基于NAPA的便捷型集装箱船总体设计系统研究

基于NAPA的便捷型集装箱船总体设计系统研究第一章 绪论1.1课题的背景及意义25，26，27交通运输业是国民经济发展的关键。素有“黄金水道”之称的长江，是我国的一条交通大动脉，担负着水上运输的繁重任务。但同国外发达国家相比，我国的水运事业的发展却相当缓慢。长江水量与密西西比河相当，是莱茵河的十八倍，但长江的货运密度仅分别为它们的1/7和1/6，这条“黄金水道”没有得到很好利用。另一方面从调查的情况来看，运输的货物很大部分是适箱的杂货。而集装箱运输具有装卸效率高、周转快、运输成本低，货物破损率低等显著优点，是交通现代化的显著标志。因此，在长江中下游开展江海直达集装箱运输，对于缩短运输周期、提高运输效率和经济效益，改变不合理的运输结构，吸引货源，繁荣长江流域的经济，振兴我国的水运事业有着十分重要意义。江海直达运输是世界航运的一个发展趋势。上世纪六十年代，日本建造了一批船宽吃水比B/T大于3的江海直达船舶，营运结果、经济效益显著。对于内河水系比较发达的国家，例如苏联、德国和美国都积极发展江海直达运输。苏联建成的4000t江海直达货船投入江海直达运输后，减轻了港口负担，缩短了运输周期，在外贸航线上显示了很好的经济效益；德国建造的营运于不来梅至挪威航线3000t江海直达型集装箱船，美国建造的航行于圣路易斯港至拉美国家10001200t的“微型船”，营运效果都很好。随着改革开放、长江水运的发展，加上上海洋山深水港建成投入使用，上海港的集装箱吞吐量将会有一个新的发展，同时国内与国外，内地与沿海的联系会更加密切。南通、张家港、镇江、南京、芜湖、九江、武汉和重庆均被辟为外贸口岸，其中南通、张家港、南京等港从国外引进集装箱专用装卸设备，建立了集装箱码头。长江沿线各口岸均成立了集装箱运输公司，初步形成了沿海、长江、内陆集装箱运输网络，为长江集装箱运输的发展提供了良好基础。目前，长江中下游至沿海间的江海直达运输大多数仅限于海轮进江、江船出海，而海轮和江船进行江海直达运输都存在弊端。对海轮进江，由于船舶吃水限制、船高受桥梁净空的限制难以深入腹地港口，经济效益受到影响；对江船出海，则由于船舶强度、耐波性等原因难以适应海上航行。因此，有必要根据航线情况和航道状况，设计出一种既不同于常规的海船，又不同于常规的江船的特殊船型江海直达船型。1.2 研究现状从集装箱船市场来看，2004年的世界集装箱航运市场运力处于短缺状态，2005年对于集装箱船的需求量仍在增长。而随着世界经济的好转，国内航运事业也蓬勃发展，航线由内河逐步向沿海，甚至近海延伸。就内河集装箱运输而言，随着长江两岸的率先发展和上海洋山港深水码头（属沿海区域）的建成投产，一方面内地集装箱运输量将有较大的增长，另一方面运输船型将面临着结构的调整。尤其缺乏技术水平较高的可用于江海直达的集装箱船，在航的各种船型混杂，主要有下列船型36：驳船。由于具有浅吃水、载重量大、周转率高等优势，一度在长江水上运输中占主导地位。但长江上目前营运的集装箱驳船大多不是专用集装箱驳船，集装箱装卸速度快，驳船周转率高的优势几乎无法体现，营运成本较高；散货船改造集装箱船。这些船船长一般在5080m之间，船宽1015m，装载能力在50150TEU之间。但由于散货船改造，装载集装箱时船稳心高度增加，易造成侧横风向时的倾覆；船舶货舱开口增大，造成船舶横向强度减弱；装载集装箱时吃水较浅，油耗大；驾驶室高度不够，视线容易被集装箱阻挡。其他类型船舶改造集装箱船。由于长江客运业不景气，部分船运公司尝试将客船的上层建筑改装以装集装箱。专用集装箱船。一些船东特别是私营业主开始将目光由改装转向建造专用集装箱运输船舶。这类船建造时采用了一些先进的技术，如驾驶舱设在船艏，采用球鼻艏，设有压载水舱，配备了冷藏箱专用装置等，船型设计也趋于合理，航速提高，但由于民间资本的局限性，技术含量仍然较低，很难适应未来港口和集装箱运输发展的需要。面对内河集装箱船船型混杂的情况，我们应该抓紧时机开发适用于江海直达的集装箱船。便捷型集装箱船作为一种新开发船型具有广阔的市场前景，研究具有重大价值。便捷型集装箱船32，即江海直达敞口集装箱船，由于具有货舱开口大、吃水浅、无舱口盖、装卸时间短、装箱灵活等特点使货物运输方便快捷而得名，是近年来发展的一种适合于江海直达航线的集装箱运输船型，在长江集装箱运输中被力推为较有潜力的船型。船舶总体设计和新船型开发的关键环节是确定船舶主尺度。主尺度确定是一个复杂的问题,需要经过空船重量和排水量估算，航速估算，干舷校核，初稳性校核，技术性能计算，营运、经济计算等过程，优选出技术上可行、经济上合理的船型方案。国内外对于集装箱船总体设计已经进行了许多研究，对于在集装箱船设计过程中存在的舱容利用率低、货舱容易进水、船舶稳性等问题也进行了相应的研究，并提出加大型深、加高货舱围板、加大艏舷弧、设置艏部升高甲板等方法来改善。此外，对于一般集装箱船形成了一些经验公式，开发了一些专家系统，建立了一些数学模型和程序，但对于便捷型集装箱船这一新船型的总体设计的参数化研究还有所欠缺，还需要进一步研究。1.3课题的主要工作 1、分析便捷型集装箱船的设计特点，根据其特点和船舶设计过程，搭建总体设计系统的框架结构。如图1.1所示，本系统包含技术经济论证、型线设计、总布置设计、技术性能计算、线型数据库、专家咨询六大模块，每个模块有不同的功能。技术经济论证模块的功能主要是结合港口、航道的情况，通过主尺度、航速变化组合出多个船型方案，再经过技术性能校核、经济营运计算，筛选出技术上可行、经济上合理的船型方案，最后选钢料价格、油价、运价等敏感因素进行敏感性分析，得出最符合市场要求的最佳船型方案；型线设计模块的功能主要是根据技术经济论证提供的最佳船型方案，采用NAPA软件生成和输出型线；总布置设计模块的功能主要是在型线设计的基础上完成总布置设计工作；技术性能计算模块的功能主要是根据型线设计和总布置设计的结果，计算各种技术性能，给出相应的计算报告；线型数据库模块的功能主要是记录搜集到的相关船型资料，以数据库的形式进行归类整理；专家咨询模块的功能主要是收录相关规范、公约、规则中，与集装箱船相关的内容。本文仅讨论技术经济论证模块、型线设计模块、线型数据库模块和专家咨询模块。图1.1 便捷型集装箱船总体设计系统界面2、调查长江中下游航道情况、港口及其设施情况等。3、根据航道情况及江海直达集装箱船技术性能情况，建立长江水系5000t级以下江海直达集装箱船论证方案。4、建立长江水系5000t级以下江海直达集装箱船技术、经济论证指标的数学模型。5、根据数学模型，编制计算机程序对船舶论证方案进行计算，推选出多个方案。6、选定敏感因素，对选定的船型方案进行敏感性分析。7、通过敏感性分析，选出最符合市场要求的方案，应用芬兰NAPA软件进行型线设计。8、对搜集到的集装箱船船型资料进行归类整理，建立线型数据库。9、对程序编制中用到的相关规范、公约、规则的有关内容进行整理，建立专家咨询模块。第二章 船舶技术经济论证2.1航线情况2.1.1航线的选取由于江海直达船舶的吃水受航道水深的限制，船长受航道宽度和弯曲曲率的限制，船舶的吨位不可能很大。因而长距离的直达运输是不经济的，在运输结构上也是不合理的。就适用范围而言，江海直达船舶适于以江海交汇点（上海吴淞口）为圆心，1000海里为半径的沿海、近洋等较短海上距离的航线。同时，上海洋山深水港的建成使用，并逐渐成为国际集装箱运输网络的一个重要枢纽港，长江与国内一些沿海港口的集装箱需要集中到该港口疏散到世界各地，为我们提供了开辟国内江海直达航线的机会，而根据货源流向的情况，选择武汉上海大连作为江海直达集装箱运输的典型航线。2.1.2航线概况湖北武汉辽宁大连，航线航距总长为1155海里，分为湖北武汉上海吴淞口内河航段和上海吴淞口辽宁大连海上航段，其中内河航段航距为595海里，海上航段为558海里。(1)、内河航段本航段的航区分为两段，武汉南京为B级航区，南京上海吴淞口为A级航区。通过对长江中下游浅水道进行重点整治，汉口至上海段常年维护航道尺度为5m*100m*l000m(水深*航道最小宽度*航道最小曲率半径)，在该航段航行的船舶船长不宜超过110米。其中汉口至安庆段水深5m，安庆至南京段水深4.5m，南京至浏河口段水深7.1m，洪水期流速1.7ms，枯水期流速0.81.2ms，全年可通航5000吨级船舶直达武汉。在三峡工程建成后，由于蓄水，川江航道水深将增加40%，航道宽度增加2倍，江水流速减少30%以上，因此万吨级船队几乎可通畅地由中下游地区直抵重庆。而且汉口到上海段长江航道水深也将增加20%左右，航道将增加很多。长江中下游武汉至吴淞口内河航段桥梁有许多，如武汉长江二桥、九江长江大桥、南京长江大桥、江阴大桥等，桥梁的净空高度的限制船舶上层建筑的高度，但这些桥梁的净空高度均能保证5000吨级船舶正常通过，故在本文中未涉及到。(2)、海上航段我国沿海常刮四、五级风，渤海北部的辽东湾最多风浪向为南，波浪周期8秒以下者居多。这和直达货船的尺度和横摇周期十分接近，吃水浅或者因无回程货而空载的船舶，主机容易飞车而使船舶失速，而满载船舶容易发生货物位移而回复。2.2港口情况2.2.1武汉港武汉港位于长江中下游交界的武汉市，汉江在此汇入长江，从武汉关溯长江西上至重庆1278公里，顺流至上海1102公里，溯汉江而上532公里抵襄樊，再上去经丹江口库区通往陕西。铁路有京广线、武黄(石)线、汉丹(江口)线，并通过或有支线连通汉阳、江岸、青山、舵落口、徐家棚、鲇鱼套港区。公路以武汉为中心向四方辐射，连通本省各市、县及邻省。该港最大风速279米秒，常风向北北东，频率l4；年平均降雨量12045毫米，平均降雨日125天，年平均降雪日8天，最大积雪厚度32厘米；雾主要发生在春、冬两季，年均雾日33天，平均延时11小时；年平均气温155，最高气温413，最低气温为-173。该港长江港区（武汉关)：最高水位2973米，最低水位1008米，平均水位1901米，最大流速306米秒；汉江港区(慈惠墩)：历年最高水位3019米，最低水位154米，平均水位2041米，最大流速555米秒。该港各作业区分布在长江及汉江两岸(各作业区具体情况见表2.1)，共计13个。港区自然岸线长度89公里，陆域面积 1961万平方米，水域面积4337万平方米，码头泊位250个，总延长14万米，最大靠泊能力5000吨级：仓库面积883万平方米，堆场面积756万平方米，候船室面积1667平方米；铁路专用线总延长325公里；港作船83艘；装卸机械1398台，其小起重机226台，最大起重能力50吨。典型码头为钢质趸船浮码头，墩柱直立式及简易斜坡式。自然条件对港区的装卸作业及船舶航行有一定的影响，汉江平均每年因洪水(流速3米秒以上)封航约19天。表2.1 武汉港各作业区情况作业区泊位名称长度(m)深度(m)允许船舶吃水(m)岸吊汉口作业区24号泊位105.006.005.504*15T25号泊位98.006.005.504*10T江岸作业区35号浮筒101.005.004.504*10T汉阳作业区岸壁式9-12号泊位800.008.007.004*30T阳逻作业区1号浮筒10.0010.009.003*5T2.2.2上海港上海港位于中国大陆海岸线中部，长江与东海交汇处，北纬31度14分，东经121度39分。水路方面，上海港控江襟海，地处长三角水网地带，水路交通十分发达。沿海北距大连558海里，南距香港823海里，长江西溯重庆2399公里。公路方面，有沪宁、沪杭、沪青平、沪乍、嘉浏等高速公路与江苏和浙江对接，并联通全国高速公路网，有204、312、318、320等四条国道分别通往烟台、乌鲁木齐、拉萨和昆明。铁路方面，港区内有铁路与沪杭沪宁铁路干线相连，其中沪宁线与津浦线联结，成为中国东部纵贯南北的运输大动脉；沪杭线与浙赣、萧甬线相衔，可通达中南、西南及浙东地区。上海港年平均气温约16度；年降水量约1148.8毫米；全年以东南风为主，强风向为东北风；市区全年平均雾日43.3天，长江口24.2天，大多数情况下，雾的持续时间为2至3小时，对港内航运、装卸影响不大；百年来航道没有发生冰冻现象。上海港是我国大陆第一大港，上海进出物资总量的60%和上海口岸外贸进出口物资的99%都通过上海港。此外，上海港还承担了总吞吐量中30%以上的国内中转货物。迄今，上海港已与世界上200多个国家和地区的500多个港口和600多家航运公司建立了航运和贸易联系。从上海港始发的14条国际集装箱定期班轮航线，每月有500多个航班，驶向北美、南美、欧洲、大洋洲、波斯湾、地中海、非洲、东南亚、东北亚以及香港等地区。上海港已成为长江三角洲地区集装箱集散地，集装箱吞吐量为该地区港口总量的78%，上海邻近地区的许多集装箱是通过上海港发往世界各地。根据预测，上海港的货物吞吐量2010年将达到2.8亿吨，2020年3.2亿吨，其中集装箱吞吐量将分别达到700万和1200万个标准箱。上海港集装箱码头泊位及作业要求情况分别见表2.2、2.3。表2.2 上海港集装箱码头泊位情况公司码头/公司性质码头概况泊位概况可停靠船舶吨位上海港集装箱股份有限公司是上海最大的港口集装箱现代企业包括张华浜、军工路、宝山三大国际集装箱专用码头专用泊位10个洋山港规划船型以第五、六代集装箱船为主，并可考虑接纳8000TEU超大型船舶浦东集装箱有限公司是一个设施完备、功能齐全的现代化集装箱码头码头全长为900米拥有集装箱泊位3个可停靠第五、第六代集装箱船舶上海港国际集装箱货运有限公司业务范围涵盖了国际集装箱货运代理、内支线船舶代理、揽货、订舱、报关、报验、保险、保税、仓储、中转、集装箱拼装拆箱、结算运杂费、多式联运、集装箱运输、重大件设备接运、码头件杂货装卸、修箱、洗箱等业务的各个环节共青码头有9个千吨级泊位，岸线长度900米，码头前沿水深-4米表2.3 上海港集装箱码头作业要求情况公司陆域面积仓库堆场各类机械其他上海港集装箱股份有限公司仓库建筑面积88508平方米独具直接处理40英尺集装箱的能力堆场面积超过31万平方米拥有集装箱装卸桥20台，场地轮胎吊54台,装备各类集装箱专用机械117台/套可提供24小时全天候服务2003年集装箱吞吐量达350万标准箱浦东集装箱有限公司陆域面积50万平方米堆场平面集装箱箱位8200个，可同时堆放30000个标箱，设有专用冷藏箱区、危险品箱区以及集装箱拆装箱仓库共有各类机械设备147台，其中包括集装箱桥吊10台、集装箱轮胎吊36台、集卡73台、集铲（叉）车11台等至2004年6月2日累计完成箱量突破1000万标箱上海港国际集装箱货运有限公司共青码头占地66，000平方米一座一万平方米的仓库装箱堆场面积三万五千平方米配有6台大型门机，还有各类装备齐全的装卸机械,有配备GPS卫星定位系统的集装箱卡车49辆，集团内可调用集卡200辆，散货卡车65辆24小时为客户提供便捷、优质的服务2.2.3大连港大连港地理坐标为1213917E, 38544 N。位居西北太平洋的中枢，是正在兴起的东北亚经济圈的中心，是该区域进入太平洋，面向世界的海上门户。港口港阔水深，不淤不冻，自然条件非常优越，自由水域346平方公里，陆地面积10余平方公里；现有港内铁路专用线150余公里、仓库30余万平方米、货物堆场180万平方米、各类装卸机械千余台；拥有集装箱、原油、成品油、粮食，煤炭、散矿、化工产品，客货滚装等80来个现代化专业泊位，其中万吨级以上泊位40多个。大连港交通十分方便，哈大铁路正线与东北地区发达的铁路网连接。公路有全国最长的沈大高速公路与东北地区的国家公路网相连接。管道运输有输送大庆原油的专用管线，直通大连港鲇鱼湾码头。海上运输已开辟到香港、日本、东南亚、欧洲等地的国际集装箱航线8条，国内客运航线8条，以及不定期的旅游船航线。陆海空多种运输方式组成的主体运输网为大连港的发展提供了优越的集疏运条件。大连港每年冬季常风向为北、偏北风，夏季多南、东南风；航年降水量659毫米，7、8、9三个月最多，约占全年降水量的2/3；雾季为38月份，能见度小于1公里的雾日数，大连湾和大窑湾分别为31.6天和55天；年平均气温10.4，最高为35.3，最低为20.1；结冰厚度，大连湾和大窑湾岸边分别为520厘米和2530厘米，不影响船舶航行及靠泊。大连港航道水深10米，宽270米；寺儿沟栈桥和二栈桥航道水深均为9.5米，宽120米；甘井子航道水深9.0米，宽180米；香炉礁航道水深8.0米，宽100米；新港原油码头航道为天然航道水深17.5米，宽300米；大窑湾航道为天然航道，水深10.7米，宽210米；大连湾码头航道为天然航道，水深为-9.5米，宽100米。水域内有5个锚地，其中货轮检疫锚地3个，油轮检疫锚地2个。另有锚泊点7个，最大系泊能力为10万吨级船舶。水域面积8000多平方米。锚泊能力157艘。大连港集团有限公司(下称“大连港集团”)为做大集装箱码头业务，投资兴建大窑湾集装箱码头，一期工程完工投入运营后，大连港集团集装箱吞吐能力从220万标箱/年增加到290万标箱/年。大窑湾二、三期工程建成投产后，其集装箱吞吐能力可达800万标箱/年，大窑湾地区将形成一个超大型的现代化集装箱码头群。到2010年，大连港集团的集装箱年吞吐量将突破1000万箱。2.3船型、主尺度及船型系数江海直达船舶的航线跨越内河、沿海、近海航区，与吨位相同的内河船和海船在船型、主尺度及船型系数等方面存在较大的差异。江船由于受江河航道水深的限制，其吃水一般较小，在同样的载重量下，一般海船的船长与船宽之比较江船大，而船宽与吃水之比较江船小。从技术经济性能分析可知，江海直达船的经济效益，一般不如单纯航行于内河的江船或者单纯航行于海区的海船。但对于一定载重量、一定运距、跨越内河和海区运段的情况下，由于江海直达船舶免去了货物的中转环节，减少了中转费用，缩短了运输周期，因而往往其综合经济效益比江海独立运输好。为了提高经济效益，在选取江海直达船时应根据该船舶的内河运距与海上运距的比例，决定该船型应偏向江船船型还是偏向海船船型。2.3.1江海直达集装箱船的主尺度、船型系数2.3.1.1吃水江海直达船由于吃水受到内河航道、港口、码头泊位水深的限制，船在内河较浅的航道航行时将会产生浅水效应，使船体下沉、尾倾、阻力增加、推进效率下降，从而影响船舶的营运经济效益，因此船舶吃水的选取甚为重要。第十二届ITTC推荐的实船不受浅水影响的最小水深公式如下（取两者之大值）： (2.1) (2.2)式中：hmin航道最小水深，米； B船宽，米； T吃水，米； Vs航速，米/秒。按上述标准，在内河大多数航道是很难满足的。长江中下游干流航道整治后常年通航的水深为5米，而整治的目的是能通航30005000吨级江海直达船舶，故船舶吃水可按下式选取： (2.3)式中：H航道水深，米； h航道富裕水深，米。H主要考虑由于浅水效应产生的船体下沉量和避免触底的安全富裕量。为了获得较好的经济效益，必需尽量提高载重量，这就要求有较大的吃水，但由于受内河航道水深的限制，往往很难选取得最佳吃水，而过小的吃水将使螺旋桨直径过小，导致推进效率下降。此外，航行于海上时，船舶的纵摇、升沉、横摇（对双桨船）运动，还将导致螺旋桨出水概率增大，引起飞车与失速。因此，在选取吃水时，应在保证船舶不触底的情况下尽可能选取大些，航道的富裕水深可取0.5米左右。江海直达船在内河航段航行时，必须对浅水效应加以重视，在进行技术经济论证时应考虑浅水航行的失速。2.3.1.2船长江海直达船跨江海航道航行，因此既要保持在内河航道航行时具有较好的回转性，又要保持在海上航行时具有较好的航向稳定性，这两种要求是互为矛盾的，即回转性好则航向稳定性就相对较差，反之，航向稳定性好，则回转性较差，因此必需协调好这两者的矛盾，而船长对船舶的回转性和航向稳定性的好坏起决定性的作用。船长还受到内河航道最小回转半径的限制，一般要求船长应满足下式要求： (2.4)式中：L船长，米； R航道的曲率半径，米； B船宽，米； Br航道宽度，米。此外，船长还受到港口、码头泊位尺度的限制。在具体确定江海直达敞口集装箱船的船长时，除满足上述航道、港口、码头泊位及操纵性要求外，主要应根据集装箱的装载情况来确定。文献17对近百条小型集装箱船的主尺度进行统计得出，小型集装箱船的垂线间长与集装箱的装载行数的关系见表2.4。可以用下式表示： (2.5)式中：L垂线间长，米； x0舱内集装箱行数。表2.4 集装箱船的垂线间长Lbp与装载行数x的关系x6789101112Lbp606868767685859595105105115115125Lbp/x10119.710.89.510.69.410.69.510.59.510.59.610.62.3.1.3船宽江海直达船由于船长、吃水受到内河航道的限制，为了保证船舶具有一定的载重量以提高船舶的营运经济效益，往往以增加船宽来补偿由于船长，尤其是吃水受到限制而损失的载重量，因此，江海直达船的船宽比海船的要大，而船宽大、吃水小对海段的适航性是不利的，宽而扁的船体对保证结构强度与刚度亦不利。船宽增大会使船舶横摇周期变短，过短的横摇周期会导致船员工作条件的恶化，因此，应保证船舶在海上风浪中航行时其横摇周期不小于6秒。具体确定江海直达敞口集装箱船的船宽时，在满足各种性能要求的条件下，主要从集装箱布置的情况来确定。文献17对近百条小型集装箱船的主尺度进行统计得出，小型集装箱船的货舱口宽度与集装箱装载的列数成下列关系： (2.6)式中：b货舱口宽度，米； y货舱内集装箱列数。为了保证船体强度，货舱口的宽度应在船宽的75%80%以内。为提高集装箱船的载箱率，拟定长江水系江海直达敞口集装箱船的列数布置采用下面的形式：货舱口宽度取0.8B，以保证船舶强度的要求，在这种情况下，船宽由下式确定： (2.7)2.3.1.4型深对于敞口集装箱船，型深的确定主要从干舷要求的角度考虑。对于近海航区航行的船舶，要保证干舷不小于3.5%L，故型深可根据下式确定： (2.8)式中：T船舶吃水，m； L船长，m。2.3.1.5主尺度比江海直达船由于内河航道水深的限制，往往吃水较浅，同时考虑在内河航行时船舶的操纵性及内河航道回转半径的限制，船长也较短，而为了保证一定的载重量，故取船宽较大。因此，为了使船舶具有良好的营运经济效益，必需协调好船舶的主尺度之间的关系。根据文献1617的统计表明，小型集装箱船的主尺度比如下： 2.3.1.6方形系数江海直达船由于受吃水的限制，为达到一定的经济装载量，方形系数通常较大。统计结果表明江海直达船的方形系数一般在0.710.81之间，对于江海直达集装箱船，方形系数可根据文献16的回归，可用下式计算： (2.9)2.3.2江海直达集装箱船的船型特征为了增加船舶的载重能力，提高船舶的营运经济性，同时考虑到内河航道及航道水深的限制，江海直达集装箱船宜采用浅吃水、偏肥大船型。其船型特征如下：2.3.2.1首部型线特征30江海直达船属于中低速船，兴波阻力占总阻力的比例很小，粘性阻力所占比例很大。采用球首在满载情况下显示不出减阻作用，但在压载情况下减阻作用却很明显，其原因是采用球首后使首部型线得以改善，即首部的进流段增加，进流角减小，缓和了凸肩现象，改善了前肩的涡流，破波阻力明显减小。由于江海直达船受吃水限制，故采用球首可增加载重量，并有利于船舶浮态的调整。此外，采用球首对纵摇有所改善，故江海直达船型宜采用球首。2.3.2.2尾部型线特征4浅吃水肥大船型因为受吃水限制，尾部宜采用线型肥大的双尾线型，其快速性好、营运经济效益显著，且耐波性及操纵性也较好。从快速性能来看，由于浅吃水肥大船型的B/T及CB较大，采用双尾型线使尾部去流段增长，去流角减小，流线接近于纵流，使螺旋桨供水充足，船身效率高。由于采用双桨，每个桨只承担一半负荷，使最佳桨直径不太大，在吃水受限制的条件下可以充分采用最佳的螺旋桨直径而提高推进效率。采用直径较小的螺旋桨，船舶在海上航行时螺旋桨出水概率减少，在风浪中的失速也较小。虽然采用双尾线型使船体的湿表面积增加，导致粘性阻力增大，但综合来看，采用双尾尾型，其推进效率的增加超过粘性阻力的增加，而且双尾船型的纵摇及横摇较常规单桨船及双桨船型缓和。2.3.2.3总布置为了提高货舱的利用率，提高船舶的装载能力，上层建筑应设置在尾部，采用尾机型。在选择机型和设计结构时，要避免振动现象，注意改善船员的海上工作和生活条件。上层建筑的高度要适应过桥梁的要求，同时为改善船舶的大倾角稳性，一般设置首楼和尾楼。又由于船舶吃水较浅，不宜采用单桨而应采用双桨。同时，为了适应枯水期航行的方便，江海直达集装箱船的压载量较大，一般可达到载重量的1020%，船舷和双层底部位均设为压载水舱，供调整纵倾及调节船舶重心之用。2.4船型论证初方案的选取对于集装箱船舶而言，影响其载箱数的船型参数主要是船长、船宽、吃水，而船舶航速对船年运量也有很大的影响，因此，在船型初方案选取时，以船长、船宽、吃水及航速作为变量，根据航道、港口、泊位及运输条件等作为外部约束条件，分析决定船型论证的初方案。在初方案的选取中，变量的变化范围内所得的船型方案组合，做到不遗漏可能出现的最佳方案，但也不能将变量的变化范围取得过大，以免导致论证过程的计算量过大，增加论证的计算时间。下面，分析主要参数的变化范围及变化方式。2.4.1船长船长的取值范围的上限，受到航道的曲率半径、航道宽度、港口、泊位尺度、泊位收费的计算方法等因素的限制和影响，综合分析港口的泊位和航道情况得出，长江中下游集装箱船的船长应不大于110米，但船长也不能太小，否则将会降低船舶的装箱量，同时不利于船舶在海上段的航行，故选择船长应不小于80米。集装箱船属布置型船舶，船长的选取与集装箱的行数有关，并随舱内集装箱装载行数成倍数变化，集装箱船舶的垂线间长与集装箱行数的关系见表2.4。在选取船型初方案时，船长变量选取三个数值，即取对应舱内排列8行、9行、10行集装箱的船长，结合布置情况，选取对应的船长分别为83.6m、91.4m、99.5m。集装箱沿船长的布置如图2.1所示。2.4.2船宽江海直达集装箱船，由于受吃水的限制，为了增加船的载箱量，船宽相应取的大些，但船宽大将引起船舶强度的问题，同时船宽大也会导致船舶海上航行的耐波性变坏。敞口集装箱船的船宽与集装箱排列列数有密切的关系。具体确定船宽时，在满足各项性能要求的条件下，主要从集装箱布置的情况来确定，可按式(2.7)确定。选取船宽初方案时，船宽变量可选取两个数值，即对应于布置5列、6列的船宽。由式(2.7)可得所对应的船宽，分别为16m、19m。集装箱沿船宽布置如图2.2所示。将以上船长、船宽变量进行组合，共有23=6个船型方案。各长宽组合方案的长宽比计算见表2.5。表2.5 各长宽组合方案的长宽比值编号长宽组合方案长宽比L/B183.616.005.23283.619.004.4391.416.005.71491.419.004.81599.516.006.22699.519.005.24江海直达集装箱船的范围为5.26.4，由表2.5所列数据分析可知，83.6m19.00m和91.4m19.00m的组合方案的的比值小于范围的下限值，原因是船长过短，组合会导致船舶海上航行性能较差，故应将83.6m19.00m和91.4m19.00m组合方案剔除。最终，剩下4个符合长宽比范围的组合方案，分别是：83.6m16.00m、91.4m16.00m、99.5m16.00m、99.5m19.00m，各组合方案的的比值分别是：5.23、5.71、6.22、5.24。16基于NAPA的便捷型集装箱船总体设计系统研究船舶技术经济论证图2.1 集装箱沿船长方向不同布置方式的示意图 图2.2 集装箱沿船宽方向不同布置方式的示意图基于NAPA的便捷型集装箱船总体设计系统研究2.4.3吃水江海直达船舶吃水的选取极为重要，在主尺度论证时，考虑两种运输方式：一种是全年航行时间内固定吃水运输方式，此时船舶吃水应取内河航道枯水期船舶允许的最大吃水，即4.5m，这种情况下，船舶的营运经济效益可能不是最佳的；另一种是内河减载航行方式，即通过降低集装箱的平均箱重以达到减小吃水的目的，使船舶可以在内河航行，进入海上航段时通过加压载水增大吃水，保证船舶的海上航行性能。采用这种运输方式，船舶的营运经济效益可能较好。对于各种船长、船宽的组合方案的满载最大吃水的上限值，可按布置的最大载箱数来确定。根据统计资料，小型集装箱船集装箱数可由下列下式计算： (2.10)式中：载箱数； x集装箱的行数； y集装箱的列数； z集装箱的层数； k系数，粗估时取0.96。对于各种组合方案的船舶最大吃水计算，根据文献3，可知船舶吃水与载箱量的关系式如下： (2.11)按式(2.14)计算得到的船舶最大吃水见表2.6。表2.6 各种船长、船宽组合情况下最大吃水及最大载箱量编号LB总箱数最大吃水Tmax183.616.001924.69291.416.002164.90399.516.002405.10499.519.002885.46对各种船长、船宽组合方案采用一吃水范围，通过论证确定最佳船舶主尺度方案。吃水变化范围取为4.505.50m，当吃水4.50m时，为不减载的江海直达运输方式。将吃水的变化间隔取为0.10m，即取4.50m、4.60m、4.70m、4.80m、4.90m、5.00m、5.10m、5.20m、5.30m、5.40m、5.50m共10个值。在论证过程中，对于不同的船长、船宽组合方案，当所选取的吃水值超出表2.6中组合方案所允许的最大吃水值时，则应将该组合方案剔除。 综合分析表2.6，并剔除比值不满足3.03.8范围的主尺度组合方案，可行的船舶主尺度组合方案共有21个，见表2.7。表2.7 船长、船宽、吃水组合方案编号船长L船宽B设计吃水T宽度吃水比B/T载箱数Nt183.616.004.503.56172283.616.004.603.47182383.616.004.703.40193491.416.004.503.56172591.416.004.603.47182691.416.004.703.40193791.416.004.803.33204891.416.004.903.26215999.516.004.503.561721099.516.004.603.471821199.516.004.703.401931299.516.004.803.332041399.516.004.903.262151499.516.005.003.22271599.516.005.103.132391699.519.005.003.82271799.519.005.103.722391899.519.005.203.652521999.519.005.303.582662099.519.005.403.512802199.519.005.503.452942.4.4航速根据国内外集装箱船航速的统计资料分析，结合长江航道状况，船舶的航速不宜过高，但又考虑到船舶海上航行时间不宜过长，航速也不宜过低。故取航速方案的上限为16kn，下限为12kn，航速方案间隔为1kn。这样，由船长、船宽、吃水和航速四个变量组合的船型方案共有215=105个。各种船型组合方案的参数变化范围如下：L/B=5.236.22B/T=3.133.8Fn=0.150.27从上述数值可看出船型组合方案的参数变化范围是合理的。2.5船舶技术论证数学模型2.5.1船舶重量的估算(1) 船体钢料重量Ws： (2.12)式中：(2) 木作舾装重量WE：式中：(3)机电设备重量WM： (2.13)式中：螺旋桨数，取2； 主机额定功率，KW； 主机转速，r/min。(4)货物的重量根据实际的集装箱装载量及平均箱重计算。估算时，正常吃水航行时取平均箱重20t/TEU，枯水期航行时取平均箱重15t/TEU，其中包含箱自重2.2t。(5)燃油、人员、淡水、备品等分别根据估算公式求得。2.5.2性能校核1,2,3,9,10(1)排水量平衡校核根据有关资料以及编程实践，建议第一次计算的排水量与新排水量的相对误差为(0.0020.005)，即： (2.14)式中：由空船重量与载重量计算所得的排水量，新排水量，t； 由船型要素计算的排水量，第一次计算的排水量，t。(2)初稳性校核根据非国际航行海船法定检验技术规则中的稳性规范的要求，初稳性高度应不小于0.30m。初稳性高度可用下式计算： (2.15)式中：，其中 ，其中(3)横摇周期、横摇角校核根据非国际航行海船法定检验技术规则中的稳性规范的要求，为保证船员的生活工作需要，船舶的横摇周期不得小于6s。横摇周期可用下式计算： (2.16)式中：f修正系数，横摇角可用下式计算： (2.17)式中：系数，； 系数，一般取0.8； 系数，取0.8。(4)主机功率估算根据船舶设计实用手册，采用爱尔法计算船舶阻力和有效功率，作者用VB语言编写了计算程序，作为技术经济论证计算程序的一个模块。在计算中，根据最小二乘法原理，用五次多项式对阻力系数图谱曲线进行拟合，对方形系数及B/T进行修正。考虑本文所论证的集装箱船采用双桨且上层建筑较为庞大，附体阻力取20%。主机发出功率带动螺旋桨旋转，螺旋桨发出的推力克服船舶在某航速时所受到的阻力。因而在得知有效功率的情况下，利用推进效率P.C，换算得到主机功率。功率估算的计算机程序流程图如图2.3。具体估算公式如下： (2.18)式中：齿轮箱传动效率，取0.96； 轴系传动效率，取0.96； 相对旋转效率，取1.0；船身效率，其中：，； 螺旋桨敞水效率，其中：，；螺旋桨收到功率；数据调入阻力计算有效马力计算给定敞水效率范围估算主机功率计算新的敞水效率0.001计算主机功率进入下一步计算是否螺旋桨进速；图2.3 主机功率估算程序流程图2.6船舶经济论证数学模型2.6.1船价船价是船舶技术经济论证中的一个很重要的指标，对船舶技术经济论证的结果有很大的影响。船价估算的数学模型，必须能反应船舶主尺度、航速及人工费用的变化对船价的影响。船价由下列几部分组成：船价=造船成本+利润+税金+利息+保险金+其他2.6.1.1造船成本3造船成本分为船体、木作舾装、机电设备及其它间接费用四项进行估算，即 (2.19)式中：造船总成本；船体建造成本；木作舾装建造成本；机电设备成本；其它费用。(1)船体建造成本 (2.20)式中：船体钢料费；船体建造工时费；船体建造辅料费。船体钢料费可用下式计算： 式中：船体钢料(包括上层建筑)重量；钢料单价，随市场发生变化；船厂钢材利用率，取96%。船体建造工时费按下式计算： 式中：船体工时单价，取45元/时；船舶入级影响因素，取1.05。船体建造配套的焊料、乙炔、氧气等辅料费取为船体钢料费的6%，即。(2)木作舾装成本 (2.21)式中：木作舾装重量；每吨木作舾装材料平均价格，取16000元/吨；舾装工时单价，取45元/时；木作舾装工时，；式中：单位舾装工时数，取200时/吨；修正系数，取1.05。(3)机电设备成本 (2.22)式中：机电设备重量；单位机电设备价格，取36000元/吨，或按所选定的主机实际价格计算；机电设备工时单价，取45元/吨；机电设备工时数，按总工时数的25%33%选取。(4)其它费用其它费用包括船舶设计、钢材预处理、船台、下水、检验费用等，约占造船成本的10%15%。2.6.1.2利润按我国近期船厂的综合利润水平，取4%6%船价。2.6.1.3税金按我国目前对船舶建造业的有关规定选取，取6%船价。2.6.1.4利息利息的计算必须考虑造船的付款方式，不同的付款方式的利息不同，船东可根据建造时期的情况而定。本文按首期付20%，余额交船后5年等额偿还。2.6.1.5保险金保险金按船价规定的百分比计算，取0.5%船价。2.6.1.6其它包括咨询费、招待费、信贷风险等费用，取0.15%船价。2.6.2年营运成本年营运成本包括船舶费用、港口费用及企业管理费用三个部分。2.6.2.1船舶费用船舶营运费用包括如下部分：船员费船员按24人，船员平均工资按80000元/人*年。燃油费燃油费用包括重柴油和轻柴油费用之和。重、轻柴油比例取为80%：20%；油价根据市场的变动计算，辅机与锅炉的燃油费用取主机燃油费用的10%。润滑油费取燃油费的15%。维修费取船价的10%。保险费按船舶使用年份取其对应船价的1%。其他费用取营运成本的2%。2.6.2.2港口费港口费包括引航费、船舶港务费、停泊费、代理费等。可取总收入的12%14%。2.6.2.3企业管理费及税金企业管理费取营运成本的2%。税金包括车船使用税、关税、营业税等，取营运收入的5%。2.6.3年营运收入由于本文采用变吃水的营运方式，每航次集装箱的运输量均不相同，每航次的营运收入也不相同，因此年营运收入根据一年内每航次船舶的营运收入累加而得。参考武汉港上海港的运价及上海港大连港的运价，分析得出武汉港大连港的运价如下：(1) 正常吃水航行，运载20t/TEU的重箱时，运价为：武汉上海 1200元/TEU（60元/t）上海大连 1800元/TEU（90元/t）武汉大连 2500元/TEU（125元/t）(2) 枯水期航行，运载15t/TEU的轻箱时，运价为：武汉上海 960元/TEU（64元/t）上海大连 1440元/TEU（96元/t）武汉大连 2000元/TEU（133元/t）2.6.4营运时间2.6.4.1年营运天数据收集的资料，我国航运部门船舶的营运天数在309天以上，营运率为84.8%95.25%。本文选用营运率为85%，年营运天数为310天。2.6.4.2往返航次时间往返航次时间为航行时间与停泊时间之和，即 (2.23)式中：往返航次航行时间，天；可用下式计算：式中：、海上、长江单航程航距，nmile；服务航速，kn；长江水流速度，km/h。往返航次停泊时间，取6天。2.6.5 全年运量船舶的全年年运量等于枯水期船舶运量加上洪水期船舶运量，而根据长江航道局提供的武汉吴淞口段的水文资料，长江枯水期每年一般在11月3月份之间，维护航道水深为5m左右；洪水期每年一般在4月10月份之间，水深最深时可达10m左右。考虑船舶的浅水效应，航道水深留有0.5m的富裕水深后，船舶枯水季节的减载期可用下式计算：船舶全年运量为： （t） (2.24)式中：、洪水期、枯水期船舶年航次；、洪水期、枯水期船舶运载集装箱的平均箱重。2.6.6经济评价指标的选择选取合适的评价指标，直接关系到方案评价的正确与否，是船型可行性研究的重要一环。鉴于本文的船型论证研究属初期船型论证范围，故根据交通部颁布的水运建设投资效益计算试行办法及内河运输船舶评价方案与标准试行草案规定的经济评价指标的范围，确定净现值NPV、内部收益率IRR、必要运费率RFR为论证的经济评价指标。考虑到在整个投资期内与船舶收益有关的各种因素，如燃油价格、货运收入等是变化的，会影响每年的收益。本文在经济论证时，假设一次投资，各年营运收入与支出相等，各项经济指标的计算方法如下：2.6.6.1净现值NPV净现值是在船舶的建造和营运期内，把各年的收入和支出按投资收益率折现后相减的差值。 (2.25)式中：船舶投资，万元，可取船价；年营运收入，万元；年营运费用，万元；船舶残值，万元，取10%船价。2.6.6.2内部收益率IRR在船舶使用期内使净现值等于零的投资收益率。求以下方程即可得到内部收益率。 (2.26)2.6.6.3必要运费率RFR为达到预定的必要运费率单位运量所需要的收入。 (2.27)式中：年货运量，TEU；平均年费用，万元。可用下式计算：2.7船舶技术经济论证模块计算流程该模块采用VB语言编制，计算程序框图如下页图3.4。程序主要由数据输入、船型初方案生成、主机功率估算、船舶性能校核、营运计算、经济指标计算六部分组成。各功能菜单如下页图3.5。(1)、输入的数据可分为下列几类：a.航线数据：航线、长江运距、海上运距、总运距、长江水流速度等等；b.船舶数据：洪水期平均箱重、枯水期平均箱重；c.经济数据：市场燃油价格、市场钢料价格、集装箱运价、船员工资、船员人数、船舶使用年限等。(2)、从布置角度考虑集装箱的排列方式，初估船长、船宽和型深等船舶主尺度；并根据航道情况，考虑吃水和航速的变化范围；根据载箱数和航速，应用回归公式估算方形系数。(3)、利用求得的主尺度，应用适当的公式估算船舶的排水量和空船重量、载重量，校核船舶是否平衡。(4)、校核干舷和初稳性、横摇周期。(5)、船舶经济性能指标计算。(6)、输出结果。图2.5 船舶技术经济论证模块功能菜单图开始输入原始数据选择航线自动生成船型方案船型参数计算平衡校核初稳性校核主机功率估算经济指标计算结果输出结束不满足增加船宽B不满足增加方形系数Cb船舶性能计算图2.4 船舶技术经济论证模块计算程序流程图2.8计算结果江海直达集装箱船型通常有不变吃水和变吃水两种船型。不变吃水集装箱船型是一种不受长江枯水期限制，可常年满载航行于长江中下游的江海直达集装箱船。本文吃水为4.5m的船型方案即为不变吃水船型，由于船舶的最大吃水小于长江枯水期航道的最小水深，因此在枯水期船舶不需要挂靠中转港，省去了中转这个环节，节省了费用，但由于船舶的载重量太小，经济效益不好，其次船舶在出海航行，遇到风浪时，耐波性欠佳。变吃水集装箱船型是一种比较优秀的适合于江海直达航运的船型，受到国内外航运部门的一致称赞。本文中吃水大于4.5m的船型方案即为变吃水船型，即保持载箱数和单箱重量不变的情况下，枯水期由江入海时，通过在中转港上海港加压载水，增大船舶吃水，保证船舶在海上航行的各种性能；而由海入江时，通过在中转港上海港减少压载水，减小船舶吃水，保证船舶在内河能正常航行。根据上述数学模型，通过船舶技术经济论证校核，选出技术上可行、经济上合理的船型方案的船型参数及经济指标如表2.8所示。表2.8 各船型方案船型参数及经济指标表项目单位方案1方案2方案3方案4方案5垂线间长m91.499.599.599.599.5型宽m16.0016.0016.001