基于土屋孟公式的漁船有效馬力估算

張 怡，焦 爾，鄭建麗（中國水產(chǎn)科學研究院 漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092）

0 引言

隨著世界燃油價格的不斷攀升，世界海洋捕撈漁業(yè)燃油成本急劇上升，目前已達到捕撈總成本45%以上，海洋捕撈正面臨前所未有的危機。而我國近海捕撈燃油成本更是接近70%，嚴重影響了漁業(yè)生產(chǎn)[3]。我國海洋捕撈漁業(yè)的漁船數(shù)量多，其中群眾漁業(yè)的漁船占了主導地位[1]，但是群眾漁業(yè)船舶的設計、制造還比較落后，船—機—槳—網(wǎng)匹配不盡合理，據(jù)不完全統(tǒng)計，不匹配率達40%以上[2]，這不僅影響了漁船的作業(yè)效率，大大制約了漁業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，而且增加了漁船的能耗，甚至給漁業(yè)生產(chǎn)帶來安全隱患。最近幾年，國家每年都要支出100多億元燃油補貼，以維持海洋捕撈的正常生產(chǎn)；遠洋漁業(yè)也面臨同樣的問題，同時還需要應對環(huán)保壓力。世界各國都已認識到捕撈漁業(yè)節(jié)能減排的重要性，日本長期支持漁業(yè)節(jié)能，特別是海洋捕撈節(jié)能減排技術的系統(tǒng)研究，歐盟也啟動了漁業(yè)節(jié)能項目 ESIF“Energy saving in Fisheries”，開發(fā)應用了多種節(jié)能技術產(chǎn)品和措施，取得了良好效果。但是，補貼和使用節(jié)能產(chǎn)品僅能解決部分問題，當務之急是應合理地優(yōu)化設計漁船船型，設計出阻力更小、更節(jié)能的船型。

船舶設計已進入信息化時代，對于大型船舶而言，無論是針對初步設計、方案設計、詳細設計、還是生產(chǎn)設計，國內(nèi)外都開發(fā)了許多專業(yè)的軟件。而專門針對漁船的設計軟件則十分匱乏，因漁船自身的特殊性，無法使用大型船舶的設計軟件來進行設計，若憑借經(jīng)驗在原有船型上進行調(diào)整，不僅效率低，而且造成了很大的重復勞動，使得漁船設計很少有創(chuàng)新。漁船設計軟件的出現(xiàn)能使?jié)O船設計的效率大大提高，并使設計人員的關注點轉(zhuǎn)移到新的節(jié)能船型的開發(fā)上，減少大量的重復勞動，且符合低碳這一理念。其中，漁船有效馬力估算軟件是漁船設計軟件中一個重要的模塊，漁船有效馬力估算軟件主要用于漁船設計初期階段，在船型基本參數(shù)確定之后，估算航速與有效馬力的對應關系，從而分析該船型的主尺度是否合適。對于不合要求的船型可以在設計之初就進行改進。

1 軟件編寫理論依據(jù)

漁船設計時，尋求最小阻力的尺度最佳組合已成為常態(tài)；在制定設計方案的過程中，在變更方案中的某些尺度后，常需要迅速進行阻力情況的預報。此外，更重要的是漁船設計者需要掌握各船型要素對漁船阻力的影響情況以及船型要素相互間的影響，以確切地掌握漁船的阻力特征。針對這些需求，通過漁船船模阻力試驗資料的統(tǒng)計分析得到一些估算阻力的圖譜和計算公式將是有所幫助的[7]。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，世界各國及地區(qū)都有依據(jù)各大模型水池實驗數(shù)據(jù)總結出來的漁船有效馬力估算經(jīng)驗公式。比較有名的是英國D.J.Doust、日本土屋孟公式等。

由于我國漁船船型更類似于日本的尖瘦型，故文章研究的漁船有效馬力估算軟件主要參考日本的土屋孟公式進行設計。

漁船有效馬力的估算是總體設計的一個重要步驟，是航速預估、船型優(yōu)化等步驟的前提。因此估算有效馬力，首先需要確定船型基本主尺度，由于經(jīng)驗公式是對大量的船型數(shù)據(jù)歸納總結而來，因此有其局限性，只有航速在如圖1所示的限制范圍內(nèi)，其他船型要素在表1所示的限制范圍內(nèi)，才可進行估算。土屋孟公式的總體思想是通過歸納分析得出300 t排水量船型的有效馬力估算經(jīng)驗公式，而其他排水量的漁船則通過回歸換算后視其為300 t排水量，在相同排水量下采用統(tǒng)一的估算公式來估算有效馬力與航速。

表1 船型要素的限制范圍

最終公式利用r300和Fn▽計算任意排水量下實船的有效馬力EHP為：

式（1）、（2）中，L為船體設計水線長，m；▽為排水體積，m3；Δ為實船的排水量，t；Fn▽為體積傅汝德數(shù)；Amax為船體吃水線下的最大橫截面積，m2；α為方龍骨的截面積，m2；B為船寬，m；T為吃水，m。[6]

2 程序及界面設計所遵循的原理

軟件程序在編寫過程中遵循盡量使計算機語言簡潔易懂的原則，所以在每個模塊的設計中都注意到以下幾點[4]：

1）盡量減少全局變量的使用，而多使用局部變量，因為過多的全局變量會導致程序混亂，且不容易找到出錯的地方。

2）程序中使用的用戶標識符除遵循變量命名規(guī)則外，一般未使用代數(shù)符號作為變量名，如a，b，x1，Y1，而是選取具有船舶專業(yè)相關含義的英文單詞（或其縮寫）或漢語拼音作為變量名，以增加程序的可讀性，如：Cm，Cp，ALFABS，ZuobiaoNum等。在軟件設計中還采用面向?qū)ο蟮脑O計原則，主要包括單一職責原則、開閉原則、替換原則、依賴倒置原則、接口分離原則。面向?qū)ο笤O計是一種以數(shù)據(jù)（對象）及其接口為重心的程序設計技術，是定義程序模塊如何“即插即用”的機制。圖2為軟件最終的操作流程圖。

具體流程為：

（1）在輸入的船型要素的基礎上計算出x1～x13，確定某一計算初始速度，并計算出此速度下的體積傅汝德數(shù)（Fn▽）。

（2）由于此公式對于體積傅汝德數(shù)有一定的適用范圍，即Fn▽=0.45～0.8，故當計算出的Fn▽＜0.45時，將速度疊加并重新計算新的傅汝德數(shù)，直至Fn▽＞0.45；當Fn▽＞0.45時，進行插值計算回歸系數(shù)，代入x1～x13求得r300及rs，計算出此速度下的有效馬力EHP與航速Vk（單位：節(jié)）。

（3）將速度疊加后計算下一個有效馬力EHP與航速Vk，直至到Fn▽＞0.8結束程序，輸出計算表。其中插值計算回歸系數(shù)采用Visual Studio讀取excel文件的回歸系數(shù)表來進行線性插值計算；軟件運行結束時輸出的有效馬力計算數(shù)據(jù)輸出表與計算過程中同步繪出的航速-有效馬力曲線相對應。

3）軟件界面采用標簽形式，力求簡潔明了，輸入與輸出內(nèi)容位于不同標簽內(nèi)，如圖3所示。

圖3 有效馬力估算軟件運行界面

3 實船算例與模型試驗分析

以下為上海漁船更新改造項目中的一型拖網(wǎng)漁船，其主尺度及船型參數(shù)如下：

水線長L為32.74 m；型寬B為6.2 m；吃水T為2.2m；排水量△為225.6 t；舯剖面系數(shù)Cm為0.864；棱形系數(shù)Cp為0.599；浮心縱向位置LCB（%）為-2.17；滿載水線半進水角為1/2αe 17°；去流角為 1/2αr 20°；αBS 16°；縱傾為 t/L 0.0258；α/Amax0.0038。經(jīng)漁船有效馬力估算軟件計算得出的結果如表2所示。

表2 有效馬力計算軟件計算結果

同時，針對該船型我們還做了模型水池試驗，船模與實船比例λ=1∶10，船模主尺度為：

水線長L 3.274 m，型寬B 0.62m，吃水T 0.22m，排水量△ 0.22t。

經(jīng)軟件計算出的曲線與船模水池試驗做出的阻力曲線如圖4、圖5所示，可見，通過該軟件計算結果與船模試驗結果基本吻合。

4 結束語

漁船有效馬力估算軟件的設計難點在于精度控制，插值計算，算法優(yōu)化等。漁船設計不同于商船設計，由于經(jīng)費有限，無法做到每種船型都進行船模試驗，故在總體設計時采用軟件進行有效馬力的估算顯得十分必要。只有真正估算出實船有效馬力才是真正有益于漁船設計的，這就需要通過大量的實船或船模試驗數(shù)據(jù)來進行修正。相信不斷地通過更多實際船型的數(shù)據(jù)對此公式進行修正，該漁船有效馬力估算軟件將能更適合于我國的漁船設計，為改變我國漁船陳舊落后、耗能低效的局面做出貢獻。

[1]農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局.中國漁業(yè)年鑒[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2002.

[2]宋協(xié)法, 焦志剛.通過主機軸功率的測試判斷船體、主機、螺旋槳三者的匹配狀況[J].海洋湖沼通報,1997(1):19-22.

[3]李吉強, 高偉, 尹瑞業(yè).當前海洋捕撈業(yè)的幾個問題與對策探討[J].中國水產(chǎn), 2004(2):77-78.

[4]郭維, 胡雄.大型金屬構件疲勞壽命估算軟件設計[J].計算機輔助工程, 2006(3):35-36.

[5]土屋孟.漁船船型の有効馬力に関する統(tǒng)計解析[J].昭和47年10月日本造船學會秋季講演會において講演): 70-72.

[6]章可畏.新的有效馬力估算法——土屋孟公式[J].漁業(yè)機械儀器, 1986(1): 22-28.

[7]賈復.漁船設計[M].北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1990(1):98.