船舶设计原理-第五章-方案构思与主尺度选择课件

5.1总体设计方案构思5.1.1船型特征和总布置设想总布置设想主要包括：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。船型特征是指某一类型船舶总体的基本特征。在充分理解设计技术任务书要求的基础上，新船设计首先应进行总体设计方案的构思，需要对新船的特征和总布置有一个基本的设想，通过这项工作，可以对新船的概况有一个明确的概念，对如何满足新船的各项要求进行具体的考虑，可将设计工作的各个方面直接联系起来，便于暴露存在的主要矛盾。下面结合散货船和集装箱船作一概述。5.1总体设计方案构思5.1.1船型特征和总布置设想15.1总体设计方案构思散货船船型特征:散货船以运输大宗货物为主，主要有：煤、谷物、矿砂等，也可以装运木材、钢材、纸浆、重货等。设计时一般以其中的一、二种货物为主来考虑。散货船的载重量一般都在万吨以上，大型散货船为13万吨～17.5万吨（好望角型），6～8万吨级为巴拿马型（型宽限制约为32.2m），4～5万吨级的称为灵便型。散货船一般都是低速船，所以船体都比较丰满，大多为单桨推进，宽浅吃水型船也有采用双桨。现代散货船一般都设置具有整流作用，并能兼顾压载航行工况的球首。5.1总体设计方案构思散货船船型特征:散货船以运输大宗货25.1总体设计方案构思散货船图片：5.1总体设计方案构思散货船图片：35.1总体设计方案构思75000t散货船总布置图：5.1总体设计方案构思75000t散货船总布置图：45.1总体设计方案构思散货船总布置特征:现代散货船都采用尾机型，这样中部方整的部位都可以用于货舱，有利于货舱口的布置和提高舱容利用率，也有利于结构的连续性，提高总纵强度。机舱的长度在机舱布置许可的情况下应尽量缩短。首尖舱的长度约0.05～0.07LPP，尾尖舱的长度约0.035～0.045LPP。散货船的货舱通常设有顶边水舱和底边水舱。这种货舱形状的好处是：减少了卸货时的清舱工作量；可以将散货装满，减少平舱工作量；顶边舱和底边舱用于装载压载水，增加了压载量，提高了压载重心，可增加压载航行的首尾吃水和改善压载状态的横摇性能。运输矿砂的散货船因矿砂密度大，所需舱容小，所以双层底高度和边舱尺寸都很大，这样可避免货物重心过低，初稳性过高，横摇周期过短。散货船一般都为单甲板（仅有一层连续露天甲板）。大型散货船大多仅设甲板室，无首楼和尾楼，也有些仅设首楼，无尾楼；中小型船一般都设有首楼，并根据需要也有设置尾楼。驾驶室以及船员生活舱室等都设置在船尾。甲板室的层数和高度根据所需的布置地位以及驾驶盲区的要求确定。5.1总体设计方案构思散货船总布置特征:现代散货船都采用55.1总体设计方案构思集装箱船船型特征:集装箱船的大小通常以20ft标准集装箱（TEU）数量来表示。一般来说载箱数超过2500TEU为大型船，载箱数在500TEU以下的为小型船。巴拿马型集装箱船的载箱数在2500TEU～4400TEU，超巴拿马型的集装箱船都在4000TEU以上。国内正在建造的比较典型的巴拿马型集装箱船为4250TEU，超巴拿马型的为8530TEU。5.1总体设计方案构思集装箱船船型特征:集装箱船的大小通65.1总体设计方案构思集装箱船布置特征:集装箱船的机舱部位，对于中小型船大多采用尾机型，大型船也有采用中尾机型（即机舱后面还设一个货舱）。由于集装箱船航速较高，方形系数较小，所以船尾部比较削瘦，采用尾机型机舱需要较大的长度，而中尾机型船的机舱长度相对可减小。集装箱船的货舱形状由于大开口的要求，绝大多数采用双壳体结构。为了提高甲板大开口船的抗弯、抗扭强度，双壳体的上部都设有平台，形成箱形抗扭结构。由于货舱盖上要堆装多层集装箱（一般在4层以上），所以舱盖要有足够的强度。吊装式舱口盖因每块盖板的重量要控制在起货设备的起吊能力范围内，所以舱盖的大小、布置和支撑形式与货舱的设计也有密切关系。5.1总体设计方案构思集装箱船布置特征:集装箱船的机舱部75.1总体设计方案构思集装箱船布置特征:集装箱船的上层建筑具有长度短，层数多的特点。长度短是为了节省甲板面积；层数多是驾驶室高度的需要，目的是为了解决驾驶盲区的问题。IMO规定集装箱船驾驶盲区不应大于2倍船长，过巴拿马运河时盲区另有规定。大中型集装箱船通常不设起货设备。小型集装箱船为适应小型港口的需要，常设置甲板起重机。为了减少设置起重机对集装箱布置的影响，有些船将起重机布置在舷侧。集装箱船由于重心很高，为解决稳性问题，满载情况也常需要用压载水来降低重心高度，所以双层底舱几乎全部用作压载水舱。此外，首尾尖舱、两舷双壳体内一般也用作压载水舱。为了平衡装卸集装箱时的横倾，两舷边舱中的左右一对压载水舱通常各装50％压载水，用作调整横倾。集装箱船在装卸舱内集装箱时横倾不能超过5°，以免集装箱被导轨卡住。5.1总体设计方案构思集装箱船布置特征:集装箱船的上层建85.1总体设计方案构思4250TEU集装箱船总布置图:5.1总体设计方案构思4250TEU集装箱船总布置图:95.1总体设计方案构思5.1.2主尺度的初步考虑方案构思时，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。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。考虑主尺度选择范围的方法主要有母型法、统计方法和经验公式。需要强调的是：尺度比参数比绝对尺度更能发映与船舶性能、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。5.1总体设计方案构思5.1.2主尺度的初步考虑方案105.1总体设计方案构思5.1.3主要技术性能的分析主要技术性能有：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使用、安全和经济性。技术性能的指标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，必须清楚：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。在总体设计方案构思中，必须清楚性能与船舶要素之间的联系规律。本节针对船舶的快速性、稳性、耐波性和操纵性作一分析与讨论。5.1总体设计方案构思5.1.3主要技术性能的分析主115.1总体设计方案构思（一）快速性船舶快速性包括阻力性能和推进性能两部分。研究快速性的问题是在有关约束条件下，希望能以较低的推进功率达到给定的航速要求；或者在给定的推进功率下，尽可能地提高航速。减小阻力，提高推进效率始终是船舶设计所追求的目标。从阻力方面看，船舶的总阻力R取决于排水量、航速、棱形系数（或者方形系数）、尺度比（L/B、L/d、L/Δ…）、船体型线等因素。从推进效率方面看，对于螺旋桨推进方式，螺旋桨的负荷是主要因素，这涉及到螺旋桨的收到功率、转速、直径和航速。一般来说，单桨功率越大、转速越高、桨的直径越小、航速越低，螺旋桨效率也就越低。从设计的角度来说，解决快速性的问题主要是选择合适的主尺度，优化船体的型线，控制好螺旋桨的设计参数，必要时采用一些改善快速性的特殊技术措施。影响快速性的因素:5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思（一）快速性船舶快速性包括阻力性125.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的组成：船舶阻力的分类：因此：其中：5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的组成：船舶135.1总体设计方案构思船舶的阻力性能傅汝德数定义：vs——速度（m/s);g——重力加速度（m/s)；L——m（船长）（船速Vs通常用节表示：kn，1节＝0.5144m/s）雷诺数定义：vs——速度（m/s);γ——水的运动粘性系数（m/s)，与水的温度有关，温度越高，γ越小；

L——m（船长）5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能傅汝德数定义：vs—145.1总体设计方案构思船舶的阻力性能兴波阻力特性（1）根据兴波阻力理论分析，可得：或式中：A、B、C、D是常数；λ是波长；

m是系数，mL称为兴波长度；S是船的湿表面积。上式表明，兴波阻力RW是由两部分组成，其中第一项为首尾兴波产生的“自然兴波阻力”；第二项是首尾波（横波）遭受干扰产生的兴波阻力。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能兴波阻力特性（1）155.1总体设计方案构思船舶的阻力性能（兴波阻力特性）（2）兴波阻力曲线由于是在+1.0～-1.0之间变动，因此CW曲线存在凸起和凹陷的现象，也称为兴波阻力的“峰”和“谷”。当时出现“凸起”，即此时首尾横波产生了不利的干扰。当时出现“凹陷”，即此时首尾横波产生了有利的干扰。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能（兴波阻力特性）（2165.1总体设计方案构思船舶的阻力性能（兴波阻力特性）（3）兴波干扰兴波阻力随航速成六次方的关系变化，因此兴波阻力占船舶总阻力的比例随航速的增加而迅速增大，对中高速船，约为30％～50％。对中、高速船减少船舶阻力的努力方向是降低兴波阻力，特别是高速船。兴波阻力中干扰产生的兴波阻力是人们十分感兴趣的研究对象。该部分阻力的大小取决于兴波长度mL，而mL=f(L,λ，Cp)。因此，干扰作用主要与船长和棱形系数有关。船舶设计中对应一定的设计航速，合理选择船长和棱形系数对降低兴波阻力有重要的关系。艾亚根据船模和实船试验结果，分析得到的不同FN与波阻“峰”及“谷”的关系见下表，除此以外还有一些估算的公式。FN0.2000.2140.2320.2560.2830.342峰、谷峰点谷点峰点谷点峰点谷点5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能（兴波阻力特性）（3175.1总体设计方案构思船舶的阻力性能摩擦阻力：流体的摩擦阻力就是在边界层内发生的。边界层是指粘性流体以速度v流经平板时，在平板表面的速度为零，在距离平板一定范围后，流体速度为v。此范围称为边界层，边界层的厚薄还与流经平板的长度有关，当流过平板一定长度后，边界层的厚薄不再变化。对于粘性较小的流体（如水）流过平板时，粘性对流动的影响仅发生在很薄的一层流体内，即边界层厚度极小，但速度变化率很大。摩擦阻力为：根据摩擦定理：5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能摩擦阻力：流体的摩擦185.1总体设计方案构思船舶的阻力性能(摩擦阻力)摩擦阻力的计算:摩擦阻力为：式中：对于光板的层流摩擦阻力系数可得到精确的理论计算公式，即对应的雷诺数RN

范围为<（3.5～5.0）×10。但一般船舶的雷诺数在4×10<RN<3×10，其对应的流动状态是紊流边界层。569船舶摩擦阻力系数计算公式是根据平板试验结果导出的经验公式。目前一般用于船模与实船换算的摩擦阻力系数是1957ITTC公式（1957年国际船模试验池会议公式）：5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能(摩擦阻力)摩擦阻力195.1总体设计方案构思船舶的阻力性能(摩擦阻力)摩擦阻力的计算:对于摩擦阻力计算中采用“相当平板”的假定，忽略了实际船体的弯曲和粗糙，会有误差。但研究结果表面，船体弯曲度对摩擦阻力的影响并不显著，试图通过改变船体型线的办法来减小摩擦阻力其效果是不大的。同时，至今尚无公认的对形状效应的修正办法，因此一般不作修正。对于实际船体表面的粗糙度问题，有过一些研究和经验公式，但应用并不广泛。实际计算中对此的考虑，是在光滑平板摩擦阻力系数CF上加上一个与雷诺数无关粗糙度补贴系数ΔCF，即我国一般取ΔCF＝0.0004，但对大船通常取更小的值。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能(摩擦阻力)摩擦阻力205.1总体设计方案构思船舶的阻力性能(摩擦阻力)减小摩擦阻力一些措施:在一定的航速下，摩擦阻力与船的湿表面积，水的运动粘性系数和船体表面的粗糙度有关。虽然，对于一定排水量的船，较小的L/B和B/d

值可减小湿表面积，但这些尺度比的选择通常还有更重要的因素要考虑，因此，一般来说，减小湿表面积的措施是不大可行的。一种大胆的措施是改变运动粘性系数，例如在船体表面喷注稀释的聚合物溶液、设置空气薄膜装置等。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能(摩擦阻力)减小摩擦215.1总体设计方案构思船舶的阻力性能粘压阻力：在理想流体中不存在粘压阻力。在有粘性的流体中，由于粘性和压力差影响到边界层内的水质点运动，从能量观点看，船尾形成的漩涡消耗了能量。因此粘压阻力与船的形状有关。粘压阻力主要发生在船体水下形状发生突变的地方。对于丰满度较小的船，主要发生在船尾；对丰满度较大的船，船首肩部（型线发生突变处）也会产生严重的舭涡，因此型线设计中对此应加以仔细考虑。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能粘压阻力：在理想流体225.1总体设计方案构思船舶的阻力性能（粘压阻力）在船模试验换算实船阻力中，为考虑粘压阻力，较多采用的是“三因次换算法”。它假定粘压阻力与摩擦阻力之比为一常数k，即：或船模的总阻力系数表达为：实船的总阻表达为：数值（1+k）称为形状因子形状因子（1+k）数值的确定是通过试验方法测得，有一定的难度。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能（粘压阻力）在船模试235.1总体设计方案构思船舶的阻力性能破波阻力：破波阻力的发现是在60年代末。对船首丰满，B/d较大，航速又较高的船破波阻力是不可忽视的阻力成分，对于型线瘦削的船型则可忽略不计。破波阻力可通过船模试验测量得到。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能破波阻力：破波阻力的245.1总体设计方案构思船舶的阻力性能求解船舶阻力的方法：船模试验方法：用小尺度的船模，在拖曳水池中试验，应用相似定律将阻力换算到实船。经验估算方法：根据经验公式和统计公式或母型船的试验资料进行估算。理论计算方法：根据流体力学理论直接计算，例如Shipflow

软件。目前，理论方法对兴波阻力的计算已有一些接近成功的算例。对于粘性阻力的计算尚在研究中。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能求解船舶阻力的方法：255.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：①海军系数法母型船数据粗估方法式中：Δ──排水量（t）；

V──航速（kn）；

PE──有效功率（kw）。

在推进效率相当的情况下，海军系数法也可以用于主机功率PD

的估算。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：265.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：母型船数据粗估方法②按排水量的引伸比较法当两船水下形状相近时，可用母型船有效功率曲线（PEo~Vo曲线）上相应速度处的PEo按排水量换算新船的有效功率PE，如假定推进效率也相当，则可用母型船的推进效率换算得新船的主机功率。具体方法是：首先根据新船的航速按排水量关系计算对应母型船的船速点：根据VO在母型船的PEO~VO曲线上查得PEO后，则新船的有效功率PE为：

如假定两船推进效率相等（PEO/PO=PE/P），则

5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：275.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：母型船数据粗估方法③统计公式例如：适用于中小型船舶的回归多项式估算公式式中：P──螺旋桨收到功率（kW）；

N──螺旋桨转速（r/min）

5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：285.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：比较详细的估算方法

①比较详细的估算方法，常用的是采用相近的船模试验资料来估算新船的阻力。相近的船模试验资料主要有两种，一种是相近的母型船船模试验资料，另一种是相近的系列船模试验资料。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：295.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：比较详细的估算方法

②应用系列船模试验资料估算阻力系列名称适用范围计算结果扩展的泰勒系列Cp=0.5~0.8适用于双桨高速瘦削船型裸船体有效功率，计算的阻力一般偏低60系列CB=0.6~0.8适用于尺度较大，航速较高的单桨商船，首、尾横剖面呈U型裸船体有效功率，计算的阻力值略低BSRA系列CB=0.55~0.85适用于的中速单桨海船，尾横剖面呈U型裸船体有效功率，计算的数值略低于实船SSPA系列CB=0.525~0.75适用于中、高速单桨中小型运输船，首横剖面呈V形，低速船呈U形裸船体有效功率，对船长大于150m的船，其数值略高日本肥大型船系列（CB=0.78~0.84）适用于低速肥大型船，横剖面呈U形裸船体有效功率，数值比60系列略高浅吃水肥大型船系列（CB=0.79~0.85）适用于低速单桨浅吃水运输船，有球首和球尾，含不同装载情况裸船体有效功率5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能船舶阻力的估算方法：305.1总体设计方案构思船舶的阻力性能方案构思中对减少船舶阻力的一些考虑：（1）在选择船长时，注意避免兴波阻力位于“峰”的区域。在无法避免时，适当取较小的棱形系数，船型系数中棱形系数对兴波阻力影响重大。（2）选择较大的L/B和L/Δ，较小的B/d对降低兴波阻力和粘压阻力有利。但尺度比选择的考虑因素还很多，必须统筹兼顾，特别是不同速度范围的船其设计考虑的侧重点是不同的。1/3（3）在一定的主尺度和船型系数下，船体型线设计是否优秀，对阻力性能仍有较大的影响，必须仔细优化。例如：浮心纵向位置适当后移，削瘦首部型线，以便减小兴波阻力；设置减阻的球首等。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的阻力性能方案构思中对减少船舶315.1总体设计方案构思船舶的推进性能船舶推进的几种方式：①螺旋桨推进，包括：普通螺旋桨导管螺旋桨可调距螺旋桨对转螺旋桨串列螺旋桨等②风帆③明轮④直叶推进器⑤喷水推进器5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能船舶推进的几种方式：325.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨的参数：(1)螺旋桨直径D、叶数Z(2)盘面比（伸张面或展开面与盘面积比）：AE/A0(3)螺距比：P/D(4)叶切面形状特征5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨的参数：(1)335.1总体设计方案构思船舶的推进性能船舶螺旋桨总的推进效率由以下各部分效率组成：（1）传递效率ηs

它是指主机发出的功率PS与螺旋桨收到的功率PD之比。这中间包括轴系中的轴承效率、尾轴填料函、减速齿轮箱效率等。一般轴系效率约为0.98，齿轮箱效率约为0.96～0.98。（2）推进效率ηD

（也称为准推进效率或拟是推进效率QPC）

它是指螺旋桨收到功率PD与有效功率PE

之比。有效功率PE

与主机发出功率之比称为推进系数：

5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能船舶螺旋桨总的推进效345.1总体设计方案构思船舶的推进性能（3）螺旋桨敞水效率螺旋桨敞水

效率是指单独螺旋桨在水中工作的效率。螺旋桨吸收转矩Q，发出推力T。转矩的无因次系数（转矩系数）KQ

和推力的无因次系数KT分别为：式中：D——螺旋桨直径；

n——转速；

ρ——水的质量密度。螺旋桨敞水效率:式中J为进速系数：VA——螺旋桨进速。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能（3）螺旋桨敞水效率355.1总体设计方案构思船舶的推进性能（4）船身效率和相对旋转效率在船尾工作的螺旋桨和在敞水情况下工作的螺旋桨不同，首先，船尾处由于伴流的影响的，水流速度不同于船速V，而且伴流是不均匀的；其次，由于螺旋桨工作时的抽吸作用，导致船尾压力下降，使得船体阻力增加。这些称之为螺旋桨与船体间的相互作用。产生伴流的原因有形势伴流、摩擦伴流和波浪伴流。在螺旋桨盘面各点的伴流速度大小和方向各不相同。取盘面处伴流的平均轴向速度为v

（也称为平均实效伴流速度），则螺旋桨与该处水流的相当速度（VA）为：定义伴流分数w：若已知伴流分数，则螺旋桨的进速为：5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能（4）船身效率365.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨对船体阻力的影响——推力减额分数由于螺旋桨工作导致阻力的增加为ΔR，则相对的螺旋桨发出的推力也要由T再增加一个ΔT，称ΔT为推力减额，即：定义推力减额分数：由此得船体阻力R

与螺旋桨推力T

之间得关系有

：推力减额与伴流之间有密切的关系。螺旋桨在一般工作情况下，推力减额分数t<

伴流分数w。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨对船体阻力的影375.1总体设计方案构思船舶的推进性能船身效率船的有效功率PE

螺旋桨推进功率PT之比称为船身效率：船模在桨盘处的各点水流速度可以测量，从而可得到桨盘各半径处的伴流情况，包括伴流的不均匀程度以及平均伴流分数。伴流分数和推力减额的估算公式（详见教材）5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能船身效率船的有效功率385.1总体设计方案构思船舶的推进性能伴流不均匀性的影响（相对旋转效率）由于在船尾工作的螺旋桨盘面上各点速度不等，即伴流不均匀，使船后桨和敞水桨在同一进速下的推力和扭矩也不同。考虑到目前使用的是等推力测量法，因此用相当旋转效率

来表示船后桨与敞水桨在扭矩上的差异。相当旋转效率可通过试验获得。对普通单桨船的相对旋转效率约在0.98～1.05之间，双桨船在0.97～1.0之间。螺旋桨设计中，在缺少资料时，一般可取：相对旋转效率也可作写作螺旋桨敞水收到功率PD0

与船后桨收到功率PDB

之比：5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能伴流不均匀性的影响（395.1总体设计方案构思船舶的推进性能综上所述，螺旋桨各项推进效率为：推进系数P.C为：对于采用普通螺旋桨推进方式，提供推进效率的措施主要是设法提高船身效率和螺旋桨敞水效率5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能综上所述，螺旋桨各项405.1总体设计方案构思船舶的推进性能简单判别螺旋桨敞水效率可以从螺旋桨功率系数考虑：功率系数（负荷系数）：式中：N——螺旋桨转速；

PD——螺旋桨敞水收到功率；

VA——螺旋桨进速；螺旋桨功率系数越大，敞水效率也越低。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能简单判别螺旋桨敞水效415.1总体设计方案构思船舶的推进性能考虑螺旋桨的性能还有空泡和激振问题，总体设计中，特别对螺旋桨的激振必须加以足够的重视。螺旋桨激振力是引起船舶振动的主要因素之一，现代船舶的吨位、尺度、航速、主机功率和螺旋桨负荷也越来越大，因次螺旋桨的激振力问题也引起人们越来越严重的关切。船舶的振动问题除了设计中仔细把握全船总振动问题以外，局部振动也必须加以重视。为减少螺旋桨激振力对船体的影响，增大桨叶与船体的间隙是有利的。但是，此要求常常与有限的船尾框尺寸发生矛盾，设计中必须对螺旋桨的大小和型线设计中船尾框的尺寸加以仔细的把握。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能考虑螺旋桨的性能还有425.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考虑（1）螺旋桨的数目考虑的因素：推进性能操纵性船舶的主尺度和尺度比主机的选型振动（2）螺旋桨叶数的选择考虑的因素：效率空泡性能振动5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考435.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考虑（3）螺旋桨直径和转速转速与直径的关系考虑的因素：直径的限制条件主机选型和减速比（4）螺旋桨与型线的配合考虑的因素：船身效率特殊尾型的考虑5.1.3主要技术性能的分析（5）特殊螺旋桨5.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考445.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考虑船、机、桨的配合：螺旋桨设计中，通常以设计吃水、新船情况的静水有效功率曲线为对象。但是，船舶实际营运中，不同装载情况下排水量不同；实际海况中有风浪作用，船体会产生“污底”，都会使阻力增加；主机使用旧了，发出的功率会有所减小，等等。因此航速、螺旋桨工况都会发生变化。因此，螺旋桨设计中，一方面对设计桨要进行不同有效功率曲线下检验螺旋桨在不同转速时的推进特性，这种检验就是计算绘制航行特性曲线。另一方面，在螺旋桨设计时要仔细斟酌主机的功率点和转速点。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考455.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考虑主机功率的折扣和有效功率的风浪储备:主机在额定转速下，在规定的正常维修周期内按标准环境条件连续运转的最大功率称为连续最大功率MCO，或称连续功率或额定功率。在主机的特性曲线图上，连续最大功率和额定转速的交点代表主机的连续最大运转工况MCR（Maximumcontinuousrating）。在使用中考虑主机的经济性和维修保养，常对主机功率扣除一个运转裕度OM（Operationalmargin），对于运输船舶，其范围为0％~15％，常取10％。扣除裕度后的主机功率为常用功率。在常用功率和MCR转速下的运转工况称为连续运转工况CSR（Continuousservicerating）。推进器设计工况通常还要考虑航海裕度SM（Seamargin），即风浪和污底的影响所引起的阻力增加或推进性能的下降。SM一般在0％~25％，国际航行的运输船通常取10％~15％。5.1.3主要技术性能的分析5.1总体设计方案构思船舶的推进性能螺旋桨设计中的若干考465.1总体设计方案构思（二）稳性5.1.3主要技术性能的分析船舶的完整稳性包括初稳性和大倾角稳性。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重心高度、型宽因素以外，还与干舷、上层建筑（符合计入稳性条件的部分）、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确定的，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控制。5.1总体设计方案构思（二）稳性5.1.3主要技术475.1总体设计方案构思（二）稳性5.1.3主要技术性能的分析船舶适宜的初稳性高必须从上限和下限两方面来考虑。初稳性下限是从保证安全和使用要求来考虑，其最低限度必须满足法规要求。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，有不安全感。此外船在随浪中航行时稳性会下降。从使用要求看，也需要保证一定的初稳性高。所以，设计中初稳性下限的考虑除了要满足法规对稳性的要求以外，还需考虑实际使用要求。初稳性上限是从横摇缓和性方面来考虑。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，设备易出故障，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下限的条件下力求使横摇周期长一些，横摇运动缓和些。5.1总体设计方案构思（二）稳性5.1.3主要技术485.1总体设计方案构思（三）耐波性5.1.3主要技术性能的分析船舶耐波性是研究船舶在波浪中的运动，船的运动有六个自由度：横摇、纵摇、首摇、垂荡（升沉）、横荡、纵荡。其中人们主要关心的是横摇、纵摇和升沉，此外，船在波浪中的失速也是耐波性研究中的重要内容。船舶耐波性也有称为“适航性”。船舶设计中对耐波性的考虑是关系到提高船舶在一定的海洋环境条件下航行或作业的能力。船舶在波浪中的运动和加速度引起船体砰击、甲板淹湿、阻力增加和螺旋桨飞车，会导致船体结构损伤、设备仪器损坏、航行失速以及人员疲劳和工作效率低下，甚至伤及人员。因此，耐波性是船舶的一项重要性能。对于一般货船，根据船的大小对耐波性考虑的程度有所区别。小型船舶由于耐波性问题比较严重，因此在主尺度决定、型线设计等方面对耐波性问题应多加注意。大型船舶一般来说耐波性的矛盾并不突出，所以设计中对此的考虑相对次要些。5.1总体设计方案构思（三）耐波性5.1.3主要技495.1总体设计方案构思（三）耐波性1.横摇5.1.3主要技术性能的分析横摇是指船舶绕纵轴所作周期性的角位移运动。由于横摇复原力矩较小，船在风浪中最容易发生横摇，且摇幅较大，因此对船舶的航行性能影响也较大。在一定的海洋环境条件下，改善横摇的问题主要是提高船舶固有横摇周期和减少横摇幅值。周期和幅值也决定了横摇运动的加速度。横摇周期的计算公式：式中：Ix和Ax分别为船体和附连水质量惯性矩Δ为排水量（t）GM为初稳性高（m）由于Ix和Ax都不易计算，习惯上将两者合二为一，即5.1总体设计方案构思（三）耐波性5.1.3主要技505.1总体设计方案构思5.1.3主要技术性能的分析横摇周期估算公式IMO近似公式：国内法规近似公式：式中：B/d<2.5时，f取1.0

（三）耐波性1.横摇5.1总体设计方案构思5.1.3主要技术性能的分析横515.1总体设计方案构思5.1.3主要技术性能的分析为了缓和船舶的横摇，通常希望船舶的横摇固有周期（Tφ）超过航区较常见的大的波浪周期（TW），以避免发生谐振横摇，一般希望Tφ≮1.3TW。根据我国沿海和近海的波浪情况，大的波长约为60m~80m，则对应的横摇周期Tφ应不小于8~9秒，远海（或无限航区）的船舶，如果按波长λ＝140m计算，则Tφ以大于12秒为宜。船舶的横摇固有周期Tφ∝B/。由于小船的初稳性高一般并不比大船小，所以大船一般具有较大的Tφ值，横摇缓和性较好。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。（三）耐波性1.横摇5.1总体设计方案构思5.1.3主要技术性能的分析为525.1总体设计方案构思（三）耐波性（横摇）5.1.3主要技术性能的分析改善横摇的措施设计中对横摇周期的考虑主要通过选择合适的主尺度与尺度比，特别是B/d。对于减小横摇幅值，主要是从增加横摇阻尼方面来考虑。改善船舶横摇幅值的措施，从设备方面考虑，可以选用合适的减摇装置。目前船舶的减摇装置主要有：舭龙骨、减摇鳍、被动式减摇水舱、可控式减摇水舱等。5.1总体设计方案构思（三）耐波性（横摇）5.1.3535.1总体设计方案构思（三）耐波性（横摇）5.1.3主要技术性能的分析改善横摇的措施舭龙骨是最简便又有效的减摇装置，几乎被所有的海船所采用。舭龙骨的减摇作用是增加横摇阻尼，在船低速时也有效果，对其他性能和使用几乎没有影响。（1）舭龙骨舭龙骨是安装在舭部距横摇中心最远的部位，通常位于中剖面舭部的方框线之内，纵向沿流线布置。舭龙骨的面积约为LPP×B的2％~4％。其有效长度随CB增大而增加，在CB=0.6~0.7时，一般不超过0.4LPP，CB≥0.8时，可达0.6LPP。船首、尾端的舭龙骨因距中心线很近，几乎没有作用。5.1总体设计方案构思（三）耐波性（横摇）5.1.3545.1总体设计方案构思（三）耐波性（横摇）5.1.3主要技术性能的分析改善横摇的措施（2）减摇水舱

重力式减摇水舱，如U型、平面—槽型减摇水舱等。被动式减摇水舱的效果是有争议的，实践中常不受欢迎。可控式减摇水舱的效果在35％~60％，且在低速时也有效，但造价也较大。减摇水舱要占据一定的容积，其增加的重量约为排水量的1~4％，对稳性也略有影响。（3）减摇鳍减摇鳍是各种减摇装置中效果最显著的，减摇效果可达80％以上，但在低速时效果迅速下降。减摇鳍有收放型和非收放型两种。小型船舶因地位所限，可采用非收放型。减摇鳍的造价较高，一般使用在横摇性能比较重要的船舶。5.1总体设计方案构思（三）耐波性（横摇）5.1.3555.1总体设计方案构思（三）耐波性2.纵摇与升沉5.1.3主要技术性能的分析船舶在迎浪或斜浪中航行会产生纵摇与升沉运动，其不利影响主要是产生船体砰击、螺旋桨出水、阻力增加以及甲板淹湿等。此外，纵摇与升沉运动产生的垂向加速度超过0.15g时，对船上人员的生活和工作就有较大的影响。因此减缓纵摇与升沉运动无论对船舶的使用和人员的舒适性都有重要意义5.1总体设计方案构思（三）耐波性5.1.3主要技565.1总体设计方案构思（三）耐波性

（

纵摇与升沉）5.1.3主要技术性能的分析

船舶的纵摇与升沉运动一般难以通过减摇装置来改善，主要从主尺度的选择以及型线设计方面来考虑。改善纵摇与升沉的措施就主尺度而言，船长L大对改善纵摇与升沉运动有利，即L/越大，船在各种海况中维持中等程度的纵摇及甲板干燥的航速范围也就越大。

为了使船舶在纵摇与升沉运动下能达到较高的航速，纵摇与垂荡的固有周期（Tθ及TZ）应具有较小的值，为此取较大的L/d，较小的CB

和较大的CW

是有利的。但吃水d太小会增大螺旋桨出水的频率，因此有人建议d/L应不小于0.045。

5.1总体设计方案构思（三）耐波性（纵摇与升沉）5575.1总体设计方案构思（三）耐波性

（

纵摇与升沉）5.1.3主要技术性能的分析改善纵摇与升沉的措施保证船舶空载或压载航行时一定的首尾吃水是减少船首砰击和螺旋桨飞车的重要措施。船型系数中水线面系数CW

对耐波性的影响是比较显著的，研究结果表明CW（尤其是前半体的CWF）取大的值对改善耐波性总是有益的。减少甲板淹湿的一个重要措施是船舶应具有足够的船首高度。

5.1总体设计方案构思（三）耐波性（纵摇与升沉）5585.1总体设计方案构思（三）耐波性

（

纵摇与升沉）5.1.3主要技术性能的分析风浪中的失速

船在风浪中航行产生失速的原因，在一般海况下是阻力增加和推进效率降低，这种情况通常称为自然失速；在恶劣海况时，船舶运动超过了所能忍受的程度，为避免严重的甲板上浪、船底砰击或螺旋桨飞车，而被迫大幅降低航速或适当改变航向，这种情况通常称为被迫降速。船的主尺度和船型系数对波浪中水阻力增加的规律大体上是：大的CB

总是不利的，尤其是在波长与船长之比（λ/L）大于0.75以后，CB

的影响更为显著；船宽B增大是不利的；在λ/L=0.9~1.25范围内，增大L/可能是有利的：浮心位置后移一般是有利的。5.1总体设计方案构思（三）耐波性（纵摇与升沉）5595.1总体设计方案构思（四）操作性5.1.3主要技术性能的分析操纵性良好的船舶应具备：足够的航向稳定性；中小舵角时良好的应舵性能；符合要求的大舵角回转性能适中的主机仃车和倒车时的停船性能。解决操纵性的主要技术措施：选择有效合理的操纵装置；控制好主尺度及尺度比；5.1总体设计方案构思（四）操作性5.1.3主要技605.1总体设计方案构思（四）操作性5.1.3主要技术性能的分析舵是实现船舶操纵的主要设备。操舵能使船舶改变航向，把舵置于零舵角位置则具有稳定航向的作用。操纵装置——舵船舶主尺度对航向稳定性和回转性的影响规律通常是矛盾的，例如L/B增大、B/d和CB

减小都可改善航向稳定性，但回转性都会下降。在选择主尺度时应避免出现对航向稳定性或回转性产生极端不利的情况，要兼顾操纵性中航向稳定性和回转性的利弊得失。船体水下侧面积（A）和形状对航向稳定性有很大的影响。当侧面积系数（A/LBP·d）较小，面积形心位于中前时，航向稳定性就差，当侧面积形心一定时，侧面积系数大，航向稳定性也会改善。船型参数对操纵性的影响5.1总体设计方案构思（四）操作性5.1.3主要技615.1总体设计方案构思（四）操作性5.1.3主要技术性能的分析船舶设计中应避免出现操纵性异常情况。所谓操纵性异常情况是指回转阻尼过小，回转性过强，在零舵角附近航向左右不稳定；更有甚者，在把定某一小舵角后，船首还会左右摇摆。这种情况说明船对小舵角应答不灵，必须用大舵角才能纠正航向。出现这种情况的原因是，船型丰满度太大，特别是船尾型线过于肥钝或尾框设计不当，舵桨处的流场过分紊乱，存在不定常横流并导致尾部水流不对称分离，从而产生不定向的侧向力。改善肥大船航向稳定性的措施主要是适当增加舵面积，尽量增大呆木或尾鳍的面积，优化尾端型线和尾框的设计。船型参数对操纵性的影响5.1总体设计方案构思（四）操作性5.1.3主要技625.1总体设计方案构思（四）操作性5.1.3主要技术性能的分析当航向稳定性不好时，船尾设置呆木或尾鳍是一种常用的有效措施，增大呆木和尾鳍的面积能显著改善航向稳定性，对回转性略有影响。回转性有特殊要求的船可采用360度全回转螺旋桨。要求快速离靠码头等操纵要求时可设置侧推装置。改善操纵性的其他措施5.1总体设计方案构思（四）操作性5.1.3主要技635.1总体设计方案构思（五）关于船舶振动与噪音的考虑5.1.3主要技术性能的分析船体的振动是船舶设计中的一个重要问题，应给予充分的注意。导致船体振动的原因主要是振动源的频率与船体结构的固有振动频率在低阶范围内相等或相近，从而引起共振。当船舶的结构设计完成以后，船体结构的固有频率已经确定了，此时发现有共振危害而再想改变船体固有频率是很困难的。当然，对于局部振动问题可以采取局部加强的办法来改变振动部件的刚性。避免有害振动的措施主要应该从减小激振力和改变振动源频率两方面来考虑。例如从主机选型（特别是缸数），螺旋桨型式、叶数、转速以及桨与船体及舵之间的间隙等多方面来考虑。船舶的噪声对船员和乘客是很有害的。船舶噪声主要来源于螺旋桨和各种机械以及振动导致的结构噪声。控制噪声主要从减振和隔声两方面着手。5.1总体设计方案构思（五）关于船舶振动与噪音的考虑5645.2主尺度的分析与初步选择习惯上把主尺度、排水量、载重量或载客数、航速、主机功率、船员人数等统称为船舶主要要素。主尺度是指船长L（一般指垂线间长LPP）、型宽B、型深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。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。方案构思时，对主尺度的选择首先考虑一个尺度选取范围。这个范围包括绝对尺度和尺度比，如L/B、B/d、L/D等。5.2主尺度的分析与初步选择习惯上把主尺度、排水量、载重655.2主尺度的分析与初步选择一般运输船舶在选择主尺度时需要考虑的主要因素和影响程度：一、主尺度选择时考虑的主要因素各种因素LBDdCBCWL/BL/DB/dB/Dd/D航线条件▲▲▲码头条件▲▲①▲布置地位★★★★★★★★★舱容★★★★★★★★★浮性★★★★★★★★★★★★快速性★★★★★★★★★★★★②★②稳性与横摇★★★★★★★★★★★★★★纵摇、升沉与失速★★③★★★★★★★★★分舱与破舱稳性★★★★★★★★★★★操纵性★★★★★★★最小干舷的规定★★★★★总强度★★★④★★⑤★★★④★★★★★④★★★⑤★空船重量及造价★★★★★★★★★★★总吨位★★★★★★★5.2主尺度的分析与初步选择一般运输船舶在选择主尺度时需665.2主尺度的分析与初步选择船长除了对稳性影响较小以外，对其他许多方面都有重要的影响。一般的考虑是：在满足船长尺度限制的条件下，初始选择船长可以从浮力、总布置（舱容和布置地位）、快速性这三个最基本的因素来着手考虑。（1）船长L从经济性方面考虑，各个主尺度中船长对空船重量（特别是船体钢料）的影响最大。虽然取较大的L对阻力性能可能有利，可节省燃料开支，但一般来说，船长增加对综合经济性指标的不利影响总是比较大的。所谓“经济船长”的概念就是从经济性有利的考虑来选择船长。

一、主尺度选择时考虑的主要因素对于载重型船舶，还可以首先从浮力和快速性两个方面，再结合总布置来考虑。对于布置地位重要的船可以首先从布置地位和快速性两个方面来考虑。5.2主尺度的分析与初步选择船长除了对稳性影响较小以外，675.2主尺度的分析与初步选择（2）船宽B在满足船宽尺度限制的条件下，选择船宽时首先考虑的基本因素是:浮力;总布置（舱容及布置地位）;初稳性高度（上、下限要求）。因船宽对空船重量的影响程度小于船长，从降低造价方面考虑，在同样满足浮力和布置地位的前提下，以减小L，增大B有利。但B过大（L/B太小）会造成快速性上的损失（包括风浪中的阻力增加）。此外B太大还可能会使初稳性高过大，导致横摇加剧。从快速性方面考虑，如果CB相对于Fn的合理配合偏大时，适当增大B以减小CB，在阻力上一般是有利的。

一、主尺度选择时考虑的主要因素5.2主尺度的分析与初步选择（2）船宽B在满足船宽尺685.2主尺度的分析与初步选择（3）吃水d设计吃水的选择主要从浮力及保证螺旋桨有适宜的直径这二个方面来考虑。

从浮力方面看，用增加吃水来减小CB或B及L，对快速性和减轻空船重量等许多方面都是有利的，当然减小B和L都应满足稳性和布置地位等有关的要求。

如果吃水不受限制，对载重型船舶，取适当大的吃水一般是有利的；如果吃水受限制，在不影响L和B满足其他要求的情况下，一般总是用足吃水。如果吃水太小，对桨的直径限制太大，会严重影响推进效率。

一、主尺度选择时考虑的主要因素5.2主尺度的分析与初步选择（3）吃水d设计吃水的695.2主尺度的分析与初步选择（4）方形系数CB方形系数主要根据浮力和快速性两个基本因素来选择。在超常规选择CB时（如选取很大的CB），应注意对操纵性、耐波性等性能的影响。载重型船舶因浮力的需要，选择大的CB，可以减小L和B，对减轻空船重量是很有利的。但是CB对阻力影响很敏感，所以，通常是选取与Fn的配合上不引起阻力显著增加的值，这样选择的CB也称为“经济方形系数”。系列船型试验资料中以阻力性能“不产生严重恶化”得到的“临界方形系数”，如英国船舶研究协会（BSRA）的系列船模试验资料设计中可参考。对于低速运输货船，从经济性和舱容利用率等方面看，取大的CB总是有利。大型的散货船和油船CB可取到0.86（甚至更大）。小型船舶选用大的方形系数时，应考虑周到，慎重对待。（为什么？）一、主尺度选择时考虑的主要因素5.2主尺度的分析与初步选择（4）方形系数CB方形系705.2主尺度的分析与初步选择（5）型深D型深的选择，可按以下两种情况来考虑：对于载重型船舶，舱容要求不高时（如要求的积载因素小于1.4），型深可先按最小干舷的要求来选择，然后通过校核舱容和考虑其他因素来确定。如果舱容要求高（装载轻货），型深可以先从满足舱容要求的角度来选取。对于有布置地位要求的船舶，型深取决于舱内的布置地位，如集装箱船舱内集装箱的层数，客船、滚装船上甲板以下各层甲板的层高等。型深对稳性的影响要区别不同情况来考虑。增加型深会引起重心升高，加大风压倾侧力矩，但型深加大能使甲板入水角加大，增加大倾角下稳性复原力臂曲线下的面积和最大复原力臂对应角。综合起来看增加型深由于重心升高会减小初稳性高，但对大倾角稳性可能有利。初稳性的不足以增加船宽来解决最有效。一、主尺度选择时考虑的主要因素5.2主尺度的分析与初步选择（5）型深D型深的选择，715.2主尺度的分析与初步选择（6）主尺度的限制条件国际航线上通航的限制因素还有运河对船舶尺度的限制。例如巴拿马运河现行的通航限制为：船长294.13m，船宽32.31m，吃水12.04m，水面上高度57.91m。（通常巴拿马型散货船的总长×型宽为225.0×32.26m）据报道：巴拿马运河将于2007年开工，2014年完工第三通道，其船闸尺度为：长度427m，宽度55m，水深18.3m。对象为12000TEU集装箱船和17万吨的散货船。预定2015年启用。新船预定航线上的航道（包括水深、航道宽度、桥梁通航高度等）、港口、以及码头条件往往是限制主尺度的主要因素。在新船设计中对各种尺度的限制必须彻底弄清。一、主尺度选择时考虑的主要因素5.2主尺度的分析与初步选择（6）主尺度的限制条件国际航725.2主尺度的分析与初步选择（1）长宽比L/B二、尺度比参数的分析尺度比参数，主要有：长宽比L/B、长度型深比L/D、宽度吃水比B/d和吃水型深比d/D。用实船的统计资料分析新船尺度比是否选择恰当是把握船舶基本性能的有效手段。L/B参数对阻力影响较大，主要反映在剩余阻力上。因为长宽比影响水线的平均斜度，在相同的航速下，L/B减小，剩余阻力增加，如果L/B过小，兴波阻力和水流严重分离引起的旋涡阻力会迅速增加，在波浪中的汹涛阻力增加也会很快。L/B对耐波性、操纵性都有一定的影响，选取时应结合其他尺度的情况综合考虑。5.2主尺度的分析与初步选择（1）长宽比L/B二、尺735.2主尺度的分析与初步选择二、尺度比参数的分析中等吨位的散货船和多用途船的L/B一般在6左右。小型船舶的L/B一般比大型船小些。有些船舶在船宽或吃水受限制时，为了提高载重吨位，选取了较大的船长。这种船虽然在空船重量上有所吃亏，但在B和d限制条件下适当增加L所提高的载重能力足以弥补造价上的损失，经济性仍然是好的。美国大湖船就是一个典型的例子，这种船的L/B在8~10左右。大型的巴拿马型货船因船宽和吃水受限制，要增加吨位只有加大船长，因此大型巴拿马型船的L/B也较大。5.2主尺度的分析与初步选择二、尺度比参数的分析中等吨位748.3主尺度的分析与初步选择（2）宽度吃水比B/d二、尺度比参数的分析B/d参数对性能的影响主要是稳性与横摇以及阻力性能。从型线上看，B/d大，排水体积较多地集中在水面附近，兴波阻力会增加，所以B/d增大，剩余阻力会随之增加，但一般并不十分显著。B/d大湿表面积会增加，对摩擦阻力也有较大的影响。

B/d与CB的适当配合可获得较小的湿表面积（教材中图5.2.6），但设计中争取最小湿表面积的考虑通常不是主要考虑的因素。8.3主尺度的分析与初步选择（2）宽度吃水比B/d二、尺755.2主尺度的分析与初步选择（3）长度型深比L/D二、尺度比参数的分析L/D参数影响最大的是纵总强度。由于型深的选取，除了满足最小干舷要求以外，主要取决于舱容的需要，因此对于不同积载因数的船，L/D会有较大的差别。对于大型船舶来说，由于总纵强度矛盾比较突出，需要有足够的型深来保证总纵强度要求中剖面模数。

5.2主尺度的分析与初步选择（3）长度型深比L/D二、尺765.2主尺度的分析与初步选择三、尺度的初步选择母型船方法统计方法经验方法在实际的设计工作中，通常并不需要特别区分什么方法，而是根据实际掌握的资料、经验和知识，采用一切可用的手段和方法，无论是主尺度的绝对数值还是尺度比的参数，都有必要进行估算和分析，以便对主尺度可能选择的范围有一个全面的了解。初步选择主尺度的方法：主尺度估算的经验公式和统计公式详见教材。5.2主尺度的分析与初步选择三、尺度的初步选择母型船方法775.2主尺度的分析与初步选择三、主尺度的初步选择主尺度选择的步骤，在实船设计中，可以根据实际情况灵活地进行。就一般情况而言，主尺度选择的步骤粗略地可用右图来表示。5.2主尺度的分析与初步选择三、主尺度的初步选择主尺度选785.2主尺度的分析与初步选择三、尺度的初步选择主尺度的第一次近似值一般用母型船换算或经验公式、统计公式估算，例如教材5.3.1节中的公式。这些公式一般考虑的因素主要是基本性能，特别是快速性。对于载重型船舶。根据主尺度的第一次近似值，一般首先进行重力与浮力以及舱容的平衡。应用第三章和第四章介绍的方法，估算空船重量和舱容，如果不平衡数量较多，则须调整主尺度后再估算空船重量和舱容，直至基本平衡。在性能等其他因素尚未仔细考虑和校核前，重力与浮力以及舱容的平衡不要求精确度很高，因为在后续的性能校核时主尺度很可能还要调整，只要对误差所需的尺度调整量做到心中有数就可以了。当吃水允许改变时，用调整吃水的办法来平衡重力与浮力是比较容易的，否则需同时考虑调整L和B以及CB。5.2主尺度的分析与初步选择三、尺度的初步选择主尺度的第795.3主尺度的和主要性能的估算方法估算方法常用的有经验公式和统计公式。经验公式和统计公式一般不能适应新船的某些特殊因素，例如新船的尺度比超常规的情况。1.估算船长的近似公式

（1）母型换算公式当新船与母型船的航速和排水量相近时，可用下式估算船长：

式中下标“o”表示母型船

5.3主尺度的和主要性能的估算方法估算方法常用的有经验公805.3主尺度的和主要性能的估算方法1.估算船长的近似公式

（2）巴土裘宁（Posdunine）公式式中：V──航速（kn），

──排水体积（m3）

C──系数，巴土裘宁建议取7.2；兰木仑（VanLammeren）建议按教材表5.3.1取；对沿海小型船舶（L<80m），有人建议取7.0。C值也可以根据同类型的母型船资料确定。5.3主尺度的和主要性能的估算方法1.估算船长的近似公式815.3主尺度的和主要性能的估算方法2.方形系数的估算公式

其他主尺度和主要性能的估算公式详见教材5.3节以及《船舶设计实用手册》等。亚力山大公式（适用于Fn＜0.30）式中：C──系数，一般可取1.08；航速较高的船（Fn>0.22）可取1.06左右，大型低速船（如大型油船，散货船，Fn=0.15～0.17）可取1.12～1.10。对于兴波阻力位于“峰”区的船，C应适当取小（如减小0.02左右）。5.3主尺度的和主要性能的估算方法2.方形系数的估算公式825.4设计方案的优化船舶设计方案的优化，从大的方面来说，它是运输系统优化中的一个部分，船舶的优化也涉及整个运输系统的优化问题。如果是针对某运输任务所需船舶的优化，则涉及船队的优化问题。但是，对于一个航运公司来说，在市场经济下，很少遇到一个运输系统或建造一个船队的任务，通常只是添加或更新一艘或几艘新船来改善船队的质量。这种情况下的船型优化问题常常需要考虑航运公司的实际情况，也就是优化中有特定的边界条件。从航运公司方面来考虑，新建船舶的船型、艘数、吨位大小、航速等关系到公司整个船队的运输能力，优化的目标是整个公司的经济效率。从新建船舶的单船经济效益来说，船的大小（如载重量）和航速是最为重要的。通常，大船的经济效益总是比小船好。5.4设计方案的优化船舶设计方案的优化，从大的方面来说，835.4设计方案的优化航速的优化比较复杂。在无竞争的情况下，单船货源不受影响，航速的差异对营运收入的影响不大。由于低速航行主机功率小得多，燃料费开支小，营运成本就下降。所以在这种情况下，经济性最优的航速往往具有下限值的特点。在有竞争的情况下，船舶的航速因涉及到占领运输市场的因素，尽管对不同航速的船货运价格可能相同，船东仍然希望新船有较高的航速。按设计技术任务书的要求优化设计方案时，优化的内容主要是主尺度、总布置方案、型线、主要设备的优选等，这些设计的优化有些较难采用简化的数学模型来优化计算，通常是用分析比较的方法来进行或者改进。

5.4设计方案的优化航速的优化比较复杂。在无竞争的情况下845.4设计方案的优化（1）可行方案在船舶设计中，船东的要求和法规及规范的规定，往往是不等式的约束条件，例如航速、舱容不小于一个最低要求值，吃水不大于限制值，稳性、干舷不得小于某项规定等等。设计者在设计中通常有一定的选择余地。也就是说，在满足任务书的要求和法规及规范规定的前提下，会有多种设计方案。我们称能满足约束条件的方案为可行方案，所有的可行方案称为可行域。在可行域内，不同的可行方案所对应的技术和经济性指标是不同的。例如有些方案船长大些，CB小些，航速高些，但造价大些等等。因此，对不同的可行方案需要进行优化。5.4设计方案的优化（1）可行方案在船舶设计中，船东的要855.4设计方案的优化针对不同的情况，主尺度的优化所采用的技术路线和方法是不同的。（2）主尺度的优化一种情况是新船属于常规的船型，这种船的实船数量多，资料齐全，同类船有较强的规律性，即能够知道新船的主尺度与空船重量、舱容、航速、稳性等的统计规律，并且这种规律能用比较可靠的数学模型来表达；对于约束条件可以建立等式或不等式关系；能够给出选优的标准。在这种条件下，可以选用合适的数学优化方法，对主尺度进行选优。另一种情况是新船具有某些特殊性的新船型，或者有较强的布置地位特征导致设计变量的不连续性，或者某些重要因素难以建立起确切的数学模型，等等。这种情况下，选优的一般做法是先突破一点，再扩展寻优。即先做出一个可行方案，在此基础上，根据需要与可能，改变基础方案的设计变量，得出若干可行方案，综合相关因素的考虑，分析选出最佳的方案。5.4设计方案的优化针对不同的情况，主尺度的优化所采用的865.4设计方案的优化从评价方案的指标来看，可以分为技术性指标和经济性指标两大类。这两种属性的指标在评价方案的优劣时也经常是有矛盾的。从原则上说，选优衡准应根据新船的使用任务而定。对于一般运输货船通常以经济性指标为主，兼顾技术性指标；对其特殊用途的船舶，如工程船、海洋调查船等，为保证特定的使用要求，应将重要的技术性指标，特别是效能性指标放在首要地位来考虑。（3）关于约束条件和选优的目标及衡准对于经济性的评价，侧重点不同，指标也不同。从航运公司的角度出发，目标通常是最大的收益和最小的货运费率，前者包括了投资的效益和营运中的利润；后者表示低的运输成本，更有利于运输市场的竞争。从造船厂的角度出发，优化设计方案的目标比较简单，即最小的生产成本。5.4设计方案的优化从评价方案的指标来看，可以分为技术性875.4设计方案的优化（3）关于约束条件和选优的目标及衡准技术性指标有单项指标，也有综合性指标。单项指标如航速、稳性、操纵性、风浪中的失速和摇摆等等。对运输货船的综合性技术指标有载重量系数、海军系数、舱容利用率以及耗油率等。由于对设计方案选优的侧重点和重要性看法不一致，对经济性指标存在不同的观点，加上某些技术性能和使用效能对经济性的影响难以用直接的关系准确表达，所以选优的衡准也是一个常引起争论的问题。5.4设计方案的优化（3）关于约束条件和选优的目标及衡准885.4设计方案的优化（4）评价指标综合性指标

载重量系数：DW/Δ或者DW/（LPP·B·D）。该指标反映了空船重量越轻越好的原则。海军系数：

或

。该指标要求船舶以较小的主机功率能多装快跑。舱容利用率：VC/LPP·B·D。该指标要求船上非赢利的处所尽量少，用于赢利的载货容积VC所占比例越大越好。单位油耗FC/（DW·VS×24）。该指标主要反映了节能的要求。以上各式中，VS为服务航速（kn）；PCSR为服务航速下的主机连续功率（kW）；VC为货舱容积（m3）；FC为主机日耗油量（t/d）。5.4设计方案的优化（4）评价指标综合性指标载重量系数895.4设计方案的优化（4）评价指标经济性指标

资金的时间价值——现值因数（PW）或终值因数（CA）：现值因数是将未来某时刻发生的资金按复利的关系换算成现值的乘数；终值因数是把现在发生的资金（现值）按复利关系换算成将来某一时刻的资金（未来值）所用的乘数。

对于一次支付的情况，现值因数PW为：

式中：i──年利率（或贴现率）；n──期数，一般用年数。终值因数CA为PW的倒数，即：5.4设计方案的优化（4）评价指标经济性指标资金的时间905.4设计方案的优化（4）评价指标对于一次支付，分期（如每年）等额偿还的情况，则有以下关系：式中：P——一次支付的金额；

A——分期等额偿还金额；

SPW——系列现值因数，即将今后一系列等额资金换算成现值的乘数。SPW的倒数称为资金回收因数CR，其含义是把资金的现值总数换算成今后分期等额偿还金额所用的乘数，即：5.4设计方案的优化（4）评价指标对于一次支付，分期（如915.4设计方案的优化（4）评价指标经常使用的几个经济性指标①净现值NPV：

净现值NPV是指船舶在整个