船舶設(shè)計原理4-1性能預(yù)報

課題四船舶性能預(yù)報概述船舶技術(shù)性能分成：營運性能和航海性能；營運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（運輸質(zhì)量、營運組織的方便性、靈活性）及經(jīng)濟(jì)性（建造、營運）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)計者必須弄清楚：1）根據(jù)設(shè)計船的具體使用任務(wù)要求和特點，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)各項性能指標(biāo)與船舶技術(shù)要索間有什么關(guān)系，設(shè)計時應(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)計時，在處理船舶技術(shù)性能時要有明確的意圖和思路，要做到初步預(yù)測并為深化設(shè)計做好前期準(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)、△及相對速度等與設(shè)計船比較接近時，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)計航速(kn)；△－設(shè)計排水量(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，應(yīng)對C值進(jìn)行修正。(二)經(jīng)驗公式

經(jīng)驗公式，是針對某類型船舶的統(tǒng)計資料，分析歸納出來的，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)泰勒法美國泰勒船模試驗水池，以中高速艦船為基本船型，作了一系列船模試驗，將系列試驗資料制成圖譜和公式，用來確定新船的阻力。此法適用于船速較高，船型較瘦長的雙槳船。(2)陶德法(系列60)美國泰勒船模試驗水池，為民用運輸船作了一系列船模試驗，歸納為“系列60"。其橫剖面為U型，適用于單槳運輸船。(3)SSPA系列瑞典國立船模試驗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輸船，(4)NPL系列英國國家物理研究所提供的高速圓舭排水型艇的系列資料。(5)長江客貨船系列上海船舶運輸科研所提供的長江客貨船裸體有效功率估算資料，適用于我國內(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)計圖譜。對于中低速運輸船舶，常用MAU系列(日本運輸省船舶技術(shù)研究所)；B系列(荷蘭瓦根寧根船模試驗水池)等圖譜。對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)計圖譜。(2)相對旋轉(zhuǎn)效率R

對于普通單漿船，取1.00～1.05；對于普通雙槳船，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)驗公式或母型船的自航試驗資料選取。（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

隨著電子計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展，現(xiàn)在已將某些阻力圖譜計算方法及螺旋槳圖譜設(shè)計或理論計算方法編制成程序，使得在初步設(shè)計階段的分析計算可迅速而有效地進(jìn)行，有利于對方案作更加廣泛的分析，提高了設(shè)計質(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阻力試驗數(shù)據(jù)的回歸方程。不同速長比時，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L為400'的船。若上不等于400'，要對摩擦阻力的尺度作用加以修正。

二、設(shè)計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)計時必須予以保證。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)對于高速小艇，應(yīng)盡量減小排水量。如對材料、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)計合理。其他附體都應(yīng)與船體有良好的水動力配合；(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)性對其安全性和使用性都有重要影響，是一項重要的航海性能。船舶在海上傾覆時，其過程是十分迅速的，以致乘員來不及逃生，所以各國都有規(guī)范對船舶穩(wěn)性作了具體的規(guī)定。國際海協(xié)也有相應(yīng)的船舶完整穩(wěn)性的規(guī)定。我國船舶檢驗局也頒布了《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。對于穩(wěn)性，在確定主尺度和船型系數(shù)時，就必須慎重對待，即使船舶的穩(wěn)性計算已符合規(guī)范要求，船長仍應(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《海船穩(wěn)性規(guī)范》對各類船舶的GM面值提出的要求是：對于客船、貨船、油船等GM≮0.15m對于漁船，

GM≮0.30m對于運木船，

GM＞0上述數(shù)值是對GM的最低要求，實際船舶的GM值要大得多。

設(shè)計中對初穩(wěn)性值GM的大小，一般從其下限值和上限值兩方面來考慮。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。實踐證明，除客船外，現(xiàn)行規(guī)范對GM值下限的要求，一般不難滿足。所以在設(shè)計時，著重從設(shè)計船的使用要求，來確定適宜的初穩(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，貨物會移動受損，乘員會暈船或感到不舒服。因此設(shè)計時，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。我國沿海常見的大的波浪，波長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)，井非絕對的，3．各種典型船舶的GM值的選取

船在不同載況時穩(wěn)性值是變化的，設(shè)計時應(yīng)對各典型載況的穩(wěn)性作通盤考慮。(1)干貨船這類船在滿載到港時穩(wěn)性最差，對于船寬B>12m的船舶，如果取滿載出港時的GM／B為0.04～0.05，一般即可保證滿載到港時仍有必要的初穩(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，則滿載出港時的GM/B相對可取低些。還應(yīng)該注意的是，干舷低的船，若GM過小，則常不能滿足穩(wěn)性規(guī)范對穩(wěn)性曲線消失角的要求。對于集裝箱船，為防止因劇烈橫搖而造成貨物及綁扎設(shè)備的損壞，出港時可采用稍低的GM值，航行中及裝卸貨時再根據(jù)需要加壓載水。對于礦砂船，則應(yīng)注意控制GM不必過大。(2)客船及客貨船這類船的GM主要根據(jù)規(guī)范．對完整穩(wěn)性、分艙和破艙穩(wěn)性的要求決定。對于大、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；對于小型客船，尤其是載客數(shù)目相對較多者，其主要矛盾通常是旅客移動時橫傾角的限制，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；對于大型油船，從橫搖角度看，則常嫌初穩(wěn)性值過大。(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，國內(nèi)這類船的GM／B在0.12～0.13范圍。設(shè)計拖船時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)性方程計算：在非設(shè)計載況時，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對增加GM值的效果更好。(2)水線面系數(shù)Cw:Cw是對GM影響最大的因素之一，加大Cw，對提高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，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，對增加有好處。但D值是受主體容積的需要來選取的。

(三)初穩(wěn)性值的核算

在設(shè)計深入開展，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)范對基本核算載況的規(guī)定，按設(shè)計船的使用特點，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100~150時的穩(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)計時，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，有時需用設(shè)計手冊中的有關(guān)近似方法對大傾角穩(wěn)性及時加以估算。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。我國對內(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)特點對最小初穩(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)用計及船舶橫搖影響后的動穩(wěn)性曲線或靜穩(wěn)性曲線來確定。規(guī)范是應(yīng)用動穩(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的計算(二)核算步驟對任一載況來說，此時排水量△、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)按下列順序計算：(1)根據(jù)排水量△從穩(wěn)性橫截曲線中找出各傾角處對假定重心的復(fù)原力臂，修正重心高度的差別后就可算出實際復(fù)原力臂。繪出靜穩(wěn)性曲線，檢驗靜穩(wěn)性曲線各要素是否符合要求。繪制動穩(wěn)性曲線。(2)由T、GM、zg、B計算自搖周期T

，進(jìn)而計算出橫搖角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)查出計算風(fēng)壓p;(6)計算風(fēng)壓傾側(cè)力臂或風(fēng)壓傾側(cè)力矩;(7)計算穩(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，它是船舶的一項重要性能。在設(shè)計過程中，對抗沉性問題是否考慮周到、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，同時要著重考慮船舶的合理分艙。我國船檢局制定的《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)底水密艙壁儲備浮力干舷●對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，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

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

(二)許可艙長許可艙長等于艙長中點處的可浸長度乘以分艙因數(shù)，分艙因數(shù)依船長和船的業(yè)務(wù)性質(zhì)而定，其詳細(xì)計算應(yīng)參閱ZC《規(guī)范》。(三)分艙檢驗根據(jù)總布置圖、可浸長度曲線及分艙因數(shù)，檢驗水密艙的長度是否超過許可艙長。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主橫水密艙壁距首垂線不大于許可艙長。(2)若相鄰的兩個