200TEU内河长江集装箱船设计

200TEU 长江集装箱船设计设计任务书本船为钢质、单甲板、双机、双桨、柴油机驱动的集装箱船；主要航行于川江及三峡库区和长江中下游航线。载箱量为重箱可载200TEU，按”ccs”有关规范入级、设计和建造。满载试航速度不低于20 km/h, 续航力不小于3000 km。第一部分 设计思路及相关资料准备主要内容：1.集装箱船设计思路 2.航区、航线概况介绍3.集装箱尺度与箱重 4.船用主机资料 5.标准船型主尺度系列 6.母型船参数1.集装箱船设计思路 总体根据现有的集装箱船标准船型主尺度系列来决定主尺度。集装箱船的尺度很大程度取决于集装箱的布置形式。在制定本船尺度系列时，除遵循与航道等级相匹配、最少档次、船型协调性、船型优选及实用性、与现行标准相协调等原则外，还要充分考虑集装箱的布置要求。为此，首先根据集装箱排列方式确定相应的尺度，然后根据浮力重力平衡条件、满足各性能要求以及航道的限制等其他法规、规范的相关规定来确定集装箱船标准船型主尺度。具体计算中，首先根据排箱方式确定满足布置要求的最小平面尺度要求，然后对应不同的设计吃水和结构吃水，允许其平面尺度在一定范围内变化，计算各尺度组合下船舶的技术经济性能，通过对选定的指标进行评价，确定出该排箱方式下较佳的船型尺度系列。采用同样的方法计算其它排箱方式下较佳的尺度系列，然后对载箱量大致相同的不同载箱方式进行比选，最后确定相应箱位数较佳的标准船型尺度系列。2.航区、航线概况介绍 2.1川江与三峡库区介绍“川江及三峡库区”航道指长江干线重庆重钢新码头至宜昌葛洲坝段航道，全长805.4公里。三峡水库蓄水前，川江属于山区河流，流路曲折、江面狭窄、多浅滩暗礁，船舶航行艰难，航道维护尺度为2.960750米（水深航宽弯曲半径）。三峡库区蓄水至 139米后，航道维护尺度为3.51001000米，保证率达到98% ，航道条件得到彻底改善。川江及三峡库区主要通航建筑物是三峡五级船闸和葛洲坝船闸。三峡船闸闸室有效尺度为280345米（长宽门槛水深），可通过万吨级船队，设计年单向通过能力5000 万吨。2.2 长江中下游航线介绍全长1644公里的长江中下游航道，河道弯曲，浅滩众多，河道演变剧烈，航道极不稳定，是“黄金水道”的瓶颈河段，集中了长江沿线大部分浅险水道。 至2010年，长江干流的通过能力将达到如下标准： 南京港以下常年可通航25万吨级海轮和由20005000吨级驳船组成的2万4万吨级船队； 南京至安庆水深达到6米，可通航50001万吨级海轮或由2000吨级驳船组成的2万4万吨级船队； 安庆至武汉水深达到45米，可较大幅度地延长5000吨级海船的通航期； 武汉至城陵矶水深达到37米，可通航由3500吨级油驳组成的万吨级油运船队，利用自然水深可通航3000吨级海轮； 3.集装箱尺度与箱重 本船所装集装箱为1CC标准箱具体尺寸：20ft8.0ft8.5ft（长宽高，6058mm2438mm2591mm）。 集装箱数量为200TEU。根据相关资料，取货箱平均重为12吨/TEU。4. 船用主机资料 美国康明斯主机资料 5. 标准船型主尺度系列 中华人民共和国交通运输部公告（2010年第3号）表1 川江及三峡库区集装箱船标准船型主尺度系列（2010年修订版）船型分级（载箱量）总长LOAm船宽Bm设计吃水m参考设计载箱量TEU参考主机功率kW备注50626410.82.02.44555(200-230)2在参考主机功率下,对应船舶设计吃水的设计航速:20 km/h60677012.82.02.66070(300350)2100727512.82.63.090110(330-350)2150859013.62.83.2120157(330-440)2200-I859014.82.83.2135170(420-470)2200-II859016.23.03.5150200(470-500)2250-I929816.23.54.0220240(550-600)2250-II10511016.23.54.0240260(600-660)230010511017.23.54.0260310(630-660)235010511019.24.14.3320360(700-730)2注：1.以上载箱量为装载20英尺标准箱（TEU）货箱载箱量，货箱平均重为13吨/TEU；当船舶载运货箱和空箱数量超过所推荐载箱量时，应满足规范和法规的相应要求。2.若实际装载货箱重量大于或小于13吨/TEU时，其载箱量会发生变化，此时应满足规范和法规的相应要求。3.若装载特种箱、非标箱时，其有关要求应予特殊考虑。4.本系列船型采用平板型护舷材，船舶应满足规定的总长、船宽要求。6. 母型船参数参考母型船为200TEU长江集装箱船，主要技术指标为：总长： 90 m 设计水线长：88 m垂线间长：85.8 m 型宽： 16.2m结构吃水：3.4 m 设计吃水： 2.8 m型深： 5.2 m 方型系数： 0.793主机功率: 477kw*2设计航速: 20km/h第二部分 主要要素的确定主要内容：1.集装箱的布置2.按初步估算主尺度3.集装箱布置地位的校核和主尺度调整4.估算空船重量和载重量5.根据重力与浮力平衡确定吃水和方形系数6.主要性能的校核 7.主尺度的最终确定1. 集装箱的布置 长江200TEU左右内河集装箱船，多采用 6-10行4 列布置。根据内河船建造规范2009，要满足“集装箱的装载层数应不大于五层”和“集装箱船驾驶盲区不大于2倍船长”的要求。本船载箱量200TEU，在货舱部位舱内分为9行4列2层，货舱部分甲板上分9行4列3层，尾部2行4列3层，在尾部少放4箱。布置图如下 图1 整体示意图 图2 甲板示意图 2.初步估算主尺度 2.1 船长 根据经验公式： 其中：20英尺集装箱数量Nc=200 代入方程得 Lpp=76.2 m 2.2 船宽 根据经验公式： 其中：集装箱宽度bc=2.438m，甲板上集装箱列数rd=5，集装箱列之间的间隙Cc=0.038m， 代入方程得 12.3m，初取B=13 m 2.3 吃水 根据航道水深的限制，并且根据统计资料船宽吃水比B/d在2.53.5之间 初取 d=3.7 m 2.4 型深 根据统计资料D/d在1.42.0之间 初取 D=5.2 m 2.5 方形系数 根据亚历山大公式：其中：取C=1.08，V=20 km/h ，Fn=0.19，代入公式 初取 Cb=0.763. 集装箱布置地位的校核和主尺度调整 3.1 船长 根据布置要求，垂线间长Lpp为： Lpp=Lc+La+Lf+Lm其中：尾尖舱长度La取5%Lpp艏尖舱长度Lf取6%Lpp机舱长度Lm为主机长加10m，大致取为11.5 m 货舱长度Lc=7.7X-8(X为集装箱行数)=61.3 m,实取64 m列方程，解得 Lpp=84.8 m.相应的Lwl取为86.9 m，Loa约89 m 3.2 船宽 根据舱内集装箱布置要求(图3)，船宽B为： B=Yo（w+a）+c(Yo-1)+2b+2d其中：Yo（列数）=4；w(箱宽)=8英尺=2.438 m ；a（箱与导轨之间的间隙）=0.025 m； c（导轨之间的间隙）=0.2 m ；b(导轨与纵隔壁的间距)=0.125 m；图3d（舱口围板到舷侧的距离）=2.44 m. 代入数据得 B=15.58 m 根据川江及三峡库区集装箱船标准船型主尺度系列，B=16.2 m. 3.3 型深 决定型深的主要因素是舱内集装箱层数，根据布置要求，型深D为： D=hd+t+hn+f-hc-c 其中：hd（双层底高）=B/16=1.01 m； t（垫板厚度）=0.05 m；hn（舱内箱高）=2*2.591 m；f（集装箱顶与舱口盖下缘的间隙）=0.15 m；hc（舱口围板高）=0.8 m；c（梁拱高）=B/50=0.324 m； 计算得 D=5.3 m.4. 估算空船重量和载重量 4.1 估算空船重量 4.1.1根据经验公式： 其中：L、B、D为以上取值，代入得： LW=1322.18 t 4.1.2 根据米勒空船重量的分项估算公式Cb为初取值 Cb=0.76，L、B、D为以上取值船体钢料重量: 代入数值得， Wk=1202.81 舾装重量： 代入数值得： Wf=129.58 t 机电设备重量: K=1.15 BHP（主机功率）=477 kw代入数值得： Wm=197.26 t 根据Miller公式，重量小于7000t，估算误差偏大10%左右 空船重量 Lw=（Wh+Wf+Wm）*90%=1376.69 t 4.1.3 空船重量的确定 取以上两个估算值的平均数 Lw=（1322.18+1376.69）/2=1349.44 t 4.2 计算载重量 4.2.1 载货量 其中：Nt（集装箱总数）=200，Wo（平均箱重）=12 t 则有 Wc=2400 t 4.2.2 人员及行李、食品、淡水重量 船员取为14人，每人平均65kg；船员行李50kg/人；食品消耗3.5 ；淡水消耗75。 取船航速20km/h，续航力3000km. 则这部分重量： W1=14（65+50）+14（3000/20/24）（3.5+75）=8.48 t 4.2.3 燃油、滑油及炉水重量 燃油重量 滑油重量 取0.05 炉水重量 由于为小型船舶，可不计炉水重量 这部分重量为： W2=WF+WL=1.15*0.202*477*2*3000/20*1.1*(1+0.05)/1000= 38.39t 4.2.4 备品、供应品重量 W3=LW 取0.5% W3=0.0051349.44=6.75 t 4.2.5 载重量的合计 DW=Wc+W1+W2+W3=2400+8.48+38.39+6.75=2453.62 t 4.2.6 排水量裕度 53.98 t 4.2 船体总重量 3857.04 t5. 根据重力与浮力平衡确定吃水和方形系数 由2.5可知 初取 Cb=0.76 根据 得 d=3.69 m 由于航区航道限制，实取 吃水d=3.5 m 故相应 Cb=0.806. 主要性能的校核 6.1 主尺度规范要求 由上述所定尺度校核： Lpp/D=84.8/5.3=16 B/D=16.2/5.3=3.06 均满足规范要求 6.2 快速性估算 6.2.1 海军系数法由海军系数法预估设计船达到预定航速(20km/h)所需主机功率=477 kw 快速性与母型船相当,满足快速性要求。 6.2.2 统计回归公式 V=2.42Lpp0.17273 B-0.22589 d-0.06644 CB-0.41631(p/0.736)0.205 N-0.01033 计算得：V=20.1 km/h 满足快速性要求6.3 初稳性估算 初稳性公式如下：系数 ,均可由母型船资料换算所得. 按型船资料，计算应满足以下规范要求：船舶与海上设施法定检验规范（内河）1.初稳性高度应不小于0.3m2.集装箱船应核算下列基本装载情况的稳性：满载出港，满载到港，压载出港，压载到港3.计算集装箱船的稳性时，每只集装箱重心高度应取在集装箱高度的一半处。6.4 横摇周期估算 我国法规的完整稳性规则(非国际航行船舶)中，横摇周期按下列估算：7. 主尺度的最终确定 由以上计算和校验可的最终主尺度如下：总长： 89 m 设计水线长：86.9 m垂线间长：84.8m 型宽： 16.2 m设计吃水：3.5 m 型深： 5.3 m 方型系数：0.80 设计航速: 20 km/h 主机功率: 477kw*2第三部分 型线设计主要内容：1.横剖面面积曲线的绘制2.绘制横剖线图3.绘制中横剖面曲线及梁拱、平板龙骨4.绘制首尾轮廓线和甲板边线5.绘制设计水线以上线型6.绘制水线图和纵剖线图1. 横剖面面积曲线的绘制 1.1 菱形系数Cp的选择由于本船Fr=0.190.2,为低速船。由于设计船方形系数CB=0.8较大，所以棱形系数CP更多考虑阻力的要求。对于低速船，CP应该尽量取小,但考虑到Cm不宜太大，否则前肩曲度大，从而会产生凸肩。 当前的大型运输船舶的Cm常取为0.985-0.995，Cm的选取一般取决于Cb，查设计手册P202一般民用船Cm对Cb的关系曲线，得Cb取0.80时，Cm为0.984；查船舶设计原理P143 查图得CP=0.80 CM=0.99 初取 CP=0.813 CM=0.984 1.2 浮心纵向位置Xb的选择 心纵向坐标反映排水量在前后体的分布情况，Xb对剩余阻力影响较大，在低Fr时，尾部应保持适当削瘦，以免粘压阻力增加，但首部可以较肥，因为兴波阻力在低俗时占总阻力的比例很小，故Cb大的低速船，Xb多在舯前，但也应考虑Xb对推进性能的影响查船舶设计原理P144，得浮心的最佳位置：距船中向前0.8%-3.2%Lpp考虑双桨，最佳浮心位置比相同速度（Fn）的单桨船最佳浮心位置约后移1%Lpp左右。 1.3 横剖面面积曲线参数的选定 1.3.1 平行中体的长度和位置 查船舶设计原理P145，查图得 平行中体长度LP/Lwl=0.250.4换算成LP/Lpp=0.260.41，最终LP/Lpp=0.260.34平行中体长度中点距首垂线的距离：X/Lwl=0.420.48，换算成X/Lpp=0.430.49 1.3.2 进流段与去流段长度的选择 适宜进流段长度 =0.30最短的去流段长度=0.36 1.3.3 最大横剖面位置 由于设计船Fr0.3，最大剖面位置位于船中位置。 1.4 横剖面面积曲线的改造生成 根据母型船，结合设计船，用“1-Cp”法，仅修改Cp，过程如下： 采用梯形法，对母型船面积曲线近似积分，得母型船 0.808 ,0.795 采用经验公式，估算设计船 得 = 0.826 ,=0.800 修改量 (前半体)改造后的设计船横剖面面积曲线如下图： 横剖面面积曲线改造修改后，母型船和设计船参数比较：参数CpCmXb/LppLp/LppX/Lpp母型船0.8050.9840.253%0.300.50设计船0.8130.9841.25%0.340.48其中，Cp：棱形系数，Cm：中横剖面系数，Xb/Lpp：浮心纵向位置， Lp/Lpp：平行中体长度，X/Lpp：平行中体长度中点距首垂线的距离2. 绘制横剖线图 在横剖面面积曲线图上，量出各站处新船与母型船横剖面面积百分数相同的距离，然后在母型船的水线图上距对应站处量取各水线半宽y，再乘上B/Bo（型宽改造的比例值），即可得到新船各站半宽型值。然后根据型值，绘制出横剖面图。 横剖线的改造绘制过程：3. 绘制中横剖面曲线及梁拱、平板龙骨 对较大的船，取消舭深高可增大舭部半径（太小的话易产生舭涡）且可简化施工工艺；当舭深高为0时，=1.45m；如下图： 3.2 梁拱 B；这里取B/50,即0.324 m; 3.3 平板龙骨 按钢质内河船舶入级与建造规范： 平板龙骨的宽度应不小于0.1B，且应不小于0.75m，这里取 1.62m;4. 绘制首尾轮廓线和甲板边线 4.1 首尾轮廓线 首尾轮廓线一般应由母型船的形状按相同规律修改而得，否则与水线端点不易配合。尾框尺寸涉及桨和舵的布置，可按新船要求参照母型船形状自行设计，但应注意尾框的修改会使水线尾端点距中值改变，因此必须对尾部水线做适当修改。修改后首尾轮廓线如下图： 4.2 甲板边线 4.2.1舷弧的选择 舷弧是指首尾垂线处甲板边线高度减去型深后的值，分为首尾舷弧（和），小型船舶耐波性差，首部容易上浪，取较大的舷弧以利减少甲板上浪，所以小型船舶首舷弧取得一般比较大，标准舷弧规定：首舷弧： =1913 mm尾舷弧： =957 mm；此外，法规对最小船首高度有以下要求：当LFmin=1.38，说明干舷满足要求；船首高度=F+首楼高度=5.3-3.5+3.4=5.23.7,满足上述对的要求；5. 绘制设计水线以上线型 设计水线以上的型线，由于甲板边线需满足新船的型深和舷弧要求，通常情况下不会与母型船的甲板边线高度经吃水比例修正后相同，因此需要另行绘制。绘制时可参照母型船改造所得的横剖线形状，应用自由绘制的方法进行。绘制时应满足总布置对甲板边线宽度的要求。同时注意横剖线上部的外飘程度。6. 绘制水线图和纵剖线图 在绘制好的横剖面图上，重新划分水线，根据投影关系，绘出新的水线图和纵剖面图，最后进行三向光顺。 第四部分 三维建模主要内容：1.根据型值建三维模型2.三维光顺与成型3.静水力计算1. 根据型值建三维模型 提取横剖线图中的各站点以及船中纵剖面选取的各散点制成txt文件导入Freeship可得三维的船体模型 初始导入： 纵剖面图横剖面图：透视图：2. 三维光顺与成型根据Freeship中的光顺检测功能，调整各个部分的光顺性，并适当添加控制点，行程密集的控制网格。根据导入后成型的图，主要调整船首部以及尾封板的位置，具体调整后如同：整体首部尾部3. 静水力计算设计船长 : 89.000 m总长 : 88.890 m设计船宽 : 16.200 m总宽 : 16.317 m设计吃水 : 3.500 m中横剖面位置 : 44.500 m水密度 : 1.000 t/m3附体系数 : 1.0000体积属性: 排水体积 : 3868.2 m3 排水量 : 3868.2 tonnes 水下部分总长 : 88.890 m 水下部分总宽 : 16.317 m 方形系数 : 0.7634 菱形系数 : 0.7999 垂向菱形系数 : 0.8673 浸湿表面面积 : 1733.1 m2 浮心纵向位置 : 42.834 m 浮心纵向位置 : -2.061 % 浮心垂向位置 : 1.863 m中横剖面属性: 中横剖面面积 : 54.575 m2 中横剖面系数 : 0.9556水线面属性: 水线长 : 87.348 m 水线宽 : 16.204 m 水线面面积 : 1276.6 m2 水线面系数 : 0.8802 水线面浮力中心 : 39.211 m 进水角 : -77.451 degr. 横惯性矩 : 25433 m4 纵向惯性矩 : 685587 m4初稳性: 横稳心高 : 8.500 m 稳心纵向高度 : 180.54 m侧面: 侧面积 : 270.30 m2 风压纵向作用点 : 46.002 m 风压中心垂向位置 : 1.835 m以下图层属性由船体两侧计算而得！:| 图层 | 面积 | 厚度 | 重量 | COG X | COG Y | COG Z | | m2 | | tonnes | m | m | m |-|-|-|-|-|-|-| 船体列板 1 | 37.800 | 0.000 | 0.000 | -1.085 | 0.000 | 3.619 | 船体列板 2 | 37.849 | 0.000 | 0.000 | 1.064 | 0.000 | 3.502 | 船体列板 3 | 39.568 | 0.000 | 0.000 | 3.186 | 0.000 | 3.213 | 船体列板 4 | 46.942 | 0.000 | 0.000 | 5.330 | 0.000 | 2.518 | 船体列板 5 | 49.105 | 0.000 | 0.000 | 7.418 | 0.000 | 1.981 | 船体列板 6 | 97.244 | 0.000 | 0.000 | 10.609 | 0.000 | 1.621 | 船体列板 7 | 99.667 | 0.000 | 0.000 | 14.853 | 0.000 | 1.361 | 船体列板 8 | 102.89 | 0.000 | 0.000 | 19.091 | 0.000 | 1.260 | 船体列板 9 | 105.82 | 0.000 | 0.000 | 23.329 | 0.000 | 1.215 | 船体列板 10 | 107.49 | 0.000 | 0.000 | 27.562 | 0.000 | 1.190 | 船体列板 11 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 31.800 | 0.000 | 1.186 | 船体列板 12 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 36.040 | 0.000 | 1.186 | 船体列板 13 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 40.280 | 0.000 | 1.186 | 船体列板 14 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 44.520 | 0.000 | 1.186 | 船体列板 15 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 48.760 | 0.000 | 1.186 | 船体列板 16 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 53.000 | 0.000 | 1.186 | 船体列板 17 | 107.80 | 0.000 | 0.000 | 57.240 | 0.000 | 1.186 | 船体列板 18 | 107.53 | 0.000 | 0.000 | 61.478 | 0.000 | 1.192 | 船体列板 19 | 106.08 | 0.000 | 0.000 | 65.711 | 0.000 | 1.223 | 船体列板 20 | 101.56 | 0.000 | 0.000 | 69.935 | 0.000 | 1.313 | 船体列板 21 | 48.050 | 0.000 | 0.000 | 73.130 | 0.000 | 1.437 | 船体列板 22 | 51.556 | 0.000 | 0.000 | 75.289 | 0.000 | 2.156 | 船体列板 23 | 56.509 | 0.000 | 0.000 | 77.367 | 0.000 | 2.965 | 船体列板 24 | 55.402 | 0.000 | 0.000 | 79.484 | 0.000 | 3.510 | 船体列板 25 | 50.219 | 0.000 | 0.000 | 81.608 | 0.000 | 4.094 | 船体列板 26 | 44.426 | 0.000 | 0.000 | 83.730 | 0.000 | 4.437 | 船体列板 27 | 30.048 | 0.000 | 0.000 | 85.271 | 0.000 | 4.616 | 关闭船体 | 1410.3 | 0.000 | 0.000 | 40.029 | 0.000 | 5.602 |-|-|-|-|-|-|-| 总计 3540.7 0.000 0.000 0.000 0.000NOTE 1: 水线（和其水平线）低于船体最低点！ (Z= -0.064)NOTE 2: 所有计算得到的系数都是由水线下船体的实际尺寸而得.结果分析：1因该三维软件的自身的局限性，其计算起点与0站位置不在一起，且计算长度用的是尾封板至球鼻首最前端的距离，而非设计中的垂线间长，故使得Cb较设计状态小；2预估=3857.04t和三维计算结果3868.2 tonnes相差较小，适当时可以减载，且能满足满载均箱12t的设计要求.21