200TEU内河集装箱船设计

200TEU 长江集装箱船设计

设计任务书

本船为钢质、单甲板、双机、双桨、柴油机驱动的集装箱船；主要航行于川江及三峡库区和长江中下游航线。载箱量为重箱可载200TEU，按”ccs”有关规范入级、设计和建造。满载试航速度不低于20 km/h, 续航力不小于3000 km。

第一部分设计思路及相关资料准备

主要内容：

1.集装箱船设计思路

2.航区、航线概况介绍

3.集装箱尺度与箱重

4.船用主机资料

5.标准船型主尺度系列

6.母型船参数

1.集装箱船设计思路

总体根据现有的集装箱船标准船型主尺度系列来决定主尺度。

集装箱船的尺度很大程度取决于集装箱的布置形式。在制定本船尺度系列时，除遵循与航道等级相匹配、最少档次、船型协调性、船型优选及实用性、与现行标准相协调等原则外，还要充分考虑集装箱的布置要求。为此，首先根据集装箱排列方式确定相应的尺度，然后根据浮力重力平衡条件、满足各性能要求以及航道的限制等其他法规、规范的相关规定来确定集装箱船标准船型主尺度。具体计算中，首先根据排箱方式确定满足布置要求的最小平面尺度要求，然后对应不同的设计吃水和结构吃水，允许其平面尺度在一定范围内变化，计算各尺度组合下船舶的技术经济性能，通过对选定的指标进行评价，确定出该排箱方式下较佳的船型尺度系列。采用同样的方法计算其它排箱方式下较佳的尺度系列，然后对载箱量大致相同的不同载箱方式进行比选，最后确定相应箱位数较佳的标准船型尺度系列。

2.航区、航线概况介绍

2.1川江与三峡库区介绍

“川江及三峡库区”航道指长江干线重庆重钢新码头至宜昌葛洲坝段航道，全长805.4公里。三峡水库蓄水前，川江属于山区河流，流路曲折、江面狭窄、多浅滩暗礁，船舶航行艰难，航道维护尺度为2.9×60×750米（水深×航宽×弯曲半径）。三峡库区蓄水至 139米后，航道维护尺度为3.5×100×1000米，保证率达到98% ，航道条件得到彻底改善。川江及三峡库区主要通航建筑物是三峡五级船闸和葛洲坝船闸。三峡船闸闸室有效尺度为280×34×5米（长×宽×门槛水深），可通过万吨级船队，设计年单向通过能力5000 万吨。

2.2 长江中下游航线介绍

全长1644公里的长江中下游航道，河道弯曲，浅滩众多，河道演变剧烈，航道极不稳定，是“黄金水道”的瓶颈河段，集中了长江沿线大部分浅险水道。

至2010年，长江干流的通过能力将达到如下标准：

南京港以下常年可通航2．5万吨级海轮和由2000－5000吨级驳船组成的2万－4万吨级船队；

南京至安庆水深达到6米，可通航5000－1万吨级海轮或由2000吨级驳船组成的2万－4万吨级船队；

安庆至武汉水深达到4．5米，可较大幅度地延长5000吨级海船的通航期；

武汉至城陵矶水深达到3．7米，可通航由3500吨级油驳组成的万吨级油运船队，利用自然水深可通航3000吨级海轮；

本船所装集装箱为1CC标准箱

具体尺寸：20ft×8.0ft×8.5ft（长×宽×高，

6058mm×2438mm×2591mm）。

集装箱数量为200TEU。根据相关资料，取

货箱平均重为12吨/TEU。

4.船用主机资料

美国康明斯主机资料

5.标准船型主尺度系列

中华人民共和国交通运输部公告（2010年第3号）

表1 川江及三峡库区集装箱船标准船型主尺度系列（2010年修订版）

载运货箱和空箱数量超过所推荐载箱量时，应满足规范和法规的相应要求。

2.若实际装载货箱重量大于或小于13吨/TEU时，其载箱量会发生变化，此时应满足规范和法规

的相应要求。

3.若装载特种箱、非标箱时，其有关要求应予特殊考虑。

4.本系列船型采用平板型护舷材，船舶应满足规定的总长、船宽要求。

6.母型船参数

参考母型船为200TEU长江集装箱船，

主要技术指标为：

总长： 90 m 设计水线长：88 m

垂线间长：85.8 m 型宽： 16.2m

结构吃水：3.4 m 设计吃水： 2.8 m

型深： 5.2 m 方型系数： 0.793

主机功率: 477kw*2 设计航速: 20km/h

第二部分主要要素的确定

主要内容：

1.集装箱的布置

2.按初步估算主尺度

3.集装箱布置地位的校核和主尺度调整

4.估算空船重量和载重量

6.主要性能的校核

7.主尺度的最终确定 1. 集装箱的布置

长江200TEU 左右内河集装箱船，多采用 6-10行4 列布置。根据《内河船建造规范2009》，要满足“集装箱的装载层数应不大于五层”和“集装箱船驾驶盲区不大于2倍船长”的要求。本船载箱量200TEU ，在货舱部位舱内分为9行×4列×2层，货舱部分甲板上分9行×4列×3层，尾部2行×4列×3层，在尾部少放4箱。 布置图如下

图1 整体示意图

图2 甲板示意图

2.初步估算主尺度 2.1 船长

根据经验公式：

2437470.160.725100.13510Lpp Nc Nc Nc --=+-?+?

其中：20英尺集装箱数量Nc=200 代入方程得 Lpp=76.2 m 2.2 船宽

根据经验公式：

()1c D D C

B b r r

C ≥?+-

其中：集装箱宽度bc=2.438m ，甲板上集装箱列数rd=5，集装箱列之间的间隙

Cc=0.038m ，

代入方程得 B ≥12.3m ，初取B=13 m 2.3 吃水

根据航道水深的限制，并且根据统计资料船宽吃水比B/d 在2.5～3.5之间 初取 d=3.7 m 2.4 型深

根据统计资料D/d 在1.4～2.0之间 初取 D=5.2 m 2.5 方形系数

根据亚历山大公式：

1.68B n C C F =-

其中：取C=1.08，V=20 km/h ，Fn=0.19，代入公式 初取 Cb=0.76

3. 集装箱布置地位的校核和主尺度调整 3.1 船长

根据布置要求，垂线间长Lpp 为： Lpp=Lc+La+Lf+Lm

其中：尾尖舱长度La 取5%Lpp

艏尖舱长度Lf 取6%Lpp

机舱长度Lm 为主机长加10m ，大致取为11.5 m

货舱长度Lc=7.7X-8(X 为集装箱行数)=61.3 m,实取64 m 列方程，解得 Lpp=84.8 m.

相应的Lwl 取为86.9 m ，Loa 约89 m

3.2 船宽

根据舱内集装箱布置要求(图3)，船宽B 为： B=Yo （w+a ）+c(Yo-1)+2b+2d

其中：Yo （列数）=4；

w(箱宽)=8英尺=2.438 m ；

a （箱与导轨之间的间隙）=0.025 m ； c （导轨之间的间隙）=0.2 m ； b(导轨与纵隔壁的间距)=0.125 m ；

d （舱口围板到舷侧的距离）=2.44 m. 代入数据得 B=15.58 m 根据川江及三峡库区集装箱船标准船型主尺度系列，B=16.2 m.

3.3 型深

决定型深的主要因素是舱内集装箱层数，根据布置要求，型深D 为： D=hd+t+hn+f-hc-c 其中：hd （双层底高）=B/16=1.01 m ；

t （垫板厚度）=0.05 m ； hn （舱内箱高）=2*2.591 m ；

f （集装箱顶与舱口盖下缘的间隙）=0.15 m ； hc （舱口围板高）=0.8 m ；

c （梁拱高）=B/50=0.324 m ； 图3

4. 估算空船重量和载重量 4.1 估算空船重量

4.1.1根据经验公式：

其中：L 、B 、D 为以上取值，代入得： LW=1322.18 t

4.1.2 根据米勒空船重量的分项估算公式

Cb 为初取值 Cb=0.76，L 、B 、D 为以上取值 船体钢料重量:

0.9 1.8

1110.6750.9390.005850.8310002B h C LBD L W D ????????=++-??

? ? ???????????

代入数值得， Wk=1202.81

舾装重量：

106)1000

(

0884.0)1000

(

0.332--=BD

L BD L W pp pp f

代入数值得： Wf=129.58 t

机电设备重量:

5

.0)5

.735(213BHP K W m ?=

K=1.15 BHP （主机功率）=477 kw

代入数值得： Wm=197.26 t

根据Miller 公式，重量小于7000t ，估算误差偏大10%左右 空船重量 Lw=（Wh+Wf+Wm ）*90%=1376.69 t 4.1.3 空船重量的确定

取以上两个估算值的平均数

Lw=（1322.18+1376.69）/2=1349.44 t

4.2 计算载重量 4.2.1 载货量

0W N W T c ?=

其中：Nt （集装箱总数）=200，Wo （平均箱重）=12 t 则有 Wc=2400 t

4.2.2 人员及行李、食品、淡水重量

船员取为14人，每人平均65kg ；船员行李50kg/人；

食品消耗3.5 人

· d kg

；淡水消耗75人

· d kg

。

取船航速20km/h ，续航力3000km. 则这部分重量：

W1=14×（65+50）+14×（3000/20/24）×（3.5+75）=8.48 t 8667

.0)(5942.0LBD LW =

燃油重量

3

F 1W 10o g Pt k -=??

滑油重量

F W L W ε= ε

取0.05

炉水重量

由于为小型船舶，可不计炉水重量 这部分重量为：

W2=WF+WL=1.15*0.202*477*2*3000/20*1.1*(1+0.05)/1000= 38.39t 4.2.4 备品、供应品重量 W3=

ε

LW

ε

取0.5%

W3=0.005×1349.44=6.75 t 4.2.5 载重量的合计

DW=Wc+W1+W2+W3=2400+8.48+38.39+6.75=2453.62 t 4.2.6 排水量裕度

==?LW W %453.98 t 4.2 船体总重量

=?++=W DW LW W 3857.04 t 5. 根据重力与浮力平衡确定吃水和方形系数 由2.5可知 初取 Cb=0.76

根据 b pp BdC L W =?= 得 d=3.69 m 由于航区航道限制，实取 吃水d=3.5 m 故相应 Cb=0.80 6. 主要性能的校核

6.1 主尺度规范要求

由上述所定尺度校核：

Lpp/D=84.8/5.3=16 B/D=16.2/5.3=3.06 均满足规范要求

6.2 快速性估算

6.2.1 海军系数法

O

O

O P V P V 3

32

332?=? 3

3

2

???

? ?????? ????=O O O V V P P =477 kw

快速性与母型船相当,满足快速性要求。 6.2.2 统计回归公式

V=2.42L pp 0.17273 B -0.22589 d -0.06644 C B -0.41631(p/0.736)0.205 N -0.01033 计算得：V=20.1 km/h 满足快速性要求

6.3 初稳性估算

初稳性公式如下：

系数 1α,2α,3α均可由母型船资料换算所得.

按型船资料，计算应满足以下规范要求：

《船舶与海上设施法定检验规范》（内河）

1.初稳性高度应不小于0.3m

2.集装箱船应核算下列基本装载情况的稳性： 满载出港，满载到港，压载出港，压载到港

3.计算集装箱船的稳性时，每只集装箱重心高度应取在集装箱高度的一半处。

6.4 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，横摇周期按下列估算：

2

2458.0GM KG B f

T +=ψ

7. 主尺度的最终确定

由以上计算和校验可的最终主尺度如下：

总长： 89 m 设计水线长：86.9 m 垂线间长：84.8m 型宽： 16.2 m 设计吃水：3.5 m 型深： 5.3 m

方型系数：0.80 设计航速: 20 km/h

主机功率: 477kw*2

第三部分 型线设计

主要内容：

1.横剖面面积曲线的绘制

D

d

B d KG BM KB GM 32

21ααα-+=-+=

2.绘制横剖线图

3.绘制中横剖面曲线及梁拱、平板龙骨

4.绘制首尾轮廓线和甲板边线

5.绘制设计水线以上线型

6.绘制水线图和纵剖线图

1. 横剖面面积曲线的绘制 1.1 菱形系数Cp 的选择

由于本船Fr=0.19<0.2,为低速船。由于设计船方形系数CB=0.8较大，所以棱形系数CP 更多考虑阻力的要求。对于低速船，CP 应该尽量取小,但考虑到Cm 不宜太大，否则前肩曲度大，从而会产生凸肩。 当前的大型运输船舶的Cm 常取为0.985-0.995，Cm 的选取一般取决于Cb ，

查《设计手册》P202一般民用船Cm 对Cb 的关系曲线，得Cb 取0.80时，Cm 为0.984；

查《船舶设计原理》P143 查图得CP=0.80 CM=0.99 初取 CP=0.813 CM=0.984 1.2 浮心纵向位置Xb 的选择

心纵向坐标反映排水量在前后体的分布情况，Xb 对剩余阻力影响较大，

在低Fr 时，尾部应保持适当削瘦，以免粘压阻力增加，但首部可以较肥，因为兴波阻力在低俗时占总阻力的比例很小，故Cb 大的低速船，Xb 多在舯前，但也应考虑Xb 对推进性能的影响查《船舶设计原理》P144，得浮心的最佳位置：距船中向前0.8%-3.2%Lpp

考虑双桨，最佳浮心位置比相同速度（Fn ）的单桨船最佳浮心位置约后 移1%Lpp 左右。

1.3 横剖面面积曲线参数的选定 1.3.1 平行中体的长度和位置

查《船舶设计原理》P145，查图得

平行中体长度LP/Lwl=0.25～0.4换算成LP/Lpp=0.26～0.41， 最终LP/Lpp=0.26～0.34

平行中体长度中点距首垂线的距离：X/Lwl=0.42～0.48， 换算成X/Lpp=0.43～0.49

1.3.2 进流段与去流段长度的选择 适宜进流段长度

22)7.0(514.03.6)(--+=P C F L L

N PP

E =0.30

最短的去流段长度

pp

M PP

R

L Bd

C L L 08

.4)(==0.36

1.3.3 最大横剖面位置

由于设计船Fr<0.3，最大剖面位置位于船中位置。

根据母型船，结合设计船，用“1-Cp ”法，仅修改Cp ，过程如下： 采用梯形法，对母型船面积曲线近似积分，得

母型船 =PF C 0.808 ,=PA C 0.795

采用经验公式，估算

设计船

43

/)89.0(027.143/)89.0(973.0+-=++=B P PA B P PF X C C X C C 得

PF C = 0.826 ,PA C =0.800

修改量

PF

PF

C C x

x δδ?--=

11 (前半体)

改造后的设计船横剖面面积曲线如下图：

横剖面面积曲线改造修改后，母型船和设计船参数比较：

其中，Cp ：棱形系数，Cm ：中横剖面系数，

Xb/Lpp ：浮心纵向位置， Lp/Lpp ：平行中体长度，

X/Lpp ：平行中体长度中点距首垂线的距离

2. 绘制横剖线图

在横剖面面积曲线图上，量出各站处新船与母型船横剖面面积百分数相同的距离x δ，然后在母型船的水线图上距对应站x δ处量取各水线半宽y ，再乘上B/Bo （型宽改造的比例值），即可得到新船各站半宽型值。然后根据型值，绘制出横剖面图。

横剖线的改造绘制过程：

3. 绘制中横剖面曲线及梁拱、平板龙骨

对

M C 较大的船，取消舭深高可增大舭部半径（太小的话易产生舭涡）且可简

化施工工艺；

当舭深高为0时，

=?

???????--=2

1)1(2)1(πM C Bd R =1.45m ；如下图：

3.2 梁拱

C=-×B；这里取B/50,即0.324 m;

(2% 2.5%)

3.3 平板龙骨

按《钢质内河船舶入级与建造规范》：

平板龙骨的宽度应不小于0.1B，且应不小于0.75m，

这里取 1.62m;

4.绘制首尾轮廓线和甲板边线

4.1 首尾轮廓线

首尾轮廓线一般应由母型船的形状按相同规律修改而得，否则与水线端点不易配合。尾框尺寸涉及桨和舵的布置，可按新船要求参照母型船形状自行设计，但应注意尾框的修改会使水线尾端点距中值改变，因此必须对尾部水线做适当修改。修改后首尾轮廓线如下图：

4.2 甲板边线

4.2.1舷弧的选择

舷弧是指首尾垂线处甲板边线高度减去型深后的值，分为首尾舷弧

（F S 和A S ），小型船舶耐波性差，首部容易上浪，取较大的舷弧以利减少甲板上浪，所以小型船舶首舷弧取得一般比较大，标准舷弧规定：

首舷弧：

=1913 mm

尾舷弧： =957 mm ；

此外，法规对最小船首高度有以下要求：

当L<250m 时， =3623.668 mm ， 这里取3.7m ；

法规同时规定，如果是用设置上层建筑来达到，则上层建筑至少延伸到 首垂线后0.07L 处。

4.2.2 最小干舷计算

根据相应规范计算最小干舷，计算如下表 4.2.3 舷弧和最小干舷的校核

实际干弦F=D-d=5.3-3.5=1.8>Fmin=1.38，说明干舷满足要求；

船首高度f

h =F+首楼高度=5.3-3.5+3.4=5.2>3.7,满足上述对

min

f h 的要

求；

50(/310)F S L =+25(/310)A S L =+f h min 1.36

56(1)

5000.68

f B L h L C =-+

5.绘制设计水线以上线型

设计水线以上的型线，由于甲板边线需满足新船的型深和舷弧要求，通常情况下不会与母型船的甲板边线高度经吃水比例修正后相同，因此需要另行绘制。绘制时可参照母型船改造所得的横剖线形状，应用自由绘制的方法进行。绘制时应满足总布置对甲板边线宽度的要求。同时注意横剖线上部的外飘程度。

6.绘制水线图和纵剖线图

在绘制好的横剖面图上，重新划分水线，根据投影关系，绘出新的水线图和纵剖面图，最后进行三向光顺。

第四部分 三维建模

主要内容：

1.根据型值建三维模型

2.三维光顺与成型

3.静水力计算

1. 根据型值建三维模型

提取横剖线图中的各站点以及船中纵剖面选取的各散点制成txt 文件导入Freeship 可得三维的船体模型

初始导入： 纵剖面图

2. 三维光顺与成型

根据Freeship 中的光顺检测功能，调整各个部分的光顺性，并适当添加控制

透视图：

横剖面图：

点，行程密集的控制网格。根据导入后成型的图，主要调整船首部以及尾封板的位置，具体调整后如同：

整体

3. 静水力计算

设计船长 : 89.000 [m] 总长 : 88.890 [m] 设计船宽 : 16.200 [m] 总宽 : 16.317 [m] 设计吃水 : 3.500 [m] 中横剖面位置 : 44.500 [m] 尾部

首部

附体系数: 1.0000

体积属性:

排水体积: 3868.2 [m3]

排水量: 3868.2 [tonnes]

水下部分总长: 88.890 [m]

水下部分总宽: 16.317 [m]

方形系数: 0.7634

菱形系数: 0.7999

垂向菱形系数: 0.8673

浸湿表面面积: 1733.1 [m2]

浮心纵向位置: 42.834 [m]

浮心纵向位置: -2.061 [%]

浮心垂向位置: 1.863 [m]

中横剖面属性:

中横剖面面积: 54.575 [m2]

中横剖面系数: 0.9556

水线面属性:

水线长: 87.348 [m]

水线宽: 16.204 [m]

水线面面积: 1276.6 [m2]

水线面系数: 0.8802

水线面浮力中心: 39.211 [m]

进水角: -77.451 [degr.]

横惯性矩: 25433 [m4]

纵向惯性矩: 685587 [m4]

初稳性:

横稳心高: 8.500 [m]

稳心纵向高度: 180.54 [m]

侧面:

侧面积: 270.30 [m2]

风压纵向作用点: 46.002 [m]

风压中心垂向位置: 1.835 [m]

以下图层属性由船体两侧计算而得！:

| 图层| 面积| 厚度| 重量| COG X | COG Y |

COG Z |

| | [m2] | | [tonnes] | [m] | [m] |

[m] |

|-------------------------|--------|-----------|----------|---------|---------

| 船体列板1 | 37.800 | 0.000 | 0.000 | -1.085 | 0.000 |

3.619 |

| 船体列板2 | 37.849 | 0.000 | 0.000 | 1.064 | 0.000 |

3.502 |

| 船体列板3 | 39.568 | 0.000 | 0.000 | 3.186 | 0.000 |

3.213 |

| 船体列板4 | 46.942 | 0.000 | 0.000 | 5.330 | 0.000 |

2.518 |

| 船体列板5 | 49.105 | 0.000 | 0.000 | 7.418 | 0.000 |

1.981 |

| 船体列板6 | 97.244 | 0.000 | 0.000 | 10.609 | 0.000 |

1.621 |

| 船体列板7 | 99.667 | 0.000 | 0.000 | 14.853 | 0.000 |

1.361 |

| 船体列板8 | 102.89 | 0.000 | 0.000 | 19.091 | 0.000 |

1.260 |

| 船体列板9 | 105.82 | 0.000 | 0.000 | 23.329 | 0.000 |

1.215 |

| 船体列板10 | 107.49 | 0.000 | 0.000 | 27.562 | 0.000 |

1.190 |

| 船体列板11 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 31.800 | 0.000 |

1.186 |

| 船体列板12 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 36.040 | 0.000 |

1.186 |

| 船体列板13 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 40.280 | 0.000 |

1.186 |

| 船体列板14 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 44.520 | 0.000 |

| 船体列板15 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 48.760 | 0.000 |

1.186 |

| 船体列板16 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 53.000 | 0.000 |

1.186 |

| 船体列板17 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 57.240 | 0.000 |

1.186 |

| 船体列板18 | 107.53 | 0.000 | 0.000 | 61.478 | 0.000 |

1.192 |

| 船体列板19 | 106.08 | 0.000 | 0.000 | 65.711 | 0.000 |

1.223 |

| 船体列板20 | 101.56 | 0.000 | 0.000 | 69.935 | 0.000 |

1.313 |

| 船体列板21 | 48.050 | 0.000 | 0.000 | 73.130 | 0.000 |

1.437 |

| 船体列板22 | 51.556 | 0.000 | 0.000 | 75.289 | 0.000 |

2.156 |

| 船体列板23 | 56.509 | 0.000 | 0.000 | 77.367 | 0.000 |

2.965 |

| 船体列板24 | 55.402 | 0.000 | 0.000 | 79.484 | 0.000 |

3.510 |

| 船体列板25 | 50.219 | 0.000 | 0.000 | 81.608 | 0.000 |

4.094 |

| 船体列板26 | 44.426 | 0.000 | 0.000 | 83.730 | 0.000 |

4.437 |

| 船体列板27 | 30.048 | 0.000 | 0.000 | 85.271 | 0.000 |

4.616 |

| 关闭船体| 1410.3 | 0.000 | 0.000 | 40.029 | 0.000 |

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总计 3540.7 0.000 0.000 0.000

0.000

NOTE 1: 水线（和其水平线）低于船体最低点！ (Z= -0.064)

NOTE 2: 所有计算得到的系数都是由水线下船体的实际尺寸而得.

结果分析：

1因该三维软件的自身的局限性，其计算起点与0站位置不在一起，且计算长度用的是尾封板至球鼻首最前端的距离，而非设计中的垂线间长，故使得Cb 较设计状态小；

2预估W W L D =3857.04t 和三维计算结果3868.2 [tonnes]相差较小，适当时可以减载，且能满足满载均箱12t 的设计要求.