船舶设计

第一章

船舶设计原理是在船舶原理·船体结构与强度·造船工艺学·船舶制图等课程的基础上，在长期的船舶设计，建造与营运的实践中总结出来的一门工程设计理论课，它为实船设计作了理论上的准备和指导。

设计人员在设计中必须注意以下几点：1认真贯彻国家的技术政策；2熟悉并遵守各项规范和公约；3认真做好调查研究；4注重在借鉴与继承的基础上创新；5采用逐步近似的方法，逐步深化，最终使设计结果接近最佳组合。设计的新船应达到以下要求：适用·经济·安全可靠·美观。

初步设计，技术设计，施工设计和完工设计等四个阶段。

初步设计主要任务：要确定与船舶技术经济性能关系最大的一些项目，如船的主尺度和排水量·船体型线·建筑形式及总体布置·基础结构·主辅机及主要装置系统。

试航航速指满载试航航速，即主机发出的额定功率的新船在静水中，不超过三级风·二级浪时满载试航所测得的航速。服务航速：平时营运所使用的航速。

续航力：在规定的航速和主机功率下，船上所带的燃油可供船连续航行的距离或航行的时间。自持力：指船上所带淡水·食品等能供人员在海上维持的天数。

设计工作方法：认真做好调查研究；注重在借鉴与继承的基础上创新；逐步近似。

第二章

船舶设计的基本要求是（1）使船舶按预定状态浮在水面(2)使设计船满足预订载重量（3）使设计船满足任务书规定的各项性能要求。

载重量是指船员及其行李，货物旅客及其行李，燃油、滑油及炉水，食品淡水备品及其供应品。

通常取四种典型载况即：满载出港──设计排水量状态；满载到港──这时船上的油水等消耗品重量规定为设计状态储备量的10％；压载出港──船上不装载货物，但有所需的压载水，油水储备量为设计状态之值；压载到港──船上不装载货物，但有所需的压载水，油水为其总储备量的10％。

空载排水量是指新船竣工时的排水量。

满载排水量是指船舶装载了预定的全部载重量，这种载况称为满载排水量。它是船舶设计时决定主要要素的出发点，因此也叫做设计排水量。

压载排水量：一般货船在无货空放航行时，通常都必须加载一定数量的压载水便保证船舶在空放航行时的适航性能。

重量重心估算的重要性：准确与否直接影响设计船的航行性能与经济性。重量估算过轻则完工实际重量大于计算重量，实际吃水大于设计吃水。新船不能在预定的航线上航行或必须减载航行，船舶的干舷减小，储备浮力减小，船舶的大倾角稳性和抗沉性难以满足，甲板容易上浪，结构也可能不满足要求。重量估算过重则船舶的主尺度势必偏大，船舶建造所需的原材料与工时费增加，经济性降低，实际吃水小于设计吃水，螺旋桨有可能露出水面而影响推进效率，海上航行时耐波性可能変差。重心纵向位置计算过大，则是船将会出现较大的纵倾，影响船舶的浮态、快速性与耐波性。

重量重心计算的特点：贯穿于整个设计过程的始终；逐步近似。

影响船体钢料重量的主要因素:主尺度（其中影响最大的是L，其次是B，d和C B 对W H的影响较小，而D的影响程度要根据具体情况来分析）,布置特征，船级、规范和航区，结构材料。

舾装部分重量的特点是：项目繁多，且各自独立，规律性差。为了估算舾装重量，通常将舾装重量分成以下四部分。与船的排水量 和主尺度有关的重量──如船

舶设备与系统，包括锚、舵、系泊、消防、管系、油漆等。与船员或旅客人数有关的重量──如舱室木作（衬板、天花板、甲板敷料）、家俱、卫生设备、救生设备等。与船的使用特点有关的重量──如货船上的起货设备及舱口盖，拖船上的拖带设备等。特殊项目重量──如减摇装置，侧向推进装置等。

机电设备主要包括主机、辅机、轴系、动力管系（也有包括船体管系）、电气设备等项。

固定压载的作用：降低重心提高稳性；增加重量加大吃水；调整纵倾。

第三章

船舶容量是船内容积与甲板面积的总称。

货物的积载因数是每吨货物装船时所占据的货舱容积，以Uc表示。积载因数小的货物如铁矿石、钢材、砂等称为重货，重货对船舶舱容要求低；积载因数大的货物如棉纱、黄麻、布匹等为轻质货，轻质货对船舶舱容要求高。

型容积系指按型线图计算所得的舱内容积。实际上，船舱内总是含有骨架的，而舱内骨架、护条、垫板等总要占据一定的空间，当货物、油、水等装载时扣除掉这部分空间后所剩余的有效装载容积称为净容积；舱内净容积与型容积之比称为型容积利用系数也称为折扣系数，Kc表示。

载运时用箱、桶或袋子包装起来的称为包装货；如水果、食品、家具、五金、酒、油类面粉、水泥食糖。另一类货物如矿石、煤炭、谷物、散装水泥等，运输时不用包装，而直接装在货舱里的称为散装货。

装载压载水的理由：保证必要的浮态；空载返航过程中，油、水和备品的消耗，使船舶重心提高，初稳性高度GM降低。为保证稳性，也须加压载水。

增加货舱容积的措施：加大L和B；减小La、Lf和Hd；减小Lm；增加D。

容量校核一方面是按设计任务书的要求估算设计船所需的容积，另一方面是按设计船舶的主尺度与总布置估算其实有的容积，通过所需容积与实际容积的比较来校核设计船主尺度方案与总布置格局的可行性与合理性。其方法有：按照全船容量方程式分别估算船主体实有容积及各类舱室所需总容积，按照货舱容量方程式分别估算设计船舱室区段实有容积与载重预订的货舱所需的货舱容积。

容量图表示全船主体各舱室容积的大小及分布。提供各液体舱的容积和容积形心随液面高度变化的曲线即为舱容要素曲线。

围蔽处所是指由船壳、固定的货可移动的隔板或舱壁，甲板或盖板所围成的处所，但由永久的或可移动的处所除外。

免除处所是指一端敞开，开口宽度大于0.9B的处所。

船舶登记吨位（RT）指按船籍国制订的《船舶登记吨位丈量规范》对船内容积进行丈量和计算所得的登记吨数。按摩逊法丈量的船舶吨位有两种：一种是量计除“免除处所”以为的全船所有“围蔽处所”所得的吨位叫做总吨位GT；另一种是从总吨位中减除船员舱室和机舱处所等非营利容积后所余的容积称为净吨位NT。总吨位GT主要用于：表示运输船的大小；统计世界或一个国家或一个公司的船舶拥有量；计算造船或租船费用；作为执行公约规则和配备安全设施的依据；有些国家用作造船补助金，航海津贴，以至船员工资等的计算依据；船舶检验、登记丈量的收费标准；作为引水费、拖船费、浮筒费和进坞费等的收费标准。净吨位NT主要用于：吨钞税、港口费、灯塔费、码头费和代理费等的计算标准；计算运河的通行费。船舶设计中的注意点：注意控制吨位档次；注意国际航线上的吨位差别。

第四章

设计中保证快速性的措施：选取合适的尺度；选用合适的、优秀的节能船型及节能推进装置；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；采用低转速、大直径的螺旋桨，以获得较高的敞水效率；减小附体阻力，如比龙骨应沿流线方向设置，首侧推装置的开孔位置、空口形状应设计合理，其他附体都应与船体有良好的水动力配合；减小迎面受风面积，以减小空气阻力。

初稳性下限值是保证船的安全和使用要求所需的最低初稳性值。影响初稳性的因素分析：型宽B及B|T；水线面系数Cw；型深D。

大倾角稳性指船在外力作用（较大的风和浪作用）下，横倾角超过10度—15度时的稳性，它涉及到船在航行中能抗多达风浪或横倾力矩而不倾覆。

船舱分舱及破舱（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。船舶耐波性指船舶在风浪中遭受外力扰动而产生各种摇摆运动，以及抨击、上浪、失速、飞车等时，仍能维持一定航速在水面上安全航行的性能。甲板淹湿性指当船舶在波浪中的纵摇和升沉异常激烈时，在船首柱处，船与波浪相对运动的幅值大于船首柱处的干舷，波浪涌上甲板的现象。主要要素对甲板淹湿性的影响，当船首干舷一定时可得如下结论：甲板淹湿的概率随方形系数Cb的增大而减小；甲板淹湿的概率随船长的增加而减小；甲板淹湿概率随航速的增加而增加。

抨击：由于严重的纵摇和垂荡，船体与风浪之间产生猛烈的局部冲击现象。

上浪：船舶在风浪中剧烈时风浪涌上甲板的现象。

失速是指推进动力装置功率调定后，由于剧烈的摇荡时船舶较静水中航行时航速的降低值。改善失速：一是减小船在风浪中的阻力的增加；二是改善在恶劣海况中船的运动，以求被迫减速的幅度不大。

最小干舷是指按《载重线规范》的有关规定计算的最小值。其主要从两方面考虑：减小甲板上浪和保证一定的储备浮力。船舶最小干舷指船中处载重线的距离，即F=D-T+t，t为甲板边板厚度。

最小干舷船（对于货船如载运积载因数小Uc小于 1.3的重货，可按《载重线规范》来决定最小干舷，从而确定出船的型深D，这种船称为最小干舷船，其型深D既满足容积要求，也符合最小干舷的要求）

富裕干舷船（型深D需根据舱容确定，即D大于Fx+T，船的实际干舷大于最小干舷，这种船称为富裕干舷船）

变吃水船（对于富裕干舷船，在设计时可根据规范核算最小干舷，求得最大装载吃水Tmax，并使船体结构符合Tmax的要求，此时Tmax又称结构吃水。这样在一般情况下，船装载至满载吃水，而在装重货时，船吃水达到Tmax，根据这种要求设计的船称为变吃水船。显然这种船使用灵活方便在经济上也是有利的。

船舶操纵性包括以下三个方面：航向稳定性、回转性和转首性。设计中要考虑的因素：a舵、螺旋桨、与船体尾机型线要有很好的配合b受航道限制时，应特别注意船的回转性能，选取较大的船长和较大的舵面积c推、托船都要求船的回转性能好以利灵活作业，故也应采用较短的船长和较大的舵叶面积系数d有的船，为更好地控制船的航向和缩短靠离码头的时间，或节约拖船费，应分析是否有采用首部侧推装置的必要性e从航向稳定性看，L/B小、Cb及B/T大的船是不利的f肥大性船可能存在操作性异常现象，即在小舵角下船可能是稳定的，也可能是不稳定的。

第五章

在保证航行安全的前提下，营运最经济的船型就是最佳船型。

进入船舶基础经济数据计算的前提是：依据船舶设计任务书给定了船舶设计载重量·主机类型与功率以及设计服务航速；通过调研，获得了预定航线的有关营运·经济数据；通过初步论证，拟定了船舶主尺度要素。

船价：是设计与建造一艘新船所花的总投资，包括各种材料·设备费·加工工时费及其他费用。

年营运成本，是船舶一年内各种成本的总和。（船员费用·与船价相关的费用·燃润料费·港口费和其他费用）

运输船舶型技术对经济性的影响可得出如下结论：远程船·装卸效率高的船适于采用大吨位，反之，近程·装卸效率低的船一般不宜采用大吨位；给定航线与航速，一般可求得一个最佳船舶吨位；提高装卸效率，有利于经济性，尤其对短程·较大吨位船经济效果更显著；远程船舶·装卸效率高的船舶可适当增加航速，反之宜适当减小航速；给定航线与吨位，一般可求得一个最佳航速。

船型论证的步骤：调查研究；设立船型方案；船型方案的技术·营运·经济性计算；选取最佳船型；敏感性分析；提出建议方案编制船舶设计技术任务书。

第六章

船舶的排水量、主要尺度以及船型系数统称为船舶主要要素。

确定船舶主要要素有三个显著特点：问题的综合性，求解的灵活性和多解性、求解过程的逐步近似。

选L时应考虑的因素:a主尺度限制b浮力c快速性d总布置e经济性f耐波性g操作性h抗沉性选B时应考虑因素：a主尺度限制b稳性与横摇c总布置d浮力和经济性e快速性选T时应考虑：a主尺度限制b浮力c快速性与经济性选D时应考虑：a舱容与总布置b甲板上狼与抗沉性c稳性d强度与经济性选Cb时应考虑:a浮力b快速性与耐波性c经济性d 总布置

载重型船:指载重量与排水量的比值较大，较稳定的船舶，设计这类船时DW是主要矛盾，其主尺度确定往往从重力与浮力平衡入手。

布置地位型船:指为了布置各种用途的舱室需要较大舱容或甲板面积的船舶，这类船舶的容量是主要矛盾，故也称为容积型船，其主尺度确定通常从总布置入手。

载重型船排水量的估算方法主要有两种：载重量系数法和诺曼系数法。

诺曼系数N表示载重量增加1吨时船舶排水量的增量。由于船舶排水量=LW+DW,所以，N 越大表示载重量增加时其LW的增加越多。

诺曼系数N的数值特点：a恒有N大于1，因为公式中方括号内的数值恒小于1，所以，如果载重量增加1吨，则排水量必须增加1吨以上。B N的大小随船型而异，载重型船的N较小，而布置地位型船的N较大。C N的大小随所改变的主尺度项目而异。

布置地位型船的主尺度主要取决于所需的船主体容积及上层建筑甲板面积。

主尺度选优：借助计算机进行船舶主尺度方案的技术经济分析，可以设立足够多的方案，在很短的时间内由计算机完成大量繁复的设计计算工作，获得各方案的技术、营运和经济指标，通过综合评判求得最优的主尺度方案。

优化船舶主尺度的方法有三种：变值法（亦称网格法或参数分析法）、最优化方法、正交设计法。

第七章

型线设计应注意以下几个方面：（1）保证良好的航海性能。（2）考虑总布置的要求。（3）考虑船体结构的合理性和工艺性。

绘制型线图的方法：改造母型法，自行绘制法，系列型线，数学型线。

横剖面面积曲线具有以下特征：（1）横剖面面积曲线下的面积相当于船的型排水体积（▽），（2）曲线下面积的丰满度系数等于船的纵向棱形系数C P（C P=▽/（A M·L PP））；（3）面积形心的纵向位置相当于船的浮心纵向位置X B；（4）曲线的最大纵坐标值代表最大横剖面面积。（5）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L P，平行中体前、后的两段长度分别称为进流段长L E和去流段长L R；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。

浮心纵向位置X B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

第八章

在总布置设计时，在注意各类船舶布置的特殊要求的同时，都应遵循下列的基本原则：（1）最大限度地满足和提高船的使用效能，这是考虑问题的基本出发点。例如：运输船舶首先应合理利用舱容，提高装卸效率，确保运输质量，提高运输能力；（2）客船则应合理分区和布置客舱，保证旅客的舒适、安全与方便。保证船舶具有良好的航海性能。（3）总布置设计时应采取适当的措施保证船舶有适宜的浮态和稳性，良好的耐波性和驾驶视野等。注意船体结构的合理性和工艺性。总布置中应注意重量的分布，力求减小纵总弯矩和剪力。避免主要结构的不连续性和纵向构件截面的突变，改善应力集中。各种舱壁、围壁、支柱等的设置应充分考虑它们对结构强度、振动以及施工的影响。满足法规和规范的要求。例如消防法规对防火的要求，破舱稳性对分舱的要求，救生设备的布置要求等。尽力搞好外部造型和内部装潢。（6）在经济、适用的前提下，充分运用建筑美学的手法于设计之中，给人以舒适和美感，要为改善船员和旅客的工作和生活质量创造条件。

尾机型的优点提高货船的使用效能和经济效益非常有利缩短轴系长度，提高轴系效率，降低造价，且不需设轴隧而损失舱容，并有利于结构的连续性和工艺性；缺点是浮态调整比较困难，人员的舒适性较差。

双层底的作用是为了保障船底触礁或搁浅是船舶的不沉性，同时可作为燃油、淡水储备仓或压载水舱。其优点是：对内底起保护作用;便于人员的施工满足管路安装、检修的要求；计及油水舱容积上的需求。

上层建筑是指上甲板以上各种围蔽建筑物的统称。上层建筑分船楼和甲板室两种船楼是指在上甲板上伸至两舷或舷边的距离小于4％船宽的上层建筑。优点是增加了内部容积和有利于舱室布置；如果船楼的结构强度和封闭条件符合载重线公约关于封闭上层建筑的条件时，船楼作为储备浮力对稳性有一定的贡献，从而有助于提高船的安全性。

确定上层建筑尺度应考虑的因素有：（1）甲板面积要求（2）浮态与稳性（3）驾驶视线（4）其他尺度限制因素。

从驾驶员眼睛到船首遮挡物（如首端舷墙顶点）所引直线与水面的交点到首柱的区域称为“盲区”。货船的盲区在满载状态约为1.25L PP左右，压载时约为2L PP。救生设备包括救生艇、救生筏、救助艇和个人救生设备（救生圈、救生衣、救生服及保温用具）。

救生艇的布置一般注意的有：（1）救生艇的布置应保证紧急时立即可用。（2）救生艇存放处所应宽敞，交通方便，以便等艇人员迅速到达并登艇。（3）救生艇沿B方向不突出于舷外，沿L方向，距首端至少L/3，艇尾距推进器至少1.5倍桨距，以免艇进入水中被螺旋桨水流吸入（4）机舱部分舷外排水孔应尽可能避开

艇的降落位置，否则应设有盖罩，以防排水进入救生艇内。

第十章

船舶节能研究主要在两个方面：节能船型与节能技术研究，旨在降低船型阻力·提高推进效率和回收桨后尾流的能量；从主机与动力装置入手，提高热效率·降低单位功率的耗油量以及余热利用等。

节能船型：在相同的功能下所需功率比常规船型更小的船型（即阻力小，推进率高的船型）。本节依次讲解平头涡尾船型·双尾与双尾鳍船型·不对称尾船型和隧道尾船。