船舶设计原理课程设计

本科课程设计说明书船舶设计原理课程设计学院专业学生姓名学号指导教师提交日期2023年6月26日课程设计任务书，内容如下：1.课程设计题目：一艘多用途工作船的船型方案主尺度的设计2.应完毕的项目：（1）总体设计方案构思（2）船舶主尺度及排水量拟定（3）编写课程设计说明书3.参考资料以及说明：（1）《船舶设计原理》顾敏童主编，上海交通大学出版社出版，2023（2）《船舶设计实用手册》，中国船舶工业总公司编，中国交通科技出版社，20234.课程设计的基本规定：（1）在对设计技术任务书进行全面分析的基础上，对新船的设计方案必须有一个方案构思，提出设想和对各种也许存在的问题进行分析和思考。（2）对选用的母型船资料和各种估算方法应分析其合理性和合用性。（3）在选择新船重要要素过程中，除了考虑技术因素以外，必须考虑到新船的经济性，例如造价、营运成本等因素。本课程设计中，不规定对新船的经济性指标进行具体的计算和论证，但是在新船的主尺度选择中必须考虑经济性因素，并对此进行必要的分析和讨论。（4）应勾画总布置草图，区划主船体舱室等，以便能较为准确地校核布置地位和舱容。（5）空船重量和重要性能的估算或计算规定可靠和准确；初稳性计算至少应涉及两种装载情况。（6）课程设计说明书应能反映设计思想和设计工作的全过程，每一部分都应有必要的说明和小结，应条理清楚，文字通顺，排版工整，规定用计算机打字成文。5.本课程设计任务书于2023年6月20日发出，应于2023年6月26日前完毕 目录第一章绪论51.1概述51.2研究意义51.3国内外多用途工作船的发展61.4课程设计技术任务书61.5课程设计的重要工作内容和基本规定71.6方案构思81.7母型船资料8第二章船舶主尺度及排水量的初步估算102.1拟定主尺度应考虑的因素102.2主尺度选择的一般环节112.3主尺度的拟定方法112.3.1根据记录资料和近似计算公式来拟定船长范围112.3.2船宽的初步估算122.3.3型深D和吃水d的拟定122.3.4方形系数的估算122.3.5其它船型系数的拟定122.3.6船舶重量估算及载重量的估算132.3.7船舶重量估算132.4小结13第三章性能平衡及校核143.1舱容及重力与浮力平衡校核143.1.1舱容校核143.1.2重力与浮力平衡校核153.2初稳性校核163.2.1初稳性高度及横摇周期估算163.3自由航速校核173.3.1计算有效马力曲线173.3.2总推动系数计算183.4干舷校核203.5本章小结21第四章主尺度方案的拟定22结束语22参考文献22第一章绪论1.1概述本课程设计是与船舶与海洋工程专业主干课程《船舶设计原理》课程配套的实践性课程。它的任务是通过课程设计来加深对船舶设计原理理论知识的理解，重点是培养学生综合分析问题、解决问题的能力和实践动手能力。本课程设计规定按照技术任务书，完毕一艘多用途工作船的船型方案主尺度的设计。本课程设计是在船舶设计原理的基础上，结合一学期所学内容，综合分析计算出所规定的船只。由于知识和时间的限制，本计算是较粗略的，在excel表格中计算只是大体满足了基本的规定。主尺度计算重要是通过母型船的公式，估算和校核基本依照书本所给的公式。通过最后调试和校核，最后得到是满足所给主机功率的各项数值。由于学识所限，感觉纯在着许多漏洞，希望老师在批改的时候能指正。1.2研究意义随着海上石油和天然气开发工程的迅速发展，为海上工程提供各种服务的特种工作船舶，已成为海上石油和天然气勘探和开采工程不可缺少的一个组成部分。其重要用途是：1）作为钻井、采油、修井作业等各类平台或海上其他大型漂浮物远距离拖航的主拖船，执行拖带等作业任务；2）执行钻井、采油、修井等各类平台或海上其他大型构筑物的安全守护、抢险救助任务；3）执行钻井、采油、修井等各类平台供应燃油、淡水、钻井水、钻采器具、液态泥浆、水泥等物资；4）为钻井、采油、修井等各类平台、浮吊进行起抛锚、移位、就位等生产施工作业。简朴的说，就是物资载运、拖带、供油、供水、供水泥、消防等。这规定船舶有较好的操纵性，可以适合在各种风浪、流条件下靠离平台，适合在复杂海况下拖带平台就位。该类船上除了具有通用的拖轮设备外，安装的专用设备重要有：导管式或喷水式推动器、全回转螺旋浆、首侧推装置、大功率的消防炮、泡沫消防系统等。通过以上分析可以看到，多用途工作船具有很多的功能，并规定具有解决海上突发性事故的能力。1.3国内外多用途工作船的发展趋势多用途工作船的发展经历了一个由不成熟到逐渐成熟的发展过程。以胜利石油管理局的多用途工作船为例，船总长46.23米，型宽9.80米，型深3.20米，总吨496吨，净吨149吨，吃水1.40米，主机功率370KW×2，仅具有一定的物资供应能力和小型拖带能力，不具有拖带现有平台的能力。对钻井平台一口井位的物资供应需要多个航次，且拉运水泥需要装载水泥的专用车辆，不具有对外消防能力；而10000HP多用途工作船是胜利油田有限公司“十五”期间海洋石油生产的重要工程之一，它的建造是为提高油田应对海域及周边海区突发性事件的紧急救助能力，减少因恶劣天气和海况对财产和生命安全导致的损失。该船具有拖力大、功能强、用途多、设备先进的特点，是目前我国自行设计建造的大马力、具有动力定位功能和强大消防功能的多用途工作船。随着能源产业和海洋工程事业的迅速发展，多用途工作船也根据海上作业需要不断发展，船舶性能逐渐改善，船舶功能逐步完善，可以满足多种海上作业需求，成为真正意义上的多用途工作船。1.4课程设计技术任务书1）船型及用途本船为双机、双桨海洋多用途拖轮，重要用于拖带、消防、港口作业等多种用途，航行于近海海域。2）船级及规范本船入中国船级社，设计建造应满足中国船级社现行规范、规则及有关公约的规定。3）稳性与干舷本船稳性与干舷应满足中国海事局2023年颁布的《船舶与海上设施法定检查技术规则·国内航行海船法定检查技术规则》中对近海航区拖轮的规定。4）船体结构本船为全焊接钢质拖轮，骨架形式按结构设计规定选用横骨架式，结构构件的尺寸按中国船级社《钢质海船入级与建造规范》（2023）进行设计。5）船员本船定员为14人。6）航速、拖力航速：在风力不超过蒲氏风标3级、主机以额定转速运转时，拖轮在满载状态静水中航行时的自由航速大于13.0节，拖带航速6节。系柱拖力：～400kN。7）主机、齿轮箱主机：型号6320ZCd-6型柴油机（或自选）额定功率1470kW×2额定转速525转/分齿轮箱：型号GWC45·49转速范围：400～900转/分减速比：2.4671：18）续航力本船续航力为3000浬，能携带燃料油～500吨，轻柴油～35吨，滑油～9吨，淡水～320吨。9）自持力本船自持力为30天。1.5课程设计的重要工作内容和基本规定1.5.1课程设计的重要工作内容1）总体设计方案构思；2）船舶主尺度及排水量拟定；3）编写课程设计说明书。1.5.2课程设计的基本规定1）在对设计技术任务书进行全面分析的基础上，对新船的设计方案必须有一个方案构思，提出设想和对各种也许存在的问题进行分析和思考。2）对选用的母型船资料和各种估算方法应分析其合理性和合用性。3）在选择新船重要要素过程中，除了考虑技术因素以外，必须考虑到新船的经济性，例如造价、营运成本等因素。本课程设计中，不规定对新船的经济性指标进行具体的计算和论证，但是在新船的主尺度选择中必须考虑经济性因素，并对此进行必要的分析和讨论。4）应勾画总布置草图，区划主船体舱室等，以便能较为准确地校核布置地位和舱容。5）空船重量和重要性能的估算或计算规定可靠和准确；初稳性计算至少应涉及两种装载情况。6）课程设计说明书应能反映设计思想和设计工作的全过程，每一部分都应有必要的说明和小结，应条理清楚，文字通顺，排版工整，规定用计算机打字成文。1.6方案构思按设计任务书规定，本船为海洋多用途拖轮，应具有以下特点：1）较高的自由航速；2）保证优良的操纵性；3）具有较大的系柱拖力；4）足够的稳性和适航性；5）海洋多用途拖轮应有的其他性能和设备。根据以上的特点，本船设计应做到以下几点：1）本船采用双机双桨，以获得较高的自由航速，快速到达作业海域。2）为保证本船优良的操纵性，应力求减小船长。3）为提高本船的推动效率，增长拖力，应加大尾吃水，以增大螺旋桨的直径。4）在保证足够稳性和适航性的情况下，型深不应过大，以免引起重心升高和受风面积的增大。5）本船应需配备以下重要设备：大功率的自动拖缆机，相应能力的起吊设备和对外消防设备等。1.7母型船资料一、概述本船是航行于沿海航区的2940KW的海洋多用途拖轮。钢质结构，单连续甲板，长首楼，双机，双桨，双舵船舶，重要任务是营救遇难船舶，拖带搁浅、触礁以及失去机动能力的船舶返回安全地区。二、主尺度及重要要素船长LOA57.62m垂线间长LPP49.40m型宽B12.00m型深D5.00m设计吃水d4.20m满载排水量Δ1852.1t方形系数CB0.723棱形系数CP0.794舯剖面系数CM0.911水线面系数CW0.900浮心纵向位置XB-2.122m自由航速V12kn三、主机型号6320ZCd-6型柴油机额定功率1470kW×2额定转速525转/分齿轮箱减速比2.4671：1四、螺旋桨采用四叶外旋定螺距螺旋桨2个，材料为镍铝青铜。第二章船舶主尺度及排水量的初步估算2.1拟定主尺度应考虑的因素1、船长对于各类不同用途的拖轮，其船长的选择是不同的，如对于内河浅水拖轮，由于吃水过小，为了得到一定的排水量不得不加大船长，对于港作拖轮则应尽量减小船长以得到港内自身回转的灵活性，而对于长途航行的拖轮及海洋拖轮，要考虑到减小阻力以及对风浪的抵抗能力，则应适当的增长船长。本船的基本考虑因素有以下几点：(1)满足布置规定。主甲板以下要布置机舱、淡水舱、重油舱及首尾尖舱等，这些舱室应分布合理，使拖轮在满载和空载情况下尾部吃水变化较小，以保持车叶和舵的良好性能，必要时需考虑设立压载舱，船长应能满足以上布置的规定。(2)航道限制。内河拖轮，特别是运河和浅水急流航道的拖轮要考虑航道的最小曲率半径对船长的限制。(3)考虑阻力。拖轮在自航时，相应的速长比约为1.1～1.4，所以增长船长可以减少速长比，即减少了拖轮的剩余阻力。求某些规定自由航速较高的拖轮，可考虑选取较大的船长，但要注意避“峰”求“谷”，即避开阻力的峰值，请结合任务书的规定来考虑。(4)造价考虑。拖轮船长愈大则重量愈大，造价愈高。2、船宽拖轮船宽重要决定于稳性以及必要的甲板面积，需要考虑的因素有：(1)稳性规定；(2)航道限制；(3)布置规定。3、型深型深对纵向强度、剩余稳性均有很大的影响。由于型深＝设计吃水+最小干舷，故吃水为一定期，根据最小干舷就可以决定最小型深。4、干舷干舷直接关系到船舶的剩余阻力和大倾角稳性。拖轮的干舷较一般的船舶高，一般多在0.6～1.2m之间，视船舶大小及航区而定。2.2主尺度选择的一般环节船舶主尺度的选取重要涉及到以下几个方面：①满足承受重量所需要的浮力，即空船重量加载重量应等于船在设计吃水时的浮力；②满足新船所需要的布置地位(舱容及甲板面积)；③满足对新船的各项技术性能(快速性、稳性、操纵性、耐波性和强度等)的规定；④考虑航线环境、建造与修理厂设备条件对新船主尺度的限制；⑤满足用船部门对新船的有关使用规定。⑥经济性好。具体环节和方法如下：1）拟定主尺度的选择范围一方面根据新船的船型、布置地位、航速等和主尺度的限制条件，参考母型船资料，初步拟定一个主尺度的选择范围。具体方法是：采用一些主尺度估算公式，对主尺度进行估算，大体拟定新船的主尺度范围。2）主尺度的第一次近似计算主尺度的初始值可以采用以下方法估算：①采用母型船换算法：采用适当的换算方法粗估新船的主尺度初始值。②应用记录公式或经验公式：对常规船型，在选用记录公式或经验公式粗估主尺度时，特别要注意公式的合用范围，假如对这些公式的合用范围不清楚，可以用母型船资料来试算，从而了解这些公式的合用范围。3）重力与浮力的平衡、舱容和布置地位的初步校核对于布置地位型船：一方面校核布置地位与舱容，然后校核浮力与重力的平衡。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，也可以采用调整方形系数的方法。2.3主尺度的拟定方法2.3.1根据记录资料和近似计算公式来拟定船长范围可参考《船舶设计手册》，根据所给记录资料，进行选择，我选择的是4）由船长和主机功率的记录公式来粗略估算：L其中：,结合母型船资料船长LPP为50m到60m之间。结合后面的各种校核可知LPP为58m。船长对船造价是影响最大的，所以在也许的前提下尽也许的去减小船长。由于要达成相应的马力，所以在无耐之下增长船长从而使其达成相应的规定。2.3.2船宽的初步估算对于船宽，由于拖轮在工作过程中往往受到被拖船舶的急牵，其稳性规定较高，所以船宽通常按稳性规定结合布置的情况来拟定。根据记录资料和母型船来拟定船宽范围由母型船换算得到型宽B=算的船宽为14m2.3.3型深D和吃水d的拟定拖船吃水一般由螺旋桨所需的浸沉深度、港口航道条件及对稳性影响较大的B/d值来选定。本船一般在深水港区和近海海域，因此其吃水不受限制，故吃水的选择重要应从提高推动效率及规定一定的尾吃水和稳性角度来考虑。在一定吃水条件下，型深的大小对稳性、储备浮力等均有影响，因此型深的拟定要考虑干舷的规定和型深吃水比的影响以及设计建造的方便。均采用母型船换算公式根据母型船资料，中部吃水取d为4.9m根据母型船资料，L/D=9.88型深D可以取为5.9m2.3.4方形系数的估算沿海船舶方形系数推荐用下式计算：根据，但当时，应减0.01其中：V为自由航速，为14kn；L为垂线间长（英尺）初步算的为0.5632.3.5其它船型系数的拟定棱形系数沿海船舶的棱形系数和速长比关系采用蒋慰昌公式：=0.593上式合用于=1.10以下。中剖面系数=0.949水线面系数沿海船舶的水线面系数和方形系数的关系可以用以下表达：=0.711浮心纵向坐标=-1.097拖轮的浮心位置一般在船舯之后，可取在2%--3%LPP处。这些均为初步估算，具体校核下面会提及。2.3.6船舶重量估算及载重量的估算根据同类型船的情况，分别找出各部分的重量系数。1、船体钢料重量，系数取自母型船0.1288；为617.1t2、舾装重量，系数取自母型船1.16；为329.7t3、机电设备重量，系数取自母型船5.9；为360t4、排水量裕度取空船重量LW的5%，综上所述，空船重量LW=105%(WH+Wo+WM)=1372t1、人员及行李：每人平均重65kg，船员行李50kg。共1.61t2、食品及淡水：食品每人天天4kg，淡水每人天天200kg。可算出食品重量，此外，任务书给出携带淡水～320t。共353t3、燃料油+轻柴油：任务书给出携带燃油～535t。共535t4滑油：任务书给出携带滑油～9t共9t5、备品及供应品：该部分通常取为(0.5%～1%)LW。共11t综合以上，可求出载重量DW。DW=908.6tLW+DW=2280.6t2.3.7船舶重量估算根据浮性方程式,由初步选取的主尺度参数计算新船的排水量；Δ=2308.06t2.4小结由这一章可以大体算出重要尺寸和相关系数以及船体重量。但是这些数据是不可靠的，换需要从新去校核换算。Lpp=58mB=14md=4.9mD=5.9mCB=0.563CP=0.593CM=0.9494CW=0.711XB=-1.1第三章性能平衡及校核3.1舱容及重力与浮力平衡校核3.1.1舱容校核一、新船所能提供的舱容的估算主船体总容积的估算，据主尺度（涉及方形系数），可粗估垂线间长范围内的主船体的型容积=2908.4m^3为计算到型深的方形系数，，其中取4。为计入舷弧和梁拱的相称型深，=6.047。二、分项舱容的校核1、机舱容积VM机舱所需容积事实上由机电设备布置地位所需的机舱长度LM和机舱位置所决定。拖轮机舱位置布置在船长中部。已知机舱所需长度LM和位置时可按下式估算机舱容积：VM=KMLMB(D-hDM)式中：KM为机舱体积丰满度系数，取KM=1；hDM为机舱双层底高度，取hDM=1.2m。机舱长度：LM=lm+C式中：lm=4.934m，系数C=5.066m。求得：VM=658m3。2、压载水舱容积VB压载平均吃水dB=1.55+0.023L已知规定的压载航行平均吃水后，可按下式计算压载排水量ΔB，（2-6-4）求得：ΔB=1181.5t<LW=1372.2t，即暂时无需压载水舱。求得：VB=0m33、油水舱容积VOW船上油水舱涉及燃油舱、淡水舱、轻柴油和滑油舱等。这些舱所需容积可按储存量来计算：（2-6-3）式中：为油、水等储存量（t）；为油水的密度（t/m3）为容积折扣系数，对于水舱可取结构折扣系数，对油舱再考虑膨胀系数0.97，重油舱内因设立加热管系，故还要占去3%左右的容积。燃油500ρ0.9kc0.922082vi602.5012淡水320ρ1kc0.98vi326.5306轻柴油润滑油44ρ0.85kc0.9506vi54.45477最后可知道VOW=983.54、其他舱室容积VA主船体其他舱室尚有首尖舱、尾尖舱等等，此范围内上述舱室的容积约占总容积的5%；此外，防污染公约规定，污油、污水舱的舱容不得小于油水舱容积的3%。即可知道VA占总舱容5%三、全船舱容的校核综上所述需要的总容积为1724m^3小于所能提供的垂线间型容积2908m^3。3.1.2重力与浮力平衡校核根据初步估算的空船重量LW和载重量DW计算出船舶的重力；根据初步选取的L、B、D、d及计算出新船的排水量；比较重力与浮力，采用诺曼系数法进行平衡，最终浮力应略大于重力，并应满足平衡条件的规定。由于排水浮力太过大于船重，不满足规定。因此要进行重力与浮力的平衡校核，采用诺曼系数法进行平衡。采用修正来平衡，则诺曼系数：式中：α=0.4，β=0，γ=0。求得：N=1.118；则δΔ=N·=-88.43t；浮力2308.0552752277.306LW1372.007851DW908.5860628DW1936.0474235905.2977△dw-27.461360723.288356δΔ=N*Δdw=-30.749716553.682119Cb=(Δ+δΔ)/(ρkLBd)=0.0.555967再次平衡可知浮力Δ=2281t，略大于LW+DW=2280.6t，满足条件。并且从新估算了航速=14.46kn重新估算航速V=(1.08-Cb)*2*L^0.514.4826798114.45792Cp=0.0.575967Cm=0.0.965276Cw=0.0.705856Xb=-1.-1.31243cbd0.586173重新估算航速V=（1.08-CB）x2xx1.944=14.46KN此时圆圈P=2.5066*FR/=1.03，处在有利“干扰区”3.2初稳性校核拖船的稳性对其安全性和使用效能均有重要的影响，且受稳性规范的约束，是设计中要很好解决的一项重要技术性能。在开始拟定重要尺度及船型系数时，就必须给予重视。在此仅考虑初稳性的校核。3.2.1初稳性高度及横摇周期估算1、满载出港根据船舶静力学，初稳性高GM=KB+BM-KG亦可化为：式中：=KG表达重心高度，并且求得：=0.559，=0.079。计算重心高度如下表：重心高度估算Wh=617.05504Zgh4.Wo=329.6577953Zg06.34935Wm=359.9613086zgm3.245∑W=1372.007851∑wi*zi5866.519968Zge=∑wi*zi/∑W5.人员及行李食品33.61Zgd16.9备品及淡水330.9760628Zgd24.72燃油轻柴油润滑油544Zgd33.54∑W=908.5860628∑wi*zi3719.876016Zgd=∑wi*zi/∑W4.Zg=4.7780978最后估算出初稳性高是GM=1.18m横摇周期估算：我国法规的完整稳性规则（非国际航行船舶）中，横摇周期按下式估算：（3-1-3）式中：f=1+0.07（B/d-2.5）=1.025，由于B/d>2.5；为未计及自由液面修正的初稳性高。可求得：=9.29s>9s故，船舶满载时能满足规范对初稳性和横摇性能规定。2、压载到港1789t,d,；=0.571；=0.076符合法规对我国沿海船只的初稳性高的规定对于,参考相近的船型得出，故此时初稳性高有符合法规对我国沿海船只的初稳性高的规定f=1.025则横摇周期有：满载和压载都大于8s，符合我国法规3.3自由航速校核3.3.1计算有效马力曲线艾亚(Ayre)法有效功率估算表Lpp58B14T4.9Δ2280.988B/T2.857143Cb0.555967xc-2.62486L/Δ^(1/3)4.406093Δ^0.64140.9934速度131415Vs/√gL0.280490.3020660.323642C0265220195Cbc0.6090.5740.559Cb(%)0.0870820.0314160.005426Cb修正5.691.480.22Cb修正数Δ115.07853.2560.429已修正Cb之C1280.0785223.256195.429B/T修正（%）=-10Cb（B/T-2）%-4.76543-4.76543-4.76543B/T修正数量，Δ2-13.3469-10.6391-9.31303已修正B/T之C2266.7316212.6169186.116标准xc，%L，船中前或后-2.05-2.28-2.41实际xc，%L，船中前或后-2.62486-2.62486-2.62486相差%L，船中前或后-0.57486-0.34486-0.21486xc修正（%）0.20.20.2xc修正数量，Δ3-0.53346-0.42523-0.37223已修正xc之C3266.1981212.1917185.7437长度修正（%）=（Lwl-1.025Lpp）/Lwl6.5031066.5031066.503106长度修正数量，Δ417.3111413.7990512.07911已修正长度C4283.5092225.9907197.8228Vs^3219727443375Pe803.06161258.2871768.004可知道，当V=14.46kn的时候，其有效马力为1501kw3.3.2总推动系数计算推动系数为：以上各项效率分别为