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第一章船舶设计第一课引言1.1定义术语“基本设计”是指对影响造价和性能的船舶主要参数的确定。因此，基本设计包括船舶主尺度、船体线型、动力（数量和种类）的选取，以及船体、机械设备和主要结构的布置。恰当的选取可保证达到设计任务书的要求，例如良好的耐波性能，操纵性，预期的速度，续航力，舱容和载重量。进一步讲，基本设计还包括校核和修改，以满足货物装卸能力，居位舱，客房设施，分舱和稳性标准，干舷和吨位测量，所有这些都是将船舶当成运输、工业化或服务系统的一部分。基本设计包含概念设计和初步设计，可以确定船舶主要技术参数，为造价初步估计做准备。再整个设计过程中，基本设计之后紧接着就是合同设计和详细设计。合同设计，顾名思义，需要做出图纸和详细说明书，以便船厂去投标和签约。一套良好的合同图纸和详细说明书应当是非常清晰和详细的，以避免高成本的偶然性项目，并使投标者不出现模糊不请的或不充分的描述。详细设计师船厂进一步完善合同设计的重要任务，以准备施工图用于船舶实际建造。了解整个设计顺序对任何做基本设计的人都是必要的。设计的4个阶段用设计螺线图表示，如图1所示，是从任务书要求到详细设计的循环工作过程，这4个阶段在下面作详细叙述a概念设计概念设计作为整个设计的第一阶段，是将任务书要求转换为船舶建造工程参数。它基本上包括技术可行性研究，确定船舶的基本参数如船长，船宽，船深，吃水，丰满度，动力，或可供选择的参数方案，所以这些应满足所要求的航速，航程，货舱舱容和载重量。这包括基于曲线、公式经验而进行的空船重量初步估算。在这一阶段，通常进过参数分析而进行多方案设计以寻求最经济的设计方案，或者任何其它控制也纳入考虑之中以确定最优方案。确定下来的概念设计就做为讨论文件以获得近似的建造成本，不论是否启动下一阶段的设计——初步设计。b初步设计船舶的初步设计将进一步优化那些影响造价和性能的传播主要参数。一些控制参数如船长，船宽，功率和载重量，在该阶段完成之后不宜再变更。初步设计完成后将为船舶提供一个准确的描述，能够满足任务书要求，并为合同设计图纸和说明书提供基础支撑。C合同设计合同设计阶段提供了一系列图纸和说明书，形成了一套船舶建造合同文件。它包括围绕设计螺旋的一个或多个环节，因为对初步设计作进一步优化。这一阶段更加准确地描绘船舶特征，如基于一套光滑线组成的船体线型，基于模型试验的主机功率匹配，船舶耐波性与操纵性，螺旋桨数量对型线的影响，结构细节，不同类型钢材的使用，肋骨间距和形式等。再合同涉及元素中最重要的是考虑了船舶各个主要分段设备的重量及其位置之后的船舶重量与重心的估算。最终的总布置图也是在这一阶段确定下来，这就将总体积、货物区域、机器设备、储物设备、燃油、淡水、居住与公用舱室以及几何相互关系固定下来。还包括与其它因素例如货物装卸装备、机器设备等的关系也都确定下来。补充说明书描述了船体和舾装的质量标准，以及各个机器、设备的预期性能。这些说明书还叙述了模型试验和实验情况，一表明船舶设计师成功的，船舶是可接受的。表1.1列出了一艘大型船舶在合同设计中的典型图纸清单。小型船、不复杂的船客不要求具备表中所列的每一图纸，但该表确实显示了合同涉及中考虑的细致程度。d详细设计船舶设计的最后阶段是绘制详细的施工图。这些图纸是供船舶装配工、焊工、舾装工人、金属制造工、主机供货方、管件工使用的安装与建造说明。这些图纸不属于基本设计过程的一部分。这一设计阶段的唯一共同之处是设计的每一阶段均从一个设计组传递到另一个设计组。在此阶段，交换仅限于设计工作于技术工人之间，也就是说，一个设计工程师的设计不再由任何其他工程师进行评判、调整或修改。这个设计必须明确表达希望的最终结果，并且是可制造的和可操作的。概言之，本章将基本设计看作是整个船舶设计过程的一部分。从概念设计和初步设计到合同设计图纸与说明书，有效地保证船舶主要特征参数能足够可靠地确定下来。这个设计过程构成了使船厂建造价格在预先确定的价格范围之内的基础。该价格也保证了充分有效地船舶性能。表1.1合同涉及阶段典型图纸侧视图，总布置图纵剖面图，总布置图所有甲板与船舱的总布置图船员住舱布置图型线图舯横剖面图钢材尺寸图机舱布置图——俯视图机舱布置图——侧视图机舱布置图——横剖面图主轴系布置图动力与照明系统——布线图甲板与侧面防火图通风与空调设计图所有管系的图表设计热平衡与蒸汽流动图——在正常工作情况下的常规动力电路负载分析图舱容图船型曲线图可浸长度曲线图初始纵倾与初稳性手册破舱稳性计算1.2一般介绍在60年代后期和70年代，一些重要的新技术给普遍的基本设计问题在某种程度上带来一定的影响。其中最重要的是计算机。再计算机影响着基本设计的时候，其它一些变革已经在影响着基本设计的构成。例如，再班轮营运中一个革命性的进展是从散杂货向集装箱化货运运输方向发展。再其它类型船舶的另一些进展也产生了类似的新的问题需纳入考虑。以油船为例，尺寸迅速增大。世界上工业国家对石油和其它原料的需求的增长需要大型油船和散货船以可接受的成本来满足巨大的需求。人类正在不断地向海洋探求各种重要资源，近海钻井以获取石油和天然气，从墨西哥湾浅水域的小规模工业迅速发展成巨人，进入到深水域和更加恶劣海况的水域中。这些发展对近岸钻井设备/船舶/模块的设计产生了变革，也对这样一个具有挑战性事业所必需的整个支撑船队产生变革。这包括交通艇、平台供应船，大马力拖船，铺管船/驳船，以及数不清的其它特殊的船艇。进一步的发展不可预知，但可以肯定的是，从海中寻找其它生成需要设计出完成此任务的全新船队。因而，船舶基本设计的难度将依据对既往实践的背离程而变化。一些航运公司倾向于以前的成功设计，几乎不允许对以往设计进行改进。如果预期的运输任务与现有的业务类似，那么这种（固执）（保守）是一个不错的办法。因此在这些情形下，基本设计大体上上限于对主尺度、动力系统和布置微小修改。再另一个极端，全新的海上业务，例如液化天然气海上运输，最开始的时候，设计者对此是一片空白（一张白纸），通过不断地修正和完善，最终实现合理的工程设计。第二课船舶分类2.1前言船舶的形状是多种多样的，一艘船可能是一个豪华的海上酒店，载着旅客游世界；也可能是一个浮动的堡垒，扬起导弹发射架；也可能是一个长箱，运输原油，甲板上布满了复杂的管线。这些外部特征的介绍绝不能准确地描述完整的集成的船舶系统——自给自足的，适航的和有足够稳性的，能为船员和货物提供一个安全的处所。这一概念是造船师再设计船舶时必须牢记再心中的，也是今后讨论的基础，不仅仅是在本案中，而是贯穿整本书。为了探讨造船工程，将船舶分类是有益处的，本课的目的是将船舶按照其物理支撑方式和设计用途二分类2.2按照物理支撑方式而划分的船舶类型就船舶分类而言，物理支撑形式是基本于船舶在设计情况下进行的假定。船舶设计成在水上、水面或者水下工作，因此气—水交界面将用于参考数据。因为前面提到的三个区域的物理环境特性差异很大，设计成在这些区域工作的船舶的物理特性也不同。空气静力支撑有两种类型船舶是靠前身产生的空气垫而支撑在海面之上的。这些相对较轻的船舶具有很高的航速，因为空气阻力远小于水阻力，还有的原因是在告诉航行时不与海浪接触以及采用的柔性密封连接减少了海浪的冲击。这类船舶依靠鼓风机在船底部形成一个低压空气垫。这个空气垫必须足以支撑起水上船舶的重量。第一种类型船的四周具有柔性的“裙”，在船底围成一个空气垫，试船能完全升离水面。这种船成为“气垫船”（ACV），再有些场合是两栖的。另外一种是具有刚性侧壁或薄壳的气垫型船，侧壁伸到水面下，维持气垫压力所需的空气流量就降低了。这种类型的船称为束缚气泡减阻船（CAB）。这种船所需的升力风机功率要小于气垫船的，方向稳定性也更好，并可以由喷水装置或者超空泡螺旋桨推进。此类船非两栖，并且还没有达到像空气船那样推广，如旅客渡船、海峡汽车渡船、极地考察船、登陆艇及内河船等。水动力支撑依靠水动力支撑的船也只有两种类型。水动力是靠专门设计的水动力板在水面下具有快速相对运动而产生的。物理学原理表明任何带来不对称流体的运动物体都会在垂直于运动的方向上产生一个升力。正像具有机翼的飞机在空气中运动能产生升力一样，通过一个穿过水面的支柱而固定在水下的木翼，其水动力可以支撑一般船舶离开水面。滑行船体的特点是具有相对平坦的底部和浅V型剖面（特别是在船中前），高速航行时在局部可以为轻排水量船和小型船艇提供足够的水动力支撑。滑行艇的尺寸与排水量一般都受限制，因为功率重量比和在波浪中航行产生的结构应力大小都有要求。大多数滑行艇都要求在静水中航行，尽管某些深V型船体具有再波浪中航行的能力。静水力支撑最后，是最古老的也是最可靠地支撑类型——静水力支撑。一直到20世纪，所有的船、艇和建议的水艇都依靠静水的浮力而工作在水面上。静水力支撑通常称为浮力，可以由公元前二世纪古代哲学及数学家阿基米德发现的物理定律来解释。阿基米德定律指出，浸没在液体中的物体将受到一个等一所排开的液体重量的浮力作用。这一定律适用于浮在水面或在下潜到水中的任何船。水包括海水和淡水。依据这一定律，这类船可以统称为排水型船。尽管这类船非常相似，其详细分类还是有必要进行特别讨论。例如，对某些船，合理的高航速必须与装载轻量货物的能力相结合，或者比滑行艇在波浪中航行更具舒适性。高速滑行船体的特点可以通过修改而产生半排水型船体或半滑行船体。这些折中的船艇，尽管没有全滑行船那样快，但还是比常规的排水型船快。它们需要比排水型船更大的功率和更小的重量。这些类型船很明显是“折中”的结果。上面引证的例子是用物理定义作清晰分类而定义的类型，并不是从其实的排水型船中分化出的船型的一个良好的例子。后者应当认为是排水型船，它的归类主要取决于浮体体积即水下船体长度和宽度范围的分布情况。最常见的是排水型船一般分类为通用海洋运输船，它们可以用作客运、轻货运输、拖网捕鱼或各种不需要特殊舱容、速度、吃水、或其它特殊性能的其他业务。这类船最常见并很容易识别，具有适度的排水量、航速、长度和舱容。它们通常具有最大的航程和最好的适航性，属于“全季节船”，是所有其它排水型船分类时重要参照的标准。在这种标准船型中，最重要的船型是散装油船，油船和其它超级油船，它们不仅在世界贸易中也在全球工业中扮演重要角色。这些术语是普通的但不具体。在该讨论中它们的称呼也是不充分的，因为多年前称为超级油船而现在并不是。工业本身已经产生了非常清晰的术语。基于10万吨级油船的指标，其尺度可定为LCC（大型油船），VLCC（非常大型油船）和ULCC（超级油船），大于10万吨但小于20万吨的油船属于LCC，再20万吨至40万吨的是VLCC，超过40万吨的是ULCC。我们知道，再1956年以前还没有超过5万吨的油船，在60年代初期也没有超过10万吨的任何船型。而现在关于这些名称的规律变得清晰了。1968年，第一艘超过30万吨的船建成。这些巨型船舶（一个甲板相当于4个足球场大）设计并建造成为利润创造者，超长、超宽、超深船型，每个航次以最小的消耗运输大量的原油。这些超大油船很少配有超过一个的螺旋桨轴和舵。它们的驾驶台距其船首将近1/4英里远（约400m）。其最高服务航速很低，以至于从阿拉伯油港到欧洲目的港的航程通常要两个月时间。这些船属于排水型船，具有巨大的浮力支撑。当满载时其船体在水下有非常巨大的和不成比例的（？）体积。事实上，货物重量远远超过船本身的重量。一艘满载的VLCC的吃水或要求的水深在50~60英尺之间，一艘ULCC大概要80英尺。这些船舶在排水型船舶中有专用的类型称为深排水量船。另外还有一类排水型船具有大的吃水。类似于前面讨论过的原油船，但吃水还没有超过它们。这类船称为SWATH（小水线面双体船）。简单地讲，这类极少见的船型设计成在中等程度海况中具有高速和稳定性的上体（上部结构）。它们的未来是有疑问的，但在水面以下提供大多数排水体积，通过窄的立柱支撑水面以上的船体或甲板的理论是完善的，通过上层平台而连接在一起的双船体提供了必要的稳性。排水型船中最值得关注的特殊应用是潜艇，完全潜入到水中工作。潜艇的特性