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1、第4章 计算机辅助船舶初步设计概述概述 在船舶设计方面，在船舶设计方面，CAD应用的非常广泛。应用的非常广泛。主要具有以下特点：主要具有以下特点：1、计算速度快，能加快设计周期；、计算速度快，能加快设计周期；2、能进行多方案比较和优化，有利于提高设、能进行多方案比较和优化，有利于提高设计质量；计质量；3、功能强，出图质量高，美观；、功能强，出图质量高，美观；4、涉及到智能的设计目前还相对薄弱；、涉及到智能的设计目前还相对薄弱；5、总体、结构、性能、轮机、电气、舾装、总体、结构、性能、轮机、电气、舾装1.14.1 总体设计和主尺度确定 在船型论证中，技术分析与营运经济分析在船型论证中，技术分析与
2、营运经济分析是分别进行的，即在调查研究以后限定的范是分别进行的，即在调查研究以后限定的范围内，先设立若干船型方案，对每个方案都围内，先设立若干船型方案，对每个方案都进行技术分析，选出较好的主尺度、主机功进行技术分析，选出较好的主尺度、主机功率等技术方案，再对这些技术方案配上航线，率等技术方案，再对这些技术方案配上航线，货运条件，进行营运经济计算分析，最后从货运条件，进行营运经济计算分析，最后从经济营运技术各方面进行全面的分析对比，经济营运技术各方面进行全面的分析对比，选定一个可行方案。下面先介绍用选定一个可行方案。下面先介绍用“网格法网格法”对对16000t极标准干货船的例子。极标准干货船的例
3、子。1.24.1 总体设计和主尺度确定 一、一、16000t标准干货船的基本要求标准干货船的基本要求 16000t标准干货船是远洋干货运输的基本标准干货船是远洋干货运输的基本船型。本船为柴油机、单螺旋桨、两层甲板的船型。本船为柴油机、单螺旋桨、两层甲板的干货，航行于我国各大港口与日本、西北欧、干货，航行于我国各大港口与日本、西北欧、地中海、东西非洲之间，主要装运件杂货、大地中海、东西非洲之间，主要装运件杂货、大宗货，也装运少批量散货和重货。任务书要求宗货，也装运少批量散货和重货。任务书要求本船载重量本船载重量16000t，包装舱容，包装舱容20800m3，吃水，吃水9m，续航力，续航力1200
4、0n mile，要求服务航速不低，要求服务航速不低于于14kn，主机功率在左右。，主机功率在左右。1.34.1 总体设计和主尺度确定 二、方案的设立二、方案的设立 由于规划船型表中对船的吨位、舱容、吃由于规划船型表中对船的吨位、舱容、吃水、航速、功率等参数作了规定，在船型论证水、航速、功率等参数作了规定，在船型论证中，就侧重与不同主尺度方案。中，就侧重与不同主尺度方案。主尺度方案的选择：主尺度方案的选择：根据调查研究，国内外同类型船的方形系根据调查研究，国内外同类型船的方形系数范围大致在之间数范围大致在之间,长宽比的范围大致在之间。长宽比的范围大致在之间。三、主尺度的计算三、主尺度的计算 主尺
5、度的计算是按图框图进行。主尺度的计算是按图框图进行。1.4输入载重量，方形系数，长宽比和吃水限度输入载重量，方形系数，长宽比和吃水限度初稳性合格、干舷合格信号初稳性合格、干舷合格信号载重量系数载重量系数初稳性合格初稳性合格根据所需舱容求根据所需舱容求H根据浮性方程求根据浮性方程求L,B根据所根据所需舱容需舱容求求H YNYN根据稳性要求的根据稳性要求的L/B和和B/T求求L,B,T排水量排水量开始开始干舷合格干舷合格根据干舷所需根据干舷所需H/L求求H1.5空船重量估算，载重量计算空船重量估算，载重量计算载重量与原要求载重量与原要求是否相符是否相符初稳性不合格初稳性不合格信号，增大信号，增大B
6、,减小减小H,T,算出算出L/B,B/T改变载重改变载重量系数量系数初稳性估算初稳性估算结束结束YN干舷不合干舷不合格信号格信号,增增大大H,算出算出H/B干舷计算干舷计算干舷是否符合干舷是否符合要求要求初稳性是否符初稳性是否符合要求合要求YNNYY1.64.1 总体设计和主尺度确定 三、主尺度的计算三、主尺度的计算 1)由于大型干货船的吃水都受港口、航道由于大型干货船的吃水都受港口、航道水深的限制，因此要定一个吃水限度。水深的限制，因此要定一个吃水限度。2）载重量系数）载重量系数E用下式作初次估算。用下式作初次估算。E DW+0.244(CB-0.7)式中：式中：DW载重量（载重量（t）；）
7、；CB方形系数。方形系数。排水量排水量 D=DW/E 3）主尺度计算是按照稳性合格与否，干）主尺度计算是按照稳性合格与否，干舷合格与否而菜用不同的方法进行。舷合格与否而菜用不同的方法进行。1.74.1 总体设计和主尺度确定 （1）如稳性合格，则根据浮性方程）如稳性合格，则根据浮性方程 D=1 L B T CB K（t）和给定的长宽比和给定的长宽比L/B与吃水与吃水T而算出而算出L和和B。（2）如稳性不合格，则按所需的）如稳性不合格，则按所需的L/B和和B/T值算出值算出L、B、T。4）型深是按舱容的要求计算的。货舱的）型深是按舱容的要求计算的。货舱的包装舱容是货舱长度、船宽、舱深、方形系包装舱
8、容是货舱长度、船宽、舱深、方形系数、结构形式、舱口大小、舷弧大小等的函数、结构形式、舱口大小、舷弧大小等的函数，主要是前四项，因此采用下式估算。数，主要是前四项，因此采用下式估算。1.84.1 总体设计和主尺度确定 货舱包装容积货舱包装容积 Ca=(L-Lm-Lp)B(H-HD)KgKB (m3)式中式中:Lm机舱长度；机舱长度；Lp首尾尖舱长度之和；首尾尖舱长度之和；HD双层底高度；双层底高度；Kg随机舱位位置，根据方形系数、结随机舱位位置，根据方形系数、结构形式、舱口大小、舷弧大小等因素而变化的构形式、舱口大小、舷弧大小等因素而变化的系数；系数；KB包装舱容和散装舱容的比值。包装舱容和散装
9、舱容的比值。Kg=C+1.08 CB式中式中:C系数系数(对偏尾机舱船对偏尾机舱船C=0.118,尾机舱尾机舱 船船C=)1.94.1 总体设计和主尺度确定 这五个参数是经过分析现代杂货船的有关这五个参数是经过分析现代杂货船的有关资料而确定的，从式中可求得：资料而确定的，从式中可求得：型深型深 5)5)主尺度算出后要进行空船重量主尺度算出后要进行空船重量LWLW计算并计算并校核载重量。校核载重量。LW=WS+W0+WM式中式中:WS钢船体重量；钢船体重量；W0木作舾装重量；木作舾装重量；WM动力装置重量。动力装置重量。1.104.1 总体设计和主尺度确定 采用下列两列估算采用下列两列估算WS和
10、和W0：式中，式中，WSO是特殊的木作舾装重量，如船上有是特殊的木作舾装重量，如船上有重吊，双排舱口或有旅客设备等则需增加重量。重吊，双排舱口或有旅客设备等则需增加重量。动力装置重量动力装置重量WM分为主机和辅机机电设备重量分为主机和辅机机电设备重量两项计算。两项计算。WM是输入数据。这样载重量是输入数据。这样载重量 DWT=D-LW（t）如如DWT与要求的载重量与要求的载重量DW之差大于之差大于10t，用诺，用诺曼系数法修正，则须重新决定载重量系数曼系数法修正，则须重新决定载重量系数1.114.1 总体设计和主尺度确定 应用新的应用新的E值确定排水量值确定排水量D，再用上述方法，再用上述方法
11、计算主要尺度计算主要尺度L、B、T、H，反复循环计算，直，反复循环计算，直到到DWT和和DW相符合为止。相符合为止。6)干舷是根据我国海船载重线规范干舷是根据我国海船载重线规范,并作一并作一系列的简化计算求得系列的简化计算求得,主要的有主要的有:(1)基本干舷基本干舷F0采用下列近似计算采用下列近似计算:F0 L(mm)(2)假定设计船没有舷弧和仅有首楼。假定设计船没有舷弧和仅有首楼。如干舷不足，程序根据指定的信号，并把如干舷不足，程序根据指定的信号，并把1.124.1 总体设计和主尺度确定 型深自动增加到所需的数值，算出型深自动增加到所需的数值，算出H/B比值。再比值。再进行下一步计算（载重
12、效核）。进行下一步计算（载重效核）。四、初稳性四、初稳性 计算满载出港和压载出港两个情况的初稳性。计算满载出港和压载出港两个情况的初稳性。1)压载排水量压载排水量DB用下式近似地估算：用下式近似地估算：DB=D DWT+BW (t)式中式中:BW为压载水重量为压载水重量(t)是给定的。这个公式是给定的。这个公式假定载货量为总载重的假定载货量为总载重的90。压载情况的平均吃。压载情况的平均吃水水TB用下式估算：用下式估算：1.134.1 总体设计和主尺度确定 式中：式中：CW 水线面面积系数。水线面面积系数。2)现在杂货船的型线大多是中现在杂货船的型线大多是中V形，因此采形，因此采用以下两式计算
13、用以下两式计算CW值：值：满载情况满载情况 CW=CB 压载情况压载情况 CWB=CB 3)初稳心高度初稳心高度 GM=KC+CM-KG (m)(m)式中式中:KC、CM、KG分别为浮心距基线高，稳分别为浮心距基线高，稳心半径和重心距基线高。心半径和重心距基线高。KC和和CM用下列各式计用下列各式计算：算：1.144.1 总体设计和主尺度确定 满载情况满载情况:压载情况压载情况:1.154.1 总体设计和主尺度确定 同类型船的同类型船的=KG/H比较稳定，因此一般比较稳定，因此一般均用这个比值估算重心高度均用这个比值估算重心高度KG。统计分析了现。统计分析了现代杂货的资料，大多数船的值在下列范
14、围内：代杂货的资料，大多数船的值在下列范围内：满载情况满载情况:=0.620.65,平均值为。平均值为。压载情况压载情况:=0.520.59,平均值为平均值为 对经济型杂货船，这个对经济型杂货船，这个值在满载和压载情值在满载和压载情况下分为和。况下分为和。4)如初稳心高度如初稳心高度GM小于原要求的数值小于原要求的数值GM0,则用下式计算所需的则用下式计算所需的B/H比值比值:1.164.1 总体设计和主尺度确定 从上式求得的从上式求得的B/H值值,连同为了保证货舱舱连同为了保证货舱舱容不变容不变(B(H-H0)=常数常数)的关系求得的关系求得H值。值。船宽船宽B则从以上求得的则从以上求得的H
15、和和B/H值求得。值求得。吃水吃水T则由求得的则由求得的B值，连同为了保证载重量值，连同为了保证载重量（或排水量）不变（或排水量）不变BT=常数（船长常数（船长L，方形系数，方形系数CB不变）的关系求得。不变）的关系求得。1.174.1 总体设计和主尺度确定 在调整在调整B、H、T的同时，还算出的同时，还算出L/B和和B/T比值，这两个比值在进一步计算中是要用比值，这两个比值在进一步计算中是要用到的。到的。（或排水量）不变（或排水量）不变BT=常数（船长常数（船长L，方形系，方形系数数CB不变）的关系求得。不变）的关系求得。已调整的主要尺度还要进行重量校核，已调整的主要尺度还要进行重量校核，如
16、果不合要求，就调整载重量系数如果不合要求，就调整载重量系数E，重新估，重新估算排水量，再一次计算主尺度。这时计算尺算排水量，再一次计算主尺度。这时计算尺度就要用到以上计算的度就要用到以上计算的L/B和和B/T比值。这项比值。这项计算反复进行到计算反复进行到DWT和和DW相符合为止。相符合为止。1.184.1 总体设计和主尺度确定 初稳性计算中还包括横摇周期和共振横摇初稳性计算中还包括横摇周期和共振横摇角的计算，这两项计算根据我国海船规范所提角的计算，这两项计算根据我国海船规范所提供的计算方法进行的。供的计算方法进行的。五、航速计算五、航速计算 服务航速一般假定为试航速度的服务航速一般假定为试航
17、速度的94，或，或假定服务航速比试航速度减少假定服务航速比试航速度减少0.81kn。（也有。（也有用假定主机额定功率用假定主机额定功率PB及转速及转速N时的航速为试时的航速为试航速度，而用航速度，而用85PB的功率，的功率，N的转速时的的转速时的航速为服务航速航速为服务航速)1.194.1 总体设计和主尺度确定 计算三个航速的主机功率是为了最后用插计算三个航速的主机功率是为了最后用插值法求得航速值法求得航速,船用主机功率船用主机功率PB可用下列方法估可用下列方法估算算:1)用海军常数法求主机功率用海军常数法求主机功率式中：式中：CA海军常数（从母型船求得）。海军常数（从母型船求得）。这一方法对
18、于新设计船与母型船的大小、这一方法对于新设计船与母型船的大小、尺度比、方形系数相差不大，主机类型也相同尺度比、方形系数相差不大，主机类型也相同时，其计算结果较为准确。时，其计算结果较为准确。1.204.1 总体设计和主尺度确定 2)用单一近似公式计算主机功率用单一近似公式计算主机功率式中：式中：N主机转速（主机转速（r/min）K9系数系数（高速船，（高速船，K9=1.04;=1.04;低速船，低速船，K9=1.08)=1.08)。1.214.1 总体设计和主尺度确定 3)用有效功率与推进系数估算主机功率用有效功率与推进系数估算主机功率 (1)有效功率有效功率(2)(2)推进系数推进系数 式中
19、：式中：w、t 分别为伴流系数和推力减额系数；分别为伴流系数和推力减额系数；1.224.1 总体设计和主尺度确定 式中：式中：ES 轴系效率轴系效率(一般一般ES=)；ER 相对旋转效率相对旋转效率(一般一般ER=)；EP 螺旋桨敞水效率；螺旋桨敞水效率；BP 螺旋桨计算系数；螺旋桨计算系数；1.234.1 总体设计和主尺度确定 这一方法由于考虑到船舶主尺度的所有参这一方法由于考虑到船舶主尺度的所有参数以及主机功率与转速等数以及主机功率与转速等,因此可以得到比较准因此可以得到比较准确的结果确的结果,同时也可用来比较各种主机的推进性同时也可用来比较各种主机的推进性能。能。当已知船舶主机功率的情况
20、下，船舶的航当已知船舶主机功率的情况下，船舶的航速可用下述方法估算：速可用下述方法估算：假定三个航速，即假定三个航速，即v1、v2、v3，然后算出对应的，然后算出对应的主机功率主机功率P1、P2、P3。据此可画出。据此可画出P=f(v)的曲的曲线，从图中可求出已知主机功率下的航速线，从图中可求出已知主机功率下的航速v。1.244.1 总体设计和主尺度确定 六、经济指标计算六、经济指标计算 评价船舶经济性指标的选择，对船型方案评价船舶经济性指标的选择，对船型方案的论证极为重要，采用不同的评价指标，会导的论证极为重要，采用不同的评价指标，会导致不同的选择方案。远洋货船设计中，常采用致不同的选择方案
21、。远洋货船设计中，常采用以下六个经济性指标作为评价船舶方案的主要以下六个经济性指标作为评价船舶方案的主要指标，即船舶的造价指标，即船舶的造价P；投资回收年限；投资回收年限TK；净；净现值现值NPV；航速；航速v；吨成本；吨成本S；货运费率；货运费率RFR。1.254.1 总体设计和主尺度确定 1.各经济指标的计算方法各经济指标的计算方法 (1)营运计算营运计算 a.年货运量为年货运量为 Q=nQC (吨吨/年年)式中式中:n 年往返航次数；年往返航次数；b.年货运周转量为年货运周转量为 Q YJ=nQC YJ (吨海里吨海里/年年)式中式中:QC 往返航次货运周转量往返航次货运周转量(吨海里吨
22、海里)；YJ 运距运距(海里海里)1.264.1 总体设计和主尺度确定 c.对于多港停靠情况对于多港停靠情况,货运量计算为货运量计算为 QC=QC1+QC2+QC3+QCn d.相应的货运周转量为相应的货运周转量为 Q YJ=nQC YJ (吨海里吨海里/年年)QC YJ=QC1 YJ 1+QC2 YJ2+QC3 YJ 3+QCn YJn式中式中:QC1,QC2,QCn分别为各航段载分别为各航段载 货量货量(t);YJ1,YJ2,YJn分别为各航段运距分别为各航段运距(kn)。1.274.1 总体设计和主尺度确定 e.年往返航次数年往返航次数 n=Tn/Twf Tn=365营运率营运率 Twf
23、=Th+Twf式中式中:Tn 年营运期年营运期(天天);Twf 往返航次时间往返航次时间(天天);Th 航行时间航行时间(天天);Twf 停泊时间停泊时间(天天);1.284.1 总体设计和主尺度确定 (2)经济计算经济计算 a.造价造价 船体、舾装、机电和其它。船体、舾装、机电和其它。b.年运输成本年运输成本 CMZ=(FCY+FRR+FW+FGK+FZ式中式中:FCY船员工资；船员工资；FRR燃润料费；燃润料费；FW修理、保险、税金；修理、保险、税金；FGK港口费；港口费；FZ折旧费；折旧费；1.294.1 总体设计和主尺度确定 c.年营运收入年营运收入 FR=RYF1 QC1+RYF2
24、QC2式中式中:RYF1、RYF2往返货运价往返货运价(美圆美圆/吨吨)；QC1、QC2往返货运量往返货运量(t)；d.年利润年利润 AP=FR-CMZ e.单位成本单位成本 CDY=CMZ/Q1.304.1 总体设计和主尺度确定 (3)经济指标计算经济指标计算 a.货运费率货运费率 RFR=AAC/Q式中式中:AAC平均年度费用平均年度费用AAC=FNY+P CR；Q年货运量年货运量(t)；b.净现值净现值 NPV=SPW-(FR-FNY)式中式中:FR年收入年收入 FNY年营运开支年营运开支;1.314.1 总体设计和主尺度确定 SPW系列现值因素系列现值因素,SPW=1/CR；RI贷款利
25、息；贷款利息；CR资金回收因数资金回收因数,；b.回收年限回收年限式中式中:AP年利润年利润;RI年利率。年利率。1.324.1 总体设计和主尺度确定 以上净现值是假定船价是一次投资，以上净现值是假定船价是一次投资，每年营运支出与货运收入都不变的情况下每年营运支出与货运收入都不变的情况下才能计算。当船价是分期付款，每年的营才能计算。当船价是分期付款，每年的营运支出和货运收入都不同，则虚分年合算，运支出和货运收入都不同，则虚分年合算，然后再算净现值之和。然后再算净现值之和。1.334.2 初步设计方案优化 初步确定初步确定16000t干货船的主要尺度范围。但干货船的主要尺度范围。但在远洋干货船的
26、优化设计中，自变量的取定，约在远洋干货船的优化设计中，自变量的取定，约束条件范围，多目标带约束转变为单目标无约束束条件范围，多目标带约束转变为单目标无约束优化方法等内容上，下面就此再作一些介绍。优化方法等内容上，下面就此再作一些介绍。1.1.设计变量设计变量 根据远洋干货船特点取长宽比根据远洋干货船特点取长宽比L/BL/B，宽吃水，宽吃水比比B/TB/T和方形系数和方形系数C CB B为设计变量较为适合。则：为设计变量较为适合。则：1.344.2 初步设计方案优化 在求解过程中，采用标准化变量在求解过程中，采用标准化变量Y进行运算：进行运算：1.354.2 初步设计方案优化 其中带角标其中带角
27、标u表示上限值，带角标表示上限值，带角标l表示下限值。表示下限值。在计算船的技术经济性能时，还应以在计算船的技术经济性能时，还应以X为变为变量进行运算，由量进行运算，由Y到到X的逆变换为的逆变换为1.364.2 初步设计方案优化 二、约束条件二、约束条件 尺度与性能的约束条件如下：尺度与性能的约束条件如下：G1=LBL/150-1150-10 0；G2=B/22-122-10 0 G3=T/9-19-10 0；G4=1-1-CB/0 0 G5=1-1-GM/0;0;G6=1-1-T/10100 0 G8=1-1-/0;0;G8=1-1-v/15150 0一条船的约束条件是很多一条船的约束条件是
28、很多,具体根据实际要求具体根据实际要求而定。而定。1.374.2 初步设计方案优化 三、目标函数三、目标函数 根据本船的特点，取六个目标函数：根据本船的特点，取六个目标函数：(1)(1)造价造价P,P,以最小为优以最小为优;(2)(2)每吨货的运输成本每吨货的运输成本CDY,CDY,以最小为优以最小为优;(3)(3)所需货运费率所需货运费率RFR,RFR,以最小为优以最小为优;(4)(4)投资回收年限投资回收年限TK,TK,以最小为优以最小为优;(5)(5)试航速度试航速度v,以最大为优以最大为优;(6)(6)净现值净现值NPN,NPN,以最大为优。以最大为优。1.384.2 初步设计方案优化
29、 由于有六个指标，而且各反映船舶某一方由于有六个指标，而且各反映船舶某一方面的特性，相互之间存在着一定的制约和矛盾，面的特性，相互之间存在着一定的制约和矛盾，给考察船舶的综合性能带来了一定的困难。如给考察船舶的综合性能带来了一定的困难。如何把六个指标综合为一个指标，以便寻找一个何把六个指标综合为一个指标，以便寻找一个最佳设计方案，是船舶优化设计中还未完全解最佳设计方案，是船舶优化设计中还未完全解决的研究课题。决的研究课题。1.394.2 初步设计方案优化 四、解法四、解法 1.1.多目标问题转化为单目标问题多目标问题转化为单目标问题 利用分层序列法，首先把这个多目标问题化利用分层序列法，首先把
30、这个多目标问题化为一个单目标问题序列。对前面说的六个目标函为一个单目标问题序列。对前面说的六个目标函数，按重要程度的不同排成一个序列，然而逐次数，按重要程度的不同排成一个序列，然而逐次求解最优。每完成一个目标函数的求解过程之后，求解最优。每完成一个目标函数的求解过程之后，就根据其最优解构造一个约束条件，加到后面各就根据其最优解构造一个约束条件，加到后面各目标函数的优化中去。目标函数的优化中去。1.404.2 初步设计方案优化 例如当以造价为目标函数的最优解例如当以造价为目标函数的最优解X X*找到之找到之后，可构造的约束条件为：后，可构造的约束条件为：G=P/（1+1+）P*-1-10式中：式
31、中：P*最优解最优解X X*点所对应的造价；点所对应的造价；P搜索过程中任意点所对应的造价；搜索过程中任意点所对应的造价；1.414.2 初步设计方案优化 使用这个方法的前提是：使用这个方法的前提是：R R1 1，R R2 2，R Rm m等集合均不空，且在每一集合中都不能只有一个等集合均不空，且在每一集合中都不能只有一个元素，否则很难进行下去。元素，否则很难进行下去。1.424.2 初步设计方案优化 标的最优，记第二个目标的最优解集合为标的最优，记第二个目标的最优解集合为R R2 2，如，如此依次进行下去，一直到求得第此依次进行下去，一直到求得第m m个目标的最优个目标的最优解解X X（m
32、m），其概型如下：，其概型如下：1.43 设设计计某某船船,设设计计水水线线长长L LWLWL=27=27米米，设设计计水水线线宽宽B BWLWL米米，设设计计吃吃水水米米，排排水水量量为为吨吨，航航速速为为公公里里/小小时时，棱棱形形系系数数C Cp p=0.588,=0.588,舯舯剖剖面面系系数数C CM M=0.748,=0.748,水水线线面面系系数数C CW W=0.757,=0.757,浮浮心心距距舯舯xb b米米,半半进进水水角角i=12,=12,尾尾板板面面积积与与舯舯横横剖剖面面面面积积的的比比值值为为0.2,0.2,总总效效率率=0.54,=0.54,要要求求确确定定主主机功率。机功率。4.2 初步设计方案优化1.44