工信部船型開發(fā)項目-精品船舶共性設計技術研究(第一遍初稿)

1、高 技 術 船 舶 科 研 項 目立 項 建 議 書項目名稱：精品船舶共性設計技術研究項目類別：船型開發(fā)科研項目申報單位：大連理工大學（船舶制造國家工程研究中心） 大連船舶重工集團有限公司研制周期：2009 年 9 月-2012 年 12 月編制日期：2009 年 9 月 13 日 工業(yè)和信息化部- 1 -目 錄1.研究目的及國內外技術發(fā)展現(xiàn)狀 .01.1 項目背景.01.2 研究目的.01.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀.01.4 必要性分析.02.研究目標及主要研究內容 .22.1 研究目標.22.2 主要研究內容.23 初步研究方案、關鍵技術及解決途徑.03.1 初步研究方案.03.2 關鍵技術及解

2、決途徑.34.主要技術指標、研究成果及應用方向 .74.1 主要技術指標.74.2 研究成果及成果形式.85.項目的知識產(chǎn)權可行性分析報告 .106.技術基礎、配套條件及措施分析 .116.1 已有技術基礎.116.2 軟硬件條件.136.3 研究隊伍.216.4 分工與協(xié)作.227.研究周期及初步的實施計劃安排 .238.總經(jīng)費測算 .248.1 總經(jīng)費及其構成.248.2 經(jīng)費測算.248.3 研究內容經(jīng)費分解.258.4 承擔單位經(jīng)費分解.279.風險及應用前最分析 .2810 附件 .291.1.研究目的及國內外技術發(fā)展現(xiàn)狀研究目的及國內外技術發(fā)展現(xiàn)狀1.11.1 項目背景項目背景說明

3、開展項目研究的背景情況，包括需求情況、急需解決的主要問題、同類項目的研究狀況等。1.21.2 研究目的研究目的總體闡述開展項目研究的目的、意義、對國內外相關技術領域的影響等。1.31.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀國內外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀分析國外相關技術領域的.慈體發(fā)展水平、發(fā)展趨勢，列出國外相關技術的研究單位及現(xiàn)有水平，技術優(yōu)勢等。1.3.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀分析國內相關技術領域的總體發(fā)展水平、發(fā)展趨勢，列出國內相關技木的研究單位及現(xiàn)有水平、技術優(yōu)勢。1.41.4 必要性分析必要性分析- 1 -2.2.研究目標及主要研究內容研究目標及主要研究內容2.1 研究目標基于我國在三大主流船型領域已有的

4、技術能力，對比國際先進水平主流船型的參數(shù)和技術經(jīng)濟指標，針對最新生效、即將生效和正在制定的國際新公約、新規(guī)范、新標準等方面的要求，提出能夠滿足工程實踐要求和指導精品船舶開發(fā)設計的相關方法、技術路線、技術指標和參數(shù)，形成指導性文件，以推動和支撐精品船型的開發(fā)設計。2.2 主要研究內容2.2.1 船舶全壽命周期內安全和環(huán)保技術指標研究根據(jù) IMO GBS 的要求，對船舶全壽命周期內的安全和環(huán)保技術指標展開研究，主要包括船舶結構總體強度、特殊局部結構強度、結構疲勞壽命、結構冗余度和考慮工藝過程產(chǎn)生有害殘余應力的船體結構安全評估和優(yōu)化設計方法等內容，具體如下：（1）在海洋環(huán)境條件和作用于船體的環(huán)境外載

5、荷分析的基礎上，對船舶結構總體強度進行計算和分析，提出船舶結構總體強度技術指標。（2）確定船體結構關鍵節(jié)點，參照總體強度計算和分析方法，對關鍵節(jié)點結構局部強度、局部屈曲強度計算的載荷條件和邊界條件進行分析，提出船舶特殊局部結構強度技術指標。（3）根據(jù)關鍵節(jié)點局部結構應力分布狀態(tài)分析結果，采用熱點應力進行疲勞分析，提出結構疲勞壽命技術指標。（4）研究結構在多種損傷狀態(tài)下的極限承載力，提出船體結構冗余度計算分析方法和技術指標。- 2 -（5）在船舶制造的各個工藝環(huán)節(jié)，結構的各個部件在各種加工載荷的作用下，會產(chǎn)生復雜的彈性變形和塑性變形，會在部件中留下殘余變形和應力，當這種殘余應力達到一定數(shù)值時，往

6、往會對結構的安全性能造成不利的影響，這也是導致船舶在使用過程中發(fā)生結構破壞事故的原因之一。因此，在對船體結構安全性計算分析中有必要引入工藝過程產(chǎn)生有害殘余應力的影響，分析船體建造工藝環(huán)節(jié)中各種制造載荷產(chǎn)生的有害殘余應力發(fā)生在船體及其構件中的力學行為，在考慮有害殘余應力的基礎上對船體結構安全性能評估方法和船體結構優(yōu)化設計方法展開研究。2.2.2 精品船舶耐波性指標研究和預報軟件開發(fā)根據(jù)風浪中船舶發(fā)生搖擺甚至傾覆的機理，考慮船舶自身參數(shù)，對斜浪中船舶在參數(shù)激勵和強迫激勵聯(lián)合作用下的非線性運動展開研究，通過對其動力特性與傾覆機理的分析，給出波浪中船舶耦合運動問題的數(shù)學建模方法，揭示在不同航行參數(shù)和波

7、浪參數(shù)情況下，船舶運動的規(guī)律和特征給出避免船舶在風浪中發(fā)生大幅橫搖甚至傾覆的相關準則，并編制出可以預報不同類型船舶在不同風浪等級下的運動響應的程序。本子課題包括以下主要內容：（1）船舶非線性搖蕩運動建模方法研究:考慮橫搖阻尼、回復力矩的非線性以及船舶運動的耦合效應，分析引發(fā)橫搖回復力矩系數(shù)變化的原因，考慮操縱性和耐波性，建立船舶耦合運動方程。（2）船舶橫搖穩(wěn)性變化研究:通過數(shù)值求解上述多自由度耦合運動方程和模型試驗研究，分析船舶在斜浪中航行時，波浪形- 3 -狀、船波相對位置、船舶航速和航向以及船舶耦合運動對船舶橫搖回復力矩和波浪擾動力矩的影響。（3）船舶在參數(shù)激勵和強迫激勵聯(lián)合作用下的橫搖運

8、動研究:根據(jù)非線性耦合運動方程，采用非線性動力學理論，開展參數(shù)激勵和強迫激勵聯(lián)合作用下的橫搖運動穩(wěn)定性分析。以航速、航向、規(guī)則波浪要素為參數(shù)確定橫搖運動的穩(wěn)定區(qū)域、傾覆區(qū)域。（4）船舶搖蕩運動的水池模型試驗研究:選擇多組航向、航速和波浪環(huán)境進行搖蕩運動水池模型試驗研究，觀測并分析船舶參數(shù)、航向、航速和波浪參數(shù)對船模搖蕩運動的影響，將模型試驗結果與計算結果進行比較。2.2.3 減少壓載水量的船型優(yōu)化設計方法研究以現(xiàn)有的典型油船為對象，在保證相同載重量的前提下開發(fā)減少壓載水量且能安全航行的船型，該船型要綜合考慮環(huán)保，安全和經(jīng)濟性，具有良好的航性性能，且滿足工程實踐要求。通過對系列船型的理論計算和模

9、型試驗研究，提出減少壓載水量的船型優(yōu)化設計方法，為環(huán)保型船型設計提供技術支撐。本子課題包括以下主要內容：（1）減少壓載水量的船型方案研究:在現(xiàn)有典型船型的基礎上，系列變化船型參數(shù)及橫剖面形狀，研究不同船型方案（包括船體線型）和所需要攜帶壓載水量之間的關系和規(guī)律，從而探討能保證安全航行且減少壓載水攜帶量的若干可行船型方案-以下簡稱“減少壓載水量船型” 。（2）減少壓載水量船型的快速性分析:減少壓載水量船型為了適應從空載時小排水量到滿載時大排水量的變化，首部船底形- 4 -狀成 V 型，船寬和常規(guī)的船型相比有加寬的趨勢，這對穩(wěn)性和經(jīng)濟性有利，但對快速性不利，需要分析對各種阻力成分的影響，采用精細優(yōu)

10、化船體線型的辦法最大限度控制阻力增加。通過理論計算和模型試驗的方法評估減少壓載水量船型的快速性。（3）減少壓載水量船型的首部抨擊研究:由于減少壓載水量船型壓載航行狀態(tài)的首部吃水比常規(guī)船型小，首部抨擊的可能性加大，惡劣天氣時可能破壞首部結構。所以需要開發(fā)首部抨擊載荷計算程序，對可行的減少壓載水量船型的首部抨擊進行計算分析，并通過模型試驗，選擇首部抨擊較小的船型方案。（4）螺旋槳最小浸深模型試驗研究:減少壓載水量船型的尾部吃水變小，給螺旋槳和主機帶來不利的影響，為了確定螺旋槳最小浸深，需要進行系列模型試驗。（5）減少壓載水量船型的分艙及穩(wěn)性研究:為保證減少壓載水量船型能安全航行，在分艙布置設計時，

11、需要綜合考慮船舶浮性、穩(wěn)性及結構強度。開發(fā)艙室快速定義程序，以適應對各種分艙方案完整穩(wěn)性及破損穩(wěn)性影響的大量計算，分析減少壓載水量船型和常規(guī)船型相比穩(wěn)性變化的規(guī)律。（6）減少壓載水量船型的結構強度分析:按最新國際規(guī)范，對減少壓載水量船型進行結構初步設計，校核總縱強度及局部強度。通過結構有限元前處理技術，實現(xiàn)參數(shù)化結構模型至結構有限元模型的轉換，并調用有限元計算軟件完成有限元求解，分析結構強度是否滿足設計要求。2.2.4 船舶節(jié)能減排技術研究- 5 -2.2.5 精品船型關鍵設計技術參數(shù)指標范圍研究通過對現(xiàn)有三大主流優(yōu)秀船型指標數(shù)據(jù)的搜集、整理、分析，針對不同船型建立一套完整的、科學的、可操作性

12、強的精品船型評價指標體系，提出精品船型在船體用鋼量、日燃油消耗量、設計與服務航速、主副機功率等方面等關鍵設計參數(shù)的指標范圍。該子課題包括以下主要內容：（1）分別對三大船型的數(shù)據(jù)資料進行分析、整理，同時對其不同的作業(yè)功能和船型特點進行分析，針對不同船型建立一套完整的、科學的、可操作性強的精品船型評價指標體系。該評價指標體系涉及到技術、經(jīng)濟和社會效益等因素，這就要求我們統(tǒng)籌兼顧，對船型方案的技術效益、經(jīng)濟效益和社會效益進行綜合分析和論證，這是該部分研究內容的重點也是難點。根據(jù)這套評價指標體系對不同船型進行綜合技術經(jīng)濟分析和論證，以推動和支撐精品船型的開發(fā)設計，提高船舶的總體社會經(jīng)濟效益。（2）在前

13、面研究的基礎上，通過對現(xiàn)有三大主流優(yōu)秀船型指標數(shù)據(jù)的搜集、整理、分析，提出精品船型在船體用鋼量、日燃油消耗量、設計與服務航速、主副機功率等方面等關鍵設計參數(shù)的指標范圍。該指標范圍的確定需要搜集大量的現(xiàn)有的優(yōu)秀船型的數(shù)據(jù)資料，通過對資料的統(tǒng)計分析，確定該指標范圍，這是該部分研究內容的難點所在。2.2.6 船舶營運經(jīng)濟性評估方法和指標體系研究影響船舶內部收益率的因素錯綜復雜，既有技術指標引起經(jīng)濟指標的變化，也有國內金融市場的政策、國際金融市場的穩(wěn)定等因素的影響，既有設計階段就決定了的經(jīng)濟參數(shù)，也有建造階- 6 -段決定了的經(jīng)濟參數(shù)，因此建立全方位的多層次的立體內部收益率的評估指標與評估方法，是幫助

14、我國精品船型提高經(jīng)濟性指標，獲得更多船東青睞的重要途徑。該子課題包括以下主要內容：（1）研究國際新公約、新規(guī)范、新規(guī)則等對各精品船型的要求與目標，提出與內部收益率相關聯(lián)的設計參數(shù)與建造參數(shù)。（2）在充分比較國內外相應船型的主尺度及技術經(jīng)濟指標的基礎上，分析其差別；建立內部收益率的評估指標。（3）根據(jù)三大主流船型（散貨船、油船、集裝箱船）的特點，提出不同船型內部收益率的評估指標集；根據(jù)評估指標集的不同屬性，建立與之相適應的不同船型內部收益率的評估方法。2.2.7 船舶振動與噪聲控制方法和技術指標體系研究船舶作為一種交通工具，裝備強大的各種動力系統(tǒng)，不管是船員、乘客或其他人，無法躲避或脫離船舶動力

15、系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲的干擾，影響舒適性，振動和噪聲環(huán)境還會影響設備及結構的安全，所以研究船舶振動和噪聲并加以控制就成為一個不可回避有很大難度的交叉研究課題。本子課題針對船舶設計開發(fā)過程的不同階段，根據(jù)國際標準研究振動和噪聲控制技術指標，并研究相應的振動和噪聲預報方法，具體包括：（1）船舶振動的激勵特性和結構特性的預報分析，建立分析方法，研究確定相關參數(shù)的和評估預報精度。（2）研究船舶方案設計階段合理的船體線型、推進主機與螺旋槳的動力配合；技術設計階段通過對結構的動力分析，研究調整結構避免設計結構引起較大的有害振動的方法。（3）通過對船舶噪聲源特性及傳播途徑進行分析，以 IMO 或 ISO- 7

16、-衡準為控制目標，研究影響噪聲傳播的總體布置設計方法，采用適當?shù)慕Y構及舾裝材料，達到最有效的隔聲效果。3 3 初步研究方案、關鍵技術及解決途徑初步研究方案、關鍵技術及解決途徑3.1 初步研究方案3.1.1 船舶全壽命周期內安全和環(huán)保技術指標研究（1）船舶結構的總體強度計算分析建立船體結構有限元模型。確定海洋環(huán)境條件：確定海洋環(huán)境條件，主要包括最大波高、波浪周期范圍或平均波浪周期、表面流速以及風速等參數(shù)，考慮波浪載荷非線性。形成總體強度分析的外載荷：從水動力性能及運動性能預報分析結果中提取海洋環(huán)境作用于結構的環(huán)境載荷，進一步分析確定進行總體強度計算分析的外載荷。船舶結構總體強度計算：分別計算在最

17、大總縱彎曲狀態(tài)、最大扭轉力矩狀態(tài)和最大橫向波浪力狀態(tài)下結構總體強度。（2）特殊局部結構強度分析確定關鍵節(jié)點：參照結構總體強度計算分析的結果，確定進行結構局部強度計算分析、屈服強度計算分析的關鍵節(jié)點。針對關鍵節(jié)點進行初步的局部結構詳細設計。建立關鍵節(jié)點局部結構精細有限元模型。根據(jù)結構總體強度計算分析的載荷條件和計算結果，確定關鍵節(jié)點結構局部強度計算分析、局部屈曲強度計算分析的載荷條件和邊界條件。進行特殊局部結構強度計算分析。（3）船舶結構疲勞壽命計算分析根據(jù)關鍵節(jié)點局部結構應力分布狀態(tài)的計算結果，采用熱點- 1 -應力進行疲勞分析，在疲勞壽命分析中計入焊接殘余應力的影響。通過焊接結構模型的疲勞試

18、驗，研究焊接殘余應力在交變應力作用下的衰減變化特性。根據(jù)結構總強度計算分析的結果，確定進行疲勞壽命計算分析的關鍵局部結構。確定 S-N 曲線。確定關鍵節(jié)點局部結構熱點交變應力范圍的統(tǒng)計分布參數(shù)。針對選定的關鍵局部結構進行疲勞損傷計算分析及壽命評價。（4）船舶結構冗余度計算分析研究結構在多種損傷狀態(tài)下的極限承載力，其中包括局部結構的疲勞裂紋、腐蝕以及構件的失穩(wěn)等。應用斷裂力學參變量來探討裂紋在惡劣海況引起的沖擊載荷作用下，發(fā)生脆性斷裂的可能性。研究不同時期結構在腐蝕影響下，由于構件截面的削減而引起結構極限承載力的變化，這其中包括構件強度和壓曲穩(wěn)定性的減弱。研究結構鋼材料韌性參數(shù)與裂紋尖端極限應力

19、強度因子及極限 CTOD 之間的相關關系?；陉P鍵節(jié)點結構局部強度計算分析的結果，研究局部結構的疲勞裂紋的不安定破壞強度。研究關鍵節(jié)點局部結構發(fā)生破壞時，結構整體發(fā)生毀傷破壞的分析技術。- 2 -（5）考慮工藝過程產(chǎn)生有害殘余應力的船體結構安全評估和優(yōu)化設計方法在工藝過程引起的船體結構內有害殘余應力分布規(guī)律研究的基礎上，分析船體建造工藝環(huán)節(jié)中各種制造載荷產(chǎn)生的有害殘余應力發(fā)生在船體及其構件中的力學行為，研究有害殘余應力對結構強度和疲勞等安全性能影響的評估方法。在有害殘余應力對船體結構安全的評估結果的基礎上，對船體結構優(yōu)化設計方法展開研究。3.1.2 精品船舶耐波性指標研究和預報軟件開發(fā)3.1.

20、3 減少壓載水量的船型優(yōu)化設計方法研究減少船舶壓載水船型研究的關鍵問題是，在保證船舶其他技術經(jīng)濟性能的前提下，盡量減少船舶壓載水的攜帶量。本課題以精品船型為母型，保證其載重量不變的前提下，通過一種基于參數(shù)化技術的船型改良方法，快速生成能保證安全航行且所需壓載水量盡量少的若干個可行船型方案，然后對各船型分別進行完整穩(wěn)性、破損穩(wěn)性、快速性、耐波性及操縱性計算分析，并結合模型試驗，最后提出綜合考慮環(huán)保，安全，經(jīng)濟性能的壓載水量盡量少的新船型。通過參數(shù)化船舶總體設計技術,在統(tǒng)籌考慮各方面性能的基礎上,建立參數(shù)化的船舶模型，將船舶的主要參數(shù)，特別是水線以下船體曲面的控制數(shù)據(jù)提取出來做為控制參數(shù)。調整這些

21、控制參數(shù)，通過特定的參數(shù)化機制，實現(xiàn)整個船體參數(shù)化模型的更新，并隨之完成各項性能計算。通過計算指標對方案進行取舍，或者- 3 -決定優(yōu)化的方向。采用傳統(tǒng)的方法，計算一次方案需要幾個星期，而采用參數(shù)化的方法，完成一個方案計算僅需要幾個小時甚至更少時間，而且可以在無人值守的前提下完成所有計算。這樣就可以從大量的方案中選優(yōu)，或者通過優(yōu)化算法找到滿足設定條件的最優(yōu)解。3.1.4 船舶節(jié)能減排技術研究3.1.5 精品船型關鍵設計技術參數(shù)指標范圍研究3.1.6 船舶營運經(jīng)濟性評估方法和指標體系研究研究國際公約、規(guī)范、規(guī)則的實施對船舶設計及建 造帶來哪些經(jīng)濟性方面的影響；按照船型類型搜集相關技術經(jīng)濟指標資料

22、（國內外） ；分析國內外同型船舶的技術指標與經(jīng)濟指標的差異；分析與內部收益率相關聯(lián)的因素（國內外金融政策、設計方案、建造質量） ；形成不同船型的內部收益率的指標集；研究不同指標集的屬性，研究不同屬性的影響權重，建立科學的評估方法。3.1.7 船舶振動與噪聲控制方法和技術指標體系研究3.2 關鍵技術及解決途徑3.2.1 船舶全壽命周期內安全和環(huán)保技術指標研究3.2.2 精品船舶耐波性指標研究和預報軟件開發(fā)- 4 -（1）考慮船體波面下排水體積隨波浪和船舶運動的變化以及 Smith 效應，采用切片理論求解船舶的波浪外載荷。（2）根據(jù)波面下排水形狀，積分求解船舶橫搖回復力矩?？衫么w型值表分段擬合

23、船體型線，結合波面運動方程和船體瞬時位置，針對波面下瞬時濕表面計算橫搖回復力矩。（3）在時域內數(shù)值求解船舶耦合運動方程。利用“安全池”理論，分析船舶在不同初始條件、不同波浪參數(shù)以及不同航速、航向下的安全區(qū)域。利用運動相圖、龐加萊截面以及功率譜，分析系統(tǒng)運動的分岔及混沌?？刹捎谬埜駧焖葦?shù)值積分方法即可完成時域內微分方程的求解，結合“安全池”理論和非線性運動數(shù)值分析方法，即可完成對系統(tǒng)運動數(shù)值解的穩(wěn)定性、分岔及混沌分析。（4）進行相應的模型試驗，將試驗結果與數(shù)值分析結果進行比較。3.2.3 減少壓載水量的船型優(yōu)化設計方法研究主要以減少壓載水量為目的得到的船型可能有多種船型方案，為了對大量船型方案

24、進行各種性能（浮性、穩(wěn)性、快速性、耐波性等）的計算分析，關鍵是要開發(fā)各種性能快速計算程序，主要包括以下幾方面：船體曲面的參數(shù)化定義以及通過參數(shù)驅動且保證船體曲面光順性的型線設計；船舶快速性計算；船舶耐波性計算；通過參數(shù)驅動的艙室定義自動更新與艙容要素的快速計算；浮態(tài)與穩(wěn)性的快速計算；首部抨擊計算程序開發(fā);結構強度的快速計算。關鍵問題的解決途徑如下：（1）通過 NURBS 曲面表達船體曲面，基于三維船體曲面，- 5 -通過變換方程實現(xiàn)船體曲面的變換。通過參數(shù)化船體曲面變換方程控制船體曲面的形狀，并能保證，通過參數(shù)驅動得到的船體曲面滿足光順性以及其他設計參數(shù)的具體要求,如型寬、型深等。（2）實現(xiàn)參

25、數(shù)化船體曲面與水動力計算軟件的接口，當船體曲面發(fā)生變化時，自動完成水動力計算并提取結果。利用參數(shù)驅動可以快速生成大量船型方案，對各種船型進行阻力推進性能預報，耐波性計算等，從中優(yōu)選出性能優(yōu)良的船型。（3）通過基于二維幾何約束求解和三維特征造型的參數(shù)化技術，建立三大精品船舶的主要結構構件型表面參數(shù)化模型。利用主結構草圖，通過修改參數(shù)驅動主結構模型的修改。在主結構草圖的基礎上，通過三維特征造型的方法建立主結構三維參數(shù)化模型。（4）基于參數(shù)化船體曲面模型和三維主結構參數(shù)化模型，建立參數(shù)化艙室模型。當船舶的主要幾何要素發(fā)生變化時，艙室的內部模型能夠隨之自動更新，并重新計算艙容。（5）浮體由定義模型與計

26、算模型構成。通過 BRep 的相關運算，計算水線面以下浮體的體積屬性以及水線面的屬性，進而完成靜水力相關計算?；?BRep 的浮體模型，分別實現(xiàn)完整穩(wěn)性校核和破艙穩(wěn)性校核 。（6）以主結構型表面模型為基礎，基于一種三維幾何約束求解的方法，建立船舶結構三維參數(shù)化模型。當船體曲面、主要結構發(fā)生變換時，結構模型能自動隨著變換。通過結構有限元前處理技術，實現(xiàn)參數(shù)化結構模型至結構有限元模型的轉換，并調用有限元計算軟件完成有限元求解，分析結構強度是否滿足設計- 6 -要求。3.2.4 船舶節(jié)能減排技術研究3.2.5 精品船型關鍵設計技術參數(shù)指標范圍研究分別對三大船型的數(shù)據(jù)資料進行分析、整理，同時對其不同

27、的作業(yè)功能和船型特點進行分析，針對不同船型建立一套完整的、科學的、可操作性強的精品船型評價指標體系。在前面研究的基礎上，通過對現(xiàn)有三大主流優(yōu)秀船型指標數(shù)據(jù)的搜集、整理、分析，提出精品船型在船體用鋼量、日燃油消耗量、設計與服務航速、主副機功率等方面等關鍵設計參數(shù)的指標范圍。該指標范圍的確定需要搜集大量的現(xiàn)有的優(yōu)秀船型的數(shù)據(jù)資料，通過對資料的統(tǒng)計分析，確定該指標范圍。3.2.6 船舶營運經(jīng)濟性評估方法和指標體系研究3.2.7 船舶振動與噪聲控制方法和技術指標體系研究- 7 -4.4.主要技術指標、研究成果及應用方向主要技術指標、研究成果及應用方向4.1 主要技術指標4.1.1 船舶全壽命周期內安全

28、和環(huán)保技術指標研究（1）在船體主尺度、型線、總體布置以及相關幾何與靜力參數(shù)確定后，根據(jù)給定環(huán)境條件和載荷分析結果，確定船體結構的總體強度和相應的結構尺寸；完成結構強度與疲勞壽命分析技術的研究工作。（2）結構設計過程中，根據(jù)局部結構外荷載和疲勞荷載計算結果，確定關鍵結構位置的結構形式和疲勞壽命。4.1.2 精品船舶耐波性指標研究和預報軟件開發(fā)（1）編制計算船舶橫搖回復力矩的程序。（2）編制求解瞬時波浪載荷和船舶運動的數(shù)值計算程序。（3）給出船舶運動的穩(wěn)定區(qū)域和傾覆區(qū)域。4.1.3 減少壓載水量的船型優(yōu)化設計方法研究（1）相同載重量的減少壓載水量船型和傳統(tǒng)船型相比，需要攜帶的壓載水量減少約 30%

29、；（2）減少壓載水量船型和傳統(tǒng)船型相比總阻力增加小于3%；（3）減少壓載水量船型的首部抨擊盡量降低，保證和傳統(tǒng)船型具有同等的耐波性；（4）減少壓載水量船型的穩(wěn)性、結構強度以及規(guī)范要求的其他性能指標均須滿足規(guī)范要求。4.1.4 船舶節(jié)能減排技術研究4.1.5 精品船型關鍵設計技術參數(shù)指標范圍研究- 8 -（1）針對三大主流優(yōu)秀船型分別建立一套完整的、科學的、可操作性強的精品船型評價指標體系；（2）提出精品船型在船體用鋼量、日燃油消耗量、設計與服務航速、主副機功率等方面等關鍵設計參數(shù)的指標范圍。4.1.6 船舶營運經(jīng)濟性評估方法和指標體系研究（1）國內國外精品船型技術經(jīng)濟指標之差異；（2）建立精品

30、船型內部收益率的評估指標集；（3）建立與指標集屬性相適應的指標權重。4.1.7 船舶振動與噪聲控制方法和技術指標體系研究4.2 研究成果及成果形式4.2.1 船舶全壽命周期內安全和環(huán)保技術指標研究4.2.2 精品船舶耐波性指標研究和預報軟件開發(fā)4.2.3 減少壓載水量的船型優(yōu)化設計方法研究（1）給出不同船體形狀和所需要攜帶壓載水量之間的定量關系，提出保證安全航行的最小壓載水量船型確定方法，成果形式為研究報告。（2）開發(fā)出首部抨擊載荷計算程序，并進行首部抨擊模型試驗。成果形式為研究報告，軟件，模型試驗數(shù)據(jù)。（3）通過模型試驗確定出螺旋槳最小浸深。成果形式為研究報告，模型試驗數(shù)據(jù)。（4）提出綜合考

31、慮環(huán)保，安全，經(jīng)濟的減少壓載水量船型- 9 -設計方法。成果形式為研究報告。4.2.4 船舶節(jié)能減排技術研究4.2.5 精品船型關鍵設計技術參數(shù)指標范圍研究針對三大主流優(yōu)秀船型分別建立一套完整的、科學的、可操作性強的精品船型評價指標體系；提出精品船型在船體用鋼量、日燃油消耗量、設計與服務航速、主副機功率等方面等關鍵設計參數(shù)的指標范圍。成果形式：提交研究報告。4.2.6 船舶營運經(jīng)濟性評估方法和指標體系研究各種精品船型內部收益率評估指標集；各種精品船型內部收益率評估方法。成果形式：提交研究報告。4.2.7 船舶振動與噪聲控制方法和技術指標體系研究- 10 -5.5.項目的知識產(chǎn)權可行性分析報告項

32、目的知識產(chǎn)權可行性分析報告本項目的技術來源立足于國內，具有完全自主知識產(chǎn)權。本項目是對精品船舶共性設計技術展開研究，其成果將對目前國內精品船舶開發(fā)設計的方法、技術路線、技術指標和參數(shù)具有指導意義。本項目的合作將采用技術合同的方式來約束各自的權利和責任，不會有知識產(chǎn)權糾紛問題。- 11 -6.6.技術基礎、配套條件及措施分析技術基礎、配套條件及措施分析6.1 已有技術基礎近年了進行了大量的相關方面的研究工作：6.1.1 船舶全壽命周期內安全和環(huán)保技術指標的相關前期研究（1）工藝過程引起的船體結構內有害殘余應力分布規(guī)律研究本項目得到工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室專項經(jīng)費資助，通過對不同工藝過程中產(chǎn)

33、生的殘余應力的實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析，以及不同工藝過程產(chǎn)生有害殘余應力的重要度和關聯(lián)度分析，得出工藝過程引起的船體結構內有害殘余應力分布規(guī)律。6.1.2 精品船舶耐波性指標研究和預報軟件開發(fā)的相關前期研究6.1.3 減少壓載水量的船型優(yōu)化設計方法的相關前期研究6.1.4 船舶節(jié)能減排技術的相關前期研究6.1.5 精品船型關鍵設計技術參數(shù)指標范圍的相關前期研究（1）針對車輛滾裝船和浮式生產(chǎn)儲油卸油船（FPSO）本身結構功能特點，分別提出適合于評價上述兩種特殊船型的指標體系，同時對傳統(tǒng)國標法評價體系中的相應指標進行改進。針對兩種特殊船型分別進行技術經(jīng)濟指標的選取以及做相應技術經(jīng)濟論證，所提出的新的

34、指標評價體系能更好地體現(xiàn)船型本身結構和功能特點，從而對傳統(tǒng)國標法評價體系進行改進和充實。（2）對自升式鉆井平臺的方案評價指標體系和評價方法進行了研究，提出了一套適用于自升式鉆井平臺的方案評價指標體系，- 12 -并采用 AHP 方法和改進的灰關聯(lián)分析法進行平臺方案的優(yōu)選。通過對灰關聯(lián)分析方法進行改進，建立了適用于自升式鉆井平臺方案選優(yōu)的灰關聯(lián)多目標綜合評價模型，該模型在灰關聯(lián)分析的基礎上引進層次分析法計算各指標的權重值，既在一定程度上考慮了設計方案各指標間的關聯(lián)性，體現(xiàn)事物的客觀本質，又能體現(xiàn)船東的主觀偏好和設計者的設計需要。針對已建成并交付使用的自升式鉆井平臺的先進性評價問題，建立了自升式鉆

35、井平臺性能水平等級評定方法，以此來考察所建造平臺的先進性水平以及存在的問題，評估設計是否達到預期效果及其改進方向，對今后自升式鉆井平臺的設計起到借鑒作用，對于提高自升式鉆井平臺的設計建造水平有實用價值。同時，本指標體系及其算法也是對我國船舶與海洋結構物性能水平等級評價體系的有益補充。（3）為渤海船舶重工有限責任公司進行了散貨船、油船、礦砂船等新船型開發(fā)，并對 177000DWT/210000 DWT 散貨船，52000/163000/30000/320000 DWT 原油船，363000/388000DWT 礦砂船作了船型經(jīng)濟技術評價。主要研究內容包含收集國際同類型船舶的資料，分析技術經(jīng)濟性能

36、指標，統(tǒng)計回歸出一系列數(shù)學模型，進行船型參數(shù)與技術經(jīng)濟性能的規(guī)律性分析，提出它們之間的內在關系和敏感因素；從國標（GB11697-89）方法出發(fā)，針對大型散貨船、油船、礦砂船的特點，研究開發(fā)了一套既有學術研究創(chuàng)新的等級方法，又有工程應用價值的船型等級評定新體系，并對新指標體系的適用性和可靠性進行科學論證。在這基礎上，計算分析所開發(fā)船型的主要經(jīng)濟技術指標，對所開發(fā)船型的技術- 13 -經(jīng)濟綜合評定等級做出科學評價。（4）中海油服股份有限公司項目“中海油穿梭油輪船隊經(jīng)濟技術論證” ，主要就惠州 1200 萬噸煉油廠項目的原油運輸進行具體的論證分析。在渤海灣到廣東惠州港的航線上，按提供的四種基本船型

37、，在完成運量的前提下形成的船隊組合進行了經(jīng)濟性論證和敏感性分析，開發(fā)了針對本項目的穿梭油輪船隊經(jīng)濟計算仿真程序，確定出了最優(yōu)船隊組成方案及可行船隊組成方案；針對該項目開發(fā)了標準船型，對標準船型的技術狀態(tài)進行了分析，與國內外同類型船舶主要技術經(jīng)濟指標做了對比，對其技術經(jīng)濟水平進行了綜合評價，結果表明兩個標準船型的總體技術水平均已達到國際先進水平。（5）遼寧省交通科研項目“遼寧省陸島旅客（滾裝）運輸安全船型研究” 。（6）就多目標多層次船型方案模糊優(yōu)選法，基于交互式多目標決策的船型技術經(jīng)濟評價決策系統(tǒng)，沿海成品油船技術經(jīng)濟論證、船隊規(guī)劃研究，基于灰關聯(lián)分析的船型方案綜合評價,多指標綜合排序法在船舶

38、綜合先進性評價中的應用，散貨船、油船、集裝箱船數(shù)學模型建立進行了研究。6.1.6 船舶營運經(jīng)濟性評估方法和指標體系的相關前期研究6.1.7 船舶振動與噪聲控制方法和技術指標體系的相關前期研究6.26.2 軟硬件條件軟硬件條件6.2.1 船舶虛擬設計實驗室- 14 -船舶虛擬（VR）設計實驗室是船舶工程學院重要實驗設施之一，是“船舶 CAD 工程中心”和“船舶與海洋工程設計中心”進行教學、科研和產(chǎn)品開發(fā)的主要實驗平臺。VR 實驗室能夠實現(xiàn)船舶數(shù)字模型的大視角、沉浸式三維立體顯示，六自由度交互；具備虛擬現(xiàn)實多次開發(fā)的應用平臺，可以在數(shù)字船舶產(chǎn)品的各個部位漫游、觀察、交互；可實現(xiàn)船舶模擬仿真設計的全

39、過程及三維界面交互式數(shù)字化模擬。還將實現(xiàn)船體結構、機電設備、管路系統(tǒng)、電纜線路、舾裝修飾的虛擬建造和裝配。對于關鍵部位可用力反饋虛擬裝配，并解決虛擬裝配過程中的碰撞檢測難題，大大加速虛擬制造過程。借助三維掃描儀，實現(xiàn)對已有船舶部件的數(shù)字化和逆向制造過程。通過數(shù)據(jù)手套和位置追蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)對船舶設備的虛擬維修過程仿真測試過程。數(shù)字化虛擬制造技術中的虛擬船舶建造工藝過程仿真評估能夠以虛擬技術驅動整船建造過程，在虛擬造船廠環(huán)境中對建造流程的各個虛擬時間節(jié)點進行檢查和評估，實時監(jiān)測精度水平、布置和制造狀態(tài)，使得在產(chǎn)品實際建造前在計算機內提早解消除設計引起的紕漏。通過船舶虛擬設計和制造平臺，深入研究并優(yōu)化

40、船舶設計、產(chǎn)品制造方法和工藝流程，探索智能、高精度的、參數(shù)驅動的、可替代真實一比一物理模型的船舶設計與制造技術。通過國家“211”和“985”工程的投入，本實驗室提供的船舶虛擬設計技術研究基礎條件達到國內領先和國際一流水平。- 15 -圖 1. 船舶虛擬設計實驗室主系統(tǒng)和船體虛擬設計驗證 圖 2. 在 VR 環(huán)境下的散貨船結構安全評估 圖 3. 在 VR 環(huán)境下的海洋鉆井平臺快速設計6.2.2 造船工藝實驗室船舶工程學院造船工藝實驗室創(chuàng)建于 80 年代，1998 年進行擴建，擴建后的實驗用面積 300 多平方米。本實驗室主要設施有：大型復雜曲面鋼板水火加工智能機器人系統(tǒng)和半自動水火加工機系統(tǒng)，

41、均為自行研制。這兩套系統(tǒng)可以進行大型復雜曲面鋼板水火加工過程的變形機理研究及實驗驗證等工作，近年來先后承擔了國家 863 計劃項目“大型復雜曲面水火成型產(chǎn)品機器人研究”、國防科工委計劃項目“水火彎板應用系統(tǒng)技術研究” 、 “艦船船體高強度鋼板水火加工成型技術研究”等多項科研項目。水火- 16 -彎板高頻感應加熱系統(tǒng)，自行研制。包括用于高頻感應加熱成型的龍門試驗機和高頻感應加熱電源設備。該系統(tǒng)用于船體曲面鋼板高頻感應加熱成型的機理研究，以及實船板感應加熱成型實驗研究。目前，該系統(tǒng)承擔 1 項國家自然科學基金的研究任務和 1項遼寧省自然科學基金的研究課題。為了配合上述 3 套系統(tǒng)的研究，進行線變形

42、、角變形、溫度場等參數(shù)的測量和采集工作。本實驗室購買了紅外便攜式測溫儀、固定式測溫儀；8 通道熱電偶型溫度記錄儀；測量高頻大電流的羅氏線圈；小蜜蜂數(shù)控火焰切割機。自行研制了智能線變形測量儀；曲面局部角變形測量儀；特制數(shù)顯游標卡尺等設備。此外，本實驗室擁有 1 臺交流弧焊機和 2 臺華意隆逆變弧焊機，用于焊接溫度場及變形場的機理研究和實驗驗證等工作，承擔焊接課程的教學工作。擁有手提式數(shù)控切割機，進行鋼板的切割機理研究及切割實驗驗證等工作。6.2.3 船舶結構振動實驗室該研究方向設有船舶結構振動實驗室，是遼寧高校重點實驗室和大連理工大學振動與強度檢測中心的一部分，具備國家技術監(jiān)督局受權船舶振動與噪

43、聲的檢測資質，具有獨立法人機構，測試中心于 2001 年 3 月 8 日獲得國家質量技術監(jiān)督局計量認證和中國實驗室國家認可委員會認可雙重資質。具備向社會提供公正數(shù)據(jù)的資格和能力。2003 年 4 月，由國家質量技術監(jiān)督局、教育部高教司計量認證辦公室、中國實驗室國家認可委員會組成的專家組，對測試中心進行計量認證和質量體系評審。船舶結構振動實驗室是主要從事船舶結構振動、船舶艙室噪- 17 -聲和船舶結構應力強度實驗，裝備先進測試與分析設備，具有業(yè)務素質較高和經(jīng)驗豐富的實驗研究隊伍，教授和副教授 5 人，其中專職實驗技術人員 1 人。能夠從事船舶結構振動（航行及激振實驗）的測量與評定、船舶艙室振動與

44、噪聲測量與評定、機艙動力設備振動測量與評定、船舶結構強度測量與評定。80 年代以來完成了 200 多艘艦船的振動、噪聲或結構應力強度的測量，承擔相關研究與生產(chǎn)方面的項目，涉及的船型包括大型出口原油/成品/多用途船、集裝箱船、散貨船、遠洋測量船、遠洋漁船、冷藏船、漁政船及各類艦艇，服務范圍涉及大連、天津、上海、秦皇島、青島、武漢和廣州的船舶設計、建造和航運企業(yè)。船舶結構振動實驗室擁有主要實驗室設備：B&K 多通道振動與噪聲測量分析系統(tǒng);B&K 噪聲與水聲測量系統(tǒng);STAR 結構模態(tài)分析系統(tǒng);64 路壓電/電壓/應變動態(tài)測量系統(tǒng);5、10、50、100 和2000Kg 機械/電磁激

45、振系統(tǒng)等。船舶結構振動實驗室具備主要能力：船舶結構與設備振動特性檢測；船舶結構靜態(tài)與動態(tài)應力檢測；船舶艙室與設備噪聲特征檢測。6.2.4 聲學實驗室簡介聲學實驗室包含一個半消聲室、一個隔聲室和一個消聲水池，技術指標達到國內領先水平。聲學實驗室可進行空氣介質或水介質中各種聲源和結構構件的聲學特性測試，已有三個測試項目獲得了國家級“計量認證”資質。實驗室可進行結構振動噪聲特性測試、結構聲學設計、環(huán)境噪聲評價、建筑聲學、噪聲源測試和產(chǎn)品降噪等的研究、教學、咨詢和技術開發(fā)以及技術服務等。- 18 -聲學實驗室的聲學指標和儀器設備：（1）半消聲室：截止頻率 100 Hz；本底噪聲 16 dBA；可用空間

46、。m0 . 6m4 . 72.4m1（2）消聲水池：采用長 470、底徑的橡膠尖劈密排mmmm50（340 根/平方米） ；可用空間；配備二臺行車和一m0 . 4m5 . 4.0m7臺吊車。（3）隔 聲 室：本底噪聲 25 dBA；發(fā)聲室的內部尺寸為，受聲室的內部尺寸為。m3 . 3m0 . 6.5m6m3 . 3m0 . 5m0 . 6（4）儀器設備：B&K3560D 型 PULSE 多分析儀系統(tǒng)、4206 型材料測試系統(tǒng)、4190L001 型自由場傳聲器、4943L001 型擴散場傳聲器、4231 型聲級校準器、8103 型和 8104 型水聽器、4229 型水聽器校準器、4296

47、 型球形聲源、3584 型聲強探頭、BK3595 型聲強探頭和 2260 型精密聲級計等聲學測試設備等。圖 4 消聲水池和半消聲室聲學實驗室實驗能力：噪聲源聲功率級測定；環(huán)境噪聲（城- 19 -市區(qū)域、交通、鐵路、機場等）及工業(yè)企業(yè)噪聲測試；隔聲測量；吸聲材料性能測定；廳堂音質測試；聲學實驗室性能鑒定；水聲換能器性能測試；水聲材料聲學性能測試；水下結構模型振動和輻射聲功率測量等。6.2.5 結構環(huán)境損傷控制實驗室（1）管道內腐蝕監(jiān)測實驗系統(tǒng)該系統(tǒng)主要用于監(jiān)測管道內壁腐蝕信息。試驗管路公稱口徑為 50mm（2inch） ，有效長度為 50 延長米。循環(huán)管路設有1800mm900mm1000mm=

48、1.62mm3 的儲水箱，并配有 70FGB-4 型不銹鋼耐蝕泵，其揚程為 4 米，流量為 14M3/h；電機為0.8KW/1380rpm/380v。整個循環(huán)管路系統(tǒng)占地面積為2200mm5000mm，主試驗裝置尺寸為 1400 mm1400mm1750mm，在最上層管路設有有機玻璃制作的可觀測段，設有 3 個插入口，實驗時分別插入溶解氧測量儀、電阻探針和電偶探針。為增大管內流質流速變化范圍，頂部另設一蓄水箱，關閉主泵后可構成另一流速較低的循環(huán)系統(tǒng)。本試驗將研究探針在管內流質中自然腐蝕的情況以及其自身變化與所處腐蝕環(huán)境的腐蝕能力之間的關系，最終可根據(jù)探針信息及環(huán)境參數(shù)對管內流質的腐蝕能力進行評

49、估。（）環(huán)境強度實驗系統(tǒng)島津 EHF-UM200KN 電液伺服疲勞試驗機能使用于一般試樣、結構件、實物部品試驗的多功能疲勞實驗機。上方作動器的方式具有寬廣的試驗空間，最適合在腐蝕箱、恒溫箱里的各種環(huán)境試驗。本實驗系統(tǒng)的特點：采用微機全數(shù)字式伺服控制，試驗設定- 20 -和結果分析全部由微機操作，大大簡化試驗流程；伺服作動器和負荷傳感器精度高；報警和應急能力完善；試驗過程的可實現(xiàn)無人值守；配套設施完善，升級能力強。主要功能：疲勞試驗；靜態(tài)試驗；裂紋擴展試驗（KIC/COD 試驗、JIC 試驗） ；Mult-purpose 設計試驗。圖 5 環(huán)境強度實驗系統(tǒng)6.2.6 船模試驗水池大連理工大學船模試驗水池是國際船模拖曳水池會議（International Towing Tank Conference 簡稱 I.T.T.C）成員單位。水池尺度為 160m7m3.7m（長寬水深） ，水池配有高