船舶設(shè)計(jì)原理4-1性能預(yù)報(bào)

課題四船舶性能預(yù)報(bào)概述船舶技術(shù)性能分成：營(yíng)運(yùn)性能和航海性能；營(yíng)運(yùn)性能只是表征給定類型船舶的性能，如用途、航區(qū)、航程、裝載能力和空間地位等，主要反映在使用效能（運(yùn)輸質(zhì)量、營(yíng)運(yùn)組織的方便性、靈活性）及經(jīng)濟(jì)性（建造、營(yíng)運(yùn)）方面；航海性能通常表征所有船舶，不論其用途如何的如下性能的總和：浮性、快速性、穩(wěn)性、抗沉性等。本章就船舶海上性能，就船舶設(shè)計(jì)初始階段如何分析和估算船舶的快速性，穩(wěn)性、耐波性、抗沉性予以說(shuō)明。由于這些性能大多數(shù)與船舶主尺度，船型系數(shù)有密切關(guān)系，并且有些性能彼此間要求相互矛盾的，這就要求設(shè)計(jì)者必須弄清楚：1）根據(jù)設(shè)計(jì)船的具體使用任務(wù)要求和特點(diǎn)，哪些性能是必須保證的。哪些性能是力求提高的，哪些性通常易于滿足的，以及這些性能的各自指標(biāo)是什么，又怎么確定；2)各項(xiàng)性能指標(biāo)與船舶技術(shù)要索間有什么關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取哪些技術(shù)措施才有可能達(dá)到預(yù)期的效果。因此在新船設(shè)計(jì)時(shí)，在處理船舶技術(shù)性能時(shí)要有明確的意圖和思路，要做到初步預(yù)測(cè)并為深化設(shè)計(jì)做好前期準(zhǔn)備工作。一、快速性的初步估算(一)海軍系數(shù)法當(dāng)選用的母型船的主尺度比、船型系數(shù)、△及相對(duì)速度等與設(shè)計(jì)船比較接近時(shí)，可用母型船的海軍系數(shù)C預(yù)估新船的主機(jī)功率或航速。式中，P－主機(jī)功率(kW)；V－設(shè)計(jì)航速(kn)；△－設(shè)計(jì)排水量(t)；C一海軍系數(shù)。海軍系數(shù)C是一艘船的阻力與推進(jìn)性能的綜合反映，如果新船與母型船在阻力或推進(jìn)方面有較大差別時(shí)，應(yīng)對(duì)C值進(jìn)行修正。(二)經(jīng)驗(yàn)公式

經(jīng)驗(yàn)公式，是針對(duì)某類型船舶的統(tǒng)計(jì)資料，分析歸納出來(lái)的，下面介紹適用于油船及散貨船的瓦特生近似估算公式：式中，K＝Cb+1.68Fr(Fr為對(duì)應(yīng)于試航速度的傅氏數(shù))；N—螺旋槳轉(zhuǎn)速(r／min)；P－所需主機(jī)功率(kW)；L——用Lbp計(jì)算(m)。(三)阻力及推進(jìn)系數(shù)估算方法1、阻力估算(1)泰勒法美國(guó)泰勒船模試驗(yàn)水池，以中高速艦船為基本船型，作了一系列船模試驗(yàn)，將系列試驗(yàn)資料制成圖譜和公式，用來(lái)確定新船的阻力。此法適用于船速較高，船型較瘦長(zhǎng)的雙槳船。(2)陶德法(系列60)美國(guó)泰勒船模試驗(yàn)水池，為民用運(yùn)輸船作了一系列船模試驗(yàn)，歸納為“系列60"。其橫剖面為U型，適用于單槳運(yùn)輸船。(3)SSPA系列瑞典國(guó)立船模試驗(yàn)水池的貨船系列資料。其橫剖面型線為偏V型(Cb＝0.525～0.60)及中U型(Cb＝0.60—0.75)，適用于中低速單槳運(yùn)輸船，(4)NPL系列英國(guó)國(guó)家物理研究所提供的高速圓舭排水型艇的系列資料。(5)長(zhǎng)江客貨船系列上海船舶運(yùn)輸科研所提供的長(zhǎng)江客貨船裸體有效功率估算資料，適用于我國(guó)內(nèi)河船舶，尤其是受航道限制、船寬大、吃水淺的雙槳內(nèi)河客貨船。以上資料，凡與船舶設(shè)計(jì)有關(guān)的單位，都可方便地查閱。2、推進(jìn)系數(shù)估算式中，o、H、R、G、S－螺旋槳敞水效率、船身效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和齒輪箱效率、軸系效率。

(1)敞水效率o

在初選了主機(jī)、螺旋槳直徑、轉(zhuǎn)速及葉數(shù)以后，為求得較高的敞水效率，須選用合適的螺旋槳設(shè)計(jì)圖譜。對(duì)于中低速運(yùn)輸船舶，常用MAU系列(日本運(yùn)輸省船舶技術(shù)研究所)；B系列(荷蘭瓦根寧根船模試驗(yàn)水池)等圖譜。對(duì)于空泡要求較高的軍用艦船和民用船舶，可選用高恩闊葉螺旋槳設(shè)計(jì)圖譜。(2)相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率R

對(duì)于普通單漿船，取1.00～1.05；對(duì)于普通雙槳船，取0.95～1.00

（3）船身效率H

H＝1－t/1－w式中，t－推力減額；w－伴流分?jǐn)?shù)。t、w參照同類船型的經(jīng)驗(yàn)公式或母型船的自航試驗(yàn)資料選取。（4）軸系效率S：S≈0.97～0.98（5）齒輪箱效率G：G≈0.96(四)回歸公式法

隨著電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在已將某些阻力圖譜計(jì)算方法及螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)或理論計(jì)算方法編制成程序，使得在初步設(shè)計(jì)階段的分析計(jì)算可迅速而有效地進(jìn)行，有利于對(duì)方案作更加廣泛的分析，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。埃及學(xué)者薩比脫(A．S．Sabit)應(yīng)用回歸分析方法，給出系列60阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸方程。不同速長(zhǎng)比時(shí)，式(4-6)中系數(shù)列于表4－1。應(yīng)注意的是，用該式算得的CR適用于垂線間長(zhǎng)L為400'的船。若上不等于400'，要對(duì)摩擦阻力的尺度作用加以修正。

二、設(shè)計(jì)中保證快速性的措施船舶快速性是影響使用要求和經(jīng)濟(jì)效益的重要因素，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以保證。根據(jù)不同類型的船舶，可采取下述相應(yīng)的措施:(1)選取合適的尺度、系數(shù)；(2)選用合適的，優(yōu)秀的節(jié)能船型及節(jié)能推進(jìn)裝置；(3)對(duì)于高速小艇，應(yīng)盡量減小排水量。如對(duì)材料、結(jié)構(gòu)形式、機(jī)電設(shè)備等應(yīng)精心選擇，以控制空船重量；(4)采用低轉(zhuǎn)速、大直徑的螺旋槳，以獲得較高的敞水效率；(5)減小附體阻力，如舭龍骨應(yīng)沿流線方向設(shè)置，首側(cè)推裝置的開孔位置、孔口形狀應(yīng)設(shè)計(jì)合理。其他附體都應(yīng)與船體有良好的水動(dòng)力配合；(6)減小迎面受風(fēng)面積，以減小空氣阻力.§4—2穩(wěn)性

船的穩(wěn)性對(duì)其安全性和使用性都有重要影響，是一項(xiàng)重要的航海性能。船舶在海上傾覆時(shí)，其過(guò)程是十分迅速的，以致乘員來(lái)不及逃生，所以各國(guó)都有規(guī)范對(duì)船舶穩(wěn)性作了具體的規(guī)定。國(guó)際海協(xié)也有相應(yīng)的船舶完整穩(wěn)性的規(guī)定。我國(guó)船舶檢驗(yàn)局也頒布了《海船穩(wěn)性規(guī)范》和《內(nèi)河船舶穩(wěn)性規(guī)范》，以保證船舶的安全性。對(duì)于穩(wěn)性，在確定主尺度和船型系數(shù)時(shí)，就必須慎重對(duì)待，即使船舶的穩(wěn)性計(jì)算已符合規(guī)范要求，船長(zhǎng)仍應(yīng)注意船舶的裝載、氣象、海況等情況，謹(jǐn)慎駕駛，以保證船舶的安全。一、初穩(wěn)性及其估算(一)衡準(zhǔn)方法及其實(shí)用數(shù)據(jù)衡準(zhǔn)一艘船的初穩(wěn)性好壞的指標(biāo)是(h)值。我國(guó)《海船穩(wěn)性規(guī)范》對(duì)各類船舶的GM面值提出的要求是：對(duì)于客船、貨船、油船等GM≮0.15m對(duì)于漁船，

GM≮0.30m對(duì)于運(yùn)木船，

GM＞0上述數(shù)值是對(duì)GM的最低要求，實(shí)際船舶的GM值要大得多。

設(shè)計(jì)中對(duì)初穩(wěn)性值GM的大小，一般從其下限值和上限值兩方面來(lái)考慮。1．初穩(wěn)性的下限值Gmmin下限值是保證船的安全和使用要求所需的最低初穩(wěn)性值。從安全角度看，船的大傾角穩(wěn)性和初穩(wěn)性有一定的聯(lián)系；從使用要求看，也需保證一定的初穩(wěn)性值。實(shí)踐證明，除客船外，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)GM值下限的要求，一般不難滿足。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，著重從設(shè)計(jì)船的使用要求，來(lái)確定適宜的初穩(wěn)性下限值。

2．初穩(wěn)性的上限值GMmax初穩(wěn)性上限值是從橫搖緩和性上考慮的，若船在波浪中的搖擺周期短、擺幅大，則不僅影響船舶的安全性，船上作業(yè)也很困難，貨物會(huì)移動(dòng)受損，乘員會(huì)暈船或感到不舒服。因此設(shè)計(jì)時(shí)，在保證初穩(wěn)性下限的前提下，應(yīng)力求使船的橫搖緩和些。船在波浪中的橫搖周期T，與初穩(wěn)性高GM直接有關(guān)，從下面近似估算公式可以看出，它們之間的關(guān)系。式中，C－依船的具體特征而變的系數(shù)，在0.75～0.85之間選取。我國(guó)沿海常見(jiàn)的大的波浪，波長(zhǎng)λ=60~70m，波浪周期Tw=0.8，為避免諧搖，則希望

T≮1.3Tw，則T應(yīng)大于8～9s；遠(yuǎn)洋航區(qū)波長(zhǎng)λ＝150～160m，則T以大于13s為宜。這是習(xí)慣用的標(biāo)準(zhǔn)，井非絕對(duì)的，3．各種典型船舶的GM值的選取

船在不同載況時(shí)穩(wěn)性值是變化的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)各典型載況的穩(wěn)性作通盤考慮。(1)干貨船這類船在滿載到港時(shí)穩(wěn)性最差，對(duì)于船寬B>12m的船舶，如果取滿載出港時(shí)的GM／B為0.04～0.05，一般即可保證滿載到港時(shí)仍有必要的初穩(wěn)性值(GM在0.25m以上)，且不需在中途加壓載水。對(duì)于中小型船舶，則需取更大的GM/B的值，如0.05～0.07。如果考慮在中途加壓載水，則滿載出港時(shí)的GM/B相對(duì)可取低些。還應(yīng)該注意的是，干舷低的船，若GM過(guò)小，則常不能滿足穩(wěn)性規(guī)范對(duì)穩(wěn)性曲線消失角的要求。對(duì)于集裝箱船，為防止因劇烈橫搖而造成貨物及綁扎設(shè)備的損壞，出港時(shí)可采用稍低的GM值，航行中及裝卸貨時(shí)再根據(jù)需要加壓載水。對(duì)于礦砂船，則應(yīng)注意控制GM不必過(guò)大。(2)客船及客貨船這類船的GM主要根據(jù)規(guī)范．對(duì)完整穩(wěn)性、分艙和破艙穩(wěn)性的要求決定。對(duì)于大、中型客船，海損穩(wěn)性是主要矛盾，通常GM／B在0.045～0.055范圍；對(duì)于小型客船，尤其是載客數(shù)目相對(duì)較多者，其主要矛盾通常是旅客移動(dòng)時(shí)橫傾角的限制，且因短途客船不宜在中途加壓載水，故滿載出港時(shí)的GM／B值應(yīng)取得更大。(3)油船布格氏認(rèn)為，修正自由液面影響后的GM值大于0.1即可。一般而言，只是對(duì)小油船才需進(jìn)行這種核算；中型油船的初穩(wěn)性易于保證；對(duì)于大型油船，從橫搖角度看，則常嫌初穩(wěn)性值過(guò)大。(4)拖船

從論述拖輪初穩(wěn)性的許多文獻(xiàn)中，列舉幾種衡準(zhǔn)方法于表4-2中，以供比較。港作拖輪的GM／B值通常大些，國(guó)內(nèi)這類船的GM／B在0.12～0.13范圍。設(shè)計(jì)拖船時(shí)最好參照相近母型船選取GM／B或GM值，一般GM值應(yīng)在0.60～0.70m以上。

(5)軍艦

軍艦的初穩(wěn)性下限值，主要根據(jù)保證火炮能以正常射速射擊所允許的橫傾角(一般為10～12)、全速回轉(zhuǎn)時(shí)所允許的橫傾角(10～12以下)及保證海損穩(wěn)性等因素決定。依艦種不同，GM／B大體在0.06～0.10的范圍。

(二)初穩(wěn)性估算及影響因素分析

1、初穩(wěn)性值的估算由船舶靜力學(xué)知，初穩(wěn)性高可由初穩(wěn)性方程計(jì)算：在非設(shè)計(jì)載況時(shí)，因船舶吃水及相應(yīng)于吃水的船寬、方形系數(shù)和水線面系數(shù)均發(fā)生了變化，因此不宜采用式(4—10)估算其GM。而需采用如下的關(guān)系式：

2、影響初穩(wěn)性值的因素分析

從式(4—30)可知，船的主尺度B、T、D和船形系數(shù)Cw等決定著初穩(wěn)性高度的大小，下面作簡(jiǎn)要的分析:(1)型寬B及B／T

:從式(4—10)·可知，初穩(wěn)性高度GM隨B及B/T的加大而迅速增加，特別是加大B對(duì)增加GM值的效果更好。(2)水線面系數(shù)Cw:Cw是對(duì)GM影響最大的因素之一，加大Cw，對(duì)提高zb和r都有好處，但Cw是受型線特征制約的，Cw的加大是有限的。當(dāng)GM需少量加大時(shí)，改變Cw是有效的措施之一。(3)型深D:減小D可降低重心高度，對(duì)增加有好處。但D值是受主體容積的需要來(lái)選取的。

(三)初穩(wěn)性值的核算

在設(shè)計(jì)深入開展，完成型線圖、總布置圖、結(jié)構(gòu)圖等及技術(shù)文件后，要核算船具有的初穩(wěn)性精確值，往往是與核算浮態(tài)一起進(jìn)行的。根據(jù)規(guī)范對(duì)基本核算載況的規(guī)定，按設(shè)計(jì)船的使用特點(diǎn)，選取核算載況。然后進(jìn)行各載況的排水量與重心位置的計(jì)算，按表格核算船的浮態(tài)與初穩(wěn)性。各典型載況的浮心位置xb、穩(wěn)心垂向坐標(biāo)zM等取自靜水力曲線圖。在設(shè)計(jì)階段，如發(fā)生初穩(wěn)性或浮態(tài)不合要求的情況，可適當(dāng)增加壓載水的數(shù)量，或調(diào)整各艙內(nèi)的裝載重量，或者調(diào)整總布置，以求得適宜的浮態(tài)與初穩(wěn)性值。

二、大傾角穩(wěn)性

大傾角穩(wěn)性是指船在外力作用(如較大的風(fēng)和浪作用)下，橫傾角超過(guò)100~150時(shí)的穩(wěn)性，它涉及到船在航行中能抗多大風(fēng)浪或橫傾力矩而不傾覆。在保證初穩(wěn)性的條件下，從滿足大傾角穩(wěn)性的要求來(lái)考慮，主要是注意重心高度、B、f／T和受風(fēng)面積等因素的影響。對(duì)大傾角穩(wěn)性的要求，大型船舶一般不難滿足，而中小型船舶則常有困難。因此，在中小型船舶設(shè)計(jì)時(shí)，要注意參考相近母型船，取適當(dāng)大的B和f／T值，并力求降低重心高度和受風(fēng)面積，有時(shí)需用設(shè)計(jì)手冊(cè)中的有關(guān)近似方法對(duì)大傾角穩(wěn)性及時(shí)加以估算。在大傾角情況下，表征船抵抗外力作用能力的，是靜穩(wěn)性曲線(它所包圍的面積及形狀特征)。一般民用船舶的穩(wěn)性，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行核算。我國(guó)對(duì)內(nèi)河船、海船分別訂有規(guī)范。下面結(jié)合《海船穩(wěn)性規(guī)范》介紹核算的方法和步驟。

(一)規(guī)范主要內(nèi)容規(guī)范以大傾角穩(wěn)性作為船舶穩(wěn)性的基本衡準(zhǔn)，并依船舶的使用任務(wù)特點(diǎn)對(duì)最小初穩(wěn)性和需要核算的使用情況作了規(guī)定。船舶在其所核算的各種裝載情況下，穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K應(yīng)符合下式要求：（1）lq的確定

應(yīng)用計(jì)及船舶橫搖影響后的動(dòng)穩(wěn)性曲線或靜穩(wěn)性曲線來(lái)確定。規(guī)范是應(yīng)用動(dòng)穩(wěn)性曲線。如圖4－1所示：線段BC為最小傾復(fù)力臂lq。（2）風(fēng)壓傾側(cè)力矩Mf、風(fēng)壓傾側(cè)力臂lf的計(jì)算(二)核算步驟對(duì)任一載況來(lái)說(shuō)，此時(shí)排水量△、初穩(wěn)性高度GM、吃水T、重心高度zg均已知，故可根據(jù)這些數(shù)據(jù)按下列順序計(jì)算：(1)根據(jù)排水量△從穩(wěn)性橫截曲線中找出各傾角處對(duì)假定重心的復(fù)原力臂，修正重心高度的差別后就可算出實(shí)際復(fù)原力臂。繪出靜穩(wěn)性曲線，檢驗(yàn)靜穩(wěn)性曲線各要素是否符合要求。繪制動(dòng)穩(wěn)性曲線。(2)由T、GM、zg、B計(jì)算自搖周期T

，進(jìn)而計(jì)算出橫搖角θ。

(3)用作圖法找出最小傾覆力臂或最小傾覆力矩。(4)由總布置圖的側(cè)視圖計(jì)算受風(fēng)面積Af及其形心距水面高度z;(5)由z及船的航區(qū)查出計(jì)算風(fēng)壓p;(6)計(jì)算風(fēng)壓傾側(cè)力臂或風(fēng)壓傾側(cè)力矩;(7)計(jì)算穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K是否大于1.0?！?－3分艙及破艙穩(wěn)性

●船舶分艙及破艙穩(wěn)性(即抗沉性)是船舶在一艙或數(shù)艙破損進(jìn)水后，仍能保持一定浮性和穩(wěn)性的能力，它是船舶的一項(xiàng)重要性能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)抗沉性問(wèn)題是否考慮周到、合理，則是船舶破損后能否保證具有一定浮態(tài)和穩(wěn)性的前提。因此，在船舶設(shè)計(jì)初期就需要從抗沉性角度確定主尺度和船型要素，其中最主要的是選取到分艙甲板的型深和首、尾舷弧，同時(shí)要著重考慮船舶的合理分艙。我國(guó)船檢局制定的《海船分艙與破艙穩(wěn)性規(guī)范》，適用于海洋客船。

船舶抗沉性

抗沉性是指船舶在一艙或數(shù)艙破損進(jìn)水后保證不沉不翻的能力?！袼芘摫诤透上系淖饔猛獾變?nèi)底水密艙壁儲(chǔ)備浮力干舷●對(duì)抗沉性的要求水密甲板邊線76mm安全限界線破損水線一、有關(guān)的名詞定義

(1)客船載客超過(guò)12人的船舶。

(2)分艙載重線用以決定船舶分艙的水線。

(3)最深分艙載重線相應(yīng)于適用的分艙要求所允許的最大吃水的水線。(4)艙壁甲板橫向水密艙壁所達(dá)到的最高一層甲板。

(5)安全限界線在船側(cè)由艙壁甲板上表面以下至少76mm處所繪的線。

(6)某一處所的滲透率該處所能被水浸占的百分比。當(dāng)該處所伸展至限界線以上時(shí)，該處所體積僅量至限界線的高度。(7)風(fēng)雨密在任何風(fēng)浪情況下，水不應(yīng)透入船艙內(nèi)。二、分艙檢驗(yàn)

(一)可浸長(zhǎng)度計(jì)算先按《船舶靜力學(xué)》中的方法，算出體積滲透率μ＝100％時(shí)的可漫長(zhǎng)度(lf0)曲線，再將各艙沿船長(zhǎng)各點(diǎn)的除以該艙的計(jì)算滲透率即得該艙的可漫長(zhǎng)度（lf）曲線。

(二)許可艙長(zhǎng)許可艙長(zhǎng)等于艙長(zhǎng)中點(diǎn)處的可浸長(zhǎng)度乘以分艙因數(shù)，分艙因數(shù)依船長(zhǎng)和船的業(yè)務(wù)性質(zhì)而定，其詳細(xì)計(jì)算應(yīng)參閱ZC《規(guī)范》。(三)分艙檢驗(yàn)根據(jù)總布置圖、可浸長(zhǎng)度曲線及分艙因數(shù)，檢驗(yàn)水密艙的長(zhǎng)度是否超過(guò)許可艙長(zhǎng)。除此以外，各水密艙還需符合下列規(guī)定：(1)L≥100m的船，其首尖艙后的第一個(gè)主橫水密艙壁距首垂線不大于許可艙長(zhǎng)。(2)若相鄰的兩個(gè)