【正文】 實踐證明，AU型原螺旋槳的面空泡裕度過大，因此少量減小葉切面前緣的高度，適當降低。(2)改進AU型，用MAU表示：這種型式是對原型AU型螺旋槳在葉梢部分切面前緣形狀進行局部修正。圖譜也經(jīng)過幾次的改動，此類螺旋槳一般在商船上應用很廣，具有相當長的歷史。近年來日本有關部門又對切面形狀等作了改進，擴大了盤面比和螺距比范圍，進行了3~6葉螺旋槳模型的系列試驗，并作出了設計圖譜。雖然應用圖譜設計會受到系列組型式的限制，但隨著各國對該設計方法研究的深入，圖譜資料日益豐富，目前常規(guī)螺旋槳有較常用的荷蘭的楚思德B系列圖譜[28]和日本AU系列圖譜[29]等等，++Ka導管螺旋槳系列，以及我國上海交通大學流體力學研究室推出的JD75+Ka和JD7704+Ka簡易導管螺旋槳系列。這種設計方法不僅計算簡便，而且易于被人們所掌握，而且用于設計圖譜來源于實驗，較為可靠，若選用合適圖譜進行設計，其結(jié)果也較為令人滿意。圖譜法簡介：圖譜設計法就是根據(jù)螺旋槳模型敞水系列試驗繪制成的各類專用圖譜來進行設計[27]。（3） 提高裝置的經(jīng)濟性裝有減速齒輪箱的船舶，在主機發(fā)揮相同功率的情況下，可以降低燃油消耗率，達到節(jié)能的目的，如果加大減速比，經(jīng)濟效益會更好。當螺旋槳槳葉上某處的減壓系數(shù)ξ≥σ (空泡數(shù))，此時產(chǎn)生空泡現(xiàn)象；當ξσ 時，此時不會產(chǎn)生空泡現(xiàn)象。從空泡發(fā)展的物理過程，螺旋槳槳葉上經(jīng)常出現(xiàn)下列4種空泡：渦空泡、泡狀空泡、片狀空泡和云霧狀空泡。一般而言，正常的航速范圍內(nèi)，槳轉(zhuǎn)速降低1%，在航速及載貨量不變的條件下，—05%[25]。改變減速比的意義在于：（1） 提高螺旋槳效率在船舶航行狀態(tài)下，提高槳的效率，可以增加槳的盤面比，即加大槳的直徑。轂徑比：轂長：材料：錳青銅重量：慣性矩：船舶節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和新型節(jié)能推進器、螺旋槳的應用為世界造船業(yè)和航運業(yè)帶來了福音，節(jié)約了能源，提高了航速，從而提高了經(jīng)濟性。隨著造船業(yè)的發(fā)展，船舶燃料費用呈顯著增高趨勢，占船舶航運運營總費用開支成本的比例頗大。（CLTP）示意圖 本章小結(jié)船舶節(jié)能已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題，它關系到節(jié)約燃料、資源和費用、環(huán)境保護以及船舶運營經(jīng)濟效益等問題。為了使邊界元在流體中運動時產(chǎn)生的粘性阻力最小，邊界元的位置必須設計得與水流平行，其形狀必須吻合螺旋槳和水流的相對運動，葉梢處剖面的隨邊園弧半徑要小于導邊的園弧半徑。尾流收縮葉梢有載螺旋槳已被認為是一種性能較好的節(jié)能螺旋槳，其原理是：螺旋槳在流體中運動，槳葉的前方產(chǎn)生負壓，后方產(chǎn)生正壓，由此產(chǎn)生推力，推動船前進。目前，尾流收縮葉梢有載螺旋槳已在油輪、滾裝船、散貨船、漁船、定期客船等類型船上得到廣泛使用。在中國建造的船東為Vbem公司的“Symphorine”號滾裝船也應用了大側(cè)斜螺旋槳。90年代，許多航運公司在諸如滾裝船、漁船、客船上用大側(cè)斜槳葉更換常規(guī)槳槳葉。大側(cè)斜螺旋槳因此得到了廣泛應用。這些研究的參數(shù)將與Kvaerner Warnow船廠建造的CV2900型集裝箱船的6葉螺旋槳進行比較[24]。1997年8月，為進一步發(fā)展卡普爾螺旋槳，成立了歐洲聯(lián)盟基金的Kapriccio計劃。由于卡普爾螺旋槳獨特的槳葉和葉梢形狀，對空泡性能而言，這是一個重要的特點。選擇槳葉略向吸力面彎曲是從螺旋槳效率、空泡性能和制造這三方面折衷考慮得出的。就高速單槳集裝箱船而言，常規(guī)槳的效率已經(jīng)相當高，要進一步改進就十分困難，因此，卡普爾螺旋槳的試驗結(jié)果非常令人鼓舞。模型試驗表明，卡普爾螺旋槳的敝水效率比常規(guī)槳高3％，節(jié)省主機功率5％。如果垂直小翼裝在機翼或槳葉的壓力面一邊，其效果則明顯減低。懷德肯伯（Whiteb）和其他學者進行了大量計算和模型試驗，開發(fā)了裝在機翼末端的垂直小翼。模型試驗證實，與常規(guī)舵相比較，裝用高效舵后推進功率和燃油消耗可節(jié)省5％—6％，螺旋槳激振力降低40％，螺旋槳誘導噪聲級降低5dB(A)。推進功率的節(jié)省是由于“伴流增益”效應所致。 可調(diào)螺距螺旋槳 對轉(zhuǎn)螺旋槳 高效舵Lips高效舵，由著名的船用設備制造商—Lips，于2001年推出了一種新型節(jié)能裝置—高效舵(Efficiency Rudder)，也可稱為槳舵一體化裝置(Prop and Fin Combination)。對轉(zhuǎn)螺旋槳是具有前后兩個同軸螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力的推進器。目前，新型高效推進器主要有可調(diào)螺距螺旋槳和對轉(zhuǎn)螺旋槳。與目前商船上廣泛使用的常規(guī)螺旋槳相比，這幾款新型螺旋槳具有以下兩個明顯優(yōu)點：第一，新型螺旋槳推進效率高，在保持船舶航速不變的前提下，可節(jié)約主機功率少則3％—4％，多則8％—10％[22]。 新型高效推進器為了提高推進效率，國內(nèi)外都在研究有別于常規(guī)螺旋槳的各種新型高效推進裝置，如低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳、導管螺旋槳、適伴流調(diào)矩槳、無梢渦螺旋槳以及部分浸水螺旋槳等。船舶是一個復雜的空間結(jié)構(gòu)物，結(jié)構(gòu)設計因含有骨材間距等連續(xù)變量和鋼板厚度、型材面積等離散變量，故船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化屬于混合優(yōu)化。尋求合理的結(jié)構(gòu)形式和適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸，使船體結(jié)構(gòu)在滿足強度、剛度、穩(wěn)性及頻率等條件下具有較好的力學性能、工藝性能、經(jīng)濟性能及使用性能。船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在于尋求既安全又經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式，而結(jié)構(gòu)形式包括了尺寸、形式和拓撲等信息。隨著船舶事業(yè)的發(fā)展、計算理論及計算手段的更新，船舶結(jié)構(gòu)設計的理論和方法也在不斷地更新發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計已在大型船舶設計中實現(xiàn)。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)劣，首先要考慮整體性、工藝性，而經(jīng)濟性則是評價任何設計的重要方面。在設計螺旋槳時，選擇不同的工況將直接影響船舶的經(jīng)濟性及可靠性。眾所周知：一般船舶由于主發(fā)動機、傳動設備及推進器的性能參數(shù)都存在局限性，通常情況下各部件的性能參數(shù)只有在某一負荷范圍內(nèi)才是優(yōu)良的，離開此范圍，性能均會下降，即船舶只有在設計工況下運行時其經(jīng)濟性才能發(fā)揮最佳。船、機、槳工況與配合的研究就是要研究船舶在各種航行條件下能量轉(zhuǎn)換過程的特性變化規(guī)律，從而找出最佳參數(shù)和最佳轉(zhuǎn)換過程，得到一個具有最佳營運經(jīng)濟性和投資效果的方案。因此，在能源短缺的形勢下，以節(jié)能的觀點研究推進裝置的最佳能量轉(zhuǎn)換，即船機槳的最佳匹配型式是船舶發(fā)展的方向之一。目前，水動力節(jié)能附加裝置中取得較顯著節(jié)能效果的有：前置導管、補償導管和Costa整流舵組合式節(jié)能裝置、槳前導流鰭、舵附推力鰭裝置、槳后固定葉輪、槳后自由旋轉(zhuǎn)葉輪等。 水動力節(jié)能附加裝置一種水動力附加裝置是否適用、是否有效與母體密切相關，牽涉到船型尤其是尾型特征、船型參數(shù)、螺旋槳負荷、設計條件等因素，條件不同，選用的附加裝置的著眼點也不同。開發(fā)出了諸如縱流船型、球鼻首船型、雙體船及小水線面雙體船、淺吃水肥大船型等。在滿足船舶使用條件下，優(yōu)化船體型線，使船舶阻力最小，選配耗油量小的船用主機，使總體協(xié)調(diào)匹配，以達到船、機、槳、舵的最佳配置，從而提高船舶的推進效率，減少營運費用[18]。目前，船舶節(jié)能技術(shù)主要體現(xiàn)在節(jié)能船型、附體節(jié)能裝置、結(jié)構(gòu)輕型化技術(shù)、船機槳最佳匹配、高效槳、舵等方面。據(jù)統(tǒng)計，燃料費占營運總成本比例：油船約占60％，散貨船約占50％，定期客貨船約占35％，小型運輸船舶也占25％30％。 船舶推進節(jié)能技術(shù)船舶節(jié)能是一項由人、船、環(huán)境綜合因素決定的系統(tǒng)工程，目前已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題，它關系到節(jié)約燃料和費用、環(huán)境保護以及船舶營運經(jīng)濟效益等問題。我國能源形勢嚴峻，節(jié)能已成為國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要任務，加強船舶節(jié)能降耗工作，有利于“節(jié)約型型社會”的建設，既是轉(zhuǎn)變水路交通增長方式的基本要求和有效途徑，也是水路交通企業(yè)降低營運成本，提高經(jīng)濟效益的重要途徑。因此，如何有效降低能耗，是一個現(xiàn)實而又重大的課題[17]。近些年，我國的造船業(yè)和國家整體經(jīng)濟形勢一樣，發(fā)展很快，形勢喜人，產(chǎn)品有很強的競爭力；但要獲得長期的競爭力，必須從戰(zhàn)略上重視節(jié)能技術(shù)的研究和開發(fā)。這樣的結(jié)果說明對本船的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是可行的。 本章小結(jié)本章主要分析了以全船有限元模型為依托，在壓在出港、滿載礦石出港兩種工況下，分別計算迎浪和斜浪狀態(tài)下節(jié)點位移、各構(gòu)件應力，其計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。本船最小剖面模數(shù)為：其中：C=+4=+4=，Cb=（2）按《規(guī)范》，船中剖面對水平中和軸的慣性矩I 應不小于按下式計算所得之值： cm4式中：W0——按式41計算所得的船中最小剖面模數(shù)，cm3；L——船長，m。 基本剖面模數(shù)及慣性矩按《規(guī)范》所要求的基本剖面模數(shù)及慣性矩校核。 工況二斜浪狀態(tài)全船應力云圖兩種工況下，即壓在出港、裝載礦石出港，各構(gòu)件受到應力不同，雖然有的區(qū)域應力較大，較集中，但都滿足規(guī)范要求。 工況二斜浪應力計算匯總表部位相當應力σe船長方向正應力船寬和型深方向正應力剪切應力τ甲板210198－－內(nèi)、外底198190120－舷側(cè)板 205201139111船底縱桁 208200－106肋板 172－－83橫艙壁 165－－83橫框架183－－89。 工況一斜浪狀態(tài)應力計算匯總表部位相當應力σe船長方向正應力船寬和型深方向正應力剪切應力τ甲板185198－－內(nèi)、外底186185130－舷側(cè)板 181168130105船底縱桁 218170－112肋板 155－－88橫艙壁 162－－75橫框架156－－90 工況一斜浪狀態(tài)艙段應力云圖 工況二應力計算結(jié)果（1）工況二為裝載礦石出港，為重載工況，因此各構(gòu)件所受應力較大。 工況一迎浪狀態(tài)應力計算匯總表部位相當應力σe船長方向正應力船寬和型深方向正應力剪切應力τ甲板180190－－內(nèi)、外底182169120－舷側(cè)板 181168125103船底縱桁 210170－105肋板 150－－80橫艙壁 160－－75橫框架150－－80 工況一迎浪狀態(tài)艙段應力云圖，但其整體滿足規(guī)范要求。由于本船全部采用普通鋼，k=。 工況一迎浪狀態(tài)全船變形云圖 工況一斜浪狀態(tài)全船變形云圖 工況二迎浪狀態(tài)全船變形云圖 工況二斜浪狀態(tài)全船變形云圖 應力計算結(jié)果 許用應力根據(jù)中國船級社《散貨船結(jié)構(gòu)強度直接計算分析指南》第7章“強度標準”的規(guī)定，板單元形心處的中面應力、。 mm，最小位移為0；斜浪狀態(tài)下最大位移為114mm， mm。第4章 計算結(jié)果及分析 位移計算結(jié)果本船2種工況（工況一為壓載出港，工況二為滿載礦石出港）。以上內(nèi)容是以《中國船級社散貨船結(jié)構(gòu)強度直接計算分析指南》為依據(jù)。有限元模型的建立中詳細敘述了坐標規(guī)定、單位制定義、符號規(guī)定、模型范圍、單元和網(wǎng)格的劃分、創(chuàng)建材料模型及參數(shù)設置。 本章小結(jié)船舶有限元建模是船舶強度直接計算的基礎，結(jié)構(gòu)強度分析主要是依據(jù)對有限元模型的計算，模型建的好壞將對計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。 設計波參數(shù)特征載荷波浪頻率（rad/s）浪向波高工況一垂向彎矩010繞X軸扭矩12010工況二垂向彎矩010繞X軸扭矩12010按照本船選取的二種工況的迎浪和斜浪狀態(tài)施加載荷加以計算。工況一和工況二分別為中拱狀態(tài)和中垂狀態(tài)，在此基礎上，分別疊加中拱狀態(tài)和中垂狀態(tài)的波浪載荷，可以得到該船在海上航行的最危險波浪載荷。全船運動的慣性力：根據(jù)達朗貝爾原理[16]將全船運動加速度等效為相應的慣性載荷。 載荷的施加全船計算模型考慮一下幾種載荷：（1）貨物壓力（貨物靜壓力、貨物動壓力）；（2）舷外水壓力（靜水壓力、波浪動壓力）； （3）全船運動的慣性力。確定了波幅、浪向、頻率和相位，就可以得到等效設計波的形式，進而可以得到用于全船有限元模型加載的水動壓力。3）等效設計波的波幅等于主要載荷控制參數(shù)的設計極值除以對應的傳遞函數(shù)的最大幅值。例如迎浪狀態(tài)下將垂向波浪彎矩作為設計極值。本文所采用的途徑是通過規(guī)范值得到船體剖面載荷，作為代表性控制參數(shù)極值，然后選擇典型的規(guī)則波，使之產(chǎn)生與控制參數(shù)極值相等的外力載荷，作為設計計算用的波浪參數(shù)。 整船計算的設計波載荷模型 計算原理整船計算的設計波載荷，是通過設計波法得到的。lf = （在AP 及其以后區(qū)域） = （ L L 之間） = （在FP 及其以前區(qū)域）在上述各指定點之間，lf 線性變化。 V ——船舶的設計航速，kn，但不小于13 kn；L ——船長，m； CB——方型系數(shù)； df——從夏季載重線到艙口圍板頂點的垂向距離，m。4)舷側(cè)水線以上的動壓力 (314)h ——為從靜止水線到載荷點的高度，m。 波浪壓力1)水線處的水動力壓力（kN/m2） (38) (39) (310) (311)水線處: ZW=T12) 舭部的水動力壓力（kN/m2） (312)P1和P2與水線處的計算公式一樣，但 ZW=0。上述給出了基線、水線、舷側(cè)頂端處的水動壓力計算公式，舷側(cè)其他部位的舷外水壓力按線性插值確定。一般而言，舷外水壓力包括靜水壓力和波浪動壓力。 貨物頂面形狀貨物頂面，沿縱向均布；沿橫向，為拋物線方程： (34)式中：b=B/2， B為船寬；頂面至連線的最大距離為 h =t