船舶设计原理-第五章-方案构思与主尺度选择

船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思总体设计方案构思的任务：船型特征和总布置设想；考虑和初步选择主尺度；主要技术性能的估算与分析；其他重要方面的考虑（如船舶的主要装备、法规和规范的要求等）。总体设计方案构思主要包括以下几个方面的内容：分析各项设计要求，明确设计任务；分析同类型船的资料，采用适当的估算方法和各种可用的技术手段，设立一个初步的新船总体设计方案，分析和确定各个设计参数可能的选择范围，研究新船设计中可能存在的主要矛盾；分析新船的主要技术性能和经济性指标，考虑所要采取的主要措施以及进一步开展设计工作的设想。船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思散货船船型特征:散货船以运输大宗货物为主，主要有：煤、谷物、矿砂等，也可以装运木材、钢材、纸浆、重货等。设计时一般以其中的一、二种货物为主来考虑。散货船的载重量一般都在万吨以上，大型散货船为13万吨～17.5万吨（好望角型），6～8万吨级为巴拿马型（型宽限制约为32.2m），4～5万吨级的称为灵便型。散货船一般都是低速船，所以船体都比较丰满，大多为单桨推进，宽浅吃水型船也有采用双桨。现代散货船一般都设置具有整流作用，并能兼顾压载航行工况的球首。船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思散货船图片：船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思75000t散货船总布置图：第七货舱口第六货舱口第五货舱口第三货舱口第四货舱口第二货舱口第一货舱口主要要素总长垂线间长型深型宽结构吃水设计吃水A甲板至B甲板上甲板至A甲板上甲板至首楼甲板甲板层高载重量C甲板至驾驶甲板B甲板至C甲板驾驶甲板至罗经甲板主机型号最大持续功率常用功率船员人数航速1:20003.303.303.3第五货舱第四货舱第三货舱第一货舱第二货舱机舱淡水舱舱底水舱蒸馏水舱NO.4燃油舱（左）75000DWTOBC(PANAMAX)75000DWT优选型散货船Date日期Reviewed审核Approved审定Rew.Sh.No修改单号DesignedCheckedStan.RevQty数量Mark校对设计标检标记Sign签字Sheets渤海船舶重工有限责任公司BOHAISHIPBUILDINGHEAVYINDUSTRYCO.LTD第1页PRELIMINARYDESIGN初步（扩大）设计共2页Totalsheets重量WeightScale比例总布置图顾敏童裘泳铭顾敏童首尖舱帆缆间木工间油漆间锚链舱第六货舱第七货舱第四顶压载舱（左、右）第三顶压载舱（左、右）第二顶压载舱（左、右）第一顶压载舱（左、右）第四双层底压载舱（左、右）第三双层底压载舱（左、右）第二双层底压载舱（左、右）第一双层底压载舱（左、右）第七侧移式货舱盖第六侧移式货舱盖第四侧移式货舱盖第五侧移式货舱盖第一侧移式货舱盖第二侧移式货舱盖第三侧移式货舱盖上甲板货舱A甲板B甲板C甲板D甲板驾驶甲板罗经甲板应急消防泵室尾尖舱冷却水舱船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思散货船总布置特征:现代散货船都采用尾机型，这样中部方整的部位都可以用于货舱，有利于货舱口的布置和提高舱容利用率，也有利于结构的连续性，提高总纵强度。机舱的长度在机舱布置许可的情况下应尽量缩短。首尖舱的长度约0.05～0.07LPP，尾尖舱的长度约0.035～0.045LPP。散货船的货舱通常设有顶边水舱和底边水舱。这种货舱形状的好处是：减少了卸货时的清舱工作量；可以将散货装满，减少平舱工作量；顶边舱和底边舱用于装载压载水，增加了压载量，提高了压载重心，可增加压载航行的首尾吃水和改善压载状态的横摇性能。运输矿砂的散货船因矿砂密度大，所需舱容小，所以双层底高度和边舱尺寸都很大，这样可避免货物重心过低，初稳性过高，横摇周期过短。散货船一般都为单甲板（仅有一层连续露天甲板）。大型散货船大多仅设甲板室，无首楼和尾楼，也有些仅设首楼，无尾楼；中小型船一般都设有首楼，并根据需要也有设置尾楼。驾驶室以及船员生活舱室等都设置在船尾。甲板室的层数和高度根据所需的布置地位以及驾驶盲区的要求确定。船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思集装箱船船型特征:集装箱船的大小通常以20ft标准集装箱（TEU）数量来表示。一般来说载箱数超过2500TEU为大型船，载箱数在500TEU以下的为小型船。巴拿马型集装箱船的载箱数在2500TEU～4400TEU，超巴拿马型的集装箱船都在4000TEU以上。国内正在建造的比较典型的巴拿马型集装箱船为4250TEU，超巴拿马型的为8530TEU。船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思集装箱船布置特征:集装箱船的机舱部位，对于中小型船大多采用尾机型，大型船也有采用中尾机型（即机舱后面还设一个货舱）。由于集装箱船航速较高，方形系数较小，所以船尾部比较削瘦，采用尾机型机舱需要较大的长度，而中尾机型船的机舱长度相对可减小。集装箱船的货舱形状由于大开口的要求，绝大多数采用双壳体结构。为了提高甲板大开口船的抗弯、抗扭强度，双壳体的上部都设有平台，形成箱形抗扭结构。由于货舱盖上要堆装多层集装箱（一般在4层以上），所以舱盖要有足够的强度。吊装式舱口盖因每块盖板的重量要控制在起货设备的起吊能力范围内，所以舱盖的大小、布置和支撑形式与货舱的设计也有密切关系。船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思集装箱船布置特征:集装箱船的上层建筑具有长度短，层数多的特点。长度短是为了节省甲板面积；层数多是驾驶室高度的需要，目的是为了解决驾驶盲区的问题。IMO规定集装箱船驾驶盲区不应大于2倍船长，过巴拿马运河时盲区另有规定。大中型集装箱船通常不设起货设备。小型集装箱船为适应小型港口的需要，常设置甲板起重机。为了减少设置起重机对集装箱布置的影响，有些船将起重机布置在舷侧。集装箱船由于重心很高，为解决稳性问题，满载情况也常需要用压载水来降低重心高度，所以双层底舱几乎全部用作压载水舱。此外，首尾尖舱、两舷双壳体内一般也用作压载水舱。为了平衡装卸集装箱时的横倾，两舷边舱中的左右一对压载水舱通常各装50％压载水，用作调整横倾。集装箱船在装卸舱内集装箱时横倾不能超过5°，以免集装箱被导轨卡住。船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思4250TEU集装箱船总布置图:船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思5.1.2主尺度的初步考虑方案构思时，对主尺度的选择首先考虑一个尺度选取范围。这个范围可以用绝对尺度的形式表示，也可以用主尺度比的形式给出，如L/B、B/d、L/D等。确定一个主尺度取值范围可以减少主尺度选择中的盲目性。船舶主尺度是描述船舶几何特征的最基本的参数。主尺度对船舶的运载能力、航海性能、操作使用和船舶的经济性等都有重要影响。合理地选择和确定主尺度是船舶总体设计中最基本最重要的工作之一，也是开展各项具体设计工作的基础。因此，在新船设计初始阶段的总体设计方案构思中，主尺度的选择是首先要考虑的问题。考虑主尺度选择范围的方法主要有母型法、统计方法和经验公式。需要强调的是：尺度比参数比绝对尺度更能发映与船舶性能、强度之间的规律性关系。实践表明，主尺度在适宜的尺度比范围内选择，可以有效地控制船舶的一些基本性能。船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思5.1.3主要技术性能的分析主要技术性能有：浮性、快速性、完整稳性、分舱与破舱稳性、耐波性、操纵性、以及船体的强度和振动等。船舶的技术性能关系到使用、安全和经济性。技术性能的指标必须与船舶的经济性联系起来考虑，它们之间存在的各种矛盾，需要设计者去权衡。考虑船舶的技术性能，必须清楚：哪些性能是要必须保证的，哪些是要力求提高的，哪些是要兼顾的。在总体设计方案构思中，必须清楚性能与船舶要素之间的联系规律。本节针对船舶的快速性、稳性、耐波性和操纵性作一分析与讨论。船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思（一）快速性船舶快速性包括阻力性能和推进性能两部分。研究快速性的问题是在有关约束条件下，希望能以较低的推进功率达到给定的航速要求；或者在给定的推进功率下，尽可能地提高航速。减小阻力，提高推进效率始终是船舶设计所追求的目标。从阻力方面看，船舶的总阻力R取决于排水量、航速、棱形系数（或者方形系数）、尺度比（L/B、L/d、L/Δ…）、船体型线等因素。从推进效率方面看，对于螺旋桨推进方式，螺旋桨的负荷是主要因素，这涉及到螺旋桨的收到功率、转速、直径和航速。一般来说，单桨功率越大、转速越高、桨的直径越小、航速越低，螺旋桨效率也就越低。从设计的角度来说，解决快速性的问题主要是选择合适的主尺度，优化船体的型线，控制好螺旋桨的设计参数，必要时采用一些改善快速性的特殊技术措施。影响快速性的因素:5.1.3主要技术性能的分析船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力｛水阻力空气阻力｛静水阻力汹涛阻力｛裸体阻力附体阻力附加阻力｛｛静水总阻力RT水压阻力RP摩擦阻力RF兴波阻力RW粘压阻力RPV粘性阻力RVTWVRRR船舶阻力的组成：船舶阻力的分类：VPVFRRR因此：其中：5.1.3主要技术性能的分析船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能SNvFgLSNvLR傅汝德数定义：vs——速度（m/s);g——重力加速度（m/s)；L——m（船长）（船速Vs通常用节表示：kn，1节＝0.5144m/s）雷诺数定义：vs——速度（m/s);γ——水的运动粘性系数（m/s)，与水的温度有关，温度越高，γ越小；L——m（船长）5.1.3主要技术性能的分析船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能62cosWmLRABv兴波阻力特性（1）根据兴波阻力理论分析，可得：422cos12WWRmLvCCDgLvS或式中：A、B、C、D是常数；λ是波长；m是系数，mL称为兴波长度；S是船的湿表面积。上式表明，兴波阻力RW是由两部分组成，其中第一项为首尾兴波产生的“自然兴波阻力”；第二项是首尾波（横波）遭受干扰产生的兴波阻力。5.1.3主要技术性能的分析船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能（兴波阻力特性）0.5,1.5,2.5mL2cosmL（2）兴波阻力曲线由于是在+1.0～-1.0之间变动，因此CW曲线存在凸起和凹陷的现象，也称为兴波阻力的“峰”和“谷”。当时出现“凸起”，即此时首尾横波产生了不利的干扰。当1,2,3mL时出现“凹陷”，即此时首尾横波产生了有利的干扰。Cwv兴波阻力系数曲线√gLFN=√gLv∝（）45.1.3主要技术性能的分析船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能（兴波阻力特性）（3）兴波干扰兴波阻力随航速成六次方的关系变化，因此兴波阻力占船舶总阻力的比例随航速的增加而迅速增大，对中高速船，约为30％～50％。对中、高速船减少船舶阻力的努力方向是降低兴波阻力，特别是高速船。兴波阻力中干扰产生的兴波阻力是人们十分感兴趣的研究对象。该部分阻力的大小取决于兴波长度mL，而mL=f(L,λ，Cp)。因此，干扰作用主要与船长和棱形系数有关。船舶设计中对应一定的设计航速，合理选择船长和棱形系数对降低兴波阻力有重要的关系。艾亚根据船模和实船试验结果，分析得到的不同FN与波阻“峰”及“谷”的关系见下表，除此以外还有一些估算的公式。FN0.2000.2140.2320.2560.2830.342峰、谷峰点谷点峰点谷点峰点谷点5.1.3主要技术性能的分析船舶设计原理第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思船舶的