船舶设计原理课程设计.docx

船舶设计原理课程设计 本科课程设计说明书 船舶设计原理课程设计 学 院 专 业 学生姓名 学 号 指导教师 提交日期 2011年6月26日 课程设计任务书，内容如下： 1.课程设计题目：一艘多用途工作船的船型方案主尺度的设计 2.应完成的项目： （1）总体设计方案构思 （2）船舶主尺度及排水量确定 （3）编写课程设计说明书 3.参考资料以及说明： （1）船舶设计原理顾敏童主编，上海交通大学出版社出版，2001 （2）船舶设计实用手册，中国船舶工业总公司编，中国交通科技出版社，20074.课程设计的基本要求： （1）在对设计技术任务书进行全面分析的基础上，对新船的设计方案必须有一个方案构思，提出设想和对各种可能存在的问题进行分析和思考。 （2）对选用的母型船资料和各种估算方法应分析其合理性和适用性。 （3）在选择新船主要要素过程中，除了考虑技术因素以外，必须考虑到新船的经济性，例如造价、营运成本等因素。本课程设计中，不要求对新船的经济性指标进行详细的计算和论证，但是在新船的主尺度选择中必须考虑经济性因素，并对此进行必要的分析和讨论。 （4）应勾画总布置草图，区划主船体舱室等，以便能较为准确地校核布置地位和舱容。 （5）空船重量和主要性能的估算或计算要求可靠和准确；初稳性计算至少应包括两种装载情况。 （6）课程设计说明书应能反映设计思想和设计工作的全过程，每一部分都应有必要的说明和小结，应条理清楚，文字通顺，排版工整，要求用计算机打字成文。5.本课程设计任务书于 2011年6月20日发出，应于2011年6月26日前完成 目 录第一章 绪论 5 1.1 概述 5 1.2 研究意义 5 1.3国内外多用途工作船的发展 6 1.4 课程设计技术任务书 61.5 课程设计的主要工作内容和基本要求 71.6 方案构思 81.7 母型船资料 8 第二章 船舶主尺度及排水量的初步估算 102.1确定主尺度应考虑的因素 102.2主尺度选择的一般步骤 112.3 主尺度的确定方法 11 2.3.1根据统计资料和近似计算公式来确定船长范围 112.3.2船宽的初步估算 122.3.3型深D和吃水d的确定 122.3.4方形系数的估算 122.3.5 其它船型系数的确定 122.3.6 船舶重量估算及载重量的估算 132.3.7 船舶重量估算 132.4 小结 13 第三章 性能平衡及校核 143.1 舱容及重力与浮力平衡校核 143.1.1舱容校核 143.1.2重力与浮力平衡校核 153.2 初稳性校核 163.2.1初稳性高度及横摇周期估算 16 3.3自由航速校核 17 3.3.1计算有效马力曲线 173.3.2总推进系数计算 183.4 干舷校核 203.5 本章小结 21第四章主尺度方案的确定 22结束语 22参考文献 22第一章 绪论1.1 概述本课程设计是与船舶与海洋工程专业主干课程船舶设计原理课程配套的实践性课程。它的任务是通过课程设计来加深对船舶设计原理理论知识的理解，重点是培养学生综合分析问题、解决问题的能力和实践动手能力。本课程设计要求按照技术任务书，完成一艘多用途工作船的船型方案主尺度的设计。本课程设计是在船舶设计原理的基础上，结合一学期所学内容，综合分析计算出所要求的船只。因为知识和时间的限制，本计算是较粗略的，在excel表格中计算只是大体满足了基本的要求。主尺度计算主要是通过母型船的公式，估算和校核基本依照书本所给的公式。通过最后调试和校核，最后得到是满足所给主机功率的各项数值。因为学识所限，感觉纯在着许多漏洞，希望老师在批改的时候能指正。1.2 研究意义随着海上石油和天然气开发工程的迅速发展， 为海上工程提供各种服务的特种工作船舶，已成为海上石油和天然气勘探和开采工程不可缺少的一个组成部分。其主要用途是： 1）作为钻井、采油、修井作业等各类平台或海上其他大型漂浮物远距离拖航的主拖船，执行拖带等作业任务； 2）执行钻井、采油、修井等各类平台或海上其他大型构筑物的安全守护、抢险救助任务； 3）执行钻井、采油、修井等各类平台供应燃油、淡水、钻井水、钻采器具、液态泥浆、水泥等物资； 4）为钻井、采油、修井等各类平台、浮吊进行起抛锚、移位、就位等生产施工作业。简单的说，就是物资载运、拖带、供油、供水、供水泥、消防等。这要求船舶有较好的操纵性，能够适合在各种风浪、流条件下靠离平台，适合在复杂海况下拖带平台就位。 该类船上除了具备通用的拖轮设备外，安装的专用设备主要有：导管式或喷水式推进器、全回转螺旋浆、首侧推装置、大功率的消防炮、泡沫消防系统等。 通过以上分析可以看到，多用途工作船具有很多的功能，并要求具有处理海上突发性事故的能力。 1.3 国内外多用途工作船的发展趋势多用途工作船的发展经历了一个由不成熟到逐渐成熟的发展过程。以胜利石油管理局的多用途工作船为例，船总长 46.23 米，型宽9.80 米，型深3.20 米，总吨 496吨，净吨149 吨，吃水 1.40 米，主机功率 370KW2，仅具有一定的物资供应能力和小型拖带能力，不具备拖带现有平台的能力。对钻井平台一口井位的物资供应需要多个航次，且拉运水泥需要装载水泥的专用车辆，不具备对外消防能力；而 10000HP多用途工作船是胜利油田有限公司“十五”期间海洋石油生产的重要工程之一，它的建造是为提高油田应对海域及周边海区突发性事件的紧急救助能力，减少因恶劣天气和海况对财产和生命安全造成的损失。该船具有拖力大、功能强、用途多、设备先进的特点，是目前我国自行设计建造的大马力、具有动力定位功能和强大消防功能的多用途工作船。随着能源产业和海洋工程事业的迅速发展，多用途工作船也根据海上作业需要不断发展，船舶性能逐渐改善，船舶功能逐步完善，能够满足多种海上作业需求，成为真正意义上的多用途工作船。1.4 课程设计技术任务书 1）船型及用途 本船为双机、双桨海洋多用途拖轮，主要用于拖带、消防、港口作业等多种用途，航行于近海海域。 2）船级及规范 本船入中国船级社，设计建造应满足中国船级社现行规范、规则及有关公约的要求。 3）稳性与干舷 本船稳性与干舷应满足中国海事局 2004 年颁布的船舶与海上设施法定检验技术规则国内航行海船法定检验技术规则中对近海航区拖轮的要求。 4）船体结构 本船为全焊接钢质拖轮，骨架形式按结构设计要求选用横骨架式，结构构件的尺寸按中国船级社钢质海船入级与建造规范 （2006）进行设计。 5）船员 本船定员为14 人。 6）航速、拖力 航速：在风力不超过蒲氏风标 3 级、主机以额定转速运转时，拖轮在满载状态静水中航行时的自由航速大于 13.0 节，拖带航速 6 节。 系柱拖力：400kN。 7）主机、齿轮箱 主 机：型 号 6320ZCd-6型柴油机（或自选） 额定功率 1470kW2 额定转速 525 转/分 齿 轮 箱：型 号 GWC4549 转速范围：400900 转/分 减 速 比：2.4671：1 8）续航力 本船续航力为 3000 浬，能携带燃料油500 吨，轻柴油35 吨，滑油9 吨，淡水320吨。 9）自持力 本船自持力为30 天。 1.5 课程设计的主要工作内容和基本要求1.5.1 课程设计的主要工作内容1）总体设计方案构思；2）船舶主尺度及排水量确定；3）编写课程设计说明书。1.5.2 课程设计的基本要求1）在对设计技术任务书进行全面分析的基础上，对新船的设计方案必须有一个方案构思，提出设想和对各种可能存在的问题进行分析和思考。2）对选用的母型船资料和各种估算方法应分析其合理性和适用性。3）在选择新船主要要素过程中，除了考虑技术因素以外，必须考虑到新船的经济性，例如造价、营运成本等因素。本课程设计中，不要求对新船的经济性指标进行详细的计算和论证，但是在新船的主尺度选择中必须考虑经济性因素，并对此进行必要的分析和讨论。4）应勾画总布置草图，区划主船体舱室等，以便能较为准确地校核布置地位和舱容。5）空船重量和主要性能的估算或计算要求可靠和准确；初稳性计算至少应包括两种装载情况。6）课程设计说明书应能反映设计思想和设计工作的全过程，每一部分都应有必要的说明和小结，应条理清楚，文字通顺，排版工整，要求用计算机打字成文。1.6 方案构思按设计任务书要求，本船为海洋多用途拖轮，应具备以下特点：1）较高的自由航速；2）保证优良的操纵性；3）具备较大的系柱拖力；4）足够的稳性和适航性；5）海洋多用途拖轮应有的其他性能和设备。根据以上的特点，本船设计应做到以下几点：1）本船采用双机双桨，以获得较高的自由航速，快速到达作业海域。2）为保证本船优良的操纵性，应力求减小船长。3）为提高本船的推进效率，增加拖力，应加大尾吃水，以增大螺旋桨的直径。4）在保证足够稳性和适航性的情况下，型深不应过大，以免引起重心升高和受风面积的增大。5）本船应需配备以下主要设备：大功率的自动拖缆机，相应能力的起吊设备和对外消防设备等。1.7 母型船资料一、概述 本船是航行于沿海航区的 2940KW 的海洋多用途拖轮。钢质结构，单连续甲板，长首楼，双机，双桨，双舵船舶，主要任务是营救遇难船舶，拖带搁浅、触礁以及失去机动能力的船舶返回安全地区。 二、主尺度及主要要素 船 长 LOA 57.62m 垂线间长 LPP 49.40m 型 宽 B 12.00m 型 深 D 5.00m 设计吃水 d 4.20m 满载排水量 1852.1t 方形系数CB 0.723 棱形系数CP 0.794 舯剖面系数CM 0.911 水线面系数CW 0.900 浮心纵向位置XB -2.122m 自由航速V 12kn 三、主机 型 号 6320ZCd-6型柴油机 额定功率 1470kW2 额定转速 525 转/分 齿轮箱减速比 2.4671：1 四、螺旋桨 采用四叶外旋定螺距螺旋桨 2 个，材料为镍铝青铜。 第二章 船舶主尺度及排水量的初步估算2.1确定主尺度应考虑的因素1、船长 对于各类不同用途的拖轮，其船长的选择是不同的，如对于内河浅水拖轮，由于吃水过小，为了得到一定的排水量不得不加大船长，对于港作拖轮则应尽量减小船长以得到港内自身回转的灵活性，而对于长途航行的拖轮及海洋拖轮，要考虑到减小阻力以及对风浪的抵抗能力，则应适当的增加船长。本船的基本考虑因素有以下几点： (1)满足布置要求。主甲板以下要布置机舱、淡水舱、重油舱及首尾尖舱等，这些舱室应分布合理，使拖轮在满载和空载情况下尾部吃水变化较小，以保持车叶和舵的良好性能，必要时需考虑设置压载舱，船长应能满足以上布置的要求。 (2)航道限制。内河拖轮，特别是运河和浅水急流航道的拖轮要考虑航道的最小曲率半径对船长的限制。 (3)考虑阻力。拖轮在自航时，对应的速长比 约为 1.11.4，所以增加船长可以降低速长比，即减少了拖轮的剩余阻力。求某些要求自由航速较高的拖轮，可考虑选取较大的船长，但要注意避“峰”求“谷” ，即避开阻力的峰值，请结合任务书的要求来考虑。 (4)造价考虑。拖轮船长愈大则重量愈大，造价愈高。 2、船宽 拖轮船宽主要决定于稳性以及必要的甲板面积，需要考虑的因素有： (1)稳性要求； (2)航道限制； (3)布置要求。 3、型深 型深对纵向强度、剩余稳性均有很大的影响。由于型深设计吃水+最小干舷，故吃水为一定时， 根据最小干舷就可以决定最小型深。 4、干舷 干舷直接关系到船舶的剩余阻力和大倾角稳性。拖轮的干舷较一般的船舶高， 一般多在 0.61.2m之间，视船舶大小及航区而定。2.2主尺度选择的一般步骤 船舶主尺度的选取主要涉及到以下几个方面： 满足承受重量所需要的浮力，即空船重量加载重量应等于船在设计吃水时的浮力； 满足新船所需要的布置地位(舱容及甲板面积)； 满足对新船的各项技术性能(快速性、稳性、操纵性、耐波性和强度等)的要求； 考虑航线环境、建造与修理厂设备条件对新船主尺度的限制； 满足用船部门对新船的有关使用要求。 经济性好。 具体步骤和方法如下： 1）确定主尺度的选择范围 首先根据新船的船型、布置地位、航速等和主尺度的限制条件，参考母型船资料，初步确定一个主尺度的选择范围。 具体方法是：采用一些主尺度估算公式，对主尺度进行估算，大致确定新船的主尺度范围。 2）主尺度的第一次近似计算 主尺度的初始值可以采用以下方法估算： 采用母型船换算法：采用适当的换算方法粗估新船的主尺度初始值。 应用统计公式或经验公式：对常规船型，在选用统计公式或经验公式粗估主尺度时，特别要注意公式的适用范围，如果对这些公式的适用范围不清楚，可以用母型船资料来试算，从而了解这些公式的适用范围。 3）重力与浮力的平衡、舱容和布置地位的初步校核 对于布置地位型船：首先校核布置地位与舱容，然后校核浮力与重力的平衡。当吃水允许改变时，用调整吃水的办法来平衡重力与浮力是比较容易的，也可以采用调整方形系数的方法。 2.3 主尺度的确定方法 2.3.1根据统计资料和近似计算公式来确定船长范围可参考船舶设计手册，根据所给统计资料，进行选择，我选择的是4）由船长和主机功率的统计公式来粗略估算：LPP=22.8+0.0056PBm其中：,结合母型船资料船长LPP 为50m到60m之间。 结合后面的各种校核可知LPP 为58m。船长对船造价是影响最大的，所以在可能的前提下尽可能的去减小船长。由于要达到相应的马力，所以在无耐之下增加船长从而使其达到相应的要求。2.3.2船宽的初步估算 对于船宽，由于拖轮在工作过程中往往受到被拖船舶的急牵，其稳性要求较高，所以船宽通常按稳性要求结合布置的情况来确定。根据统计资料和母型船来确定船宽范围由母型船换算得到型宽B=LppL0B0算的船宽为14m2.3.3型深D和吃水d的确定拖船吃水一般由螺旋桨所需的浸沉深度、港口航道条件及对稳性影响较大的B/d 值来选定。本船一般在深水港区和近海海域，因此其吃水不受限制，故吃水的选择主要应从提高推进效率及要求一定的尾吃水和稳性角度来考虑。在一定吃水条件下，型深的大小对稳性、储备浮力等均有影响，因此型深的确定要考虑干舷的要求和型深吃水比的影响以及设计建造的方便。均采用母型船换算公式根据母型船资料， 中部吃水取 d为4.9m根据母型船资料，L/D=9.88 型深D可以取为5.9m2.3.4方形系数的估算沿海船舶方形系数推荐用下式计算：根据 ，但当时，应减0.01其中：V为自由航速，为14kn； L为垂线间长（英尺）初步算的为0.5632.3.5 其它船型系数的确定1. 棱形系数沿海船舶的棱形系数和速长比关系采用蒋慰昌公式：=0.593上式适用于=1.10以下。2. 中剖面系数=0.9493. 水线面系数沿海船舶的水线面系数和方形系数的关系可以用以下表示：=0.7114. 浮心纵向坐标=-1.097拖轮的浮心位置一般在船舯之后，可取在2%-3%LPP处。这些均为初步估算，具体校核下面会提及。2.3.6 船舶重量估算及载重量的估算根据同类型船的情况，分别找出各部分的重量系数。1、船体钢料重量，系数 取自母型船0.1288； 为617.1t2、舾装重量，系数取自母型船1.16； 为329.7t3、机电设备重量，系数取自母型船5.9；为360t4、排水量裕度取空船重量LW 的5%，综上所述，空船重量LW=105%(WH+Wo+WM)=1372t1、人员及行李：每人平均重65kg，船员行李50kg。 共1.61t2、食品及淡水：食品每人每天4kg，淡水每人每天200kg。可算出食品重量，另外，任务书给出携带淡水320t。 共353t3、燃料油+轻柴油：任务书给出携带燃油535 t。 共535t4 滑油：任务书给出携带滑油9t 共9t5、备品及供应品：该部分通常取为(0.5%1%)LW。 共11t综合以上，可求出载重量DW 。 DW=908.6tLW+DW=2280.6t2.3.7 船舶重量估算根据浮性方程式,由初步选取的主尺度参数计算新船的排水量；=2308.06t2.4 小结由这一章可以大体算出主要尺寸和相关系数以及船体重量。但是这些数据是不可靠的，换需要从新去校核换算。Lpp=58m B=14m d=4.9m D=5.9m CB=0.563 CP=0.593 CM=0.9494 CW=0.711 XB=-1.1第三章 性能平衡及校核3.1 舱容及重力与浮力平衡校核3.1.1舱容校核一、新船所能提供的舱容的估算主船体总容积的估算，据主尺度（包括方形系数），可粗估垂线间长范围内的主船体的型容积=2908.4m3为计算到型深的方形系数，其中取4。为计入舷弧和梁拱的相当型深，=6.047。二、分项舱容的校核1、机舱容积VM机舱所需容积实际上由机电设备布置地位所需的机舱长度LM和机舱位置所决定。拖轮机舱位置布置在船长中部。已知机舱所需长度LM和位置时可按下式估算机舱容积：VM=KM LM B (D-h DM) 式中：KM 为机舱体积丰满度系数，取KM =1；h DM为机舱双层底高度，取h DM=1.2m 。机舱长度：LM= lm + C 式中：lm =4.934m，系数C=5.066m 。求得：VM =658m3 。2、压载水舱容积VB压载平均吃水dB=1.55+0.023L已知要求的压载航行平均吃水后，可按下式计算压载排水量B， （2-6-4）求得： B=1181.5t2.5；为未计及自由液面修正的初稳性高。可求得：=9.29s9s 故，船舶满载时能满足规范对初稳性和横摇性能要求。2、压载到港 1789t, d,=d,CbCw=4.05 ； =0.571 ；=0.076符合法规对我国沿海船只的初稳性高的要求对于,参考相近的船型得出，故此时初稳性高有符合法规对我国沿海船只的初稳性高的要求f=1.025 则横摇周期有：满载和压载都大于8s，符合我国法规3.3自由航速校核3.3.1计算有效马力曲线艾亚(Ayre)法有效功率估算表Lpp58B14T4.92280.988B/T2.857143Cb0.555967xc-2.62486L/(1/3)4.4060930.64140.9934速度131415Vs/gL0.280490.3020660.323642C0265220195Cbc0.6090.5740.559Cb(%)0.0870820.0314160.005426Cb 修正5.691.480.22Cb修正数115.07853.2560.429已修正Cb之C1280.0785223.256195.429B/T修正（%）=-10Cb（B/T-2）%-4.76543-4.76543-4.76543B/T修正数量，2-13.3469-10.6391-9.31303已修正B/T之C2266.7316212.6169186.116标准xc，%L，船中前或后-2.05-2.28-2.41实际xc，%L，船中前或后-2.62486-2.62486-2.62486相差%L，船中前或后-0.57486-0.34486-0.21486xc修正（%）0.20.20.2xc修正数量，3-0.53346-0.42523-0.37223已修正xc之C3266.1981212.1917185.7437长度修正（%）=（Lwl-1.025Lpp）/Lwl6.5031066.5031066.503106长度修正数量，417.3111413.7990512.07911已修正长度C4283.5092225.9907197.8228Vs3219727443375Pe803.06161258.2871768.004可知道，当V=14.46kn的时候，其有效马力为1501kw3.3.2总推进系数计算推进系数为：以上各项效率分别为：船身效率H；敞水效率0；相对旋转效率R；轴系传送效率1)螺旋桨敞水效率:P螺旋桨收到功率N螺旋桨=V（1-w）即敞水效率: 2)船身效率由海克休公式有3) 相对旋转效率R：取0.984)轴系传送效率：取0.9312，有减速箱。故估算推进系数: 而由有效功率曲线知：Pe=1516.1kw则: 两者相近，符合要求3.4干舷校核按国内航行海船法定检验技术规则.2004进行计算校核1、 基本干舷 按下式计算：查B型船舶的基本干舷得=544mm2.L100m的B型船舶干舷修正值 取封闭上层建筑有效长度（E）为0.4L 所以=03. 方形系数对干舷的修正 当实船的方形系数CBL/15时 （mm） R=L/0.48 可以求得=263.5mm5. 有效上层建筑和凸形甲板对干舷的修正值 =K K=0.235 可求得=-80.68mm 6.舷弧对干舷的修正值 （mm） S=22.27mm SF,SA的求值如下表位置实际舷弧高标准舷弧高差数乘数乘积ABC=A-BDE=C*D尾垂线500733.3333333-233.3331-233.333距尾垂线L/6250325.6-75.63-226.8距尾垂线L/3082.13333333-82.13333-246.4舯00010SA=-88.3167舯00010距首垂线L/30164.2666667-164.2673-492.8距首垂线L/6400651.2-251.23-753.6首垂线8001466.666667-666.6671-666.667SF=-239.133=77.8mm综上所述知最小干弦：而本船干弦:大于最小干弦，是符合规定的。3.5 本章小结经过重力与浮力调整，舱容校核与调整后，新船的有关参数如下：排水量=2281m3，空船重量LW=1372t,载重量DW=908.7t机舱容积VM=653m3,油水舱容积VOW=984m3,其他舱室容积VA=86.2m3 CB=0.56 CP=0.576 CM=0.965 CW=0.706 D1=6.047m第四章 主尺度方案的确定本船的主要要素： 结束语：本课程设计是在船舶设计原理的基础上，结合一学期所学内容，综合分析计算出所要求的船只。因为知识和时间的限制，本计算是较粗略的，在excel表格中计算只是大体满足了基本的要求。主尺度计算主要是通过母型船的公式，估算和校核基本依照书本所给的公式。通过最后调试和校核，最后得到是满足所给主机功率的各项数值。因为学识所限，感觉纯在着许多漏洞，希望老师在批改的时候能指正。参考文献：船舶原理上下册盛振邦、刘应中主编，上海交通大学出版社出版，2003；船舶设计原理顾敏童主编，上海交通大学出版社出版，2001；船舶设计实用手册，中国船舶工业总公司编，中国交通科技出版社，2007；国内航行海船法定检验技术规则中华人民共和国海事局 2004 。 23