船舶设计原理4-1性能预报

课题四船舶性能预报概述船舶技术性能分成：营运性能和航海性能；营运性能只是表征给定类型船舶的性能，如用途、航区、航程、装载能力和空间地位等，主要反映在使用效能（运输质量、营运组织的方便性、灵活性）及经济性（建造、营运）方面；航海性能通常表征所有船舶，不论其用途如何的如下性能的总和：浮性、快速性、稳性、抗沉性等。本章就船舶海上性能，就船舶设计初始阶段如何分析和估算船舶的快速性，稳性、耐波性、抗沉性予以说明。由于这些性能大多数与船舶主尺度，船型系数有密切关系，并且有些性能彼此间要求相互矛盾的，这就要求设计者必须弄清楚：1）根据设计船的具体使用任务要求和特点，哪些性能是必须保证的。哪些性能是力求提高的，哪些性通常易于满足的，以及这些性能的各自指标是什么，又怎么确定；2)各项性能指标与船舶技术要索间有什么关系，设计时应采取哪些技术措施才有可能达到预期的效果。因此在新船设计时，在处理船舶技术性能时要有明确的意图和思路，要做到初步预测并为深化设计做好前期准备工作。一、快速性的初步估算(一)海军系数法当选用的母型船的主尺度比、船型系数、△及相对速度等与设计船比较接近时，可用母型船的海军系数C预估新船的主机功率或航速。式中，P－主机功率(kW)；V－设计航速(kn)；△－设计排水量(t)；C一海军系数。海军系数C是一艘船的阻力与推进性能的综合反映，如果新船与母型船在阻力或推进方面有较大差别时，应对C值进行修正。(二)经验公式

经验公式，是针对某类型船舶的统计资料，分析归纳出来的，下面介绍适用于油船及散货船的瓦特生近似估算公式：式中，K＝Cb+1.68Fr(Fr为对应于试航速度的傅氏数)；N—螺旋桨转速(r／min)；P－所需主机功率(kW)；L——用Lbp计算(m)。(三)阻力及推进系数估算方法1、阻力估算(1)泰勒法美国泰勒船模试验水池，以中高速舰船为基本船型，作了一系列船模试验，将系列试验资料制成图谱和公式，用来确定新船的阻力。此法适用于船速较高，船型较瘦长的双桨船。(2)陶德法(系列60)美国泰勒船模试验水池，为民用运输船作了一系列船模试验，归纳为“系列60"。其横剖面为U型，适用于单桨运输船。(3)SSPA系列瑞典国立船模试验水池的货船系列资料。其横剖面型线为偏V型(Cb＝0.525～0.60)及中U型(Cb＝0.60—0.75)，适用于中低速单桨运输船，(4)NPL系列英国国家物理研究所提供的高速圆舭排水型艇的系列资料。(5)长江客货船系列上海船舶运输科研所提供的长江客货船裸体有效功率估算资料，适用于我国内河船舶，尤其是受航道限制、船宽大、吃水浅的双桨内河客货船。以上资料，凡与船舶设计有关的单位，都可方便地查阅。2、推进系数估算式中，o、H、R、G、S－螺旋桨敞水效率、船身效率、相对旋转效率和齿轮箱效率、轴系效率。

(1)敞水效率o

在初选了主机、螺旋桨直径、转速及叶数以后，为求得较高的敞水效率，须选用合适的螺旋桨设计图谱。对于中低速运输船舶，常用MAU系列(日本运输省船舶技术研究所)；B系列(荷兰瓦根宁根船模试验水池)等图谱。对于空泡要求较高的军用舰船和民用船舶，可选用高恩阔叶螺旋桨设计图谱。(2)相对旋转效率R

对于普通单浆船，取1.00～1.05；对于普通双桨船，取0.95～1.00

（3）船身效率H

H＝1－t/1－w式中，t－推力减额；w－伴流分数。t、w参照同类船型的经验公式或母型船的自航试验资料选取。（4）轴系效率S：S≈0.97～0.98（5）齿轮箱效率G：G≈0.96(四)回归公式法

随着电子计算机辅助设计的发展，现在已将某些阻力图谱计算方法及螺旋桨图谱设计或理论计算方法编制成程序，使得在初步设计阶段的分析计算可迅速而有效地进行，有利于对方案作更加广泛的分析，提高了设计质量。埃及学者萨比脱(A．S．Sabit)应用回归分析方法，给出系列60阻力试验数据的回归方程。不同速长比时，式(4-6)中系数列于表4－1。应注意的是，用该式算得的CR适用于垂线间长L为400'的船。若上不等于400'，要对摩擦阻力的尺度作用加以修正。

二、设计中保证快速性的措施船舶快速性是影响使用要求和经济效益的重要因素，设计时必须予以保证。根据不同类型的船舶，可采取下述相应的措施:(1)选取合适的尺度、系数；(2)选用合适的，优秀的节能船型及节能推进装置；(3)对于高速小艇，应尽量减小排水量。如对材料、结构形式、机电设备等应精心选择，以控制空船重量；(4)采用低转速、大直径的螺旋桨，以获得较高的敞水效率；(5)减小附体阻力，如舭龙骨应沿流线方向设置，首侧推装置的开孔位置、孔口形状应设计合理。其他附体都应与船体有良好的水动力配合；(6)减小迎面受风面积，以减小空气阻力.§4—2稳性

船的稳性对其安全性和使用性都有重要影响，是一项重要的航海性能。船舶在海上倾覆时，其过程是十分迅速的，以致乘员来不及逃生，所以各国都有规范对船舶稳性作了具体的规定。国际海协也有相应的船舶完整稳性的规定。我国船舶检验局也颁布了《海船稳性规范》和《内河船舶稳性规范》，以保证船舶的安全性。对于稳性，在确定主尺度和船型系数时，就必须慎重对待，即使船舶的稳性计算已符合规范要求，船长仍应注意船舶的装载、气象、海况等情况，谨慎驾驶，以保证船舶的安全。一、初稳性及其估算(一)衡准方法及其实用数据衡准一艘船的初稳性好坏的指标是(h)值。我国《海船稳性规范》对各类船舶的GM面值提出的要求是：对于客船、货船、油船等GM≮0.15m对于渔船，

GM≮0.30m对于运木船，

GM＞0上述数值是对GM的最低要求，实际船舶的GM值要大得多。

设计中对初稳性值GM的大小，一般从其下限值和上限值两方面来考虑。1．初稳性的下限值Gmmin下限值是保证船的安全和使用要求所需的最低初稳性值。从安全角度看，船的大倾角稳性和初稳性有一定的联系；从使用要求看，也需保证一定的初稳性值。实践证明，除客船外，现行规范对GM值下限的要求，一般不难满足。所以在设计时，着重从设计船的使用要求，来确定适宜的初稳性下限值。

2．初稳性的上限值GMmax初稳性上限值是从横摇缓和性上考虑的，若船在波浪中的摇摆周期短、摆幅大，则不仅影响船舶的安全性，船上作业也很困难，货物会移动受损，乘员会晕船或感到不舒服。因此设计时，在保证初稳性下限的前提下，应力求使船的横摇缓和些。船在波浪中的横摇周期T，与初稳性高GM直接有关，从下面近似估算公式可以看出，它们之间的关系。式中，C－依船的具体特征而变的系数，在0.75～0.85之间选取。我国沿海常见的大的波浪，波长λ=60~70m，波浪周期Tw=0.8，为避免谐摇，则希望

T≮1.3Tw，则T应大于8～9s；远洋航区波长λ＝150～160m，则T以大于13s为宜。这是习惯用的标准，井非绝对的，3．各种典型船舶的GM值的选取

船在不同载况时稳性值是变化的，设计时应对各典型载况的稳性作通盘考虑。(1)干货船这类船在满载到港时稳性最差，对于船宽B>12m的船舶，如果取满载出港时的GM／B为0.04～0.05，一般即可保证满载到港时仍有必要的初稳性值(GM在0.25m以上)，且不需在中途加压载水。对于中小型船舶，则需取更大的GM/B的值，如0.05～0.07。如果考虑在中途加压载水，则满载出港时的GM/B相对可取低些。还应该注意的是，干舷低的船，若GM过小，则常不能满足稳性规范对稳性曲线消失角的要求。对于集装箱船，为防止因剧烈横摇而造成货物及绑扎设备的损坏，出港时可采用稍低的GM值，航行中及装卸货时再根据需要加压载水。对于矿砂船，则应注意控制GM不必过大。(2)客船及客货船这类船的GM主要根据规范．对完整稳性、分舱和破舱稳性的要求决定。对于大、中型客船，海损稳性是主要矛盾，通常GM／B在0.045～0.055范围；对于小型客船，尤其是载客数目相对较多者，其主要矛盾通常是旅客移动时横倾角的限制，且因短途客船不宜在中途加压载水，故满载出港时的GM／B值应取得更大。(3)油船布格氏认为，修正自由液面影响后的GM值大于0.1即可。一般而言，只是对小油船才需进行这种核算；中型油船的初稳性易于保证；对于大型油船，从横摇角度看，则常嫌初稳性值过大。(4)拖船

从论述拖轮初稳性的许多文献中，列举几种衡准方法于表4-2中，以供比较。港作拖轮的GM／B值通常大些，国内这类船的GM／B在0.12～0.13范围。设计拖船时最好参照相近母型船选取GM／B或GM值，一般GM值应在0.60～0.70m以上。

(5)军舰

军舰的初稳性下限值，主要根据保证火炮能以正常射速射击所允许的横倾角(一般为10～12)、全速回转时所允许的横倾角(10～12以下)及保证海损稳性等因素决定。依舰种不同，GM／B大体在0.06～0.10的范围。

(二)初稳性估算及影响因素分析

1、初稳性值的估算由船舶静力学知，初稳性高可由初稳性方程计算：在非设计载况时，因船舶吃水及相应于吃水的船宽、方形系数和水线面系数均发生了变化，因此不宜采用式(4—10)估算其GM。而需采用如下的关系式：

2、影响初稳性值的因素分析

从式(4—30)可知，船的主尺度B、T、D和船形系数Cw等决定着初稳性高度的大小，下面作简要的分析:(1)型宽B及B／T

:从式(4—10)·可知，初稳性高度GM随B及B/T的加大而迅速增加，特别是加大B对增加GM值的效果更好。(2)水线面系数Cw:Cw是对GM影响最大的因素之一，加大Cw，对提高zb和r都有好处，但Cw是受型线特征制约的，Cw的加大是有限的。当GM需少量加大时，改变Cw是有效的措施之一。(3)型深D:减小D可降低重心高度，对增加有好处。但D值是受主体容积的需要来选取的。

(三)初稳性值的核算

在设计深入开展，完成型线图、总布置图、结构图等及技术文件后，要核算船具有的初稳性精确值，往往是与核算浮态一起进行的。根据规范对基本核算载况的规定，按设计船的使用特点，选取核算载况。然后进行各载况的排水量与重心位置的计算，按表格核算船的浮态与初稳性。各典型载况的浮心位置xb、稳心垂向坐标zM等取自静水力曲线图。在设计阶段，如发生初稳性或浮态不合要求的情况，可适当增加压载水的数量，或调整各舱内的装载重量，或者调整总布置，以求得适宜的浮态与初稳性值。

二、大倾角稳性

大倾角稳性是指船在外力作用(如较大的风和浪作用)下，横倾角超过100~150时的稳性，它涉及到船在航行中能抗多大风浪或横倾力矩而不倾覆。在保证初稳性的条件下，从满足大倾角稳性的要求来考虑，主要是注意重心高度、B、f／T和受风面积等因素的影响。对大倾角稳性的要求，大型船舶一般不难满足，而中小型船舶则常有困难。因此，在中小型船舶设计时，要注意参考相近母型船，取适当大的B和f／T值，并力求降低重心高度和受风面积，有时需用设计手册中的有关近似方法对大倾角稳性及时加以估算。在大倾角情况下，表征船抵抗外力作用能力的，是静稳性曲线(它所包围的面积及形状特征)。一般民用船舶的稳性，根据规范进行核算。我国对内河船、海船分别订有规范。下面结合《海船稳性规范》介绍核算的方法和步骤。

(一)规范主要内容规范以大倾角稳性作为船舶稳性的基本衡准，并依船舶的使用任务特点对最小初稳性和需要核算的使用情况作了规定。船舶在其所核算的各种装载情况下，稳性衡准数K应符合下式要求：（1）lq的确定

应用计及船舶横摇影响后的动稳性曲线或静稳性曲线来确定。规范是应用动稳性曲线。如图4－1所示：线段BC为最小倾复力臂lq。（2）风压倾侧力矩Mf、风压倾侧力臂lf的计算(二)核算步骤对任一载况来说，此时排水量△、初稳性高度GM、吃水T、重心高度zg均已知，故可根据这些数据按下列顺序计算：(1)根据排水量△从稳性横截曲线中找出各倾角处对假定重心的复原力臂，修正重心高度的差别后就可算出实际复原力臂。绘出静稳性曲线，检验静稳性曲线各要素是否符合要求。绘制动稳性曲线。(2)由T、GM、zg、B计算自摇周期T

，进而计算出横摇角θ。

(3)用作图法找出最小倾覆力臂或最小倾覆力矩。(4)由总布置图的侧视图计算受风面积Af及其形心距水面高度z;(5)由z及船的航区查出计算风压p;(6)计算风压倾侧力臂或风压倾侧力矩;(7)计算稳性衡准数K是否大于1.0。§4－3分舱及破舱稳性

●船舶分舱及破舱稳性(即抗沉性)是船舶在一舱或数舱破损进水后，仍能保持一定浮性和稳性的能力，它是船舶的一项重要性能。在设计过程中，对抗沉性问题是否考虑周到、合理，则是船舶破损后能否保证具有一定浮态和稳性的前提。因此，在船舶设计初期就需要从抗沉性角度确定主尺度和船型要素，其中最主要的是选取到分舱甲板的型深和首、尾舷弧，同时要着重考虑船舶的合理分舱。我国船检局制定的《海船分舱与破舱稳性规范》，适用于海洋客船。

船舶抗沉性

抗沉性是指船舶在一舱或数舱破损进水后保证不沉不翻的能力。●水密舱壁和干舷的作用外底内底水密舱壁储备浮力干舷●对抗沉性的要求水密甲板边线76mm安全限界线破损水线一、有关的名词定义

(1)客船载客超过12人的船舶。

(2)分舱载重线用以决定船舶分舱的水线。

(3)最深分舱载重线相应于适用的分舱要求所允许的最大吃水的水线。(4)舱壁甲板横向水密舱壁所达到的最高一层甲板。

(5)安全限界线在船侧由舱壁甲板上表面以下至少76mm处所绘的线。

(6)某一处所的渗透率该处所能被水浸占的百分比。当该处所伸展至限界线以上时，该处所体积仅量至限界线的高度。(7)风雨密在任何风浪情况下，水不应透入船舱内。二、分舱检验

(一)可浸长度计算先按《船舶静力学》中的方法，算出体积渗透率μ＝100％时的可漫长度(lf0)曲线，再将各舱沿船长各点的除以该舱的计算渗透率即得该舱的可漫长度（lf）曲线。

(二)许可舱长许可舱长等于舱长中点处的可浸长度乘以分舱因数，分舱因数依船长和船的业务性质而定，其详细计算应参阅ZC《规范》。(三)分舱检验根据总布置图、可浸长度曲线及分舱因数，检验水密舱的长度是否超过许可舱长。除此以外，各水密舱还需符合下列规定：(1)L≥100m的船，其首尖舱后的第一个主横水密舱壁距首垂线不大于许可舱长。(2)若相邻的两个