V型無壓載水船舶型線設(shè)計(jì)變換研究

韋俊凱 林 焰

大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024

V型無壓載水船舶型線設(shè)計(jì)變換研究

韋俊凱 林 焰

大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024

無壓載水船舶作為一種新的船舶設(shè)計(jì)理念已經(jīng)在國(guó)外展開了相關(guān)的研究，而在中國(guó)還研究甚少。就V型無壓載水方案的型線設(shè)計(jì)變換進(jìn)行研究，首次提出基于母型的橫剖面面積曲線基本不變的V型無壓載水型線設(shè)計(jì)變換方法。該方法對(duì)母型船的型線進(jìn)行底部V型變換，使設(shè)計(jì)船舶的底部呈現(xiàn)一定的傾角，同時(shí)增大船寬。變換后設(shè)計(jì)船舶的橫剖面面積曲線和母型船保持一致，變換方法簡(jiǎn)單可靠，在保證設(shè)計(jì)船舶的船長(zhǎng)、設(shè)計(jì)吃水、排水量等參數(shù)基本不變的情況下，較好地解決了設(shè)計(jì)船舶型線的光順性問題。

型線設(shè)計(jì)；橫剖面面積曲線；型線光順性

1 引言

船舶壓載水對(duì)多數(shù)空載狀態(tài)下的船舶而言是必不可少的，它的作用一是在船舶空載航行時(shí)使船舶保持一定深度的吃水不至于傾覆；二是在船舶載貨的狀態(tài)下用壓載水在各壓載艙之間的壓載和調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳的浮態(tài)，保證船舶在特定的水域中順利、安全航行。

但壓載水本身所帶來的危害已長(zhǎng)期廣泛地存在，這種危害不僅是眼前的，而且是長(zhǎng)遠(yuǎn)的和深刻的。全球船舶壓載水轉(zhuǎn)運(yùn)總量年均達(dá)到數(shù)十億噸，由此而引發(fā)的污染、外來生物入侵，給各海域帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，也給各大航運(yùn)國(guó)造成嚴(yán)重的損失。專門處理壓載水的各種化學(xué)藥劑，盡管可以消滅壓載水中的有害微生物，但化學(xué)試劑本身會(huì)造成二次污染，而且壓載水處理劑價(jià)格昂貴，因此壓載水問題的解決成為一個(gè)世界性的難題。

作為一種理想船型，無壓載水船舶（Ballast Free Ship）需要進(jìn)行大量的研究工作并有著巨大的應(yīng)用前景。所謂無壓載水船舶，即設(shè)計(jì)船舶在無需壓載水或者惡劣海況下僅需少量壓載水的情況下，滿足穩(wěn)性、裝載等多項(xiàng)性能的要求。國(guó)外已經(jīng)對(duì)此展開了相關(guān)的研究，目前較為認(rèn)可的有三種設(shè)計(jì)方案［1］，分別是V型設(shè)計(jì)方案、貫通流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、單一結(jié)構(gòu)船身設(shè)計(jì)方案。這三種方案在設(shè)計(jì)理念上是截然不同的，但每種設(shè)計(jì)方案并未取得突破性研究成果，其中日本的研究偏重于V型設(shè)計(jì)方案［2］，美國(guó)密歇根大學(xué)偏重研究貫通流系統(tǒng)方案［3］；中國(guó)則在這方面研究較少。

本文的研究針對(duì)V型設(shè)計(jì)方案。V型船身的特點(diǎn)是船體下半部分更加細(xì)長(zhǎng)，船底呈現(xiàn)明顯向下突出的V型，以使船舶有足夠的吃水配合船舶空載時(shí)的性能要求；同時(shí)增加了設(shè)計(jì)船舶的寬度，使船舶的穩(wěn)性得到明顯的提高；在特殊海況下，可以加入少量的壓載水來調(diào)整船舶的浮態(tài)。

2 設(shè)計(jì)思想

基于母型的V型無壓載水船舶主要設(shè)計(jì)思想是對(duì)母型船的線型做相應(yīng)修改，通過傾斜船底，加大船寬或加大型深，在保證船長(zhǎng)、設(shè)計(jì)吃水和排水量基本不變的基礎(chǔ)上，使設(shè)計(jì)船的橫剖面底部呈明顯的V型。加大船寬或者加大型深一方面是為了彌補(bǔ)因底部形狀改變而帶來的浮力減小，另一方面也可以為船舶在不打壓載水的情況下提供足夠的穩(wěn)性。

圖1是V型設(shè)計(jì)方案下，無壓載水船與母型船橫剖面對(duì)比情況。由圖可以很明顯地看出設(shè)計(jì)船底部?jī)A斜，呈現(xiàn)明顯的V型。

3 設(shè)計(jì)方法

基于母型船的型線設(shè)計(jì)方法有多種［4，5］，包括比例變換法、1-Cp法、Lackenby法、二次式變換函數(shù)法等，但這些方法僅用于常規(guī)船型設(shè)計(jì)。對(duì)于新船型V型無壓載水船，是不合適的，因此需要研究一個(gè)可行的設(shè)計(jì)方法以達(dá)到新的設(shè)計(jì)需求。

受益于保證船長(zhǎng)、設(shè)計(jì)吃水和排水量基本不變的要求，本文提出基于橫剖面面積曲線不變的V型無壓載水船設(shè)計(jì)方法。

觀察無壓載水船與母型船橫剖面對(duì)比圖，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一站的橫剖線，其變化的形狀呈互補(bǔ)的狀態(tài)，如圖2，即設(shè)計(jì)吃水線以下，母型船橫剖面所減少的區(qū)域A的面積，由設(shè)計(jì)船橫剖面所增加的區(qū)域B的面積來補(bǔ)償，以保證其排水量的要求。

圖2 無壓載水船舶與母型船舶橫剖面型線

現(xiàn)考慮位于平行中體處的橫剖面變換。如圖2，設(shè)母型船的半寬為b，設(shè)計(jì)船的半寬為B，二者的設(shè)計(jì)吃水均為d。設(shè)計(jì)船底部?jī)A斜角度為θ；區(qū)域A可近似考慮成一三角形，區(qū)域B則近似考慮成一梯形。

則區(qū)域A的面積為：

區(qū)域B的面積為：

令 B＝（n+1）b，顯然n＞0；設(shè) n 變量，則整理等式可得：

一元二次方程求解可得：

觀察等式可發(fā)現(xiàn)，等號(hào)右邊僅有傾斜角θ為可變量?？紤]實(shí)際情況，可限定θ角度的范圍為0°～30°，限定系數(shù) n的范圍為0＜n＜1。通過計(jì)算可發(fā)現(xiàn)，多數(shù)傾斜角度θ下都有唯一的系數(shù)n與其相對(duì)應(yīng)（當(dāng)θ偏大時(shí)，會(huì)有n不存在的現(xiàn)象），即取合適的底部?jī)A斜角θ時(shí)，會(huì)有唯一的設(shè)計(jì)船寬B與其相對(duì)應(yīng)。

此種設(shè)計(jì)方法的可行性在日本船舶研究中心（Shipbuilding Research Centre of Japan）提供的最優(yōu)V型無壓載水設(shè)計(jì)結(jié)果中得以驗(yàn)證。

根據(jù)日本船舶研究中心提供的有關(guān)V型無壓載水船的報(bào)告，其報(bào)告中提供了兩艘大噸位油船無壓載水設(shè)計(jì)的結(jié)果，其中一艘設(shè)計(jì)排水量16萬(wàn)噸的“蘇伊士”油輪，其母型船與設(shè)計(jì)船主要尺度對(duì)比見表1。

表1 “蘇伊士”油輪母型船與設(shè)計(jì)船對(duì)比

根據(jù)式（5），取“蘇伊士”油輪為母型，油輪半寬 b=21.5 m，設(shè)計(jì)吃水 do=16.0 m，當(dāng)?shù)撞績(jī)A角 θ在5°～20°之間變化時(shí)，可得到對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)船半寬值見表2。

表2 底部?jī)A角θ與設(shè)計(jì)船半寬對(duì)應(yīng)表

由表2可以看出，使用上述設(shè)計(jì)方法，當(dāng)設(shè)計(jì)船底部?jī)A角采用日本船舶研究中心提供的θ=15.2°時(shí)， 設(shè)計(jì)船半寬 B=28.30 m， 型寬為 56.60 m，對(duì)比表1日本船舶研究中心給出的設(shè)計(jì)結(jié)果為 56.0 m，二者數(shù)據(jù)上相差 1.07%，基本一致。

確定了平行中體型線變化方法以后，可通過比例變換來獲得非平行中體部分站面的橫剖線，具體變換方法如圖3所示。

圖3 任意站面橫剖面型線變換

如圖3所示，取設(shè)計(jì)船非平行中體站的任一站，該站面離最近的平行中體站的距離為S，設(shè)計(jì)船長(zhǎng)一半為L(zhǎng)，則對(duì)于任意吃水下的半寬變換量為：

由此得設(shè)計(jì)船舶任意吃水下的半寬值x為：

式中，x0為母型船對(duì)應(yīng)站對(duì)應(yīng)吃水下的半寬值。

通過式（7）可得到設(shè)計(jì)船任意站的半寬值，進(jìn)而得到相應(yīng)站的橫剖線，得到橫剖線后即可根據(jù)橫剖線來繪制水線以及縱剖線，并進(jìn)行光順。

根據(jù)式（5），我們可以得到底部?jī)A斜角與設(shè)計(jì)型寬的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于底部?jī)A斜角是不確定的，可變的，因此我們可以獲得任意多的設(shè)計(jì)船，后續(xù)的工作可以通過計(jì)算不同傾斜角度下的設(shè)計(jì)船性能來篩選出符合要求的最優(yōu)船。

4 設(shè)計(jì)舉例

以某5萬(wàn)噸油輪為母型船，采用上述方法進(jìn)行V型無壓載水船型線設(shè)計(jì)。已知母型船的型值表，母型船主要參數(shù)，半寬b=17 m，設(shè)計(jì)吃水do=11.5m，繪制母型船的橫剖線圖和水線圖（圖4）。

圖4 母型船的橫剖線圖和水線圖

采用上述設(shè)計(jì)方法作為主要設(shè)計(jì)思想，通過Object ARX對(duì)CAD進(jìn)行二次開發(fā)［6］，可以快速獲得任意傾斜角度下的設(shè)計(jì)船型線，并通過面域計(jì)算快速獲取任一吃水下的排水量、浮心坐標(biāo)以及橫穩(wěn)心半徑等參數(shù)。表3為設(shè)計(jì)船底部?jī)A角θ與設(shè)計(jì)船半寬B對(duì)應(yīng)表。

表3 設(shè)計(jì)船底部?jī)A角θ與設(shè)計(jì)船半寬B對(duì)應(yīng)表

由表 3得知，當(dāng) θ=12°時(shí)，B=21m，此時(shí)設(shè)計(jì)船的橫剖線圖和水線圖，如圖5所示。

當(dāng)θ=14°，B=22 m，設(shè)計(jì)船的橫剖線圖和水線圖，見圖6。

當(dāng)θ=16°，B=24 m，設(shè)計(jì)船的橫剖線圖和水線圖，如圖7所示。

圖5 設(shè)計(jì)船舶的橫剖線和水線圖（θ＝12°，B＝21m）

圖6 設(shè)計(jì)船舶的橫剖線和水線圖（θ＝14°，B＝22m）

圖7 設(shè)計(jì)船舶的橫剖線和水線圖（θ＝16°，B＝24m）

表4為母型船以及不同傾角下的設(shè)計(jì)船在設(shè)計(jì)吃水下，其排水量、浮心坐標(biāo)以及橫穩(wěn)心半徑。

通過表4可以看出，設(shè)計(jì)船與母型船在同一設(shè)計(jì)吃水下的排水體積和浮心縱向坐標(biāo)僅發(fā)生了很小的變化，當(dāng) θ分別為 12°、14°、16°時(shí)，排水體積 相 對(duì) 母 型 船 變 化 率 分 別 為 0.61%，1.6%和1.2%，基本保證了設(shè)計(jì)船和母型船的排水量保持不變。由于設(shè)計(jì)船底部出現(xiàn)傾角，呈現(xiàn)V型，故設(shè)計(jì)船的浮心垂向坐標(biāo)也有了一定幅度的提升；同時(shí)由于較大幅度地增加了設(shè)計(jì)船的寬度，可以比較明顯地看到設(shè)計(jì)船的橫穩(wěn)心半徑有了大幅度的增加，這樣可以有效地抵消由于浮心重心垂向坐標(biāo)升高而帶來的穩(wěn)性損失，保證設(shè)計(jì)船的穩(wěn)性。

表4 不同傾角下的設(shè)計(jì)船排水量、浮心坐標(biāo)以及橫穩(wěn)心半徑

圖8為母型船與設(shè)計(jì)船（θ＝12°）的無因次化橫剖面面積曲線，由圖可以看出二者基本重合，只有個(gè)別地方有微小差別。

圖8 母型船與設(shè)計(jì)船舶的無因次化橫剖面面積曲線對(duì)比

5 結(jié)論

1）以上介紹了基于橫剖面面積不變的V型無壓載水船型線設(shè)計(jì)方法以及應(yīng)用實(shí)例。通過介紹可以發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)方法可以很好地滿足型線光順性的要求，只有局部個(gè)別部位出現(xiàn)不很光順的現(xiàn)象，但修改量很少，故該設(shè)計(jì)方法具有型線光順上的可行性。

2）通過該方法設(shè)計(jì)的V型無壓載水船舶，其橫剖面面積曲線發(fā)生很小變化，可以很好地滿足排水量不變的要求，同時(shí)設(shè)計(jì)船浮心縱向坐標(biāo)發(fā)生很小變化，部分地保留了母型船的特性。除此以外的相關(guān)參數(shù)如方形系數(shù)、菱形系數(shù)、船寬吃水比等與母型船相比均發(fā)生明顯的變化。

3）本設(shè)計(jì)方法尚處于研究階段。由于設(shè)計(jì)船舶的型線相對(duì)母型船發(fā)生了比較大的變化，因此船舶的各項(xiàng)性能，如阻力、橫搖等都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，需要對(duì)設(shè)計(jì)船舶進(jìn)行計(jì)算分析。故后續(xù)尚有很多工作要做，包括阻力分析、橫搖計(jì)算、分艙設(shè)計(jì)、載況計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算、快速性分析、適航性分析、經(jīng)濟(jì)性能計(jì)算等，只有通過更多性能的計(jì)算分析才能總體評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)對(duì)其優(yōu)化以獲取最優(yōu)性能底部?jī)A角和船寬，即最優(yōu)V型無壓載水船舶。

4）無壓載水船舶作為一個(gè)新的船舶理念，從設(shè)計(jì)到應(yīng)用還會(huì)有一段很長(zhǎng)的路要走，但它無疑給船舶壓載水問題的解決帶來光明，值得大家投入更多的精力進(jìn)行探索研究。

［1］ 張榮忠.國(guó)外關(guān)于無壓載水艙船舶的探索 ［J］.航海技術(shù)，2005（5）64－66.

［2］ Shipbuilding Research Centre of Japan.The Ultimate Solution：Non－BallastWater Ships （N OBS）［M］， 2006.

［3］ KOTINIS M，PARSONS M，LAMB T.Development and Investigation of the Ballast Free Ship Concept ［M］.The University of Michigan，2005.

［4］ 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理（上冊(cè)）［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

［5］ 王世連，劉寅東.船舶設(shè)計(jì)原理［M］.大連：大連理工大學(xué)出版，2000.

［6］ 張帆.ObjectARX 開發(fā)實(shí)例教程［M］，2007.

Hull Line Design and Variation for a V-S hape Ballast-Free Ship

Wei Jun-kai Lin Yan
Departmentof Naval Architecture ＆ Ocean Engineering， Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

As a new concept in ship design， ballast-free ship has been studied extensively abroad， but it is rarely mentioned in China.In this paper， the design and variation of the hull lines for this kind of shipswere studied and a new design and variation method was proposed under the assumption that area of themid－ship section equals to that of themother ship.With thismethod， the hull lines of the bottom of the mother ship was changed into V－Shape，so that the designed ship has an inclined angle at the bottom with a wider breadth while the area of the mid-ship section was kept unchanged.The proposed new method is simple but reliable.It can obtain smooth hull lines for the design ship with the major factors unchanged， such as length， draught and displacement， etc.

lines design；section area curve； fairness of lines

U662

A

1673－3185（2010）01－24－04

2009-06-24

遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”培養(yǎng)基金資助

韋俊凱（1984－），男，碩士研究生。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。E-mail：wjk0918＠126.com

林 焰（1963－ ），男，教授，博士生導(dǎo)師。 研究方向：船舶結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。E-mail：linyanly＠dlut.edu.cn