高速船与游艇设计型线设计教学PPT.ppt

,课题六 船 舶 型 线 设 计,71 概 述,一、 型线设计在船舶设计中的地位： 船舶型线是关系到船舶的技术性能和经济指标的全局性设计之一，对新船设计的成败有重要的影响。 1 船舶的静力和动力性能，大多与船体型线有关，包括浮态、稳性、(抗沉性)、快速性、操纵性、耐波性等 阻力：取决于船舶型线（兴波阻力、粘压阻力） 稳性：横剖面特征是u型还是v型，对船舶的浮心高度和横稳性高度有很大的影响。 2 总布置 包括船舶主体内舱室的布置，特别是尾机型船舶或尾部型线复杂的船舶的机舱布置，甲板面积及甲板上的设备和舱室布置 3 结构与工艺 结构上强度、振动是否合理，施工是否方便。,二、型线生成方法 1 优秀母型船改造 2 模型系列资料 3 数学方法生成。,线框生成：通过母型船交换或船型系数生成型值表，从型值表中读取数据，选用二维样条函数进行型线拟合，生成横剖线、水线、纵剖线等。,曲面生成： 利用给定的空间点列构造b样条曲面，通过适当调整特征网格，用交互设计的方法控制曲面。 利用支撑软件，通过b样条曲线，生成船体曲面片，将各曲面片连接成一个完整的船体曲面。,实体模型生成： 先生成曲面，再通过曲面围出船体实体模型。先生成实体毛坯，利用生成的曲面进行切割，及倒、圆角等机械加工手段，将实体模型毛坯加工成船体实体模型。,三、国内外计算机辅助型线设计系统 国外： 挪威 autokon (二维线框造型) 西班牙 foran (二维线框造型) 瑞典 viking tribon (曲面造型) 英国 hulltec (曲面造型) 美国 isdp catla 芬兰 napa (曲面造型) cadmatic (曲面造型) 荷兰 nupas (曲面造型) 日本 hzs (三维线框造型) 国内： 上海造船工艺所 csh (二维线框造型) 中国船舶工业总公司 casis/cams 上海交大和大连理工 mpsds 武汉理工 长江大中型客船cad (二维线框造型) 上海船舶运输研究所 caes/cad (三维线框造型) sdicad （实体造型）,虽然一般的船舶设计软件可以在游艇设计中使用,但用船舶软件设计游艇,似乎有点“杀鸡用牛刀“的感觉.游艇的设计主要为艇体的造型设计,加部分的性能设计.诸如静水力曲线与大倾角性能计算.而大的船舶设计软件更侧重于设计制造等一体化.有很多诸如轮机管系设计,电气设计,施工的工艺设计,这些并不是游艇设计所必须的. 一般的游艇设计有两个基本模块:一是成型建模,二是简单的性能计算.有些公司的一整套的软件,会提供其它的扩展设计模块,如阻力计算,结构放样等.,在国外的游艇设计中,maxsurf与rhino是用得比较多的软件.在boatdesign的论坛统计中,这两个软件并列第一. maxsurf是澳大利亚的一款设计软件, 在设计软件的功能上,可谓最全的了.rhino(犀牛)是一款小巧的三维建模软件,本身并没有游艇性能计算功能,但其有一款插件rhinomarine可与之无缝联接,进行性能的计算.其两者各有优势 总体上来说,max家族宠大,功能齐全,rhino小巧实用,价格便宜.不过在我国,盗版使用得比较多。,rhino（犀牛）,这是一款船舶制造业设计软件, 它包括了从船只结构建模, 分析, 及优化分系统工程。flagship 的结构设计能力就是基于此软件。 rhino的建模能力、易学好用以及低价策略，已经成为船艇产业的标准工具了。拥有30年船艇软体开发经验的proteus engineering便将该司享有盛名的fastship功能移植到rhino后改名为rhinomarine，并以四个分开的模组来加强rhino在船艇设计与制作方面的功能。,rhinomarine拥有快速、精确的流体力学与稳定性计算能力，而且非常容易从船身产生任何型式的剖面线。 rhinomarine能将完整的流体力学与稳定性计算数值输出成excel档在浏览器内观看结果。 rhinomarine可以管理与追踪船体的重量与估价，并以rhinomarine自己的树状管理员整理。所有船体物件都能以拖放方式在树状管理员排列顺序,rhino（犀牛）,autoship autoship 系列里主要包括: 1model maker(做重心文件及分舱) ; 2autohydro 用来做静水力计算 ; 3autoship 可以做线形设计; 4autoplate这个可以用来做外板展开、放样 5autoload则是主要用于装载计算机， 6其它系列，可以做航速预估等,四、型线图的作用,、型线图表达的形状,我们知道，我们的型线图表达的是船体的表面形状，反映了船体曲面的变化情况。但是，钢板有一定的厚度，且厚度也是随位置不同而不同，型线图是表达的钢板的外表面还是内表面的呢？,外表面,内表面,船体的外板表面有外表面和内表面之分，甲板也有上表面和下表面之分。对于金属船体而言，型线图所表达的形状是外板内表面和甲板下表面的形状。,我们所绘制的型线图是船体型表面的形状。,、型线图的作用,型线图是船舶设计阶段重要的图文文件，它有很重要的作用。,1）可以表征船体的形状和大小。,2）是计算船舶航海性能的重要依据。,3）是绘制后续船体其它图样的依据。,4）是进行船体放样的依据。,总之，型线图是船舶设计建造的第一个重要图样文件，其决定了船舶的形状大小和性能，是船舶建造的基础。,、型线图的由来,引例1、圆柱体表面形状是如何形成的？,引例2、球体表面形状是如何形成的？,由上面两个例子我们可以看出，其表面形状可以由一定的曲面沿着某轴移动或旋转得来的。,针对曲线面而言，曲面可以分为直线面和曲线面两大类。上述的圆柱面就是直线面，而球体表面就是曲线面。,对于曲线面而言，上述的球体表面曲线在绕轴旋转的过程中，曲线的形状和大小都没有发生改变，我们成这一类曲面为定线曲面；反之，如果曲线的形状或大小在旋转的过程中发生了改变，则称所得曲面是变线曲面。,对于船体曲面而言，我们不难发现，其表面的形状沿高度、长度及宽度方向都有变化，所有船体曲面属于变线曲面的范围。,甲板表面可以近似的认为是定线曲面。,船体外形表面是变线曲面。,、船体型表面的绘制原理,通过上面的讨论我们可以知道，对于定线曲面可以通过给出决定曲面性质的几何要素以及曲面外形轮廓的投影就可以定出曲面的形状。,但是，对于变线曲面仅仅依靠这些就不能如实反映其真实形状和尺寸了。,我们知道，船体曲面是一个有三维曲度的变线曲面，对于这种变线曲面，应该如何反映其表面的形状及其变化的情况呢？,对于变线曲面，通过一些几何要素已经无法表达出其实际形状了。,对于变线曲面，一般要画出曲面投影以及一系列平面截切曲面所得的若干截交线的投影来表示。,对于上图的船体，我们可以通过绘制其表面的投影及一系列的截交线比较准确地反映出船体曲面的各处形状。,三组截交线,对于船体而言，它是有三维曲度的实体，通过一个方向的截交线很难准确地反映实际形状和尺寸。,由上面的图我们可以看出，仅靠一个平面上面的剖切只能表达一个平面上曲线变化情况。而船体是一个三维曲面，显然这还是不够的。,怎样才能如实且简单地表达船体曲面的变化情况呢？,要想准确表达船体表面形状，我们可以在三个平面同时剖切船体，形成三组截交线。,纵剖面情况,用一系列纵剖平面可以反映出船体型表面不同船宽处沿船长方向的变化。,横剖面情况,横剖面可以反映出沿船长方向船舶横向形状尺寸的变化情况。 用平行于中横剖面的一组平面切割船体时，与船体曲面相交得一组交线，称为横剖线，它们表示船体的横向外形。,水线剖面情况,可以反映出不同高度处船体型表面的变化情况。,船舶形状示意图,为了更有效的表达船体表面，可以将船体表面划分成若干个区域，每个区域以不同的方法表达。,前部区域,中部平行舯体部分,后部区域,尾部,中部平行舯体部分,是柱体的一部分，横剖面形状相同，舷侧是直壁式的，舭部为一段圆弧，而船底则为一个水平面无底边升高，或为两个相交的平面有底边升高，,由多个曲面组成，最基本的有三部分：头部的首柱曲面，它也可以看成规则曲面；下部为船底平面；其他为形状较为复杂的曲面.在线型图上，这张曲面依靠水线图、横剖线图、纵剖线图反映。前边与首柱曲面相切，形成一个不太明显的切点线，后部与中部筒形区域相切，上边为甲板边线，甲板边线在该区域为一空间曲线；这一区域的下部和船底平面相切，这根切线是曲面与平面的边界线，称为平底线，它和平边线一起成为船体表面重要的边界线。,后部区域,后部区域的前部与中部筒形区相切，上部结束于甲板边线，下部与船底平面相切，相切的曲线是平底线的后部分段。,尾部区域较复杂。 形状是多种多样的。,除以上区域外，船体形状上还有一个相对独立的区域甲板区域。甲板曲面的形状也是多种多样的，有平面甲板，带折角线甲板。最常见的甲板还是带梁拱的甲板。为了制造方便，使甲板曲面在各个横剖面上具有相同的形状，既甲板曲面可以看成是一个圆柱曲面。,72 横剖面面积曲线 横剖面面积曲线是以船长为横向坐标、设计水线下各横剖面面积为竖向坐标所绘制的曲线，其形状如图71所示。,该曲线具有下列特征： (1)横剖面面积曲线与横向坐标轴间所包围的面积等于设计水线下船的排水体积v； (2)横剖面面积曲线的丰满度系数等于船在设计水线下的纵向棱形系数cp； (3)横剖面面积曲线与横轴所包围的面积的形心横向坐标，等于船的浮心纵向位置xb ； (4)曲线的最大纵坐标值代表最大横剖面面积amax ； (5)丰满船的横剖面面积曲线的中部有一平行段，称为船的平行中体长lp ，平行中体前后的两段长度分别称为进流段长le：和去流段长lr。方形系数小的船一般都没有平行中体，最大横剖面常在中后。,一、棱形系数cp和中剖面系数cm的选择 在方形系数已确定的情况下，因cpcbcm，所以cp的选择必须与中剖面系数cm的选择一起来考虑。从阻力的影响来看，cm是不重要的，因此，cm的选择很大程度上是考虑与cp的配合。 棱形系数cp对船的剩余阻力rr影响很大，而对摩擦阻力rf影响极小棱形系数对剩余阻力的影响随船的相对速度不同而变化。 低速时(fn 0/18)，虽然选取小的cp对剩余阻力是有利的，但此时兴波阻力的比例很小，因此cp对总阻力的影响甚微。一般低速肥大船为提高装载能力和建造方便，cm取值很大，所以cp与cb相差不大。,中速时(018 fn 030)，船的兴波主要发生在船的首部，选取小的cp可使船的两端较尖瘦，对减小剩余阻力有利。但必须保证船体水线能从尖瘦的两端顺滑地向中部过渡，不产生明显的突肩，这就要求cm也相应地取小些。然而，必须指出，实用上所取的cp值一般比剩余阻力最佳时的cp值要大。这是因为，从每吨排水量的总阻力看，如排水量一定，棱形系数小，方形 系数也必然小，这样势必增大尺度(特别是船长)，从而增加了船的摩擦阻力，总阻力上反而不利。 高速时，随着fr的增加，兴波阻力愈来愈大，船首兴波的区域逐渐扩展到船长的极大部分。此时，在确定的cb下，过小的梭形系数可能会导致船体曲面在中部过分凸起，从而造成较大的兴波阻力，因此，一般要求选取适当大的棱形系数。,选取棱形系数cp时应考虑船舶的经济性，对于一般运输货船，首先要根据主要使用状态下的fn，合理地选取经济上有利的方形系数cb。如果选用的cb已达到fr所允许的上限，则应取大的中剖面系数cm，以降低棱形系数cp. 选取cp棱形系数时还应考虑对布置的影响。cp较小时，船舶两端尖瘦不利于船舶的布置，特别是尾机型船和双桨船， cp过小，机舱与轴系布置困难。 由于船舶初始设计阶段确定主尺度时cb已经确定，所以型线设计时可按cb值由统计曲线估取cm和cp。图7-2给出了cm、cp与cb的关系曲线，可供船舶设计时参考。,二、浮心纵坐标xb的选择 在一定的棱形系数下，浮心纵向位置，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 当浮心位置改变时，前体兴波阻力和后体形状阻力的相对比例也发生变化。例如，浮心位置向后移动，相当于前体丰满度减小，后体丰满度增大，因而形状阻力由小变大，而兴波阻力则由大变小因此，对应于给定速度的船，存在着一个阻力最小的最佳浮心位置。 另外，从推进效率上看，浮心位置稍后于阻力上最佳位置(如向后0.20.3lbp)是合适的。,(二)从布置方面考虑 浮心位置的选取，还应注意与满载出港时的重心纵向位置相配合，使船不致产生首倾和不允许的尾倾(尤其是吃水受限制的情况)。对于中机型船，这种配合一般困难不大。对尾机型或中尾机型船，则需要认真分析对待。 另外，某些尾机型船，为了便于机舱布置，缩短机舱长度，或为了避免桨轴伸出过长和轴包架或轴支架尺度过大，将浮心适当取后些比起将棱形系数cp适当取大些，在总体效果上更为有利。,三、平行中体的长度和位置，最大横剖面位置 (一)平行中体的长度和位置 在fr较低(fr 0.24)时，采用一段平行中体，对于前体，可使进流段(le型线尖瘦些，降低兴波阻力；对于后体，可削瘦去流段(lr)的船体型线，有利于改善形状阻力。在实用上，平行中体一段的横剖面形状完全相同，使得中部的船舱方整，便于装卸货物。设置平行中体还可简化工艺和降低建造成本。总之，适当采用平行中体不但在经济性和实用性上有利，在阻力性能上也是有利的。平行中体长度的选取，一般是取不使阻力性能恶化的最大长度。,对一定的船型来说，棱形系数和浮心纵向位置选定以后，就基本上决定了前后体的棱形系数cpf和cpa，因此，平行中体长度和位置的选择，就是对前体和后体的排水体积沿船长进行合理的再分配。 目前，lelb、lrlbp及相应的平行中体长度和位置主要是根据试验资料得出的规律决定的，新船设计时最好参考母型船的资料来选取， 为了避免后体过渡区反曲太大、水流分离过早而产生漩涡，去流段长度不应过短。按贝克理论，最短的去流段长度:,(二)最大横剖面位置 无平行中体的船舶，其最大横剖面位置决定了进流段和去流段的长度。由于前体兴波阻力随fr的增大而增大，所以最大横剖面位置应随fr的增大而后移。如： fr0.30时，则在中后34lbp；高速军舰甚至更后。,四、横剖面面积曲线两端的形状 首尾端部形状，分别与前体棱形系数cpf和后体棱形系数cpa进流段和去流段长度密切有关。图74表示进流段棱形系数cpe 相同的三种典型横剖 面面积曲线的首端部 形状，其中a为直线形， b为凹形，c为微凹形。 显然，三种不同形状表示排水体积在进流段范围内的三种不同的分布情况，从而影响船的兴波阻力。与进流段相似，去流段也有三种形状的横剖面面积曲线，其不同的排水体积沿去流段的分布影响船的形状阻力。,(1)对fr 0.20.22的低速船，兴波集中在首端部，从这点出发，虽然希望面积曲线钓首端尖瘦，即成凹形，但这种低速船的cp一般较大，相应的cp，也较大，这样可能会使其与平行中体连接处出现肩点，反而增加兴波阻力，因此常用直线形的首端。 (2) fr 0.220.28时，兴波不断加剧，范围不断扩大且后移，为此，进流段应增长，以保持整个进流段内曲线呈和缓的变化，以便降低增长着的兴波高压区内的阻力。所以，横剖面面积曲线首端宜取凹形或微凹形。,(3) fr 0.28时，首部兴波范围再增大且后移，则进流段应更增长。所以，首端形状由凹形过渡到微凹或直线形为宜。 (4)去流段的横剖面面积曲线形状，为减少水流分离而产生漩涡，一般应使平行中体向后缓和过渡，过渡段要长些，并保持曲度变化均匀。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。,73 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i：(近首垂线处水线与中心线的角)，以及尾部的纵向斜度等。 一、首段形状 设计水线首段形状对兴波阻力的影响机理，与前面所述的横剖面面积曲线相类似，它的选取与相对速度密切相关，所以，首段形状特征如下： fr =0.160.19 由凸形到直线形； fr =0.200.22 直线形或微凹形； fr =0.230.32 微凹形； fr 0.32 直线形，整个进流段保持和缓的曲度,设计水线的半进流角对船首部兴波阻力有重要影响。适宜的半进流角ie ，主要与fr有关，其次与cp、lb、cwf等有关。在cp与fr成合理配合的情况下，可用图7-5所示的关系来反映，这些资料是对应于lb=7左右的情况，当lb较小时，ie应随lb的减小而适当地增大。 从耐波性方面看，设计水线首段适当丰满些较有利，而成s形的则不利。小型船舶常从稳性和总布置的要求考虑，设计成较丰满的首部水线。,二、尾段形状 设计水线尾段的形状，从阻力上看，主要是影响形状阻力。在一般情况下，它对总阻力的重要性次于首段形状。为了避免水流分离而发生漩涡，尾段要求保证顺滑，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。单桨船螺旋桨区的水线应力求平直，终 端(尾柱处)形状不应钝阔，纵向斜度不要超过20；水线反曲处也应避免斜度过大，注意顺滑过渡，设计水线应盖住螺旋桨和舵，以利安全。,三、水线面系数cw 水线面系数cw与多种因素有关，这些因素包括稳性、快速性、耐波性、总布置、型线协调等等。显然，取大的cw，即表示水线面面积大，对稳性(gm值)和总布置有利；但对快速性不利，通常会使阻力性能变差。 船舶设计中，一般对cw的选取是从快速性着眼，然后校核稳性，总布置及型线配合等方面，看是否合适通常cw与cp或cb有一个大体的协调范围，如： 设计实践表明，c。在此范围内变化，对快速性影响不大。,74 首部及尾部型线 一、横剖型线形状 图7-6所示的为四种常规船型的横剖型线，其形状特征可分为： v、中v、 中u、u形。,(1)u形 排水量沿吃水高度比较均匀分布，使设计水线削瘦，半进流角小，有利于减小兴波阻力；在尾部，u形剖面使伴流比较均匀，有利于提高船身效率，改善螺旋桨的工作条件，降低螺旋桨的激振力。但相对于v形；u形剖面的湿面积较大，摩擦阻力大些；耐波性也差些。一般大型运输船及中、高速船舶，采用u形剖面， (2)v形 v形剖面的面积分布偏于上部，湿表面积较小，对减小摩擦阻力有利。在尾部，v形剖面使去流段水流顺畅，可减小漩涡阻力。v形剖面可增加纵摇和升沉的阻尼，对耐波性有利，小型船舶多采用v形剖面。 (3)中u形或中v形 兼顾阻力和耐波性两方面的要求，为大多数中型船舶所采用。 水上部分的横剖型线应与水下部分光顺过渡；首部适度外飘，可缓和纵摇运动和甲板上浪，并可提供足够的甲板面积。,二、首轮廓线 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1530(图77)。这使设计水线以上的首部水线较尖瘦，减少了首端的激浪；并使设计水线以上的水线面积迅速增加，有利于减小船在迎浪中的纵摇和升沉运动；并可提高碰撞时的安全性；也有利于增大首部甲板面积； 从经济性和实用性来看，前倾不宜过大，否则会增加总长和造价、增大吨位及泊位长。,三、尾轮廓线 现代运输船一般采用巡洋舰尾(图78)。其尾悬体沉入水中一定深度，改善了船尾的水流，对快速性有利。尾部的轮廓线要考虑螺旋浆、舵、船体之间的配合，既要盖住舵的后缘，又要留有一定的间隙。在设计水线处，尾垂线后的长度大体为(0.0250.035)lbp。上甲板处的长度，则按上甲板上布置的需要来考虑，一般为(0.030.045)lbp。近年来，为简化工艺，节省钢材，在设计水线附近切除了巡洋舰尾的曲面尾端，改用一块后倾为1015的平板作为尾封，如图78中的虚线所示，,上述船尾习惯上也称方尾，但与高速舰艇舶方尾是有根本区别的。 高速舰艇采用的方尾如图79所示。它具有阔而平坦的船底，平直的尾部纵剖线，从而使高速舰艇的尾部水流能平顺地离开船体，减小尾流的能量损失，形成了相当于增加船长的“虚长度”，故能减小高速舰船的阻力桑德斯提出，方尾浸深为v2 200(v为航速，ms)或不小于0.25设计吃水，漫没面积不小于中横剖面面积的0.15倍，吃水处的尾封板宽度不小于船宽的8090。方尾型线的尾部水线宽，水线面系数大，有利于提高舰艇的稳性及防止螺旋浆吸入空气，宽敞的尾部甲板，便于布置和建造施工。但倒车性能较差，倒车时尾部甲板易溅水。,双桨船尾部水下部分的轮廓线必须结合桨、轴、舵的数目和位置、桨径、轴支架(或轴包架)和尾部横剖型线的设计综合加以考虑，避免桨叶与船体、附体间的间隙过小，产生激烈的振动；保证采流顺畅，以提高推进效率。,四、球鼻首,(一)球鼻首的减阻机理 不同速度和形状的船舶，其球鼻首的减阻机理是不同的。 减小兴波阻力 对于fr在0.270.34之间的中高速船，安装球鼻苜可以减小兴波阻力。这是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。 减小舭涡阻力 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