小型双体船的总体设计.docx

1、小型双体船的总体设计第一章 绪论近年来，越来越多的双体船占据了民用和军用船舶市场。它们新颖的外观、独特的综合性能受到世界各国的瞩目。据外电报道，美国海军新近欲按计划接收一艘高速双体船：“海上斗士”号，此消息再一次引起了人们对双体船的关注。1.1双体船的概况与发展趋势1.1.1双体船的概况人类最早使用双体船是由于发现将两艘船横向连接在一起，可以从内河到海上航行而不容易翻船，早期曾将这种方法用在帆船上，建造了双体帆船，这种帆船在海上可以承受较大的风浪。在此基础上，人们又发现双体船与同样吨位的单体船相比，具有更大的甲板面积和舱容，因此而被用于货船。20世纪60年代后，随着海上高速客运的迅速发展，高速

2、双体船由于有宽大的甲板面积、空间和便于豪华装饰而被普遍看好，成为近几十年来高性能船中发展最快、应用最广、建造数量最多的一种。 典型的高速双体船由两个瘦长的单体船（称为片体）组成，上部用甲板桥连接，体内设置动力装置、电站等设备，甲板桥上部安置上层建筑，内设客舱、生活设施等。高速双体船由于把单一船体分成两个片体，使每个片体更瘦长，从而减小了兴波阻力，使其具有较高的航速，目前其航速已普遍达到35-40节；由于双体船的宽度比单体船大得多，其稳定性明显优于单体船，且具有承受较大风浪的能力；双体船不仅具有良好的操纵性，而且还具有阻力峰不明显、装载量大等特点，因而被世界各国广泛应用于军用和民用船舶( 。 1

3、.1.2双体船的航海性能图1-1双体船的航海性能1.1.3双体船的发展趋势为进一步改善高速双体船的综合性能，人们在高速双体船的基础上派生了若干新型的双体船型。（1）小水线面双体船和穿浪双体船的派生所谓小水线面双体船，是由潜没于水中的鱼雷状下体、高于水面的平台（上体）和穿越水面联接上下体的支柱三部分组成，其优点在于水线面面积较小，受波浪干扰力较小，在波浪中具有优越的耐波性。另外，还具有宽阔的甲板面和充裕的使用空间。但也存在船体结构复杂，对重量分布较为敏感等问题。 穿浪双体船是在高速双体船的基础上发展起来的，是将小水线面和深V型船在波浪中的优良航行性能、双体船的结构形式及水翼船弧形支柱等优点复合在

4、一起的产物，具有良好的适航性，而且继承了双体船宽甲板的特点。 （2）双体船向大型化发展为了改善快速性和耐波性尝试向复合船型发展，其中，小水线面船型将从双体演化成单体或三体、四体、五体等多体。为提高双体船在高海况下的航行能力，各国的研究方向大都集中在开发超细长体双体船的系统技术、优化线形设计和采用大功率喷水推进系统等方面。1.2 国内外研究现状及存在的问题1.2.1国内研究现状自20世纪70年代小水线面船诞生以来，以中国船舶科学研究中心为代表的我国从事船舶技术开发的技术人员就开始技术跟踪，并列入国家基础研究计划，经过三个五年计划的技术攻关，已全面掌握了小水线面船技术，取得了具有世界先进水平的科研

5、成果，建立了“小水线面船工程技术系统”，形成了一套完整的技术系统，包括主尺度与船型优化、航行性能预报、结构外载荷、结构强度与疲劳分析及总体设计方法及相应实验技术、设计计算软件等。90年代初开始进入应用开发阶段，利用已取得的技术成果，进行了多型号、多用途船舶概念设计与方案设计。1994年同汕头大洋公司合作为海洋石油总公司开发“800t级油田交通船”,并完成了扩初设计评审。1997年同708所合作为中国科学院完成了3000t级“海上科学考察船”方案评审。1997年向海关提交了两型缉私艇方案。1999年同汕头大洋公司合作为海关开发230t级“海关监管艇”,最近,综合分析各方面的需求,拟出了200t级

6、、400t级、1000t级、1500t级、2500t级的船型方案,可供用户选择的初步参考.1.2.2国外研究现状从70年代初至2000年末，世界上有12个国家已经开发和拥有小水线面双体船共57艘。其中美国有26艘，日本有14艘，是开发最早、拥有量最多、技术水平最高的两个国家。德国有4艘、英国有3艘。荷兰、挪威、芬兰、韩国、丹麦、瑞典和俄国7个国家各有1艘。小水线面船发展是应用需求主导牵引的，又是依靠科技创新推动的，更是军民交替发展互相促进的。排水量有小有大，航速有低有高，在下体、支柱的数量、线型、布局及推进、动力、传动、船体结构和材料方面都覆盖了多种形式，在发挥小水线面双体船运动响应特征、提高

7、耐波性上，除在总体线型、流体原理上优化设计外，更注意应用前后稳定鳍、水翼、压载水舱等的高水平自动控制和对波浪运动的预报与协调来实现动、静态条件下改善船舶运动姿态、降低运动辐值的效果，使小水线面船的设计中可以实现耐波性、快速性、操纵性、平稳性、隐身性、经济性等兼优。总之，小水线面双体船经历20世纪建造40多型、50多艘的百花齐放，正走向21世纪的市场、战场，人类为了征服海洋、保护海洋，使小水线面双体船的军民应用前景都非常广阔。1.2.3双体船存在的问题（1）主机推进系统、辅机、 设备系统、 仪器等方面都要比单体船复杂、 技术要求高、数量多。因此双体船的造价比较高。（2）速度比较高，但航程有限，不

8、能进行长距离的运输。（3）大型的船舰基本都有很好的抗风性，所以载重才是它最先考虑的，另外双体船的建造的难度大也限制了它的应用。1.3小型双体船的基本内容此次论文所研究的小型双体船系指为改善耐波性、减小兴波阻力，将双体船的片体在水线处缩小形成狭长流线型截面的双体船。作为一个多功能的无人水上工具，用于海洋研究工作。其主船体由连接桥结构连接左右两个片体组成。每一片体包括上船体、支柱体和下潜体。典型横剖面示意图见图1.3.1。此双体船包括了控制系统，数据/控制无线电通讯调制解调器和导航功能，并支持多种仪器如视频、成像、侧扫声纳、回音测深仪、ADCP 和其它相关辅助仪器。 （1）连接桥结构：系指连接左右

9、两片体的甲板及其他附属的强力（箱体）结构。 （2）湿甲板：系指连接桥结构的最下暴露表面结构。 （3）上船体：系指包括主甲板及以下至支柱体以上的结构。 （4）舷台:系指上船体结构中的连接桥与支柱体连接的过渡区域。 （5）支柱体：系指上船体以下至下潜体以上在设计水线面附近的狭长垂向结构，其水线截面呈扁薄、首尾端为流线型。支柱体有多种型式，根据每一片体所拥有的支柱体数量，分别称为单支柱体或双支柱体等。 （6）下潜体：系指连接在支柱体下面沉浸在水下的圆形或类似椭圆形的鱼雷状结构( 。1.1.4.8 船长L（m）： （1）对于高速小水线面双体船，系指船舶静浮于水面时，其刚性水密船体位于设计水线以下部份的

10、总长，不包括设计水线处及以下的附体； （2）对于非高速小水线面双体船，系指沿夏季载重线，由最前端支柱体前缘量至最后端支柱体尾缘的长度，并应计入下潜体从首至尾的长度与刚性水密船体位于设计水线以下部分的总长（不包括设计水线处及以下的附体）之差的50。 （7）水线面处船长Lw（m）：系指船舶静浮于水面时，位于设计水线处量得的船体前后缘纵向之距离。 （8）支柱体水线长度（m）：系指船舶静浮于水面时，沿设计水线处量得支柱体的最大长度。对于前后独立设置的支柱体，取一个片体前后同一方向上的各支柱体长度之和。（9）下潜体长度（m）：系指单个下潜体从首缘量至其尾缘的水平长度。若一个片体中的下潜体只数为1个以上时

11、，应作累加计入。 lhl （10） 船宽B（m）：系指刚性水密船体的最大型宽，不包括设计水线处及以下的附体。 （11） 水线下最大船宽Bw（m）：系指船舶静浮于水面时，位于设计水线以下量得的最大型宽。 （12）水线宽Bwl（m）：系指船舶静浮于水面时，沿设计水线处量得支柱体的最大型宽之和，如，见图1.3.1。Bwl=Bwl （13） 下潜体宽Blh（m）：系指单个下潜体的最大型宽。 （14） 支柱体宽度Bs（m）：系指单个支柱体的最大型宽。 （15） 型深D（m）：系指片体的下潜体纵中剖面处的最低点量至干舷甲板边线的垂直距离。 （16） 水线下支柱体深度Ds（m）：系指位于船中处从水线面量至下

12、潜体与支柱体壳板交线处的垂直距离。 （17） 设计吃水d（m）：系指船舶静浮于水面时，沿设计水线在船中处量得的刚性水密船体的型吃水。 （18）满载排水量（t）：系指船舶满载出港状态静浮时的排水量，通常等于最大营运重量。 （19）水线面系数Cwp：系指按下式算得的系数： Cwp= AW1i / ls1i * Bwl1i式中：AW1i沿设计水线截得的一个片体中的第i个支柱体水线面积，m2； ls1i沿设计水线处量得的一个片体中第i个支柱体的最大长度，m； Bwl1i沿设计水线处量得的一个片体中第i个支柱体的最大型宽，m； 若在一个片体中设置了前后独立的支柱体，即，则应将A2nW1i和ls1i与Bw

13、l1i所围矩形面积按公式计入一个片体内所含的总量( 。性能特点- 负载: 66 kg (126 lbs)- 最大速度: 5节- 双体船尺寸:长度100x 宽度85 (cm)- 重量: 75kg (165lbs)- 最小吃水: 0.3 m3小时自主推进工作(Ni-MH镍氢电池)推进力- 2 x 250 W 电子引擎通讯- 高速无线电通讯调制解调器用于控制和传输数据(视频/声纳)- 范围 2 km (1.1 Nm)定位 GPS接收器置于双体船上,带有导航坐标界面 附选导航软件附选- 视频摄像头- 成像声纳- 侧扫声纳- 回音测音器- ADCP图1.3.1典型横剖面示意图1.4 Maxsurf概述M

14、AXSURF软件是由澳大利亚Formation Design Systems公司为船舶设计和建造者开发的、适用于各种船舶设计、分析和建造的一套非常完整的计算机辅助船舶设计和建造软件。MAXSURF软件目前在全球已拥有广泛分布在澳大利亚、中国、日本、德国、荷兰、新加坡、美国等国家的1000多位船舶设计和建造用户，在各种船舶设计和建造领域都得到了非常普遍的应用。1.5 Maxsurf的基本建模理论MAXSURF软件系统包括以下几个模块：（1）MAXSURF模块（动态三维船体模型生成模块）：MAXSURF模块是MAXSURF软件包的核心部分。MAXSURF模块包括一整套用一个或多个真正的三维NURB

15、S曲面（而非二维NURBS曲线），进行三维船体建模的工具，可使船舶设计师快速、精确地设计并优化出各种船舶的主船体、上层建筑和附体型线。MAXSURF采用实时交互式控制方法，备有多种方法可对船体曲面和线型进行修改。设计者可在多窗口图形显示界面环境下，用鼠标拖放控制点进行数值修改，或从数据输入框直接输入数值进行修改，也可以通过一系列的自动光顺命令进行控制。设计者可根据具体设计船型以及实际生产情况，确定建立模型所使用NURBS曲面的数量、特性以及相互间的组织关系等。（2）HULLSPEED模块（船舶阻力及有效马力计算模块）：HULLSPEED模块是估算机动船舶阻力和有效马力的计算程序。HULLSPE

16、ED通过自动量取MAXSURF模型中所选择的测量实体，测得计算阻力所需的各种性能参数，同时提供给设计者多种可以选择的船体浮态、理论计算方法、推进系统效率、航速、船壳粗糙度、水特性、空气、附体阻力等参数，设计者可根据具体情况对这些参数进行调整，使计算结果更加准确和可控。 (3) HYDROMAX模块（船舶水动力性能计算分析模块）：HYDROMAX是一个功能强大的完整和破损情况下的稳性分析模块。其主要分析计算功能包括：各种载况下的重量重心数据统计计算、平衡浮态计算、特种工况（下水、进坞、搁浅等）计算、舱室定义和划分、舱容计算、静水力计算、稳性插值曲线计算、标准稳性校核、大倾角稳性校核、破舱稳性校核

17、、极限重心高度计算、总纵强度校核等。(4)WORKSHOP模块（船体结构生产放样及CAD图形生成模块）：WORKSHOP是进行船舶结构详细设计的模块。设计者可在模块中参数化地定义主船体、上层建筑及附体的船体外板和内部的肋骨、肋板、纵骨及扶强材等结构；结合数据库中的标准材料和节点库，WORKSHOP能高精度、无余量地生成结构部件，包括桁材、骨材和板材的展开，及这些部件的重量及重心位置，实际几何形状并建立分类及综合的统计数据库。WORKSHOP的集成数据库可随时对定义的结构及计算结果包括部件的数量、位置、重量、重心及切割长度、面积等实时更新，并生成清单。这些清单是设计和生产单位进行总体性能校核、材

18、料预估和采购等工作的重要参考依据。(5)SEAKEEPER模块（船舶耐波性能分析模块）：SEAKEEPER是一个综合的耐波性分析和运动预报模块。SEAKEEPER模块运用标准的Strip理论预测船舶运动，可在规定海域，对船舶各种装载情况下船舶重心的典型运动进行预报计算。(6)PREFIT模块（空间实体自动拟合模块）：PREFIT模块提供给设计者一系列的样条和曲面拟合以及精确的边界约束工具，可使拟合过程更加快捷和精确。该模块内置的型值表编辑器可以让设计者预览并修改型值，以便进行拟合工作。对船舶修造企业而言，既可根据船东和设计单位的新造船设计，精确地生成新船整体的三维立体模型，又可根据待修船的实际

19、破损情况，生成局部的修补方案模型。(7)SPAN模块（帆船性能分析模块）：SPAN是专门用于帆船性能分析和预报的模块。帆船由于其在船体线型、航态、推进和操纵方式等方面与其他机动船的差异，使得适用于它的分析方法也比较特殊。SPAN应用类似于IMS VPP的计算理论，根据风的方向及速度，自动搜索计算出帆船相对于不同角度顺风和逆风的平衡运动状态，包括水阻力与风动力的平衡、航速和横倾角等。SPAN的分析结果最后自动生成数据表格并绘制出航速-风的极坐标图线。(8)HYDROLINK模块（数据转换模块）：HYDROLINK是可实现MAXSURF与其他分析系统相互进行静水力计算和分析数据传输的模块。通过HY

20、DROLINK模块，可与MAXSURF之间进行数据相互传输的系统有SHCP、MHCP、IMS VPP、BMT、Microship、USNA、IMSA NURBS、DXF、IGES等( 。1.6 双体船总体设计及软件任何船舶的总体设计，都是整个设计过程中的最基本设计阶段，其主要任务是确定船舶型式、选定动力装置、论证主要尺度及船型系数、设计船体型线、进行总体布置、决定结构形式，设计主体结构、选择主要舾装设备等。不言而喻，这是一个决定船舶的基本性能的最重要的设计阶段，从根本上决定一条船的优劣程度，如果总体设计考虑不善，遗留下的缺点在后续设计中一般是无法克服的，而只会给所设计的船留下重大缺陷。对双体船

21、也一样，其总体设计同样具有决定整个设计结果优劣的作用，因此设计时给予重视是完全必要的。本次设计用到了Maxsurf模块。与其它诸如TRIBON、FORAN、CADDS5等大型计算机辅助船舶设计和建造系统平台相比，MAXSURF软件由于其各个子模块均共享一个集成数据库，统一的Windows风格界面简单易学，采用统一的工业标准，可方便地与Microsoft office 、Microstation 、AutoCAD等进行数据与文件的转换，所以其性能/价格比相当高，生命力很强。澳大利亚之所以能够在世界高性能新船型的研究、设计和建造领域长期独树一帜、保持领先地位就充分证明了这一点。任何计算机辅助船舶设

22、计和建造软件都只是船舶设计者的应用工具。能否设计和建造出优秀的船舶，关键在于设计者自身的水平和能否真正了解并掌握应用软件自身的特点。目前MAXSURF软件在我国计算机辅助船舶设计和建造领域的应用虽然仅仅处于起步阶段，但已经在多个实际应用工程中显示出独特的自身优势。只要我国的船舶设计工作者，能扬其长、避其短，就一定能很好地借鉴和吸收国外的先进经验，设计出具有21世纪世界先进水平的船舶和海洋工程物。随着我国船舶设计技术研究、企业新产品开发以及技术改造步伐的不断加快，MAXSURF系列软件在我国计算机辅助船舶设计与建造领域的应用前景一定会非常广阔。 第二章 主尺度的选择船舶主尺度是表示船体外形大小的

23、主要尺度，通常包括船长、船宽、船深、吃水和干舷。船舶主尺度是计算船舶各种性能参数、衡量船舶大小、核收各种费用以及检查船舶能否通过船闸、运河等限制航道的依据。2.1 船长L的选择本设计双体船的设计水线长为0.52m，从布置、操纵性等方面考虑，总船长L=1m。2.2 船宽B的选择船宽B的选择，经过多次修改，最终确定。修改后确定本船的型宽B为0.65m。2.3 型深D选择型深D应考虑舱容与总布置、稳性、甲板上浪与抗沉性、强度与经济性等因素。本次双体船设计中型深的选取，除满足规范对L/D和B/D的要求外，对于双体船，按总布置选取D，分析选择D=0.4m。2.4 吃水d选取吃水d时考虑了任务书主尺度限制

24、、浮力、快速性和经济性等多方面因素。本次双体船设计，选取吃水d时主要考虑的是推进效率，尽可能取满足要求的最大吃水，最终选取d=0.15m。2.5选取方形系数Cb应考虑的因素选取方形系数Cb应考虑的因素有浮力、快速性与耐波性、总布置、经济性。方形系数对于本次设计的布置地位型船来说，因为其L、B、D往往为舱容与甲板面积所决定，故综合考虑取方形系数为0.8左右。2.6 本章小结本章主要是总体方案构思与主尺度的选择。在主尺度选择中，综合考虑了浮性、稳性、经济性、快速性等船舶性能的各个方面，结合所设计船的特点来考虑。由于是双体船，有很好的抗风性，所以载重才是它最先考虑的。第三章 总布置设计3.1概述所谓

25、总布置设计，是以满足船东提出的使用要求和航行性能为前提，合理经济地确定船舶整体布置的工作，具体来说，就是要完成船舶总布置图的设计与绘制。总布置设计是船舶设计中一项非常重要的任务。总布置的结果对船的使用效能、航行性能、安全性能以及结构工艺性能有直接的影响。总布置设计也是后续设计和计算的主要依据。因此在船舶设计的初始阶段，为了便于方案构思和把握主尺度与载重量、舱容、布置地位之间的关系，以及协调格主要性能之间的矛盾，就需要对船的总布置有所设想和考虑，并绘制总布置草图。总布置设计的主要工作有：（1）区划船舶主体，勾画船舶设计水线以上的外部造型；（2）调整船舶的浮态（纵倾调整）；（3）布置蓄电池和太阳能

26、电池等设备；（4）协调各线路的布局。本次小型双体船的总布置设计,根据所设计船的使用特点和技术任务书的要求，在调查研究和分析母型船资料的基础上，拟定一个能反映总布置大体轮廓，见下图。3.2 总布置设计分析3.2.1 主尺度的分析选择最大船长： L0A=1m设计水线长： LWL=0.52m型 宽： B=0.65m型 深： D=0.4m设计吃水： d=0.15m小型双体船总长1m，水下船体选用2个彼此平行且相互对称的鱼类状船体直径0.15m，上面加支柱，支柱截面呈扁薄，外凸的流线型。支柱从水下船体向上穿割水面，托住水上船体，将水上船体与水下潜体连成一个整体，它又是上下船体之间的联系通道。3.2.2小

27、型双体船的布局表3-1小型双体船的布局双体船的各个部位诠释水下船体（亦称潜体 偏体）它是2个彼此平行且相互对称的鱼类状船体，尾部装有推进器。正常航行时这2个船体深潜水中，它提供了双体船浮力的主要部分。在水下潜体内一般布置燃油舱 淡水舱 压在水舱 推进器或推进器传动机构以及稳定鳍的控制执行机构。800T以上的大型双体船的主机都置于潜体中。水上船体（亦称箱体）水上船体是轻型结构，一般用铝合金或玻璃钢制成，大型的也有由钢结构组成的。它是高居于水面以上的平台结构。水上船体造型简单，外形呈长方形，内部是舱室，上面是宽阔的甲板平台，可根据所担负的各种使命来布置有效载荷，例如安装各种装备 设备 武备，停放直

28、升机及运载集装箱货物等。支柱支柱截面呈扁薄 外凸的流线型。支柱从水下船体向上穿割水面，托住水上船体，将水上船体与水下潜体连成一个整体，它又是上下船体之间的联系通道。每个水下船体由1个或2个以上支柱与水上船体相连。虽然每个支柱水线面很狭小，但由于各支柱间有足够大的距离，所以能够保证船的纵向和横向静稳性。3.2.3水下船体及支柱的形状和连接方法按单片体计算有下列三种：（1）连续的水下船体和支柱，也即所谓的单体单支柱。（2）连续的水下船体和分开的支柱，也即所谓的单体双支柱。（3）分开的水下船体和分开的支柱，也即所谓的双体双支柱(20世纪90年代中期出现的SLICE船型就是这种形式。国外也有将其统称为

29、四体四支柱)。图3-1小型双体船总布置图3.3 本章小结本章做的总布置设计，是船舶设计中的重要内容之一，为下面的设计工作做了铺垫。在总布置设计中需要遵循的原则有很多，如应注意船舶原理性能，结构性能和安全性能的影响等. 第四章 重量重心估算4.1概述排水量是船舶技术性能的重要参数之一，是船舶设计中各项性能计算的重要依据。而排水量等于组成船舶的各项重量之和，因此在船舶设计中准确地计算船舶的重量及其重心，是一项基本并十分重要的计算工作。重量重心计算准确与否，直接关系到设计船技术性能好坏。重量计算的误差如果过大，船将不能漂浮在设计吃水处，因而难以保证预定的干舷；另外，重心计算误差过大，船将出现纵倾或者

30、横倾，初稳性高度将出现减小或增加，将改变船舶的设计稳性及横摇性能。小型双体船自身重量为55kg载重为34kg第五章 型线设计 5.1 概述船体型线设计是船舶总体设计的重要内容之一，船体型线的好坏对船舶的技术性能和经济性有重大影响。型线图是后续的性能计算和结构计算的依据。因此，对于型线设计应予以极大的重视。型线设计实际上是与总布置设计平行或交叉进行的，且与总布置的要求互相协调。5.2 型线设计的考虑因素船舶型线与船舶的快速性、适航性、操纵性、稳性、纵倾调整、舱室布置、装载容积，以至于施工的工艺性都有关系，是船舶技术经济性能的全局型设计项目之一，是评定船舶设计质量好坏的一个重要指标。型线设计时必须

31、注意保证船舶具有良好的快速性、满足总布置要求、考虑船体结构的合理性和工艺性、外观造型等几个方面。5.3 型线设计的方法常用的型线设计方法有利用与设计船相近的优秀母型船的型线资料进行适当修改的母型改造法和参照型线特征类似的优秀型线其它的方法还有系列船型法、用电子计算机生成型线法等。本设计采用母型改造法。一般情况下，绘制纵剖线是为了检验型线的三向光顺性，如果纵剖线连不光顺，则需要修改水线和横剖线。纵剖线的形状应避免出现明显的凹陷。5.4 型线图型线图包括纵剖线图，横剖线图和半宽水线图，具体详见型线图。图5-1小型双体船型线图5.5 本章小结型线设计中，由于没有优秀的母型船的型线资料，采用自行设绘法

32、设计、绘制成了型线图。设计中主要对船舶首、尾段形状做了重点考虑，对影响船舶阻力性能的部分参考有关优秀型船资料进行了设计。设计出的型线图除满足排水量的需要外还应保证船舶具有良好的性能第六章 Maxsurf建模6.1 Maxsurf建模概述Maxsurf是一个曲面建模程序，这一章将介绍程序里用到的一些基本概念。船体、附体及上层建筑在Maxsurf里均用一或多个曲面定义。一船来说，曲面用于设计中的不连续处。下面是设计中用到曲面的例子，三个曲面设计一条游艇：一个是船体曲面，一个是龙骨曲面，另一个是舵曲面；五个曲面设计一条作业船，第一个是上船体曲面（从舷侧边线到上折角线）；第二个是折角曲面；第三个是下船体曲面