船舶设计原理(第六章)型线设计

上海交通大学2015年船舶海洋与建筑工程学院《船舶设计原理》第六章型线设计课号：001-(2015-2016-1)教学班：NA404封面船舶原理与设计第六章、型线设计6.1概述型线图是性能计算、结构设计，各种布置和建造放样的依据。型线设计是船舶总体设计的一项重要内容。首先，型线与阻力性能关系重大，尾部型线与螺旋桨的配合对推进效率和振动有很大的影响。此外，型线与船舶的稳性、操纵性、横摇阻尼、船在波浪上的运动特性、砰击等都有关系。在使用方面，型线影响布置和舱容，例如机舱内的布置条件、货舱和压载舱的容积、甲板的布置地位等。在建造方面，型线的平直部分、可展曲面部分可以简化施工的工艺，而复杂曲面增加了施工难度和工作量。由此可见，型线设计需要考虑许多方面的要求，有些要求还会相互抵触，设计者必须加以权衡。船舶原理与设计6.1概述型线设计中应注意的几个方面：保证良好的航海性能。除了某些有特殊要求的情况以外，通常把快速性（阻力与推进）放在主要地位来考虑，同时兼顾耐波性、操纵性和稳性。考虑总布置的要求。总布置所需的甲板面积，货舱大开口的尺寸，纵倾的调整等对型线设计都有一定的要求，型线设计中应加以考虑和满足。必要时，当布置与性能对型线的要求发生矛盾时，通常是适当降低对性能方面的要求，来满足布置和使用的需要。考虑船体结构的合理性和工艺性。例如，不必要的复杂曲面的船体形状，不仅增加建造工时，多耗材料，而且不易保证施工质量，影响结构强度。外观造型。水线以上的首尾轮廓线、甲板边线以及外露的折角线应考虑美观和造型方面的要求。第六章、型线设计船舶原理与设计6.1概述型线设计的精度：应符合要求的排水体积，其误差要求与设计中对排水量考虑的余量有关。如果重量裕度在1％~2％时，排水体积允许的误差约为±0.5％。应符合要求的浮心纵向位置。文献［1］建议，在纵倾允许误差为±0.2％L时，型线设计结果的浮心纵向位置允许误差约为0.3％L。第六章、型线设计横剖面面积曲线；设计水线和甲板边线；横剖线形状；侧面轮廓线。控制船体型线的要素：船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计横剖面面积曲线下的面积相当于船的型排水体积（▽），曲线下面积的丰满度系数等于船的纵向棱形系数CP（CP=▽/（AM·LPP））；面积形心的纵向位置相当于船的浮心纵向位置XB；丰满船的横剖面面积曲线的中部有一平行段，称为船的平行中体，长度为LP，平行中体前、后的两段长度分别称为进流段长LE和去流段长LR；方形系数小的船一般都没有平行中体，最大横剖面常位于船中（MS）之后。横剖面面积曲线的特征：去流段长度LR进流段长度LE平行中体长度LPLPP/2LPP/2Ai或Ai/AMX或X/L船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计棱形系数CP对船的剩余阻力RR影响很大，而对摩擦阻力RF影响极小。CP对剩余阻力的影响主要反映在兴波阻力上，它是随船的相对速度（傅汝德数Fn）而变化的。从阻力的影响来看，CM是不重要的，因此，CM的选择很大程度上是考虑与CP的配合。一、棱形系数CP和中剖面系数CM的选择低速船（如Fn＜0.2），兴波阻力所占比例不大，CP对总阻力影响较小，但选取较小的CP总还是有利的。低速船一般CB都比较大，所以这种情况下CM都取得很大，以利减小CP。一般运输货船CM为0.98~0.99，大型船甚至达到0.995。船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计一、棱形系数CP和中剖面系数CM的选择中等航速的船（如0.2Fn0.3），兴波阻力已占总阻力相当的比例，且兴波主要发生在首部，船首应尖瘦些，所以取较小的CP可减少剩余阻力，对总阻力有利。但过小的CP意味着CM很大，会引起横剖面面积曲线和水线明显的突肩，这是不利的，应避免。所以随着Fn增加，在CP减小的同时，CM也应相应地取小一些。航速较高的船（如Fn0.3），随着Fn的增加，船首兴波的区域逐渐扩展到船长的很大部分，此时，在一定的CB下，过小的CP会导致船体中部过分凸起，从而造成更大的兴波阻力，因此CP不宜过小。船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计二、浮心纵向位置XB的选择浮心纵向位置XB决定了船前后半体的相对丰满度。XB的选择主要从快速性上有利的最佳浮心位置和与总布置所确定的重心纵向位置相配合这二个方面来考虑。从阻力方面看，当浮心位置改变时，前体兴波阻力和后体形状阻力的相对比例发生变化。浮心位置向后移动，前体丰满度就减小，后体丰满度增大，因而形状阻力由小变大，而兴波阻力由大变小。因此，对应于给定速度的船，存在着一个阻力最小的最佳浮心位置。船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计二、浮心纵向位置XB的选择浮心位置的选取，还必须与重心纵向位置相配合，使船有适宜的浮态。当阻力上最佳的浮心位置与重心配合不当而引起不允许的纵倾时，如果在总布置方面调整有困难，或者会造成牺牲过多时，通常是适当地损失快速性去兼顾布置上的适宜性。XB偏离最佳位置不大时对阻力影响较小。船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（1）平行中体长度和位置在一定的Fn范围内，船体采用适量的平行中体，无论从阻力性能方面还是在使用和建造方面都是有利的。船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（1）平行中体长度和位置从阻力方面看，将排水体积适当地向中部集中，采用一段平行中体，对于前体可使进流段尖瘦些，降低兴波阻力；对于后体，可削瘦去流段的船体形状，有利于改善形状阻力。但是，设置太长的平行中体后，过短的进流段和去流段，会使平行中体的两端形成过硬的“前肩”和“后肩”，这对阻力是不利的。在船舶的使用方面，因平行中体一段的横剖面形状完全相同，使中部的船舱方整，便于装载货物。设置平行中体还简化了工艺和降低建造成本。因此，从实用出发，平行中体长度希望取长些，但以不引起阻力性能恶化为限。船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（1）平行中体长度和位置航速高的船不能设置平行中体。原因是这种船一般船体已很瘦削，设置平行中体后，平行中体和过分瘦削的首部连接处会形成凸肩，航行时产生的肩波和严重的肩部旋涡使阻力性能恶化。Fn0.25（CB0.62~0.64）的船，不宜设置平行中体。确定平行中体长度和位置的原则是确定不引起阻力激增的最短进流段长度和去流段长度。通常，设计中平行中体长度和位置可以根据优良的母型船资料并参照经验公式来确定。船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（2）最大横剖面位置无平行中体的船舶，最大横剖面位置决定了进流段和去流段的长度。由于前体兴波阻力随航速的增大而增大，所以最大横剖面位置也应相应后移。船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（3）横剖面面积曲线的形状CPFn横剖面面积曲线两端形状说明0.785两端均用直线形前肩曲度尽量小。0.75~0.780.1820.182两端均用直线形前端微凹，后端直线形据爱末生(Emerson)试验,CP=0.7~0.78时前肩曲度尽量小，船首下部切去使船首倾斜，对阻力有利。0.70~0.750.2380.238前端微凹，后端直线形前后端均应微凹当Fn0.209时，后端形状稍变对阻力影响不大。0.65~0.700.164~0.2530.268前端以凹形为佳，不能用直线形；后端为直线或微凹前端为直线，后端直线或微凹均可0.650.224~0.2530.283~0.313=0.358=0.537前后端均宜用微凹两端均应用直线形前端为直线，后端微凸前后端均微凸此时后端对阻力影响较微船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计四、生成横剖面面积的母型改造法根据优良母型船的横剖面面积曲线，按设计要求改变棱形系数CP，浮心纵向位置XB和平行中体长度（LP）及位置时，可以用适当的修改方法，在保留曲线原有基本形状的条件下修改得到新的横剖面面积曲线。常用的一种修改方法称为“1-CP”法。船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计四、生成横剖面面积的母型改造法δCPFxX图中各无因次量表示：CPF——修改前曲线下的面积，即前半体棱形系数；δCPF——CPF的修改量，即阴影部分的面积；lPF——前半体平行中体长度；δlPF——lPF的修改量；hF——δCPF的形心距中；xBF——CPF的形心距中，∫=10221dyxCxPFBF船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计四、生成横剖面面积的母型改造法δCPFxX（1）仅修改CP设修改函数为：δx=a（1－x）该函数的边界条件为：x=1.0时，δx=0。由约束条件：∫∫−=−==1010)1()1(PFPFCadyxaxdyCδδ得：a=δCPF/(1－CPF),代入式δx的表达式，可得：PFPFCCxxδδ−−=11船舶原理与设计6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计四、生成横剖面面积的母型改造法（2）同时修改CP和lP（3）同时修改CP，lP和xB（Lackenby法）（4）仅修改浮心纵向位置xB103267451098Kθθθθθθθθθ船舶原理与设计6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择设计水线的形状特征和横剖面形状特征是相关的，设计水线丰满意味着横剖面在设计水线处较宽，在一定的横剖面面积下，下部必然较窄，剖面形状成V形。反之，设计水线削瘦，横剖面形状成U形设计水线的特征主要有水线面系数CW、平行中段长度、端部形状、半进流角iE（近首垂线处设计水线相对中心线的夹角）。水线面系数CW设计水线的首端形状和半进流角（iE）设计水线尾段的形状设计水线的平行中段长度（1）设计水线船舶原理与设计6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择阻力方面：V形的横剖线形状湿表面积较小，可减小摩擦阻力，同时它的舭部较瘦，有利于减少丰满船（CB＞0.75）的舭部漩涡。但V形剖面兴波阻力较大，因为它所对应的设计水线首端丰满，半进流角也大。U形剖面船的排水量相对集中在下部，设计水线削瘦，半进流角小，有利于减小兴波阻力，但湿面积大，摩擦阻力大。（2）首部横剖线形状船舶原理与设计6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择（2）首部横剖线形状耐波性方面：船在纵摇和升沉运动中，V形剖面下沉时，浮力和阻尼力矩大，能减小纵摇和升沉运动，且能缓和船底砰击（尤其当波长与船长之比λ/L＞1.0时），但V形剖面增加波浪中航行的阻力（尤其是λ/L＜1.2时）。由于耐波性的问题与船的大小关系密切，大船这方面的矛盾较小。船舶原理与设计6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择综合静水阻力和耐波性的因素，船的前体横剖线形状大致可这样考虑：低速船采用V型比较有利；船长较大的中速船（如Fn＝0.23左右），航行中较少遇到波长超过船长的波浪，可偏重静水阻力来考虑，采用较U形的剖面形状；小船更偏重耐波性因素的考虑，加上L/B通常较小，从几何关系上处理也应采用较V形的横剖线形状。（2）首部横剖线形状水上部分的形状船首水上部分的横剖线形状通常具有一定的外飘，这样储备浮力和甲板面积都大些。适量的外飘可减少甲板的上浪和淹湿船舶原理与设计6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择（3）尾部横剖线和水线的形状从阻力上看，后体的型线应力求避免水流的分离。V形剖面能使进入去流段的水流较顺畅地向后沿斜剖线流动，而且V形剖面湿面积也小。U形剖面船尾容易引起舭涡而且湿面积也大。可以说，U形的尾部横剖线形状在各种Fn下阻力性能都比V形差些。但是，U形和V形剖面对船尾伴流场的影响是不同的，对于肥大型船这种差别更为显著。U形尾的轴向伴流分布比较均