【正文】 徭輾陷薜移矩腿版 第一章 船舶設(shè)計(jì) 第一課 引言 定義 術(shù)語(yǔ) “基本設(shè)計(jì) ”是指對(duì)影響造價(jià)和性能的船舶主要參數(shù)的確定。因此，基本設(shè)計(jì)包括船舶主尺度、船體線型、動(dòng)力（數(shù)量和種類）的選取，以及船體、機(jī)械設(shè)備和主要結(jié)構(gòu)的布置。恰當(dāng)?shù)倪x取可保證達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，例如良好的耐波性能，操縱性，預(yù)期的速度，續(xù)航力，艙容和載重量。進(jìn)一步講，基本設(shè)計(jì)還包括校核和修改，以滿足貨物裝卸能力，居位艙，客房設(shè)施，分艙和穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)，干舷和噸位測(cè)量，所有這些都是將船舶當(dāng)成運(yùn)輸、工業(yè)化或服務(wù)系統(tǒng)的一部分。 基本設(shè)計(jì)包含概念設(shè) 計(jì)和初步設(shè)計(jì)，可以確定船舶主要技術(shù)參數(shù)，為造價(jià)初步估計(jì)做準(zhǔn)備。再整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，基本設(shè)計(jì)之后緊接著就是合同設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。合同設(shè)計(jì)，顧名思義，需要做出圖紙和詳細(xì)說明書，以便船廠去投標(biāo)和簽約。一套良好的合同圖紙和詳細(xì)說明書應(yīng)當(dāng)是非常清晰和詳細(xì)的，以避免高成本的偶然性項(xiàng)目，并使投標(biāo)者不出現(xiàn)模糊不請(qǐng)的或不充分的描述。詳細(xì)設(shè)計(jì)師船廠進(jìn)一步完善合同設(shè)計(jì)的重要任務(wù)，以準(zhǔn)備施工圖用于船舶實(shí)際建造。 了解整個(gè)設(shè)計(jì)順序?qū)θ魏巫龌驹O(shè)計(jì)的人都是必要的。設(shè)計(jì)的 4個(gè)階段用設(shè)計(jì)螺線圖表示，如圖 1所示，是從任務(wù)書要求到詳細(xì)設(shè)計(jì)的循環(huán) 工作過程，這 4個(gè)階段在下面作詳細(xì)敘述 a 概念設(shè)計(jì) 概念設(shè)計(jì)作為整個(gè)設(shè)計(jì)的第一階段，是將任務(wù)書要求轉(zhuǎn)換為船舶建造工程參數(shù)。它基本上包括技術(shù)可行性研究，確定船舶的基本參數(shù)如船長(zhǎng)，船寬，船深，吃水，豐滿度，動(dòng)力，或可供選擇的參數(shù)方案，所以這些應(yīng)滿足所要求的航速，航程，貨艙艙容和載重量。這包括基于曲線、公式經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行的空船重量初步估算。在這一階段，通常進(jìn)過參數(shù)分析而進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)以尋求最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案，或者任何其它控制也納入考慮之中以確定最優(yōu)方案。確定下來的概念設(shè)計(jì)就做為討論文件以獲得近似的建造 成本，不論是否啟動(dòng)下一階段的設(shè)計(jì) ——初步設(shè)計(jì)。 b 初步設(shè)計(jì) 船舶的初步設(shè)計(jì)將進(jìn)一步優(yōu)化那些影響造價(jià)和性能的傳播主要參數(shù)。一些控制 參數(shù)如船長(zhǎng)，船寬，功率和載重量，在該階段完成之后不宜再變更。初步設(shè)計(jì)完成后將為船舶提供一個(gè)準(zhǔn)確的描述，能夠滿足任務(wù)書要求，并為合同設(shè)計(jì)圖紙和說明書提供基礎(chǔ)支撐。 C 合同設(shè)計(jì) 合同設(shè)計(jì)階段提供了一系列圖紙和說明書，形成了一套船舶建造合同文件。它包括圍繞設(shè)計(jì)螺旋的一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)閷?duì)初步設(shè)計(jì)作進(jìn)一步優(yōu)化。這一階段更加準(zhǔn)確地描繪船舶特征，如基于 一套光滑線組成的船體線型，基于模型試驗(yàn)的主機(jī)功率匹配，船舶耐波性與操縱性，螺旋槳數(shù)量對(duì)型線的影響，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，不同類型鋼材的使用，肋骨間距和形式等。再合同涉及元素中最重要的是考慮了船舶各個(gè)主要分段設(shè)備的重量及其位置之后的船舶重量與重心的估算。最終的總布置圖也是在這一階段確定下來，這就將總體積、貨物區(qū)域、機(jī)器設(shè)備、儲(chǔ)物設(shè)備、燃油、淡水、居住與公用艙室以及幾何相互關(guān)系固定下來。還包括與其它因素例如貨物裝卸裝備、機(jī)器設(shè)備等的關(guān)系也都確定下來。 補(bǔ)充說明書描述了船體和舾裝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以及各個(gè)機(jī)器、 設(shè)備的預(yù)期性能。這些說明書還敘述了模型試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)情況，一表明船舶設(shè)計(jì)師成功的，船舶是可接受的。 表 。小型船、不復(fù)雜的船客不要求具備表中所列的每一圖紙，但該表確實(shí)顯示了合同涉及中考慮的細(xì)致程度。 d 詳細(xì)設(shè)計(jì) 船舶設(shè)計(jì)的最后階段是繪制詳細(xì)的施工圖。這些圖紙是供船舶裝配工、焊工、舾裝工人、金屬制造工、主機(jī)供貨方、管件工使用的安裝與建造說明。這些圖紙不屬于基本設(shè)計(jì)過程的一部分。這一設(shè)計(jì)階段的唯一共同之處是設(shè)計(jì)的每一階段均從一個(gè)設(shè) 計(jì)組傳遞到另一個(gè)設(shè)計(jì)組。在此階段，交換僅限于設(shè)計(jì)工作于技術(shù)工人之間，也就是說，一個(gè)設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)不再由任何其他工程師進(jìn)行評(píng)判、調(diào)整或修改。這個(gè)設(shè)計(jì)必須明確表達(dá)希望的最終結(jié)果，并且是可制造的和可操作的。 概言之，本章將基本設(shè)計(jì)看作是整個(gè)船舶設(shè)計(jì)過程的一部分。從概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)到合同設(shè)計(jì)圖紙與說明書，有效地保證船舶主要特征參數(shù)能足夠可靠地確定下來。這個(gè)設(shè)計(jì)過程構(gòu)成了使船廠建造價(jià)格在預(yù)先確定的價(jià)格范圍之內(nèi)的基礎(chǔ)。該價(jià)格也保證了充分有效地船舶性能。 表 側(cè)視圖，總 布置圖 縱剖面圖，總布置圖 所有甲板與船艙的總布置圖 船員住艙布置圖 型線圖 舯橫剖面圖 鋼材尺寸圖 機(jī)艙布置圖 ——俯視圖 機(jī)艙布置圖 ——側(cè)視圖 機(jī)艙布置圖 ——橫剖面圖 主軸系布置圖 動(dòng)力與照明系統(tǒng) ——布線圖 甲板與側(cè)面防火圖 通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計(jì)圖 所有管系的圖表設(shè)計(jì) 熱平衡與蒸汽流動(dòng)圖 ——在正常工作情況下的常規(guī)動(dòng)力電路負(fù)載分析圖 艙容圖 船型曲線圖 可浸長(zhǎng)度曲線圖 初始縱傾與初穩(wěn)性手冊(cè) 破艙穩(wěn)性計(jì)算 一般介紹 在 60年代后期和 70年代，一些重要的新 技術(shù)給普遍的基本設(shè)計(jì)問題在某種程度上帶來一定的影響。其中最重要的是計(jì)算機(jī)。再計(jì)算機(jī)影響著基本設(shè)計(jì)的時(shí)候，其它一些變革已經(jīng)在影響著基本設(shè)計(jì)的構(gòu)成。例如，再班輪營(yíng)運(yùn)中一個(gè)革命性的進(jìn)展是從散雜貨向集裝箱化貨運(yùn)運(yùn)輸方向發(fā)展。再其它類型船舶的另一些進(jìn)展也產(chǎn)生了類似的新的問題需納入考慮。以油船為例，尺寸迅速增大。世界上工業(yè)國(guó)家對(duì)石油和其它原料的需求的增長(zhǎng)需要大型油船和散貨船以可接受的成本來滿足巨大的需求。 人類正在不斷地向海洋探求各種重要資源，近海鉆井以獲取石油和天然氣，從墨西哥灣淺水域的小規(guī)模工業(yè)迅速發(fā)展成巨人，進(jìn) 入到深水域和更加惡劣海況的水域中。這些發(fā)展對(duì)近岸鉆井設(shè)備 /船舶 /模塊的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了變革，也對(duì)這樣一個(gè)具有挑戰(zhàn)性事業(yè)所必需的整個(gè)支撐船隊(duì)產(chǎn)生變革。這包括交通艇、平臺(tái)供應(yīng)船，大馬力拖船，鋪管船 /駁船，以及數(shù)不清的其它特殊的船艇。進(jìn)一步的發(fā)展不可預(yù)知，但可以肯定的是，從海中尋找其它生成需要設(shè)計(jì)出完成此任務(wù)的全新船隊(duì)。 因而，船舶基本設(shè)計(jì)的難度將依據(jù)對(duì)既往實(shí)踐的背離程而變化。一些航運(yùn)公司傾向于以前的成功設(shè)計(jì)，幾乎不允許對(duì)以往設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。如果預(yù)期的運(yùn)輸任務(wù)與現(xiàn)有的業(yè)務(wù)類似，那么這種（固執(zhí)）（保守）是一個(gè)不錯(cuò)的辦法。 因此在這些情形下，基本設(shè)計(jì)大體上上限于對(duì)主尺度、動(dòng)力系統(tǒng)和布置微小修改。 再另一個(gè)極端，全新的海上業(yè)務(wù)，例如液化天然氣海上運(yùn)輸，最開始的時(shí)候，設(shè)計(jì)者對(duì)此是一片空白（一張白紙），通過不斷地修正和完善，最終實(shí)現(xiàn)合理的工程設(shè)計(jì)。 第二課 船舶分類 船舶的形狀是多種多樣的，一艘船可能是一個(gè)豪華的海上酒店，載著旅客游世界；也可能是一個(gè)浮動(dòng)的堡壘，揚(yáng)起導(dǎo)彈發(fā)射架；也可能 是一個(gè)長(zhǎng)箱，運(yùn)輸原油，甲板上布滿了復(fù)雜的管線。這些外部特征的介紹絕不能準(zhǔn)確地描述完整的集成的船舶系統(tǒng) ——自給自足的，適航 的和有足夠穩(wěn)性的，能為船員和貨物提供一個(gè)安全的處所。這一概念是造船師再設(shè)計(jì)船舶時(shí)必須牢記再心中的，也是今后討論的基礎(chǔ)，不僅僅是在本案中，而是貫穿整本書。 為了探討造船工程，將船舶分類是有益處的，本課的目的是將船舶按照其物理支撐方式和設(shè)計(jì)用途二分類 就船舶分類而言，物理支撐形式是基本于船舶在設(shè)計(jì)情況下進(jìn)行的假定。船舶設(shè)計(jì)成在水上、水面或者水下工作，因此氣 —水交界面將用于參考數(shù)據(jù)。因?yàn)榍懊嫣岬降娜齻€(gè)區(qū)域的物理環(huán)境特性差異很大，設(shè)計(jì)成在這些區(qū)域工作的船舶的物理特性也不同。 空氣靜力支撐 有兩種類型船舶是靠前身產(chǎn)生的空氣墊而支撐在海面之上的。這些相對(duì)較輕的船舶具有很高的航速，因?yàn)榭諝庾枇h(yuǎn)小于水阻力，還有的原因是在告訴航行時(shí)不與海浪接觸以及采用的柔性密封連接減少了海浪的沖擊。這類船舶依靠鼓風(fēng)機(jī)在船底部形成一個(gè)低壓空氣墊。這個(gè)空氣墊必須足以支撐起水上船舶的重量。 第一種類型船的四周具有柔性的 “裙 ”，在船底圍成一個(gè)空氣墊，試船能完全升離水面。這種船成為 “氣墊船 ”（ ACV），再有些場(chǎng)合是兩棲的。 另外一種是具有剛性側(cè)壁或薄殼的氣墊型船，側(cè)壁伸到水面下，維持氣墊壓力 所需的空氣流量就降低了。這種類型的船稱為束縛氣泡減阻船（ CAB）。這種船所需的升力風(fēng)機(jī)功率要小于氣墊船的，方向穩(wěn)定性也更好，并可以由噴水裝置或者超空泡螺旋槳推進(jìn)。此類船非兩棲，并且還沒有達(dá)到像空氣船那樣推廣，如旅客渡船、海峽汽車渡船、極地考察船、登陸艇及內(nèi)河船等。 水動(dòng)力支撐 依靠水動(dòng)力支撐的船也只有兩種類型。水動(dòng)力是靠專門設(shè)計(jì)的水動(dòng)力板在水面下具有快速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。物理學(xué)原理表明任何帶來不對(duì)稱流體的運(yùn)動(dòng)物體都會(huì)在垂直于運(yùn)動(dòng)的方向上產(chǎn)生一個(gè)升力。正像具有機(jī)翼的飛機(jī)在空氣中運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生升力一樣，通過一個(gè) 穿過水面的支柱而固定在水下的木翼，其水動(dòng)力可以支撐一般船舶離開水面。 滑行船體的特點(diǎn)是具有相對(duì)平坦的底部和淺 V型剖面（特別是在船中前），高速航行時(shí)在局部可以為輕排水量船和小型船艇提供足夠的水動(dòng)力支撐?；型У某叽缗c排水量一般都受限制，因?yàn)楣β手亓勘群驮诓ɡ酥泻叫挟a(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小都有要求。大多數(shù)滑行艇都要求在靜水中航行，盡管某些深 V型船體具有再波浪中航行的能力。 靜水力支撐 最后，是最古老的也是最可靠地支撐類型 ——靜水力支撐。一直到 20世紀(jì)，所有的船、艇和建議的水艇都依靠靜水的浮力而工作在水面上。 靜水力支撐通常稱為浮力，可以由公元前二世紀(jì)古代哲學(xué)及數(shù)學(xué)家阿基米德發(fā)現(xiàn)的物理定律來解釋。阿基米德定律指出，浸沒在液體中的物體將受到一個(gè)等一所排開的液體重量的浮力作用。這一定律適用于浮在水面或在下潛到水中的任何船。水包括海水和淡水。依據(jù)這一定律，這類船可以統(tǒng)稱為排水型船。 盡管這類船非常相似，其詳細(xì)分類還是有必要進(jìn)行特別討論。例如，對(duì)某些船，合理的高航速必須與裝載輕量貨物的能力相結(jié)合，或者比滑行艇在波浪中航行更具舒適性。高速滑行船體的特點(diǎn)可以通過修改而產(chǎn)生半排水型船體或半滑行船體。這些折中的船艇，盡管沒有全 滑行船那樣快，但還是比常規(guī)的排水型船快。它們需要比排水型船更大的功率和更小的重量。這些類型船很明顯是 “折中 ”的結(jié)果。 上面引證的例子是用物理定義作清晰分類而定義的類型，并不是從其實(shí)的排水型船中分化出的船型的一個(gè)良好的例子。后者應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是排水型船，它的歸類主要取決于浮體體積即水下船體長(zhǎng)度和寬度范圍的分布情況。 最常見的是排水型船一般分類為通用海洋運(yùn)輸船，它們可以用作客運(yùn)、輕貨運(yùn)輸、拖網(wǎng)捕魚或各種不需要特殊艙容、速度、吃水、或其它特殊性能的其他業(yè)務(wù)。這類船最常見并很容易識(shí)別，具有適度的排水量、航速、長(zhǎng)度和艙 容。它們通常具有最大的航程和最好的適航性，屬于 “全季節(jié)船 ”，是所有其它排水型船分類時(shí)重要參照的標(biāo)準(zhǔn)。 在這種標(biāo)準(zhǔn)船型中，最重要的船型是散裝油船，油船和其它超級(jí)油船，它們不僅在世界貿(mào)易中也在全球工業(yè)中扮演重要角色。這些術(shù)語(yǔ)是普通的但不具體。在該討論中它們的稱呼也是不充分的，因?yàn)槎嗄昵胺Q為超級(jí)油船而現(xiàn)在并不是。工業(yè)本身已經(jīng)產(chǎn)生了非常清晰的術(shù)語(yǔ)?；?10萬噸級(jí)油船的指標(biāo)，其尺度可定為 LCC（大型油船）， VLCC（非常大型油船）和 ULCC（超級(jí)油船），大于 10萬噸但小于20萬噸的油船屬于 LCC，再 20萬噸至 40萬 噸的是 VLCC，超過 40萬噸的是ULCC。我們知道，再 1956年以前還沒有超過 5萬噸的油船，在 60年代初期也沒有超過 10萬噸的任何船型。而現(xiàn)在關(guān)于這些名稱的規(guī)律變得清晰了。 1968年，第一艘超過 30萬噸的船建成。這些巨型船舶（一個(gè)甲板相當(dāng)于 4個(gè)足球場(chǎng)大）設(shè)計(jì)并建造成為利潤(rùn)創(chuàng)造者，超長(zhǎng)、超寬、超深船型，每個(gè)航次以最小的消耗運(yùn)輸大量的原油。這些超大油船很少配有超過一個(gè)的螺旋槳軸和舵。它們的駕駛臺(tái)距其船首將近 1/4英里遠(yuǎn)（約 400m）。其最高服務(wù)航速很低，以至于從阿拉伯油港到歐洲目的港的航程通常要兩個(gè)月時(shí)間。 這些船屬于排水型船，具有巨大的浮力支撐。當(dāng)滿載時(shí)其船體在水下有非常巨大的和不成比例的（？）體積。事實(shí)上，貨物重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過船本身的重量。一艘滿載的 VLCC的吃水或要求的水深在 50~60英尺之間，一艘 ULCC大概要 80英尺。這些船舶在排水型船舶中有專用的類型稱為深排水量船。 另外還有一類排水型船具有大的吃水。類似于前面討論過的原油船，但吃水還沒有 超過它們。這類船稱為 SWATH（小水線面雙體船）。簡(jiǎn)單地講，這類極少見的船型設(shè)計(jì)成在中等程度海況中具有高速和穩(wěn)定性的上體（上部結(jié)構(gòu)）。它們的未來是有疑問的，但在水面 以下提供大多數(shù)排水體積，通過窄的立柱支撐水面以上的船體或甲板的理論是完善的，通過上層平臺(tái)而連接在一起的雙船體提供了必要的穩(wěn)性。 排水型船中最值得關(guān)注的特殊應(yīng)用是潛艇，完全潛入到水中工作。潛艇的特性和它的各種工作狀態(tài)，包括靜力的和水動(dòng)力的，的描述在后面章節(jié)中有全面介紹。這里有必要強(qiáng)調(diào)的是潛艇是一種特殊的排水型船，應(yīng)用了阿基米德定律及其所有隱含的定理。 多體船 有一種常用的船型還沒有提到，主要因?yàn)椴荒軞w到已介紹的任何一種船型中，但是都在一定程度上可以歸納到它們之中。這種船即所謂的多體船 ——雙體船和三體船。 它們是常見的排水型船，例如前面提到的 SWATH，或更常規(guī)的海洋考察船，要求有穩(wěn)定的平臺(tái)和保護(hù)區(qū)域以便于向水中投放設(shè)備。還有前面提到的雙體氣泡(幕 )船和高速滑行雙體船。實(shí)際上，多體船是一種由任何基本船型至特殊應(yīng)用之間的改造船，以滿足期望的橫穩(wěn)性要求和大的內(nèi)部工作面積要求。 圖 （沒有比例尺