【導(dǎo)讀】術(shù)語“基本設(shè)計”是指對影響造價和性能的船舶主要參數(shù)的確定。恰當(dāng)?shù)倪x取可保證達到設(shè)計任務(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。進一步講，基本設(shè)計還包括校。位測量，所有這些都是將船舶當(dāng)成運輸、工業(yè)化或服務(wù)系統(tǒng)的一部分。再整個設(shè)計過程中，基本設(shè)計之后緊接著就是合同設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計。同設(shè)計，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。目，并使投標(biāo)者不出現(xiàn)模糊不請的或不充分的描述。同設(shè)計的重要任務(wù)，以準(zhǔn)備施工圖用于船舶實際建造。了解整個設(shè)計順序?qū)θ魏巫龌驹O(shè)計的人都是必要的。任何其它控制也納入考慮之中以確定最優(yōu)方案。型鋼材的使用，肋骨間距和形式等。其它一些變革已經(jīng)在影響著基本設(shè)計的構(gòu)成。因而，船舶基本設(shè)計的難度將依據(jù)對既往實踐的背離程而變化。下，基本設(shè)計大體上上限于對主尺度、動力系統(tǒng)和布置微小修改。

　　

【正文】 體上的重力，也就是等于船的重量，如果由靜水壓引起的外力在船首尾方向和船寬方向求合力的話，可以發(fā)現(xiàn)在這兩個方向上的合力均為零?？紤]一下當(dāng)船舶在水中以速度 V運動時會發(fā)生什么，這種前進運動的效果是會在船體上產(chǎn)生水動壓力，從而改變了原先的法向靜水壓力。如果根據(jù)這個修正后的壓力系統(tǒng)而產(chǎn)生的力在首尾方向上求合力，可以發(fā)現(xiàn)它是與船在水中運動方向相反的，如果在橫方向求合力，那么該合力等于零，因為船是左右對稱的。 當(dāng)船舶向前運動時，還要考慮另外一組力，所以流體都或多或少地具有粘性，因而船 的浸水表面在水中運動時，切向力就產(chǎn)生了，將其求和之后就產(chǎn)生了與船舶運動方向相反的力，法向力和切向力就產(chǎn)生了一個與船舶運動方向相反的合力，這個總的力就是船舶阻力，有時將總阻力分解為一些分量是方便研究的，并給各個分量取名，然而，不管給它們以什么樣的阻力分量名稱，都是討論的兩種力之一，即或是垂直于船體表面的力，或者是相切于表面的力。 船舶實際上是同時在兩種密度差別很大的流體中運動，船體下部表面在運動而上部表面在空氣中運動，空氣和水一樣，也具有粘性，因此水面以上部分也受到和水下同樣的兩種力。然而，空氣密度比水小很 多，當(dāng)空氣靜止時，由于空氣引起的阻力也是非常小的，然而，如果船舶迎風(fēng)航行，那么空氣阻力將比靜止空氣的阻力大許多，因而，這種阻力僅在一定范圍內(nèi)，取決于船速，更取決于風(fēng)速。 阻力類型 前面已經(jīng)指出，有時將阻力分解為一些分量處理起來方便，現(xiàn)在討論它們。 由于向前運動導(dǎo)致圍繞船體的法向壓力重新分布，引起自由表面的升高和下降，因為自由面必須是常壓的，其結(jié)果是在水面上產(chǎn)生了波浪，并從船邊向外傳播，波浪具有能量，因而由船產(chǎn)生的波浪代表著船舶能量的損失，從另一個角度看，船舶必須對水作工來維持波浪，由于這個原因 而產(chǎn)生的與運動方向相反的阻力稱為興波阻力，對于深潛物體，由于運動引起的圍繞在物體表面的法向壓力變化對自由表面影響很小，因而在此情況下興波阻力很小或忽略不計。 由于水粘性而引起的阻力確切地稱為粘性阻力或摩擦阻力。實際上與濕表面接觸的那一薄層流體始終伴隨著船體，但由于粘性，在與鄰近層之間產(chǎn)生了由速度傳遞帶來的剪切力，這層流體又將速度經(jīng)相鄰的下一層流體傳遞，不斷向船體以外發(fā)展，很顯然由于粘性作用有一部分流體沿著船在拉動，這部分流體需要力來保持運動，于是就產(chǎn)生了阻力，在船體表面向外，向前移動速度逐漸減小，盡管理論 上在一定距離上仍然存在速度，靠近船體表面上的速度梯度最大，而向外一點距離則向前的流體速度實際上可忽略，向前的速度因而限制在鄰近船體的一個相對窄的范圍內(nèi)，這個薄層稱為邊界層，邊界層厚度在船首相對較薄，但向船尾較厚，正如將在圖 ，在整個船長方向上各個位置處流體速度的下降情況。 邊界層的實際厚度是難以確定的，但是流體向前速度下降 1%處的點可作為邊界層的外邊界，在該點處流體可認(rèn)為是無粘性的，于是，在圖 ，流體相對船體速度 V1 為無粘性時該點速度的 ，就是邊界層的外邊界。 流體在物體周圍 流動的理論研究表明流動是圖 ，然而在物體表面上曲線變化明顯的地方，部分由于流體粘性，流動從物體表面分離，形成漩渦，這種分離意味著流體法向切力不能恢復(fù)，正如理論所描述的那樣，結(jié)果阻力產(chǎn)生了，通常稱該阻力為漩渦阻力，這種阻力就像興波阻力，產(chǎn)生于船體表面法向壓力重新分布，對應(yīng)地摩擦阻力因切向粘性力而產(chǎn)生。 第四類型阻力是水面以上部分在空氣中運動而產(chǎn)生的，在前面已經(jīng)提到過，它包括摩擦阻力和漩渦阻力。 船體形狀的確定受很多競爭因素的影響，為建造簡單，它應(yīng)為長方形箱體，為有足夠的橫穩(wěn)性，它應(yīng)夠?qū)?；為了能像梁一樣在縱中面內(nèi)彎曲而有足夠厚度，它應(yīng)足夠深。所有這些都影響船體形狀，但最重要的是船體與水的動力耦合作用。這種作用決定了勻速向前運動的船體阻力。該阻力又決定了推進動力的選擇，所以通常船與水的動力作用，要求造船師對此須有最大程度的關(guān)注。 勻速向前運動的阻力有四個分量： 水與船體表面的摩擦， 由船體興波引起的能量消耗， 由于船體和附體（例如舵）引起的漩渦而消耗的能量， 船體水面以上的空氣阻力。 摩擦阻力與水密度、水接觸面積、相對船體的水速度成正比，還與摩擦系數(shù)成正比。這個阻力可以通過減少船 體濕表面積使之最小化，但是在面對其他方面對船體尺寸和形狀的要求時，這個愿望是很難實現(xiàn)的，很明顯一個光滑的表面可以減小阻力，但是比普通涂漆鋼更光滑表面所帶來的利益與其成本相比是微不足道的，摩擦系數(shù)很大程度上與雷諾數(shù)的函數(shù)（水密度乘以船速乘以船長，除以水粘性）；由于水密度和粘性是無法控制的船長和船速大多不可避免的受其他要求左右，所以設(shè)計者是很難控制雷諾數(shù)的，摩擦阻力系數(shù)是研究熱點，特別是在 20世紀(jì)上半葉，但從那以后大多數(shù)船舶設(shè)計者使用由國際拖曳水池會議推薦的額標(biāo)準(zhǔn)值。 興波阻力和漩渦阻力經(jīng)常合并為一個 “剩余阻 力 ”，特別是在通過模型試驗來測量阻力時，興波阻力通常在剩余阻力中占據(jù)大部分；因而在研究與船體設(shè)計時給予它更多的關(guān)注。事實上，興波隨著船速增加而快速增大，因此最終需要更強的動力去克服它，在船上是不可行的，對常規(guī)船型實際上不可能以速長比超過 行（速度單位為海里 /小時，除以水線長度的平方根，單位是英尺）。超過這個速度范圍，一個較小的速度增量要求必須非常大的動力增加值才能滿足興波能量需求，小型船艇可以借助滑行來超越這個限制，但滑行所需的動力功率要超過常規(guī)船實際所需的。 第九課螺旋槳與推進系統(tǒng) 最早想使用機械力推進船舶是實驗性的嘗試，在真正實驗之前以獲得成功。歷史上早期由于航行時風(fēng)力不足及不可靠的持續(xù)性就迫使人們?nèi)パ芯科渌侄蝸眚?qū)動水中船舶。除了簡易的漿或人力櫓之外，有證據(jù)表明公元前羅馬人用明輪舟（動力為牛）來運輸士兵去西西里。明輪在東方約在公元 7世紀(jì)使用。當(dāng)然，達芬奇設(shè)計了許多機械裝置來驅(qū)動船舶。 然而，真正的從蒸汽機轉(zhuǎn)換出來動力的機械推進，出現(xiàn)將是晚許多，并經(jīng)歷了很多失敗。很難將在什么地方，什么時候這樣的推進首先獲得成功，但有記錄顯示1783年在法國里昂， 1個長 148英尺駁船樣子的小船，裝備了一個水平的雙作用蒸汽缸來驅(qū)動兩個舷側(cè)的明輪，能夠在羅納河上逆流而行。這只船命名為火船，它的設(shè)計發(fā)明者茹富魯瓦一般認(rèn)為是最早的商用蒸汽船。 1790年，他的蒸汽船實驗號，開始在費城和特倫敦之間以班輪的形式運輸旅客。然而他的船不使用明輪推進的。它的 18英寸單缸蒸汽機和火水管鍋爐驅(qū)動船尾處的三個鴨腿槳，移動一只 60英尺的船以 8節(jié)速度航行。 1787年，弗吉尼亞希波力克縣的杰姆斯拉姆賽造了一艘蒸汽船，用噴水器推進。這艘船準(zhǔn)備在波托馬克河上渡船作用，在成功獲得公認(rèn)之后進塢修理，氣候速度帶到大約 。 有趣的是在這些早期的努力中，推進裝置都不相似。明輪、機械櫓和噴嘴器，在阿基米德螺旋槳被約翰埃里克森成功用于美國海軍和弗朗西斯。皮替特史密斯成功用于英國皇家海軍之前的半個世紀(jì)里，都在一定程度上取得了成功。這兩個人1836年獲得了螺旋槳推進的專利，并進一步證明螺旋槳比明輪的先進性。螺旋槳很少受吃水變化、嚴(yán)重橫搖的影響，需較少的有效寬度，受到較好保護而不被損壞，使用更集中機器，以更高的速度航行。 1845年，英國海軍舉辦一場有名的在一艘螺旋槳船和明輪船之間的 “拉力戰(zhàn) “，螺旋槳船是蒸汽驅(qū)動的軍船 RAHLE號。明輪船是它的姐妹船，比他略小，功率略低，叫 ALECO號。盡管 ALECO號先開航拉著 RAHLE以 2節(jié)速度后退，但 RAHLE號在 5分鐘之內(nèi)就將 ALECO拉向后退，并且以 ALECO航行（ BROWN1977）。盡管如果 ALECO號具有相等的功率的話只可能贏得作為實驗一部分的某些比賽，但是，螺旋槳推進的批評者還是保持沉默了。軍船此后都采用了螺旋槳。 現(xiàn)在有很多種類型的船舶推進裝置，一些不同尋常的效率低下的裝置被發(fā)明實驗拋棄。 19世紀(jì)中期明輪曾經(jīng)成功的用于大西洋號和其他的蒸汽船上，在大洋航行推進 系統(tǒng)中逐漸消失。雖然他仍然在一些遙控定位的內(nèi)河船上和特別用途的船艦上采用外，但已經(jīng)過了他們的最輝煌的時代。費馳的機動櫓再也沒有用過。噴水推進近來成功復(fù)蘇，并有希望更多應(yīng)用（他將在本章后面討論）。船用螺旋槳及其他們的各種變種是現(xiàn)代船舶的主要推進裝置。 現(xiàn)在應(yīng)用最成功的推進裝置類型，有四種： 1螺旋槳 a定螺距槳不 b可調(diào)螺距槳 c可控螺距槳 d有套罩螺距槳用于隧道之內(nèi)（導(dǎo)管槳） e對轉(zhuǎn)槳 2明輪 裝在舷側(cè)或船尾的有固定葉片或順將葉片的 3噴水推進器 a潛沒噴嘴噴水推進器 b水面噴嘴噴水推 進器 4平旋擺線推進器 a正擺線推進器 b外擺線直翼推進器 上述這些類型將在后面幾節(jié)中單獨討論 螺旋槳 因為應(yīng)用最廣泛的推進器是螺旋槳推進器（以下與實際應(yīng)用一致稱為螺旋槳），他將進行最詳細(xì)的討論，在用的其他類型螺旋槳的若干推進理論也將包含在內(nèi) 首先考慮螺旋槳本身的一些有用的術(shù)語及其相關(guān)的術(shù)語和定義。一個螺旋槳在槳轂上至少應(yīng)有兩個槳葉。該槳轂用銷鍵固定在槳軸上并由漿軸驅(qū)動。現(xiàn)在有三種常用的船舶螺旋槳固定螺距螺旋槳的槳葉與槳轂山一個整體，通過螺栓固定在槳轂上，在這種槳上，槳葉相對于槳轂的位置不能改變， 除非是那種螺栓固定槳葉型槳在裝配期間所做的微小調(diào)整?？烧{(diào)距槳具有當(dāng)槳停止時可以調(diào)成不同螺距的槳葉，可控螺距槳有一個機械裝置用于改變槳葉相對于槳轂的位置，在任何時間都可進行。在下面的討論中，見圖 ，是一個三葉固定螺距槳。 右旋槳是從船尾往船首方向看去順時針旋轉(zhuǎn)的并驅(qū)動船前進的螺旋槳（當(dāng)向船尾看去則為順時針旋槳如圖 ）左旋槳是從船尾向船首看去逆時針旋轉(zhuǎn)并推進船前進的槳。 當(dāng)槳推船前進時，槳葉壓力面是槳葉后面（葉面） 槳葉吸力面是與壓力面相反的面。（葉背） 葉稍是槳葉上立軸最遠(yuǎn)的點。 槳葉導(dǎo)邊是 進車時首先切如水的那個邊， 隨邊是與導(dǎo)邊相反的那個邊。 槳直徑是葉稍到槳軸距離的 2倍，或者是葉稍圓的直徑。 螺旋面是這樣生成的一個面：一個與軸線成一定角度的直線（母線），通過他的端點，繞著軸以端角速度旋轉(zhuǎn)，同時沿著軸線以固定角速度前進所生成的曲面。在最簡單的形式中，壓力面是沿螺旋槳軸軸線的螺旋面的一部分，任何機器螺旋的螺紋都是螺旋面。 槳葉上任何點的螺距都是這樣一個距離：所在的螺旋面和母線繞槳軸旋轉(zhuǎn) 360度，在平行槳軸方向前進的距離。圖 C的螺距就是在旋轉(zhuǎn)一周后距離FE。當(dāng)壓力面是螺旋面時， 面上任一點都有相同的螺距，這個螺旋槳就稱為等螺距的。從圖 ，在葉面上的每一個點都有與 C點相同的螺距。如果從導(dǎo)邊到隨邊，螺距逐漸增加，那么該螺距是軸向增加的。如果螺距從槳轂向葉稍增加，那么該螺距是徑向增加的。當(dāng)葉面上的每點的螺距都不相同時，那么壓力面就不是螺距面。 在整個葉上可變螺距槳的設(shè)計理論是一個特殊和專門的理論。為了概括這個設(shè)計的目的，可以充分地講（ 1）當(dāng)螺距在導(dǎo)邊和隨邊間變化時，那么螺旋槳可適應(yīng)一個較大范圍的船速（ 2）螺距從葉根到葉稍變化時，那么螺旋槳具有適應(yīng)槳周圍的半流的優(yōu)點。 前者修正延伸到推進效率的范圍，而后者增加了推進效率的峰值。 第十課 操縱性、運動和動力要求評估 如果當(dāng)一個外力或力矩作用在船上才使航向偏離增加的話，就說船舶具有航向穩(wěn)定性。另一方面，如果外力作用消失而船舶航向仍在改變，那么就說該船是不穩(wěn)定的。一艘方向不穩(wěn)定的船是不容易操控的，而一艘穩(wěn)定性好的船需要較少的能量就能由掌舵裝置保持在固定航向上。因而兩種極端的折中方案是希望出現(xiàn)的。粗略的講，方向穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性可以通過船舶水下側(cè)面積大小來評價。如果船體和附近面積集中在首尾 端，那么該船是方向穩(wěn)定的。 穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性都不可避免地需要設(shè)備來保持航向或根據(jù)命令改變航向。這樣一個方向控制的準(zhǔn)方向機構(gòu)就是安裝在船尾的舵，并且固定在它上方的船體內(nèi)的電動液壓舵機來驅(qū)動。舵是一個附體，具有機翼狀的橫剖面，并在相對于水有一個非零攻角時會產(chǎn)生升力。該升力產(chǎn)生了一個圍繞大概在船長中點的點動回轉(zhuǎn)力矩。 對于一個給定的攻角，舵升力正比于相對于舵的水速度的平方。因而，舵的位置最好在由螺旋槳產(chǎn)生的高速排除流的范圍內(nèi)。對于多螺旋槳船，應(yīng)該配備多舵（每個螺旋槳后面一個）以便借告訴水流之利。此外，對于倒車 時也必須具有良好操縱性的船。經(jīng)常為每一螺旋槳安裝一對側(cè)翼舵。它們設(shè)在螺旋槳的前面，漿軸的兩側(cè)各一個。 在低速下的操縱性是一個特殊的問題，因為低速情況下意味著由舵產(chǎn)生的升力不足。如果舵安裝在螺旋槳正后方，那么在數(shù)秒鐘之內(nèi)的連續(xù)劇高速旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生足夠的升力去推動船尾，卻未能產(chǎn)生明顯的向前的運動。側(cè)向推動船尾等于改變船體航向，但這只是權(quán)宜之計，對于低速操縱時常常是不夠的。由于這個原因，許多船裝備了艏側(cè)推器，一個固定在首部橫向隧道內(nèi)的螺旋槳，該側(cè)推器可以推船首側(cè)移而不產(chǎn)生向前的運動。如果一個類似的側(cè)推器裝在船尾， 那么船舶可以側(cè)向推動或當(dāng)兩個側(cè)推器往相反方向作用時原地回轉(zhuǎn)。 在操縱中，船舶產(chǎn)生首搖（繞一個垂直軸旋轉(zhuǎn)）和橫蕩（側(cè)向移動）。更一般的情況?？蔀槎鄠€自由度的運動，另外 4個是橫搖（繞縱軸的旋轉(zhuǎn)），縱搖（繞橫軸的旋轉(zhuǎn)），垂蕩（垂向運動）和縱蕩（縱向運動與勻速推進運動的疊加）。所有多個運動都是不希望出現(xiàn)的，除非在特殊情況下，通過首搖而改變航向。 橫搖大概是最希望出現(xiàn)的運動，因為它產(chǎn)生最大的加速度，因而是暈船的主要原因。它可以用一個強迫振動來表示。因為質(zhì)量、阻尼和回復(fù)