衡准的破舱稳性要求，1998年又将船长的范围扩大到80m。因此以往的一些小型船舶(L?80m)采用一个大货舱的船型很可能难以满足现行公约。所以在参考母型船资料时要注意是在公约新的要求生效前还是生效后建造的。对于大小货舱划分的情况也要注意是否能满足现行法规对破舱稳性的要求。因为SOLAS公约(1999年)新增了L?150m的散货船要求任一货舱破损均应满足破舱稳性的要求。 油船的情况更为突出，自1983年防污染公约生效后及1992年修正后，油船的分舱发生了很大的变化，对主尺度影响也很大，这些在设计方案构思和参考母型船时要特别注意。 消防的规定对油船、客船影响较大。对于一般干货船，主要涉及到机舱和上层建筑的布置，起居处所和服务处所的不同保护方式。这些关系到舱室的划分和防火材料及消防设备的配备等。在方案构思中对此要有一个基本的考虑和设想。 与总体设计直接相关的法规主要规定在本书第二章中已集中地作了介绍，这些规定的熟悉和掌握需要一个实践的过程。总之，在设计方案构思中力求考虑全面、多作分析比较是十分必要的。 5.2 主尺度分析和选择的步骤 本节比较详细地讨论选择各主尺度时需要考虑的主要因素和主尺度之间的联系规律，并介绍主尺度选择的一般步骤。需要说明的是，选择和确定新船主尺度涉及的有关 125 方面很多，所需的知识也不止本书前面已介绍过的内容，例如本书后面二章“总布置设计”和”型线设计”的内容都是主尺度选择工作中必备的知识，甚至全书内容也不能完全包括确定船舶主尺度所需的全部知识。所以在本节中我们仍从基本概念上来介绍选择主尺度的一般步骤和方法。关于主尺度选择的全面知识有待学完本课程后通过实践才能加深理解。 5.2.1 选择主尺度时考虑的主要因素 在选择主尺度时，必须全面地考虑船舶的各项技术性能、经济性与主尺度之间的关系，同时还要注意到各个主尺度对技术、经济指标的影响程度。表5.2.1归纳了一般运输船舶在选择主尺度时需要考虑的主要因素，并将主尺度对各因素的影响程度由低到高按“?”、“??”和“???”来大致区分，对主尺度可能有限制的因素以“?”来表示。应注意表5.2.1是对常规船型在一般情况下所做的归纳，非常规船型或特殊情况与这种归纳结果可能会有所不同。 表5.2.1 选择主尺度时需考虑的主要因素及影响程度 从表5.2.1可看出，选择主尺度时需要考虑的因素很多，关系也比较复杂。但是在设计的初始阶段，有些因素尽管也比较重要，但对此要求作详细的考虑是困难的，因为仅从主尺度选择方面还不能对此作出有效的判断。例如干货船的船长对破舱稳性的影响，在具体的分舱和型线以及装载状态确定之前，还难以判断出所选择的船长是否影响到破 126 舱稳性不能满足法规的要求。此外，有些影响因素除了通过主尺度选择来加以考虑以外，也可以采取其他的技术措施来解决，这种技术措施也许比用改变主尺度来解决更有效，对其他因素的影响更小。所以方案构思过程中，初步选择主尺度时一般是从最基本的因素出发来考虑。对此作以下说明。 1(船长(L) 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考虑。对于载重型船舶，还可以首先从浮力和快速性两个方面来考虑。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。 从快速性方面看，在一定的排水量和航速下，随着船长的增加(CB、B和d相应减小)，剩余阻力因Fn减小和船体变得更瘦长而减小，摩擦阻力因湿面积增大而增加。一般来说，总阻力会随着船长的增加而减小。总阻力减小的程度和规律与航速(V)以及CB、B和d修改的情况有关。例如B和d不变，增加L减小CB，在航速较高时总阻力减小会很显著。图5.2.1是一艘Δ=6000t的货船在V、B和d不变情况下，改变L和CB时总阻力的计算结果。从图中可以看到存在总阻力最低的船长。在航速较高的情况下(如Fn,0.3)，总阻力会在船长更大的范围 图5.2.1 船长对阻力的影响 虑。例如，对于船长接近航行区域波长的小型船舶，船长对纵摇、升沉以及波浪中的失速影响较大，在这种情况下对耐波性要求高的船舶(如客船等)适当增加船长，有利于改善耐波性;对回转性能要求高的船(如港作拖船)则应取较短的船长。 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)和初稳性高度(上、下限要求)。最小船宽常由稳性下限条件和总布置要求所决定，这对于小型船舶和布置地型船舶尤其是这样。 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，特别是吃水受限制情况下，B/d过大更是如此。因此，选择B时，还应与L和d的选择结合起来考虑，使L/B和B/d参数在一个比较合适的范围内。 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。 在吃水受限制的情况下为了满足浮力的要求，常不得不采用较大的船宽。这种船称为宽浅吃水船(也称浅吃水船)。 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。所以，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。吃水的大小与螺旋直径有直接的关系，按一般巡洋舰尾设计船尾型线，允许的螺旋桨最大直径约为吃水的70,左右。如果吃水太小，对桨的直径限制太大，会严重影响推进效率。 我国许多港口和航道对船舶的吃水在不同程度上都有限制。在确定限制吃水的条件时，应作深入的调查研究，慎重对待。通常航道仅有短距离的浅滩时，船舶还可以候潮航行，以便充分利用水深。这种船设计时常采用两个吃水，即设计吃水d和结构吃水ds(ds,d)。船舶采用两种吃水来设计还有另外一种情况，当在其他因素影响下(如装载轻货的舱容要求)所选择的型深对应设计吃水有富余干舷时，通常可以将对应最小干舷的吃水取为结构吃水，这样当船舶装载重货时可以增加载重量，能充分利用船舶的装载能力。船舶采用两种吃水后，在执行法规和规范的规定时，应以结构吃水来校核，即在结构吃水情况下，船舶稳性、最小干舷、结构强度等都要符合规定。 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 128 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”。确定阻力上不引起显著 增加的“经济方形系数”，一种简单的方法是用经 验公式来估算，这种估算式是根据船模试验结果分 析而得，也可以用同类型船中方形系数较大的成功 实船资料来换算。估算时一些系列船型的试验资料 常可供参考，图5.2.2是根据英国船舶研究协会 (BSRA)系列船模试验资料整理所得的临界方形 系数曲线。另一种方法是根据新船特征，选用适用 的阻力估算方法，对一组方形系数的主尺度方案进 行阻力估算，得出对应设计航速的阻力与方形系数 关系曲线，然后分析确定适宜的临界方形系数。 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。但CB过大不仅对快速性影响敏感，还对耐波性和操纵性产生不利影响，其影响程度与船的大小以及所采取的其他技术措施有关。一般来说，大船的矛盾比小船容易解决。所以有些大型的散货船和油船CB可取到0.86以上。小型船舶选用大的方形系数时，应考虑周到，慎重对待。 对于布置地位型船舶，L和B的选取通常由所需的布置地位所决定，如果浮力的要求不难满足，则CB的选取可以主要根据快速性的要求，选取与Fn适宜配合的CB。 有些船舶既有载重量对浮力的要求，航速又比较高(例如集装箱船)，对这类船舶CB的选取应进行详细的论证，必要时还应通过船模试验来验证，细仔地解决好排水量和快速性对 方形系数不同要求的矛盾。 1??经济CB，2??最小CB 图5.2.2 BSRA的临界方形系数 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。在主尺度中，型深的增加对空船重量的影响比增大L和B要小得多。在性能方面，除了稳性以外型深增加对其他性能基本上没有太大的影响。 ? 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 129 装箱的层数，客船、滚装船上甲板以下各层甲板间的高度等。小型船舶要注意主机吊缸高度对型深的要求。无论何种船舶，型深的选择都要满足最小干舷的要求。 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比降低型深更有效。 从船舶纵总强度方面看，因为增加型深对提高船体剖面模数十分有效，所以增加型深对纵总强度很有利。由于不同船舶的纵总强度问题是不一样的，所以增加型深对船体钢料的影响程度也不同，通常小船影响大些，大船影响甚微。 5.2.2 主尺度的限制因素 1(客观条件的限制 新船预定航线上的航道、港口以及码头条件往往是限制主尺度的主要因素。 对于海船，航道的限制因素主要是航道浅滩处的水深、运河通航条件等。我国沿海城市的港口，大多处于江河入海口，航道淤积严重，对船舶航行吃水有很大的限制。确定浅水航道中船舶的最大吃水，需要确定船底与水底之间的间隙，这一间隙与船舶的大小、航速及航道地质有关，对大船、快船、石质水底应保留较大的间隙。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。有关各运河的通航限制条件详见有关的资料(如文献[1])。 航道对内河船舶尺度的限制因素更多，例如桥梁、水域阔度、航道曲率半径等等。船舶设计之前，这些限制因素必须了解清楚。 2(其他因素的限制条件 船舶在建造、维修、使用中还可能有其他的因素对主尺度有限制。例如，建造、维修中船台、船坞的尺度;码头泊位对船长的限制;码头装卸设备的跨距对船宽的限制等。 船舶设计中要考虑的对主尺度的另一个间接限制因素是法规和规范的某些规定。法规和规范的有些规定是以船长、吨位等分档次来要求的，如果船舶尺度选择不当，尽管只有少许的差别，由于法规和规范要求的档次不同，很可能对船舶的建造和营运成本有较大的影响。例如: ? 国际航行干货船的船长大于等于80m时有破舱稳性的要求，有破舱稳性要求以后，主船体的分舱要受到限制; ? 载重线法规中“A”型船、“B,60”和“B,100”型船的船长大于150m以后，要求包括机舱在内的任何一舱都要满足破舱稳性的要求; ? 船舶消防法规中，一般以总吨位来分档，其中500总吨、1000总吨、2000总吨、 130 4000总吨都是分档线; ? 无线电设备的配备标准也与总吨位有关，分档线为300、500、1600总吨; ? 防污染公约对油船分舱与破舱稳性的要求以载重量来区别，分档线是DW=5000t和20000t;等等。 以上这些因素在决定船舶尺度和吨位大小时都应予以注意。 5.2.3 主尺度之间的联系规律 设计研究结果表明，主尺度之间的比例关系与船舶的多项性能直接有关。因此，了解和掌握这种规律，对主尺度的选择大有帮助，可使主尺度的估算迅速有效，少走弯路。 主尺度之间的比例关系称为尺度比参数，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。宽度型深比也可以从L/B和L/D中得出B/D的关系。从实船的统计资料中可以看出，一般运输货船尺度比参数具有一定的规律性。图5.2.3是常规货船尺度比参数的情况。 在选择船舶主尺度时，综合各项性能和总强度、经济性等因素的考虑，能够从尺度比的规律中找出新船的尺度比参数范围，加上方形系数的考虑以及主尺度的限制条件，那么对于常规船型就很容易大体上确定出新船的主尺度范围。这也是选择主尺度时一种很有效的方法。因此有必要了解尺度比参数与各项性能之间的关系。 在表5.2.1中已大致给出了尺度比参数与各项性能之间的关系，下面分别作一简要说明。 (1)长宽比L/B 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。图5.2.4是一组排水量和方形系数相等而L/B不同的船模剩余阻力试验结果，从中可看出L/B对剩余阻力的影响。在选择主尺度时，如果限于其他条件和因素的约束而必须取较小的L/B时，为了减小阻力上的不利影响，可取较小的方形系数来弥补。图5.2.5是有人建议的从快速性方面考虑，不同L/B时CB的选取，供参考。 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。 131 图5.2.3 图5.2.4 L/B对剩余阻力的影响 尺度比参数的关系 图5.2.5 不同L/B对CB取值的影响 132 有些船舶在船宽或吃水受限制时，为了提高载重吨位，选取了很大的船长。这种船虽然在空船重量上有所吃亏，但载重能力的增加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，个别的甚至更大。大型的巴拿马型货船因船宽受限制，要增加吨位只有加大船长。例如载箱数4000TEU以上的巴拿马型集装箱船L/B在8.8左右。在尺度不受限制的情况下，从降低造价考虑，现代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。 (2)宽度吃水比B/d B/d参数对性能的影响主要是稳性与横摇以及阻力性能。B/d增大，横稳心半径会迅速增加，初稳性高的增大会导致横摇周期减小。一般中小型运输舶的B/d在2.5左右，B/d,3.0可认为属于宽浅吃水型船。大型船舶的横摇性能比较容易解决，B/d在3左右仍属正常。此外，集装箱船由于需要较大的甲板面积，与其他货船相比，B/d也会大些。 关于B/d对阻力的影响，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，图5.2.6是一 个有关最小湿表面积的资料。 (3)长度型深比L/D 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， 由于纵总强度矛盾比较突出，必须有足够的型深来保证中剖面模数，所以增加型深对船体钢料的影响很小，但对于小船来说，规律不同。从保证船体强度出发，船舶建造规范对L/D有一定的要求，例如CCS规范对一般船舶要求L/D?17，超出该范围，强度问题需采用详细的计算方法来认可。 ?——最小湿表面积 ?——比最小湿表面积增大2, 图5.2.6 最小湿表面积 5.2.4 主尺度选择的一般步骤 从以上所述的内容，我们已经看到，选择主尺度时考虑的因素很多，而且各种因素对主尺度选择的影响是不同的，甚至是矛盾的。此外，在没有具体确定一组主尺度数值之前难以对各项性能和各种指标作出定量的分析，也谈不上对所选择的主尺度进行优劣判断和调整。试图一次选定一组主尺度就希望能满足各种约束条件是不现实的，即使满足了约束条件，也不一定是合理的、最佳的。所以选择主尺度必须有一个合理的步骤和 133 科学的方法，通过一个反复迭代，遂步近似的过程来完成。 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图5.2.7所示的框图来表示。下面对具体步骤和方法作一说明。 图5.2.7 主尺度选择的一般步骤框图 (1)主尺度的选择范围 根据新船的类型，运载能力的要求(如载重量、航速等)和主尺度的限制条件参考母型船资料，初步确定一个主尺度的范围，包括绝对尺度值和尺度比参数。 对于常规的船型，有经验的设计师根据设计技术任务书的要求和调查研究的结果，很容易框算出新船主尺度的范围。初学者可以通过分析若干相近的实船资料，应用本章 5.3节介绍的一些主尺度估算公式，也可以大致确定出新船主尺度的范围。 在确定主尺度范围时，尺度比参数的选择是很重要的。实践表明，尺度比参数选择在合适的范围内，可以有效地控制船舶的一些基本性能。确定了尺度比范围可以减少主尺度选择的盲目性，缩小主尺度研究的范围。当选择的主尺度接近尺度比参数较特殊的情况时，也比较 容易发现需要特别注意和研究的问题。尺度比范围的选择可以参考同类型船的统计资料。 134 (2)主尺度的第一次近似 主尺度的第一次近似值仅作为迭代或者逐步近似的初始值，其精确度要求不高，当然初始值确定得好可减少迭代的次数。 第一次主尺度初始值可以用以下方法估算: ? 用母型船换算 具有合适的母型船资料时，通过对母型资料的分析，可用适当的换算方法粗估新船的主尺度初始值。 对于载重型船舶，可以用载重量系数粗估新船的排水量(见第三章3.4节)，然后可按LPP、B、d与Δ1/3成正比的关系估算出新船的LPP、B与d。这种方法假定的前提是新船和母型船的速度(指Fn)和载重量差别不大，所以暂时假定CB相同。型深D可按L?B?D比例于所需容积的关系，利用母型船资料换算，同时可粗估最小干舷的要求，从而确定出型深的初值。 对于布置地位重要的船舶，可按L?B比例于所需的甲板面积，用母型船资料换算。型深可按布置要求参照母型船初步确定，例如客船的甲板层数和层高，集装箱船的舱内集装箱层数，以及其他涉及最大型深要求的条件。方形系数一般用CB =f (Fn) 的经验公式估算。 以上主尺度的换算或估算公式参见本章5.3节。 ? 应用统计公式或经验公式 对于常规船型，有不少的统计公式或经验公式可用于主尺度的粗估，见本章5.3节。应用统计公式或经验公式时，要注意这些公式的适用对象和范围，如果对这些公式的适用性不明时，可应用母型船资料来试算，以了解这些公式的适用情况。 (3)浮力、布置地位和舱容的初步校核 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。对于布置地位重要的船舶，通常首先校核布置地位，然后校核浮力与重力。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或者CB。 (4)主要性能的校核 一般情况下，主要性能的校核首先是快速性、完整稳性(主要是初稳性)、横摇周期以及最小干舷等。对于耐波性、操纵性以及大倾角稳性和破舱稳性等，由于仅有主尺度，估算较困难，可参照型船资料作对比分析。经过校核，如果某项性能不满意时，不必立 135 即修改主尺度，待各项性能都校核和考虑后，经过综合分析再调整主尺度。调整尺度后还需重新对浮力、舱容以及布置地位进行校核。 (5)主尺度方案的细化与优化 经以上初步选择的主尺度方案，需要进一步详细考虑其可行性，此时一般需绘制总布置草图，区划一下主船体的各种舱室，如首尾尖舱、机舱、货舱和油水舱等，确定上层建筑的基本形式，在此基础上可相对详细地校核空船重量、货舱容积、压载水舱容积、布置地位等。对某些重要的以及把握不定的性能用较详细的方法再次进行校核。必要时还需绘制型线草图，进行中剖面结构设计等。通过这一阶段的细化工作，对所选择的主尺度方案的可行性加以确认。 满足限制条件和基本性能要求的主尺度方案为可行方案，显然可行方案不会只有一个，而是可以找到许多个。这些可行方案相互比较就有优劣之别。所以主尺度的确定还有一个优化的问题。优化主尺度不但要考虑技术性，更要考虑船舶的经济性。有关这一问题我们在本章5.4节再作详细讨论。 5.3 主尺度和主要性能的估算方法 在总体设计方案构思和主尺度选择时，经常需要对主尺度和主要性能进行定量的估算。在设计初始阶段，尽管需要考虑的因素很多，但确定的条件很少，所以一般适用的近似估算方法都很简单。 近似估算方法一般可分为二类，一类是经验公式，另一类是统计公式。经验公式通常是在理论分析的基础上结合实践经验总结而得。统计公式是根据实船或船模试验结果等资料，用统计学方法建立的数学模型，反映的是统计样本的某种规律。无论经验公式还是统计公式，都有一个适用范围，特别是统计公式，如超出其范围使用，估算结果误差可能很大。 近似估算公式一般不能适应新船的某些特殊因素。例如新船的吃水或船宽受限制时，如果近似公式不能对此有所反映，那么估算所得的主尺度是不合适的。对于这种相对常规船型有特殊条件限制的情况，应考虑对估算结果作必要的修正。总之，对采用的近似估算公式应有所分析，有所检验。 5.3.1 主尺度的估算方法 1(估算船长的近似公式 估算船长的近似公式中，常用的两个参数是L/Δ 度系数”。 L/Δ1/31/3和航速V，L/Δ1/3称为“相对长参数与船舶的阻力性能和耐波性关系密切。航速V是考虑船长的主要因素之一。此外，对于载重型船舶，船长的统计公式也常用载重量DW作为主要的参数。 136 (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: L LO( / O)1/3 (5.3.1) 式中下标“o”表示母型船。 (2)巴土裘宁(Posdunine)公式 Lpp C(V 2,V) 21/3 (5.3.2) 式中:V??航速(kn)， 3 ??排水体积(m) C??系数，巴土裘宁建议取7.2;兰木仑(Van Lammeren)根据水池试验资料修正后建议按表5.3.1取;对沿海小型船舶(L<80 m)，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。 式(5.3.2)适用于排水量为6000 t ~46000 t，航速为8 kn ~20 kn的巡洋舰尾船，估算结果接近经济船长。 表5.3.1 式(5.3.2)中C的修正值 (3)诺基德(Norgid)公式 Lpp 2.3V1/3 1/ (5.3.3) 1/3式中:V??航速(kn)，该公式是以L/Δ 限。 (4)统计公式 散货船(10000 t<DW<100000 t): Lpp 8.545DW来初步判定风浪中要求较小失速时的船长下0.2918 (5.3.4) 多用途船: Lpp 17.644(DW/1000)0.2853Vs0.4681 (5.3.5) 吃水已知时: Lpp 21.803(DW/1000)0.3652Vs0.5511d,0.2974 (5.3.6) 137 集装箱船(Nc<2500): Lpp 47,0.16N,0.725Nc2 10,4,0.135Nc3 10,7 (5.3.7) 以上各式中:Vs??服务航速 (kn); Nc??20英尺标准集装箱数量。 2(估算船宽B和吃水d的近似公式 估算B和d的近似公式在实船设计中使用得不是很多。这是因为在选择主尺度时，如果对新船的L/B和B/d已有所考虑，那么初步选择了船长以后，B和d的大致尺度也就被确定了，此外，B和d有时有限制(特别是吃水d)，此时B和d更多地通过分析来初步选择。由于决定B和d的特殊因素较多，统计结果的相关性也较差。所以在实用上估算B和d的近似公式有较多的局限性。当限制因素不大时，可以用近似公式估算B和d，然后再对其估算结果以及由此而确定的尺度比参数进行分析后选择。 (1)用型船资料估算 对于载重型船舶，B和d可用排水量或载重量来换算。 B Bo( d do( o)1/3 (5.3.8) (5.3.9) o)1/3 或者: B C1 DW d C2 DW1/3 (5.3.10) (5.3.11) 1/3 以上各式中，下标“o”表示母型;C1、C2由母型船资料确定。 (2)经验公式 B LPP,kb d LPP20,kd (5.3.12) (5.3.13) 式中:kb??对于L<150m的船，一般可取5~7m，小船取小的值;集装箱船以及吃水有限制的船可取更大些的值。 kd?? 一般可取1~2m，小船取小的值。 集装箱船或多用途船以甲板上集装箱列数来确定船宽时: B bc rD,(rD,1)Cc (5.3.14) 式中: bc??集装箱宽度，通常取标准箱宽8ft(2.438m); rD??甲板上集装箱列数; Cc??集装箱列与列之间的间隙，通常为0.025m，或0.038m或0.080m(集装箱 138 紧固件操作的标准间距，视紧固件型式而定)。 集装箱船的吃水(不受限制时): d 0.36DW1/3 (5.3.15) 在选取吃水时，一个比较重要的考虑因素是能够保证螺旋桨有一个适宜的直径。从这个因素出发，根据功率和螺旋桨转速，可用以下近似公式估算所需的吃水: d K(P0.2/N0.6) (5.3.16) 式中:P??单桨收到功率(kw); N??螺旋桨转速(r/min); K??系数，单桨船为29~30，双桨船为32~36。 (3)统计公式 散货船(DW>10000t) B 0.0734 L1.137 1.051 (5.3.17) (5.3.18) d 0.0441 L 多用途船(DW>10000t) B 9.905(DW/1000)0.2913 (5.3.19) (5.3.20) 6740.2334d 3.992(DW/1000)0.2924或者: B 5.644(DW/1000)0.2 d 2.038(DW/1000)0.2687Vs (5.3.21) Vs0.2791 (5.3.22) 3(型深D的估算公式 由于型深主要是根据相关因素(舱容、布置地位等)的校核结果来确定，所以估算D的近似公式仅在初始选择型深时使用。 (1)用型船换算 载重型船舶从货舱容积考虑，如果新船的货船长度占船长的比例和货舱部位及结构形式与母型船差别不大时，可用下式换算: D DOLOBOLBWC CWCO CO (5.3.23) 式中:μC——积载因数; WC——载货量，如载货量未知，也可用载重量DW来近似替代; 下标“o”为母型船。 139 如果从干舷考虑，D可用下式换算 D Doddo (5.3.24) 集装箱船的型深由舱 (5.3.25) 式中:C??舱 (5.3.26) 油船(15000t<DW<35000t) D 1.29DW0.25,2.5 (5.3.27) 4(方形系数CB的估算 CB的选择通常首先是考虑在阻力性能上与傅汝德数Fn的有利配合。如果选择CB时偏重于新船造价方面的考虑(加大CB减小其他尺度)，方形系数的确定也应顾及到不使阻力性能严重恶化。有关方形系数和阻力性能关系的研究很多，这方面已积累了丰富的经验，有不少的经验公式可供估算CB时使用。方形系数的估算公式一般都表示为CB =f(Fn)。这种估算式对兴波阻力的“峰”、“谷”情况都不能反映，使用中应予以注意。有关兴波阻力“峰”、“谷”的估算详见船舶原理(阻力部分)。 (1)亚力山大公式(适用于Fn?0.30) CB C,1.68Fn (5.3.28) 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1.14~1.10。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)。 近期设计的低速货船方形系数取值有比亚力山大公式估算结果更大的趋势。 (2)其他经验公式 从快速性方面考虑，CB与Fn的关系还有许多经验公式，图5.3.1以曲线形式给出了几种估算资料。 140 (3)统计公式 方形系数的统计公式表示的是某种船型CB取值的大致规律，一般为大宗货运输船，这类船数量较多，容易得出规律。 散货船: CB 1.0911L ,0.1702 0.1587 0.0612 ,0.0317 图5.3.1 CB与Fn的关系 BdVs (5.3.29) 多用途船: CB 1.261,2.49Fn (5.3.30) 油船: 上限中值下限 CB 0.912,0.487Fn CB 0.907,0.555Fn (5.3.31) CB 0.915,0.723Fn 5.3.2 主要性能的估算方法 1(快速性估算方法 新船快速性的估算在不同的设计阶段可采用不同的方法。在方案构思阶段，一般采用简便、粗略的方法。当船型参数(包括主尺度、船型系数、浮心位置等)已经确定，推进系数可以估算时，可以用比较详细的方法来估算快速性。预报快速性最可靠的方法是通过船模试验。有关船舶阻力和推进的知识在船舶原理书中已有详细的介绍，在这里我们仅介绍快速性粗估的方法，对比较详细的估算方法作一些说明。 (1)粗略估算方法 ? 海军系数法 海军系数为: C 2/3 3 V P (5.3.32) 式中:Δ??排水量(t); V??航速(kn); P??主机功率(kw)。 根据母型船的排水量，航速和主机功率可算得海军系数C值，假定新船的C值与母型船相等，则可根据新船的排水量和航速估算所需的主机功率或者根据新船的排水量和主机功率估算新船能达到的航速。 应用海军系数法的前提是，两船的主尺度、排水量、航速和形状(指水下形状)相 141 近，推进效率也相近。对于低速船(指总阻力中摩擦阻力占主要成分)可用航速相近的海军系数。如果航速较高则宜采用相同的傅汝德数(Fn)处的海军系数。对于高速船用海军系数法估算误差可能很大。 海军系数法的应用也可以根据实际情况灵活处理，例如当两船推进效率相差较大时，可用式(5.3.32)估算有效功率(式中P改为PE)，而推进效率用其他方法估算。 ? 按排水量换算 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: VO V( O/ )1/6 (5.3.33) 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: PE PEO( / O)7/6 (5.3.34) 如假定两船推进效率相等(PEO / PO= PE /P)，则 P PE(PO/PEO) (5.3.35) ? 统计回归公式 中小型船舶可采用下列回归多项式估算航速: V 2.42Lpp0.17273B,0.22589d,0.06644CB,0.41631(P/0.736)0.205N,0.01033 (5.3.36) 式中:P??螺旋桨收到功率(kW); N??螺旋桨转速(r/min); (2)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，并根据新船的主机功率和螺旋桨转速等已知条件，计算推进效率，进而求得新船的航速。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。推进效率可用近似方法估算，或者直接用螺旋桨设计方法求得。 ? 应用母型船的船模试验资料估算阻力 应用母型船的船模试验资料，通常是指利用母型船的剩余阻力系数进行必要的换算后得到新船的剩余阻力系数，而新船的摩擦阻力和推进效率另行用详细方法计算。剩余阻力系数CR的换算公式是: CR kCRo (5.3.37) 1/3式中k为剩余阻力换算系数，包括对Cp(或者CB)、L/Δ(或者L/B)和B/T的修正， 142 即: k k1k1O k2k2O k3k3O 1/3 式中k1~k3和k1O~k3O分别为新船和母型船关于Cp(或者CB)、L/Δ算可查阅文献[1]。 ? 应用系列船模试验资料估算阻力 (或者L/B)和B/T 的参数，这些参数可以利用系列船型的试验资料经分析总结而得出。有关k值的具体计 应用系列船模试验资料估算阻力是设计中较常采用的一种方法。系列船型的试验资料很多，表5.3.1列出了常用的几种。系列船型的试验资料一般以图谱形式给出，现多数已回归成数学计算公式，编制成简单程序后计算很方便。有关资料从文献和手册中都能找到，这里不再详述。应用时应选择与新船相近的系列船型，并注意其适用范围。 表5.3.1 几种系列船型阻力估算图谱 ? 推进效率的估算 螺旋桨推进效率为 PC 0 h r s (5.3.38) 式中η0、ηh、ηr、ηs分为螺旋桨敞水效率、船身效率、相对旋转效率和轴系传动效率。 对于直径不受限制的螺旋桨敞水效率可用设计图谱的最佳效率曲线的回归公式估算。盘面比0.4~0.55 的4叶B系列螺旋桨敞水最佳效率可按下式近似估算 0 (75.88,0.845Bp,0.827Bp 10 2 ,2 ,0.325Bp 10 3,4 )/100 (5.3.39) 式中:Bp N(P/0.7457) Va 2.5 1/2 ， 其中:P——螺旋桨收到功率(kW); N——螺旋桨转速(r/min); VA=V(1-w)，式中V为航速(kn)，w为伴流分数。 143 船身效率为: h (1,t)(1,w) (5.3.40) 式中:w和t分别为伴流分数和推力减额分数，可用表5.3.2所给的近似公式估算。 相对旋转效率ηr一般在0.98~1.02，粗估时可近似取1.0。 轴系传动效率ηs根据减速齿轮箱效率和轴系长度(与轴承数量有关)来决定，粗估时，一般无减速齿轮箱时可取0.98，有减速齿轮箱时可取0.95~0.96。 表5.3.2 伴流分数和推力减额分数的部分近似估算公式 2.初稳性的估算方法 完整稳性的估算方法中，比较成熟和简单的是初稳性的估算方法。也有一些大倾角稳性的估算方法，但因大倾角稳性涉及因素较多，在方案构思和主尺度选择阶段许多因素尚未决定，故应用较少。初稳性高可按以下方法估算。 根据船舶静力学，初稳性高GM为: GM KB,BM,KG (5.3.41) 式中各参数与主尺度的关系为:浮心高度KB?d，横稳心半径BM B2/d，重心高度KG?D。所以有: GM a1d,a2 Bd 2 ,a3D (5.3.42) 如果有相近的母型船资料时，系数a1、a2和a3均可按母型船资料换算。缺少母型船资料 时，a1和a2系数可用表5.3.3给出的近似公式估算，公式中用到的水线面系数CW近似可 用式(5.3.43)估算，也可按6.3.1节介绍的方法确定。 CW (1,2CB)/3 (5.3.43) 144 表5.3.3 a1和a2的近似估算公式 估算非满载设计吃水(d′)状态下的初稳性高时，可先按以下公式估算出对应d′时的方形 系数CB′和水线面系数CW′，然后再按式(5.3.42)式估算初稳性高。 CB’ CB(d) dCw’ Cw(d) d CWCB,1 (5.3.44) (5.3.45) CWB,1 已知非满载的排水量Δ′时，其对应的吃水d′可用下式估算: d’ d( ) CB/CW (5.3.46) 3(横摇周期的估算 横摇周期的计算公式为: T 2 Ix,Ax gGMIx’ gGM (5.3.47) 2 2 式中Ix和Ax分别为船体和附连水质量惯性矩(t m)，Δ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Ix’ Ix,Ax。Ix′可用试验或经 验的方法确定。 近似计算时，可取 T CB/ GM (5.3.48) 式中:C——系数，对于货船一般为0.73~0.81(满载状态取较大值)。 我国法规的完 整稳性规则(非国际航行船舶)中，横摇周期按下式估算: T 0.58f B 2 ,4KGGM 2 (5.3.49) 145 式中:f为B/d>2.5时的修正系数，在法规的规定中f以表列数据给出，近似关系式为 f 1,0.07(B/d,2.5)，B/d<2.5时，f取1.0;GM0为未计及自由液面修正的初稳性高。 国际海事组织(IMO)的完整稳性规则中，横摇周期按下式估算: T 2CB/ GM (5.3.50) 式中C 0.373,0.023B/d,0.43LWL 10,3，其中LWL为水线间长。 加藤根据实船测量结果得到如下无因次横摇惯性半径的经验公式: (Kx’B) 2 f [CBCu,1.10Cu(1,CB)( 2 X D1d ,2.20),( D1B )] 2 (5.3.51) 式中:Kx′??惯性半径，即Ix′=Δ K ; f ??系数，一般干货船、客船和客货船取0.125，油船取0.133，渔船取0.2; Cu ??上甲板面积系数; D1 ??有效型深，D1 D, 1L (上层建筑和甲板室的侧 面积)。 由式(5.3.51)可计算出不同吃水下的惯性半径Kx′，得到Kx′与d的关系曲线，进而也可求出不同吃水下的横摇周期。实船应用中，还可以根据新船完工后横摇周期实测结果对计算结果进行修正。方法是非实测点的修正量取实测点相同的修正比例。从而可以得到一根比较符合实船情况的对应不同吃水的惯性半径曲线。如果掌握了实船在不同装载情况下的横摇周期与初稳性高之间的关系，这对于船舶的安全使用是很有价值的。 国际海事组织完整稳性规则中对于船长70m以设计方案的优化与技术经济性评估 5.4.1 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 146 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，也就是优化中存在一些特定的边界条件。 从航运公司方面来考虑，新建船舶的船型、艘数、吨位大小、航速等关系到公司整个船队的运输能力，优化的目标是整个公司的经济效率。从新建船舶的单船经济效益来说，船的大小(如载重量)和航速是最为重要的。通常，大船的经济效益总是比小船好，但主尺度常常受到约束条件的限制。有些船设计成宽浅吃水或者取大的船长(目的是提高载重量)，尽管在船体钢料上有所吃亏，但由于提高了载重量，经济性方面仍然是有利的。航速的优化比较复杂。在无竞争的情况下，单船货源不受影响，航速的差异对营运收入的影响不大。由于低速航行主机功率小得多，燃料费开支小，营运成本就下降。所以在这种情况下，经济性最优的航速往往具有下限值的特点。在有竞争的情况下，船舶的航速因涉及到占领运输市场的因素，尽管对不同航速的船货运价格可能相同，船东仍然希望新船有较高的航速。以上这些载重量、航速等变量的优化通常是在制订设计技术任务书时进行。 按设计技术任务书的要求优化设计方案时，以上这些因素通常为不变量，例如运输船舶的载重吨位已基本给定，航速也至少给出了最低要求，甚至已确定了主机功率。在这种情况下，设计方案优化的变量主要是主尺度等设计参数。优化的目标包括技术和经济性的指标。但是，就设计方案的优化而言，优化的内容仍然很多，例如主尺度选择的优化、总布置方案的优化、型线的优化、主要设备的优选等等，这些设计的优化有些较难采用简化的数学模型来优化计算，通常是用分析比较的方法来优选或者改进。 下面我们主要就主尺度选择的优化问题作一介绍。 1. 可行方案 在船舶设计中，船东的要求和法规及规范的规定，往往是不等式的约束条件，例如航速、舱容不小于一个最低要求值，吃水不大于限制值，稳性、干舷不得小于某项规定等等。设计者在设计中通常有一定的选择余地。也就是说，在满足任务书的要求和法规及规范规定的前提下，会有多种设计方案。就主尺度而言，不同的主尺度组合可以形成许多种主尺度方案，在这些尺度方案中，有些不能满足约束条件，有些则可以。我们称能满足约束条件的方案为可行方案，所有的可行方案称为可行域。在可行域内，不同的可行方案所对应的技术和经济性指标是不同的。例如有些方案船长大些，CB小些，航速高些，但造价大些等等。当然，如果约束条件很多很严，甚至没有选择的余地，那么也就不存在优化的问题。 2(主尺度的优化 147 实施一个优化过程的前提条件是对所有可行方案的全面了解。要做到这一点，针对不同的情况，需要采用不同的方法。 一种情况是新船属于常规的船型，这种船的实船数量多，资料齐全，同类船有较强的规律性，即能够知道新船的主尺度与空船重量、舱容、航速、稳性等的统计规律，并且这种规律能用比较可靠的数学模型来表达;对于约束条件可以建立等式或不等式关系;能够给出选优的标准。在这种条件下，可以选用合适的数学优化方法，对主尺度进行选优。其做法是将数学模型、约束条件和优化方法编制成计算机程序并进行运算，就可以得到所谓的最优方案，或按选优标准排序输出后再作分析、判断和选优。这种方法也称为一般寻优方法。关于这种方法，可参见本书的第八章8.2节的有关介绍。在选择型船资料建立数学模型时，应注意不 同时期法规和公约要求不同而产生的差异。例如油船以往没有双底双壳和专用压载舱的要求，其同等载重量的船与现在的船相比，主尺度要小些。 另一种情况是新船具有某些特殊性的新船型，或者有较强的布置地位特征导致设计变量的不连续性，或者某些重要因素难以建立起确切的数学模型，等等。这种情况下，选优的一般做法是先突破一点，再扩展寻优。即先做出一个可行方案，在此基础上，根据需要与可能，改变基础方案的设计变量，得出若干可行方案，综合相关因素的考虑，分析选出最佳的方案。 关于新船设计方案中主尺度的优化问题，已经有许多人做了大量的工作，探索了不少的方法，有许多文献资料可供参考。但是实践证明，建立在数学模型基础上的一般寻优方法，尽管在优化理论上是严密、合理的，但如果缺乏仔细全面的、切合实际的基础性工作，所建立的数学模型不够正确，或者不能体现新船的特点，那么结果是不可靠的，得到的所谓最优解也没有多大的意义。此外，根据统计规律建立的数学模型，其代表的只是平均水平，统计样本越多，其水平越一般，所以优化的结果只是相对于平均水平的结果。如果对设计方案的关键性技术进行深入的研究，并能有所突破，那么其收益很可能是巨大的。新船设计方案的优化应提倡这种创新的精神，不应停留在原有水平上进行重复设计。 3(关于约束条件和选优的目标及衡准 在主尺度以及设计方案的优化中，经常遇到约束条件和选优衡准如何确定的问题。在约束条件中，有些是设计技术任务书要求的，例如最低的航速、积载因素、载重量等，还有些是从法规和使用要求中间接确定的，例如初稳性高的下限、最小横摇周期等。在用一般寻优方法进行主尺度优化时，还常常给出尺度比参数的搜索范围。这些约束条件如果给得太宽松，由于简化的数学模型还存在一定的误差，那么所得的可行方案中就可能存在实际上不可行的方案。如果约束条件太严，寻优的结果往往是处于边界上的方案，此时，如适当放松约束，就会出现更优的方案。因此，在设计方案寻优中，合理确定约束条件也是一件关系重大的工作。不必要的苛刻条件很可能将优秀的方案扼杀掉。 148 优化设计方案的另一个重要问题是选优的目标与衡准，即标准是什么。从评价方案的指标来看，可以分为技术性指标和经济性指标两大类。这两种属性的指标在评价方案的优劣时也经常是有矛盾的。从原则上说，选优衡准应根据新船的使用任务而定。对于一般运输货船通常以经济性指标为主，同时注意技术性指标;其他特殊用途的船舶，如工程船、海洋调查船等，为保证特定的使用要求，应将重要的技术性指标放在首要地位来考虑，兼顾经济性。 技术性指标有单项指标，也有综合性指标。单项指标如航速、稳性、操纵性、风浪中的失速和摇摆等等。对运输货船的综合性技术指标有载重量系数、海军系数、舱容利用率以及耗油率等(详见本节5.4.2的介绍)。对于经济性的评价，侧重点不同，指标也不同。从航运公司的角度出发，目标通常是最大的收益和最小的货运费率，前者包括了投资的效益和营运中的利润;后者表示低的运输成本，更有利于运输市场的竞争。从造船厂的角度出发，优化设计方案的目标比较简单，即最小的生产成本。也就是说根据任务书的规定，在技术上满足船东要求的前提下，选择低的建造成本的设计方案为优。 由此可见，由于对设计方案选优的侧重点和重要性看法不一致，对经济性指标存在不同的观点，加上某些技术性能和使用效能对经济性的影响难以用直接的关系准确表达，所以选优的衡准也是一个常引起争论的问题。 关于船舶经济性指标，根据我国国家计划委员会《建议项目经济评价方法和参数》,52,的要求，作为必须进行的盈利能力分析指标是内部收益率IRR和净现值NPV。本节5.4.2中对这两个指标的计算作了介绍，此外还介绍了对于航运公司比较感兴趣的最小货运费率RFR指标的计算方法。 5.4.2 技术与经济性的评价指标 评价一艘运输船舶的优劣通常从技术性和经济性两个方面来考虑。为了使评价建立在合理的基础上，必须有科学的评价指标。 1. 技术性指标 单项的船舶技术性能指标有装载能力、快速性、稳性(包括破舱稳性)、耐波性、操纵性以及强度、振动等。其中稳性、强度、振动方面的指标通常以满足法规和规范及使用要求为前提，对于耐波性和操纵性，虽然有关这方面的研究也已有一些定量衡准的指标，但由于决定这些指标的影响因素(如环境条件，船舶的运动响应以及衡准要素等)比较复杂，所以除了对耐波性或操纵性有特殊要求的船舶以外，一般运输货船在综合评价指标中不将其列入，而以满足航行和操纵使用的要求为前提。作为评价运输货船(主要是载重型船舶)的综合性指标主要有以下几个: ? 载重量系数:DW/Δ或者DW/(LPP?B?D)。该指标反映了空船重量越轻越好的原则。 149 ? 海军系数:Δ 功率能多装快跑。 2/3?VS3/PCSR或DW2/3?VS3/PCSR 。该指标要求船舶以较小的主机 ? 舱容利用率:VC /LPP?B?D。该指标要求船上非赢利的处所尽量少，用于赢利的载货容积VC所占比例越大越好。 ? 单位油耗FC/(DW?VS×24)。该指标主要反映了节能的要求。 以上各式中，VS为服务航速(kn);PCSR为服务航速下的主机连续功率(kW);VC为货舱容积(m);FC为主机日耗油量(t/d)。 在应用以上评价指标进行比较时，不同的设计方案其载重量应基本相当，否则大船总是优于小船。 对于集装箱船，应用以上指标时，可将载重量DW改为载箱数或实箱数(载箱数中扣除空箱数，每标准箱重量相同)。 3 2(经济性指标 船舶由于使用期长，投资大，所以经济性核算中与资金的时间价值??利率关系重大。资金的时间价值可用现值因数(PW)或终值因数(CA)来计算。现值因数是将未来某时刻发生的资金按复利的关系换算成现值的乘数，终值因数是把现在发生的资金(现值)按复利关系换算成将来某一时刻的资金(未来值)所用的乘数。 对于一次支付的情况，现值因数PW为: PW ,1,i,,n (5.4.1) 式中:i??利率(或贴现率)，一般用年利率; n??期数，一般用年数。 终值因数CA为PW的倒数，即: CA 1/PW ,1,i, (5.4.2) n 例如，本金(投资额)为P，按复利关系，n年后本金加利息为F，则F与P之间的关系为: F P CA P(1,i)n 或 P F PW F(1,i),n 在船舶经济性计算中，由于在船舶使用期 (5.4.3) 150 式中:P?? 一次支付的金额; A?? 分期等额偿还金额; 按等比级数求和公式可得: 式中: P A SPW SPW ,1,i,n,1 (5.4.4) n,1,i, i 上式SPW称为系列现值因数，即将今后一系列等额资金换算成现值的乘数。SPW的倒数称为资金回收因数CR，其含义是把资金的现值总数换算成分期等额偿还金额所用的乘数，即: A P CR 式中: CR 1,1,i,n i (5.4.5) SPW n,1,i,,1 系列现值因数SPW和资金回收因数CR在船舶经济性指标计算中经常使用。 完整意义上的船舶工程项目的经济性评价要考虑的因素和指标很多，应按国家有关部门制定的评价方法和指标进行。在这里我们仅介绍作为不同设计方案评估中对经济性考虑时经常使用的几个指标。 (1)净现值NPV 净现值NPV是指船舶在整个营运年限(n年) (5.4.6) 如果各年的收入和营运成本相同，且造价为一次投资，则净现值计算可简化为: NPV SPW ,年收入,年营运成本,,造价，PWn残值 ,, (5.4.7) 以上两式中，PW和SPW分别用式(5.4.1)和式(5.4.4)计算，计算中贴现率i为企业预期的投资收益率。 显然，NPV?0表示该船经济效益达到或超过了预期的投资收益率。NPV,0则表示该船达不到预期的投资收益率。 NPV是船舶盈利能力分析中的一个重要指标。但是由于n年内贴现率的实际发生难以确定，所以用于单个方案确定性分析实际上是困难的，用于多方案比较时可以看出盈利能力的差别。 (2)内部收益率IRR 151 (5.4.8) 式中iL为低的贴现率，iH为高的贴现率，要求以iL和iH计算所得的NPVL和NPVH一个为正值，另一个为负值，这样 (5.4.10) 式中CR用式(5.4.5)计算。 由于计算RFR不涉及到收入，所以当收益不能确定或难以衡量时可用RFR来比较不同的设计方案。RFR小表示该方案运输成本低，在运价方面具有竞争优势。 (4)其他经济指标 船舶的经济性指标除了以上几种以外，还有许多种，例如投资回收期PBP、费用现值PC等。投资回收期PBP是指以投资(即造价)除以年平均收益，表示以收益抵偿投资所需的时间(年数)。用PBP指标比较方案时，难以反映回收期以后的获利能力，一般作为一种参考指标。 在选用经济性指标时，由于不同的指标则重点不同，在比较设计方案时，采用的指标不同其评价结果很可能是不一致的，所以应分析选用，或者同时考虑几种指标，比较其结果再结合实际情况来分析选优。 3(关于成本和收入 船舶的成本包括建造成本和营运成本。 (1)建造成本(造价) 船厂建造一艘船舶所化费的成本可分为二类。一类是船厂自有资源的生产成本，包括人工费、材料费、各种生产系统的折旧费和修理费及租金、税金、管理费以及各种杂项费用。另一类是外部资源的成本，包括外购的各种船用设备、材料、物品及相关的服 152 务费用。 从多方案的经济性分析角度看，建造成本应分为可变与不可变二类。可变部分的建造成本随方案的不同而改变，例如船体建造成本、主机及推进装置成本(如设计方案中改变的话)、管系以及其他可变成本。不可变的成本是指对所有设计方案都相同的成本，例如通信导航设备、船员生活处所及设备的成本、船上的起重设备、甚至船舶电站等。可变与不变成本的区分视方案论证的范围而定。如果在比较大的范围 (5.4.11) 式中:LW为空船重量，指数b、c反映了功率(PS)和排水量(Δ)对造价变动的影响程度。 当不同设计方案的LW和PS及Δ有少量变动时，造价的变动率为: C C LW LW,b PS PS,c (5.4.12) 根据80年代国际船舶的建造成本统计，式(5.4.11)和(5.4.12)中的指数b，对于低速主机为0.60，中速主机为0.56，指数c值见表5.4.1。 表5.4.1 指数c值 153 ? 同型船以空船重量(LW)为参数，造价与空船重量的关系大致为: C K LW0.87 (5.4.13) 式中K为系数，用同型船舶的造价换算。 (2)营运成本 营运成本S可用下式计算: S=(S1+S2+S3+S4)/CS (5.4.14) 式中各成本费用为: ? 人员费用S1 :包括船员工资和津贴及加班费、伙食费、社会福利费。一般可按船员人数和人平均费用计算。 ? 机器燃料和滑油费用S2 :包括主机、副机、锅炉等消耗量。这些机器的燃料和滑油费用按年平均使用时间乘单位时间消耗量和单价来计算。主副机使用的燃油品质不同时，应分别计算。滑油费用的估算也可取主、副机燃料费的某一百分数来确定，如对于海船可取7~10,。年平均使用时间可根据航运部门的统计资料确定，也可以根据典型航线的营运情况确定每航次营运天数和年航次数，然后对每航次分航行工况、装卸货工况及停航工况详细计 算燃料的消耗量。 ? 与造价有关的费用S3 :这部分费用所包括的 (5.4.15) 154 式中:WC??船舶载货量(t); αC??每航次载货量平均利用率，对于单向货源情况(如专用的运煤船、矿砂 船、原油船)为0.5，其它船舶可根据航运部门统计值确定。 n??年航次数(往返算一次)。 年航次数根据航运部门的经验或统计数据确定。详细计算为: n=Z/t (5.4.16) 式中:Z??年营运天数，按365天扣除年平均修船停航时间以及避台风和封冻期时间， 一般由航运部门根据统计确定。 t??每航次所需天数，包括航行天数(航程(/VS?24))、进出港时间(减速航行)、 停泊时间(装卸货和候泊等时间)以及辅助作业时间(补充油水和物料、开 闭舱口盖、油船拆装油管等时间)。停泊时间和辅助作业时间一般也以航运 部门的统计数据来确定。 思考与练习 5.1 就一般情况而言，船舶总体设计方案构思主要应考虑哪些方面的问题, 5.2 为什么一般散货船的货舱区都设有顶边水舱和底边水舱,它们有何用处, 5.3 设计集装箱船时，稳性问题要给予特别关注，解决好稳性问题也是集装箱船总体设计 中至关重要的工作。请问为什么集装箱船的稳性问题特别突出和重要, 5.4 多用途货船有些什么特点, 5.5 主尺度的合理选择是新船设计中一项极为重要的工作，它涉及到新船设计的各个方 面。请问新船设计方案构思时，如何考虑主尺度的选择范围, 5.6 方案构思中，分析新船的主要技术性能时，以下问题该怎样来考虑,其基本思路是怎 样的, ?如何把握快速性, ?如何保证完整稳性, ?如何改善船舶的横摇性能和纵摇及升沉运动性能, ?如何保证操纵性能, 5.7 船舶设计中，为什么对初稳性高(GM)的控制要从上、下限两方面来考虑, 5.8 船舶设计要满足法规的规定，从总体设计方面来说，哪些法规与主尺度选择直接有关, 5.9 舶主尺度的选择要考虑许多因素，但在初始设计阶段，不能不分主次地考虑各种因素。 请问，对于载重型运输船舶，船长(L)、船宽(B)、型深(D)的选择主要应考虑哪些因素,对于布臵地位型船舶又该主要考虑哪些因素, 155 5.10 船舶设计吃水(d)的选择，主要考虑哪些因素,对于载重型船舶，从满足浮力的要 求来考虑，适当增加吃水而减小其它尺度(如CB或B或L),对快速性和减轻空船重量很可能是有利。为什么,试作分析说明。 5.11 有些船舶设计时采用两种吃水，即设计吃水和结构吃水，请问为什么要考虑两种吃 水,在两种吃水情况下，执行法规和规范时，应该取哪个吃水, 5.12 实船设计中，在选择方形系数CB时，经常面临浮力和阻力性能的矛盾，选择大一些 的CB，可减小L和B，在同样满足载重量要求情况下，能减轻空船重量，但对快速性不利。请问，一般情况下上述矛盾该如何处理为好, 5.13 尺度比(L/B、L/D、B/d)的大小与船舶的性能、强度等有直接关系。如果新船选择 的L/B较小，对阻力性能有何影响,B/d大对哪些性能有什么影响,L/D的大小主要对什么有影响，为什么, 5.14 如果你接受了一项新船的设计任务，在考虑选择主尺度时，你该从何处入手开展此 项工作,采用什么样的步骤来进行, 5.15 新设计一艘载重量为45000t的散货船，要求服务航速不小于14.0kn。假设没有其它 限制条件。试估算该船的主尺度LPP、B、D、d、CB，并以所选择的主尺度，估算该船所需的主机功率CSR、满载初稳性高GM和横摇周期(用式(5.3.49))。(用母型船的载重量系数粗估LW，粗步平衡重力与浮力，不必进行舱容的平衡。) (参考的母型船主要要素为:LPP×B×D×d×CB=180×31.0×16.6×10.5×0.82;DW,40000t;常用主机功率CSR,7182kW;螺旋桨转速N,123rpm;服务航速VS,14.5kn;满载重心高度KG,10m。) 5.16 新船设计中，选择了满足约束条件的主尺度后，为什么还应该进行主尺度的优化, 5.17 船舶经济性指标中的净现值NPV、内部收益率IRR、和最小货运费率RFR分别表示 什么意义，如果它们的指标值大则分别表示什么意思, 5.18 船舶的营运成本是怎样计算的, 5.19 某航运公司建造一艘集装箱船，交船后尚欠船厂1000万元，商定5年内分期偿还， 约定第一年未偿还400万元，余款由后4年均匀偿还。年利率为10,，求后4年的每年偿还额。 5.20 某散货船的造价为15000万元(一次投资)，设年货运量为120万吨，年营运成本中， 燃油和滑油费用为1450万元，维修、保险等与造价有关的费用为1000万元，港口、代理等与吨位或载重量有关的费用为750万元，其他的费用为总成本的12,。取船舶营运年限为15年，船舶的残值取造价的10,。求净现值NPV(取贴现率为10,)、内部收益率IRR和最小货运费率RFR。 156