船舶设计原理(第六章)-2016-C

封面第六章、型线设计

6.1概述型线图是性能计算、结构设计，各种布置和建造放样的依据。型线设计是船舶总体设计的一项重要内容。首先，型线与阻力性能关系重大，尾部型线与螺旋桨的配合对推进效率和振动有很大的影响。此外，型线与船舶的稳性、操纵性、横摇阻尼、船在波浪上的运动特性、砰击等都有关系。在使用方面，型线影响布置和舱容，例如机舱内的布置条件、货舱和压载舱的容积、甲板的布置地位等。在建造方面，型线的平直部分、可展曲面部分可以简化施工的工艺，而复杂曲面增加了施工难度和工作量。由此可见，型线设计需要考虑许多方面的要求，有些要求还会相互抵触，设计者必须加以权衡。6.1概述

某小型多用途船的型线图：第六章、型线设计6.1概述75000t散货船型线图：第六章、型线设计6.1概述第六章、型线设计Tribon–Line/Surface6.1概述第六章、型线设计Napa6.1概述第六章、型线设计NURBS曲面6.1概述型线设计中应注意的几个方面：保证良好的航海性能。除了某些有特殊要求的情况以外，通常把快速性（阻力与推进）放在主要地位来考虑，同时兼顾耐波性、操纵性和稳性。考虑总布置的要求。总布置所需的甲板面积，货舱大开口的尺寸，纵倾的调整等对型线设计都有一定的要求，型线设计中应加以考虑和满足。必要时，当布置与性能对型线的要求发生矛盾时，通常是适当降低对性能方面的要求，来满足布置和使用的需要。考虑船体结构的合理性和工艺性。例如，不必要的复杂曲面的船体形状，不仅增加建造工时，多耗材料，而且不易保证施工质量，影响结构强度。外观造型。水线以上的首尾轮廓线、甲板边线以及外露的折角线应考虑美观和造型方面的要求。第六章、型线设计6.1概述型线设计的精度：应符合要求的排水体积，其误差要求与设计中对排水量考虑的余量有关。如果重量裕度在1％~2％时，排水体积允许的误差约为±0.5％。应符合要求的浮心纵向位置。文献［1］建议，在纵倾允许误差为±0.2％L时，型线设计结果的浮心纵向位置允许误差约为0.3％L。第六章、型线设计横剖面面积曲线；设计水线和甲板边线；横剖线形状；侧面轮廓线。控制船体型线的要素：6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计横剖面面积曲线下的面积相当于船的型排水体积（▽），曲线下面积的丰满度系数等于船的纵向棱形系数CP（CP=▽/（AM·LPP））；面积形心的纵向位置相当于船的浮心纵向位置XB；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，长度为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，最大横剖面常位于船中（MS）之后。横剖面面积曲线的特征：6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计棱形系数CP对船的剩余阻力RR影响很大，而对摩擦阻力RF影响极小。CP对剩余阻力的影响主要反映在兴波阻力上，它是随船的相对速度（傅汝德数Fn）而变化的。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。一、棱形系数CP和中剖面系数CM的选择低速船（如Fn＜0.2），兴波阻力所占比例不大，CP对总阻力影响较小，但选取较小的CP总还是有利的。低速船一般CB都比较大，所以这种情况下CM都取得很大，以利减小CP

。一般运输货船CM为0.98~0.99，大型船甚至达到0.995。6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计一、棱形系数CP和中剖面系数CM的选择中等航速的船（如0.2<Fn<0.3），兴波阻力已占总阻力相当的比例，且兴波主要发生在首部，船首应尖瘦些，所以取较小的CP可减少剩余阻力，对总阻力有利。但过小的CP意味着CM很大，会引起横剖面面积曲线和水线明显的突肩，这是不利的，应避免。所以随着Fn增加，在CP减小的同时，CM也应相应地取小一些。航速较高的船（如Fn>0.3），随着Fn的增加，船首兴波的区域逐渐扩展到船长的很大部分，此时，在一定的CB下，过小的CP会导致船体中部过分凸起，从而造成更大的兴波阻力，因此CP不宜过小。6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计二、浮心纵向位置XB的选择浮心纵向位置XB决定了船前后半体的相对丰满度。XB的选择主要从快速性上有利的最佳浮心位置和与总布置所确定的重心纵向位置相配合这二个方面来考虑。从阻力方面看，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发生变化。浮心位置向后移动，前体丰满度就减小，后体丰满度增大，因而形状阻力由小变大，而兴波阻力由大变小。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。6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计二、浮心纵向位置XB的选择浮心位置的选取，还必须与重心纵向位置相配合，使船有适宜的浮态。当阻力上最佳的浮心位置与重心配合不当而引起不允许的纵倾时，如果在总布置方面调整有困难，或者会造成牺牲过多时，通常是适当地损失快速性去兼顾布置上的适宜性。XB偏离最佳位置不大时对阻力影响较小。6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（1）平行中体长度和位置在一定的Fn范围内，船体采用适量的平行中体，无论从阻力性能方面还是在使用和建造方面都是有利的。6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（1）平行中体长度和位置从阻力方面看，将排水体积适当地向中部集中，采用一段平行中体，对于前体可使进流段尖瘦些，降低兴波阻力；对于后体，可削瘦去流段的船体形状，有利于改善形状阻力。但是，设置太长的平行中体后，过短的进流段和去流段，会使平行中体的两端形成过硬的“前肩”和“后肩”，这对阻力是不利的。在船舶的使用方面，因平行中体一段的横剖面形状完全相同，使中部的船舱方整，便于装载货物。设置平行中体还简化了工艺和降低建造成本。因此，从实用出发，平行中体长度希望取长些，但以不引起阻力性能恶化为限。6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（1）平行中体长度和位置航速高的船不能设置平行中体。原因是这种船一般船体已很瘦削，设置平行中体后，平行中体和过分瘦削的首部连接处会形成凸肩，航行时产生的肩波和严重的肩部旋涡使阻力性能恶化。Fn>0.25（CB<0.62~0.64）的船，不宜设置平行中体。确定平行中体长度和位置的原则是确定不引起阻力激增的最短进流段长度和去流段长度。通常，设计中平行中体长度和位置可以根据优良的母型船资料并参照经验公式来确定。6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（1）平行中体长度和位置6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（2）最大横剖面位置无平行中体的船舶，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航速的增大而增大，所以最大横剖面位置也应相应后移。6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计三、横剖面面积曲线形状的选择（3）横剖面面积曲线的形状CPFn横剖面面积曲线两端形状说明>0.785两端均用直线形前肩曲度尽量小。0.75~0.78<0.182>0.182两端均用直线形前端微凹，后端直线形据爱末生(Emerson)试验,CP=0.7~0.78时前肩曲度尽量小，船首下部切去使船首倾斜，对阻力有利。0.70~0.75<0.238>0.238前端微凹，后端直线形前后端均应微凹当Fn<0.209时，后端形状稍变对阻力影响不大。0.65~0.700.164~0.253>0.268前端以凹形为佳，不能用直线形；后端为直线或微凹前端为直线，后端直线或微凹均可<0.650.224~0.2530.283~0.313=0.358=0.537前后端均宜用微凹两端均应用直线形前端为直线，后端微凸前后端均微凸此时后端对阻力影响较微6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计四、生成横剖面面积的母型改造法根据优良母型船的横剖面面积曲线，按设计要求改变棱形系数CP，浮心纵向位置XB

和平行中体长度（LP）及位置时，可以用适当的修改方法，在保留曲线原有基本形状的条件下修改得到新的横剖面面积曲线。常用的一种修改方法称为“1-CP”法。6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计四、生成横剖面面积的母型改造法图中各无因次量表示：CPF——修改前曲线下的面积，即前半体棱形系数；δCPF——CPF的修改量，即阴影部分的面积；lPF——前半体平行中体长度；δlPF——lPF的修改量；hF——δCPF的形心距中；xBF——CPF的形心距中，6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计四、生成横剖面面积的母型改造法（1）仅修改CP设修改函数为：δx=a（1－x）该函数的边界条件为：x=1.0时，δx=0。由约束条件：得：a=δCPF/(1－CPF),代入式δx

的表达式，可得：

6.2横剖面面积曲线第六章、型线设计四、生成横剖面面积的母型改造法（2）同时修改CP和lP（3）同时修改CP，lP

和xB

（Lackenby法）（4）仅修改浮心纵向位置xB6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择设计水线的形状特征和横剖面形状特征是相关的，设计水线丰满意味着横剖面在设计水线处较宽，在一定的横剖面面积下，下部必然较窄，剖面形状成V形。反之，设计水线削瘦，横剖面形状成U形设计水线的特征主要有水线面系数CW、平行中段长度、端部形状、半进流角iE（近首垂线处设计水线相对中心线的夹角）。水线面系数CW设计水线的首端形状和半进流角（iE）设计水线尾段的形状设计水线的平行中段长度（1）设计水线

6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择阻力方面：V形的横剖线形状湿表面积较小，可减小摩擦阻力，同时它的舭部较瘦，有利于减少丰满船（CB＞0.75）的舭部漩涡。但V形剖面兴波阻力较大，因为它所对应的设计水线首端丰满，半进流角也大。U形剖面船的排水量相对集中在下部，设计水线削瘦，半进流角小，有利于减小兴波阻力，但湿面积大，摩擦阻力大。（2）首部横剖线形状

6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择（2）首部横剖线形状

耐波性方面：船在纵摇和升沉运动中，V形剖面下沉时，浮力和阻尼力矩大，能减小纵摇和升沉运动，且能缓和船底砰击（尤其当波长与船长之比λ/L＞1.0时），但V形剖面增加波浪中航行的阻力（尤其是λ/L＜1.2时）。由于耐波性的问题与船的大小关系密切，大船这方面的矛盾较小。6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择综合静水阻力和耐波性的因素，船的前体横剖线形状大致可这样考虑：低速船采用V型比较有利；船长较大的中速船（如Fn＝0.23左右），航行中较少遇到波长超过船长的波浪，可偏重静水阻力来考虑，采用较U形的剖面形状；小船更偏重耐波性因素的考虑，加上L/B通常较小，从几何关系上处理也应采用较V形的横剖线形状。（2）首部横剖线形状

水上部分的形状船首水上部分的横剖线形状通常具有一定的外飘，这样储备浮力和甲板面积都大些。适量的外飘可减少甲板的上浪和淹湿6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择（3）尾部横剖线和水线的形状从阻力上看，后体的型线应力求避免水流的分离。V形剖面能使进入去流段的水流较顺畅地向后沿斜剖线流动，而且V形剖面湿面积也小。U形剖面船尾容易引起舭涡而且湿面积也大。可以说，U形的尾部横剖线形状在各种Fn下阻力性能都比V形差些。但是，U形和V形剖面对船尾伴流场的影响是不同的，对于肥大型船这种差别更为显著。U形尾的轴向伴流分布比较均匀，可以提高推进效率，并能减少螺旋桨叶梢部分的空泡和激振力6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择（3）尾部横剖线和水线的形状船尾水下型线除了考虑以上所述的阻力和伴流因素以外，以下二个因素也应予以重视：尽量减少水流分离。水流分离形成旋涡，造成能量损失。保证螺旋桨良好的供水。螺旋桨前方的水线末端应尽可能尖削，水线形状成直线或微凹形，这样有利于螺旋桨吸水，减小螺旋桨推力减额，推高推进效率。尾部剖面形状对推进效率的影响大于对阻力的影响，况且还有对尾部振动的考虑，因此，现代中低速船舶尾部大多采用U形剖面，甚至加球尾。有些情况下，为了兼顾阻力性能或布置要求等因素的考虑，后体型线也有将V形剖面形状在接近螺旋桨处逐渐过度到U形。6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择（3）中剖面形状中剖面舭部一般采用圆弧，小船和很瘦削的船采用抛物线形形状。圆弧形舭部的半径R：

当h＝0时，则：6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择（4）横剖面型线图6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择（5）前半体水线和纵剖线图6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计一、设计水线及横剖线形状特征和参数的选择（5）后半体水线和纵剖线图6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计二、侧面轮廓线和甲板线（1）首轮廓线型线的侧面轮廓线包括首柱轮廓（有球首时包括球首）、尾端和尾框轮廓（双尾或双尾鳍船包括中纵剖线）、龙骨线、甲板中心线和甲板边线。侧面轮廓线是船体型线最基本的边界线，也是船体形状特征的重要控制要素之一。现代船最常用的首轮廓线型状是图中所示的前倾型首。确定船首轮廓线时应注意与水线和横剖线形状的配合，前倾大的首轮廓线一般与V形的横剖线形状相配合，前倾小或接近直立型的首轮廓线与U形的横剖线相配合。6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计二、侧面轮廓线和甲板线（2）尾轮廓线船尾轮廓形状的选择主要是考虑舵和螺旋桨的布置以及与横剖型线的配合。现代运输船一般都采用巡洋舰尾，为了简化工艺，大多在水线以上切除了巡洋舰尾的曲面尾端，改用一块后倾10°~15°的平板作为尾封板。尾框设有底龙骨（也称舵托）的称为闭式尾框；不设底龙骨的称为开式尾框。开式尾框的优点是：可使螺旋桨轴线下移，增大尾悬体的浸深，对阻力有利；消除了螺旋桨对底龙骨的振动脉冲；简化了建造工艺。闭式尾框的好处是在船搁浅或拖底时增加了对舵和螺旋桨的保护；减少了渔网等杂物对螺旋桨的缠绕。6.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计二、侧面轮廓线和甲板线（2）尾轮廓线船舶类型间隙（与螺旋桨直径的比例）abcｄE货船、拖船及其他低速船0.10~0.120.15~0.220.12~0.200.03~0.050.16~0.20CCS（建议值）0.120.200.140.04快速船0.15~0.300.18~0.250.14~0.226.3型线几何形状特征和参数的选择第六章、型线设计二、侧面轮廓线和甲板线（3）龙骨线有水平龙骨和有原始纵倾龙骨，常规型线是水平龙骨。甲板线包括甲板边线和甲板中心线。甲板边线是一条空间曲线。甲板边线的宽度根据总布置的要求结合水上部分横剖线的形状来决定。对于大开口的船或者甲板布置集装箱时，甲板边线宽度的确定更应与总布置配合好。甲板边线的高度根据首尾舷弧确定。（4）甲板线折线形状甲板中心线与甲板边线的关系梁拱（圆弧梁拱和折线梁拱）6.4型线图设绘方法第六章、型线设计型线图的设绘方法有以下几种：母型改造法生成船体型线的方法自行设绘法母型改造法系列船型方法数学型线方法1.主尺度改造长度:宽度：吃水：6.4型线图设绘方法第六章、型线设计母型改造法生成船体型线的方法2.横剖面面积曲线的改造采用母型改造法，一般情况下，中剖面系数不作改造。横剖面面积曲线改造后，CB、CP、CM、XB和Δ均基本已满足要求。3.插值产生水线，经而生成横剖线和纵剖线4.经三向光顺后，插值得到型值6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计为了改善船舶的性能，特别是为了提高快速性，船舶设计和研究人员进行着不懈的努力，根据各种需要和可能，研究开发出了许多种特殊的船体型线。这些型线的特殊性大多是集中在船的首尾部分，所以我们称之为特殊的首尾型线。特殊的首尾型线种类很多，本节介绍其中的球首、球尾、不对称尾以及双尾和双尾鳍型线。6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计球首的作用主要是减小阻力，提高船舶的快速性。此外，对耐波性也有一定的影响。6.5.1球首1.球首的作用和影响6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.1球首1.球首的作用和影响进一步的研究表明，对于低速肥大型船，船首舭部型线曲率半径较小，船侧水流向下流动经舭部后与船底水流相遇，产生大量涡流，这种形状阻力占总阻力的比例不少，安装具有整流作用的球首后，可以改善首部流场，降低形状阻力和减少埋首现象。安装形状适当的球首，还可使首端水线削瘦，减小破波阻力。此外，设置体积较大的球首后，在相同排水体积时，可使前肩处的排水体积前移，增加进流段长度，缓和了凸肩现象，从而改善前肩的涡流。球首的减阻机理，早期的研究认为，球首改变了水的压力场，安装一个大小和形状恰当的球首，在一定的速度范围内，球首产生的波系可以与船体波系产生有利干扰。此种球首的主要作用是减小兴波阻力，所以当时认为球首仅适用于Fn>0.23的情况。6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.1球首1.球首的作用和影响从耐波性方面看，球首增加了纵摇阻尼，当波长大致等于船长时共振区内阻尼作用最大，甚至在波长较短时，球首仍有一定的阻尼作用。但当波长大于1.3~1.5倍船长时，相对无球首的同型船纵摇振幅会增大，但在这样的波长时，纵摇振幅与波高之比不会很大了。设置球首后对航向稳定性和回转性也有一定的不利影响，影响程度主要看球首侧面积参数的大小。设置球首的不利因素主要是增加了建造成本和影响锚泊设备的布置。如果球首较宽、锚泊设备布置地位又较小，通常会产生收放锚时锚爪与球首相碰的问题，解决的办法可以采用两台单侧式锚机和加大锚唇或者将锚链筒伸出船体

6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.1球首2.球首的形状和特征参数球首的形状可以变化出无数种，教材图6.5.2是几种典型的形状。由于船舶本体的型线和船型参数各不相同，为使球首与本体型线配合后获得最佳的效果，从而演化出各种各样的球首形状。球首的形状和大小，可以用以下六个特征值参数式中：AM为中横剖面面积；▽PR为球首体积

6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.1球首3.球首的设计一般来说，球首设计主要从减小阻力方面来考虑，形状和参数的选取主要取决于本体型线的特征和船型参数与航速的配合情况。通常，安装在一艘船上的优良球首，若改装到另一艘船上就不一定有好的效果。

球首设计目前归纳出一套普遍适用的具体方法是困难的。通常，设计球首是针对具体船型的特点，根据一些基本规律和经验，确定一个或几个球首方案，通过反复的模型试验来改进球首形状并最后选择确定。6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.1球首3.球首的设计应注意的是，以减小兴波阻力为主的球首，在某一航速和载况下选定的效果优良的球首，一旦航速或载况改变以后，船体的波系强度和相位都会发生变化，此时球首的效果也会发生显著变化，甚至会产生负作用，而且球首越大，负作用也越明显。就一般情况而言，对于快速船，球首的主要作用是产生一个有利干扰的波系，球首的长度参数主要影响球首波系的相位，而首垂线处的横剖面积参数fBd和体积参数fVPR决定了球首波系的强度。航速越高，兴波阻力越大，设置产生强波系的球首效果越明显。6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.1球首3.球首的设计对于低速肥大船型，球首参数的选择主要根据本体型线的特征，使设置的球首能最有效地改善船首流场。对于破波阻力大的船（肥大船随Fn增大后破波阻力增加迅速），球首长度参数适当取大些更有利。选择球首形状考虑的因素，一是在几何上与本体型线应有合理的配合。例如V形和SV形球首与前体V形的横剖型线比较容易相配合。而圆形，水滴形和梨形的球首与前体U形横剖线较易相配合。但是，几何形状上配合适宜的球首是否能获得良好的效果，还需进一步证实。二是从减阻机理以及对性能的影响来考虑球首的形状。6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.1球首3.球首的设计6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.2其他特殊船首X

bow6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.2其他特殊船首STX

OSV6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.2其他特殊船首AX

bow6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.2其他特殊船首Beak

bow6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.2其他特殊船首Leadge

bow6.5特殊的首尾型线介绍第六章、型线设计6.5.3特殊的船尾型线船尾型线考虑的因素比船首复杂的多，从改善螺旋桨伴流，提高推进效率方面考虑和减小阻力常常是矛盾的，因此，就快速性而言，有些特殊船尾的效果并不显著。但是，现代船舶的大型化和快速化，使单轴的功率增加很多，螺旋桨的效率，尤其是螺旋桨空泡和激振力的问题日益突出，特殊的船尾型线因而被人们重视。现代船舶采用特殊船尾型线，其目的主要是改善螺旋桨来流的状态，从而提高推进效率和减小激振