船舶设计原理第7章

船舶设计原理(Ch7)第七章船舶型线设计§7-1船舶型线设计概述§7-2横剖面面积曲线§7-3设计水线§7-5甲板线§7-6型线生成§7-4首部及尾部型线型线设计概念§7-1船舶型线设计概述型线设计内容型线设计重要性型线设计准则型线设计方法型线设计：根据设计者已选定的船舶主尺度和船型系数，用数学方法构成光顺的船体曲面。§7-1船舶型线设计概述型线设计的内容：型线特征参数的选择产生型线图的方法，生成肋骨型线图。型线设计的重要性：是关系船舶技术、经济性能的全局性设计项目。是后续的结构设计、性能计算、模型试验、舱室布置、放样建造的依据。型线设计的准则：符合设计船型的特定要求，具有灵活的表达型线的能力，同时必须满足船体光顺性准则和必要的精度要求。1）保证具有良好的航海性能（1）足够的浮力（2）快速性，耐波性，稳性，抗沉性（3）耐波性，稳性、抗沉性要做到水上、水下线型的合理配合2）满足总布置要求（1）甲板面积（2）船舱尺度，舱口尺寸，机舱，设备布置（3）浮态调整3）结构合理，简易，施工维修方便§7-1船舶型线设计概述自行设计法§7-1船舶型线设计概述船舶型线设计方法母型改造法标准系列船型法数学船型法§7-2横剖面面积曲线横剖面面积曲线：以船长为横坐标，以设计水线下各横剖面面积为纵坐标能确切地表征浮力沿船长的分布，与型线是密切相关横剖面面积曲线形状非常重要直接影响到船体性能和外形，是型线设计的关键。与快速性密切相关§7-2横剖面面积曲线横剖面面积曲线有下列特征:排水体积▽，纵向棱形系数Cp，浮心纵向位置XB，最大横剖面面积Amax平行中体长Lp，进流段长Le,去流段长Lr。§7-2横剖面面积曲线(1)曲线与横向坐标轴间所包围的面积:▽(2)曲线的丰满度系数:船在设计水线下的Cp(3)与横轴所包围的面积的形心横向坐标:XB(4)最大纵坐标值:最大横剖面面积Amax(5)平行中体长Lp，进流段长Le，去流段长Lr。Cb小的船一般都没有平行中体，最大横剖面在中后。§7-2横剖面面积曲线1。对阻力的影响（见表格）Cm的影响是不重要的。Cp对阻力的影响与速度相关对剩余阻力Rt的影响很大对摩擦阻力Rf的影响极小§7-2横剖面面积曲线2。对布置的影响3。对经济性的影响选取经济Cb，取大的Cm，降低Cp一、棱形系数Cp和中剖面系数Cm的选择(必须一起考虑）图7.2给出了Cm、Cp、Cb的关系曲线低速时Fn＜0.18中速时0.18Fn0.30高速时Fn0.30Cp取小值Cp值一般比剩余阻力最佳时的Cp值要大取较大值摩擦阻力小Cp，L↑,↑兴波阻力小Cp，↓Cp过小,↑总阻力影响甚微排水量一定时小Cp,↑§7-2横剖面面积曲线在一定Cp下，Xb决定了船的前半体和后半体的相对丰满度(一)从阻力方面考虑.单桨船最佳浮心位置见图7—3双桨船要比相应的单桨船的向后些(1％Lpp)。快速双桨船的约在船中后2.0％一3.5%Lpp(二)从推进效率上看．浮心位置稍后于阻力上最佳位置是合适的,增加伴流分数(如向后0.2％一0.3％Lpp)。(三)从布置上考虑满载出港时，不产生首倾和不允许的尾倾通常损失快速性满足布置要求§7-2横剖面面积曲线二、浮心纵坐标Xb的选择（一）平行中体的长度和位置Fn0.24时，采用一段平行中体，对于前体：可使进流段型线尖瘦些．降低兴波阻力；对于后体：可削瘦去流段型线，有利于改善形状阻力。Cp,Xb选定后，前后体棱型系数一定（参见经验公式）选择平行中体长度和位置就是对前体和后体的徘水体积沿船长进行合理的再分配。（二）最大横剖面位置无平行中体的船最大横剖面位置决定了进流段和去流段的长度。Fr＜0.30时．可在中后0％一3％Lpp；Fr＞0.30时，则在中后3％一4％Lpp；高速军舰更后。§7-2横剖面面积曲线三、平行中体的长度和位置首尾端部形状．与Cpf和Cpa，Le，Lr密切相关。图7—4表示进流段棱形系数Cp相同的三种典型横剖面面积曲线的首端部形状a为直线形，b为凹形，c为微凹形§7-2横剖面面积曲线四、横剖面面积曲线两端的形状经验公式Cpa，Cpf)§7-2横剖面面积曲线首端部形状Fr＜0.2~0.22直线Fr=0.22~0.28凹形或微凹形Fr0.28微凹或直线形为宜去流段的形状，尾端段一般取为微凹或直线形。实际设计中，端部形状应根据母型或系列船型资料，并结合设计水线的形状、首尾轮廓线的形状、端部横剖面形状、统一加以考虑、作到适宜配合。§7-2横剖面面积曲线§7-2横剖面面积曲线1。人工生成2。利用横剖面面积曲线系列资料3。利用母型船改造横剖面面积曲线生成方法§7-2横剖面面积曲线§7-3设计水线设计水线的特征和参数包括：水线面系数Cw。前后半段的丰满度系数Cwf和Cwa平行中段长度端部形状半进流角ie尾部的纵向斜度Fr＝0.16~0.19由凸形到直线形；Fr＝0.20~0.22直线形或微凹形；Fr＝0.23~0.32微凹形；Fr＞0.3直线形，整个进流段保持和缓曲度半进流角ie主要与Fn有关，其次与Cp、L/B、Cwf有关。如图7-5所示L／B＝7.0左右的情况。当L／B较小时ie应随L／B的减小而适当地增大。从耐波性方面看，首段适当丰满些较有利，成S形的则不利。小型船舶从稳性和总布置的要求考虑，设计成较丰满的首部水线。§7-3设计水线一、首段形状设计水线尾段的形状、从阻力上看，主要是影响形状阻力。通常尾段型线以直线型为佳，而不宜成凹形。尾段的纵向斜度应不大于30。设计水线应盖住螺旋桨和舵，以利安全二、尾段形状§7-3设计水线三、水线面系数CwCw与多种因素有关．稳性、快速性、耐波性、总布置、型线协调等Cw的选取从快速性着眼，然后校核稳性、总布置及型线配合等方面经验公式Cw＝(0.97~1.61)Cp2/3Cw在此范围内变化，对快速性影响不大§7-3设计水线四种常规船舶的横剖面型线：1.V形；2.U形；3.中U形或中V形如图7-6§7-4首部及尾部及横剖线型线一、横剖面形状§7-4首部及尾部及横剖线型U形大型运输船及中、高速船舶采用设计水线削瘦，半进流角小，减小兴波阻力；尾部伴流比较均匀．提高船身效率；改善螺旋桨的工作条件，降低激振力；但湿面积较大，摩擦阻力大些；耐波性也差些。§7-4首部及尾部型线V形小型船舶多采用湿表面积较小，对减小摩擦阻力有利；尾部去流段水流顺畅，可减小旋涡阻力；增加纵摇和升沉的阻尼，对耐波性有利；§7-4首部及尾部型线中U形或中V形大多数中型船舶采用兼顾阻力和耐波性两方面的要求§7-4首部及尾部型线§7-4首部及尾部及横剖线型1）最大（船中横剖面线）剖面线（1）舭升高h（2）平板龙骨宽f.(依规范)（3）舭半径r=[]h=0)2(43.0)2()1(fBdhfBCBTm2143.0)1(mCBTr21船首的外形，对全船的外观造型有较大的影响。一般船舶的首柱是做成前倾15。~30。(图7—7)优点：减小首端激浪，减小在迎浪中的纵摇和深沉提高避碰时的安全性，增大首部甲板面积。缺点：过大会增加造价吨位和泊位长§7-4首部及尾部型线二、首轮廓线§7-4首部及尾部型线现代运输船一般采用巡洋舰尾（图7-8）高速舰艇采用方尾（图7-9）三、尾轮廓线（一）球鼻首的减阻机理不同速度和形状的船舶，减阻机理是不同的1．减小兴波阻力2．减小舭部涡阻力3．减小破波阻力安装球鼻有利于提高推进效率．效果一般不如降低阻力那样显著§7-4首部及尾部型线四、球鼻首对于Fr在0.27~0.34之间的中高速船因为当球鼻的大小和位置选择恰当时、在一定的速度范围内，球鼻产生的波系与船体波系发生有利的干扰作用，使合成波的波高降低．从而减小了兴波阻力。肥大船型在航行时，通常在船首底部会发生大量漩涡，并产生埋首现象，从而增加阻力。这是由于舷侧的水流绕过舭部斜向进入船底，与船底原来向后的水流交叉相混．形成漩涡。安装具有整流作用的合适球鼻首后，可以改善首部流场，降低鼻涡阻力和减少埋首现象。肥大船在压载航行时，首都水流情况容易恶化，所以破波阻相当明显。安装球鼻首后，首部船体前伸，该处横剖面面积曲线的陡度和首部水线半进流角减小，这可改善船首柱附近的水压力分布．因而缓和了船首破波情况，降低了破波阻力。（二）球鼻首的形状特征球鼻的种类多，图7—10为几种典型的形状。水滴形球鼻常用在船型较瘦船速较高的船撞角形球鼻和圆筒形球鼻适用于低速肥大船“sv”型和犁型适用性较广§7-4首部及尾部型线经过实验研究并得到应用的常见球尾有(1)雪茄形球尾它使螺旋桨的来流均匀，对减小螺旋桨的空泡和激振力较为有利当Fr＞0.28时，在快速性方面稍有收益。(2)同心球尾对Cb＝0.571、Lpp／B＝5.70、Lpp／△1/3＝4.85船型的研究表明，与普通尾形相比，这种尾型在试验速度范围内可降低阻力2％，主机功率可减小3％§7-4首部及尾部型线五、球尾舷弧线是甲板边线在中纵剖面上的投影线。脊弧线是甲板面与中纵剖面的交线。梁拱，甲板宽度§7-5甲板线船舶载重线规范规定标准舷弧为二次抛物线，对于海船，也可取其为非标准舷弧。尾舷弧为首舷弧的一半一般取为(1/50一1/100)B。海船常用1/50。内河船常用1/100梁拱线一般为抛物线形状，也有大圆弧自行设计法船舶型线设计方法母型改造法标准系列船型法数学船型法§7-6型线生成一、自行绘制法(一)绘制网格线(二)绘制横剖面面积曲线、设计水线、侧面轮廓线、甲板线和中横剖面线1．绘制横剖面面积曲线2．绘制中横剖面线(或最大剖面线)(三)绘制横剖型线、水线与纵剖线1.绘制横剖型线2.绘制半宽水线3.绘制纵剖线§7-6型线生成(一)主尺度改造(二)横剖面面积曲线的改造1．“1一Cp”法2．莱肯贝法(三)其他参数的改造及型值的产生1.型值的产生2.修改Cm3.横剖面形状的改造§7-6型线生成二、改造母型法根据系列化了的船体形状系列的丰富资料，在系列化船体形状资料中限定的使用范围内插出一种想要的新的船体型线。§7-6型线生成三、系列船型（1）泰勒标准系列；（2）陶德60系列；（3）英国船舶研究协会系列BRSA母型船改造方法A.主尺度变换B.横剖面面积曲线变换C.横剖面变换D.水线面变换母型船改造船舶设计中涉及的因素大多选择一些用途，功能要求相近的船作母型，分析这些母型船的优点，与新设计船的异同点。进行改造可以把各种作为母型的船舶资料（如船舶类型、主尺度及系数，排水量，浮心与船的型值等）存储在计算机内（建库）当要设计新船的，设计者按一定的指令，输入一组设计参数，调用预先编好的型船改造程序，计算机就自动从船体库中找到相近的母型船，并改造直至得到满意的型线为止，对设计的新船资料又可以存储在船体库内，为以后设计作母型。步骤：1）主尺度的变换；2）横剖面面积曲线的修改；3）各水线面半宽型值计算；4）修改肋骨剖面线形状（水线）5）外形轮廓修改。（1）主尺度变换：（比例变换）当设计船的长度，宽度和吃水与母型船不同，就需要进行尺度变换（常用的变换函为：其中（）为母型船上任意一点坐标值。;,,000iiiiiiZZYYXXiiiZYX000,,000000000020202010101222111NNNNNNZYXZYXZYXZYXZYXZYX船舶主尺度之间关系有；,,;;;00;0000TTBBLLCCCCCCppmmbb；00,VVDD当时，新设计船与母型船相似，它们的性能除尺度效应外，都相似，用比例变换优点，方法简单，一般不会改变母型船性能参数。（2）横剖面面积曲线改造常用方法有两种（1-Cp,莱肯贝法）；A．（1-Cp）法，)1()(21000papfpCCC以前体为例：pfCxfpfCfpfffpfp