第5章方案和主尺度选择(1)

2-1第五章方案构思与主尺度选择5.1总体设计方案构思5.2主尺度的分析和选择的步骤5.3主尺度和主要性能的估算方法5.4设计方案的优化与技术经济性评估2-25.1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：①分析各项设计要求，明确设计任务；②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；③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。2-3总体设计方案构思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口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。例如对常规船型的设计，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，要求又比较笼统、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：2-4总体设计方案构思①船型特征和总布置设想；②考虑和初步选择主尺度；③主要技术性能的估算与分析；④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的，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。2-5总体设计方案构思5,1.1船型特征和总布置设想5.1.2主尺度的考虑与初步选择5.1.3主要技术性能的分析5.1.4其他方面的考虑2-65,1.1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，通常对吨位（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，就是要对新船的特征和总布置提出一个基本的设想。通过这项工作，可以对新船有一个明确的概念，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。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、船体结构特点等口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2-7船型特征和总布置设想作出。每种类型的船舶，经过长期的使用和不断的改进，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子以借鉴，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考虑差别很大。限于篇幅，本节仅对散货船、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。2-8船型特征和总布置设想1．散货船2-9船型特征和总布置设想2．集装箱船2-10船型特征和总布置设想3．多用途船2-11船型特征和总布置设想2-125.1.2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，在设计深人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须修改主尺度，那么设计工作的返工量就很大。2-13主尺度的考虑与初步选择船舶主尺度是指船长L（一般指垂线间长LPP）、型宽B、型探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。①母型船方法②统计方法。2-14主尺度的考虑与初步选择③经验方法。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反映与船舶性能、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详见本章5.2.3节的介绍。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。2-155.1.3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船舶的使用、安全和经济性。船舶的技术性能要服从于使用要求，技术性能指标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。2-16主要技术性能的分析1．快速性2．稳性3．耐波性4．操纵性5．船体强度和振动及噪声2-171．快速性①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，剩余阻力总是随着L/B或L/▽1/3的减小而增加，特别是当Fn0.25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．②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是否落人兴波阻力“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。③船体型线的影响。根据主尺度粗略估算阻力时，可对2-18快速性不同尺度比和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，例如采用特殊的球首、特殊的尾部型线等。④推进方式和效率的考虑。船舶的推进器有常规螺旋桨、可调螺距螺旋桨、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。2-19快速性⑤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。2-202．稳性船舶的完整稳性包括初稳性和大倾角稳性口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（符合封闭条件的部分）、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，降低重心高度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2-21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。初稳性高下限是从保证安全和使用要求来考虑的，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形时，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，2-22稳性初稳性不足将严重影响船舶的使用和安全。所以，设计中初稳性高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，确定适宜的初稳性高下限值。初稳性高上限是从横摇缓和性方面来考虑的．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，设备易产生故障，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高下限的条件下力求使横摇周期长一些，横摇运动缓和些．2-23稳性为了缓和船舶的横摇，通常希望船舶的横摇固有周期（孔）超过航区较常见的大的波浪周期（踢），以避免发生谐振横摇，一般希望兀狡1.3几．了1，与波长只（m）的关系为肠一。．8在。根据我国沿海和近海的波浪情况，大的波长约为60?som，则对应的横摇周期T＋应不小于8，一9秒；远海（或无限航区）的船舶，如果按波长几一14om计算．则几以大于12秒为宜。2-24稳性船舶的横摇固有周期T，二召刀百丽。由于小船所需的初稳性高一般并不比大船小，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T，值，横摇缓和性较好口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。2-25稳性在船舶设计中，由总布置来调整重心高度的余地较小，初稳性高（以讨）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刃B值见表5.1,2，供参考。表5.1.2适度的初稳性高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，但常难两全其美．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；2-26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