高耐波性多指标优化大型商用不对称双体船的制作方法

本发明涉及船舶，具体涉及双体结构的特种作业船舶，该船舶按中国船级社船舶入级符号分类标准应属于调查(科考)船、交通船、公务船、特殊用途船舶等船舶类别。

背景技术：

执行“港到港”货物运输的货运船是最常见的船舶。海船中散货船、集装箱船、油船等传统运输船型，数量多、单只船吨位大，具有大运量、低成本的优势，是国际贸易中的主要运输方式。自蒸汽动力船舶出现以来，运输船舶的单船吨位越来越大、单位货物的运输成本越来越低，技术水准稳步提升。

除了作为运输通道，近年来，人们越来越多地把海洋视作“蓝色国土”，海上作业、活动逐步拓展，对海洋的研究、开发、管理、利用活动越来越多。各种活动例如海洋科考、旅游运动娱乐、海上渔场作业、海上油气作业、海上巡逻、驻守守护、救助、风电开发维护、人工岛礁施工等越来越多。海上作业活动不同于传统的“港到港之间货运”活动，作业平台较多时间巡航、停泊于海上，主要是在海上停泊、巡航时完成主要作业任务。因此对船型的性能要求需要不同于货运船。

当前对海上多功能特种作业的需求，主要有海洋科考、海上巡逻守护救助、海上设施作业、特种设备和人员部署、水面和水下作业支持、旅游运动娱乐等等。涵盖的船型有科考船、公务船、岛际运输船、中小型旅游船、海上设施作业维护船、中小型私人游轮等等。这些船型，普遍要求耐波性高、航速较高节能性好、抗风浪能力强、能搭载重型特种设备作业、甲板作业面积宽裕、搭载较多特种人员要求居住舒适等等。

最开始人们利用和运输船大同小异的单体船船型，按作业需求进行主尺度、吃水、布置设计，投入海上作业使用。后来针对单体船稳性差甲板面积小的缺点，又开发应用了特种船如普通双体船、小水线面双体船，最近又有三体船尝试使用。

通过多种多型船的实际使用发现，现有传统单体船、普通双体船、小水线面双体船、三体船等船型作为特种工作船，存在优点单一，固有缺点难以克服的缺点。具体举例分析各已有船型的特点和缺点如以下各节：

(1)单体船的特点和缺点有：稳性和快速性要求对船宽的要求互相矛盾、可用甲板布置地位有限、稳性和耐波性性能难以同时得到优化等等。例如，如果一条多功能科考船采用普通单体船型，那么主尺度、性能指标可以变化和优化的范围十分有限，整体性能将较为平庸。单体船的特点和分析介绍简述如表1.1：

表1.1：单体船特种工作船船型的特点和缺点列举分析

(2)普通双体船：有甲板面积大、横稳心高、横摇角小的优点，但是有结构薄弱、横摇加速度大、双体间扭力大不适宜大型化的等固有缺点。如表1.2分析介绍：

表1.2：双体船特种工作船船型的特点和固有缺点列举分析

(3)三体船具有双体船的部分优点如甲板面积大、横稳心高、横摇角小，缺点是片体及连接桥尺度小、离水低不抗风浪等。如表1.3分析介绍：

表1.3：三体特种工作船船型的特点和固有缺点列举分析

(4)小水线面双体船的优点是具备半潜船型的抗风浪能力，缺点主要有载重量调整范围小、机电设备布置特殊等等。如表1.4分析介绍：

表1.4：小水线面工作船船型的特点和固有缺点列举分析

再者，基于已有的经典船舶设计思维，为了能够使得船舶结构受力、稳性等规范校核计算得到适度简化，在工程上实用可行，计算结果可信，能够获得审图机构认可保障安全，现有用于科考、工作船的单体船、普通双体船、三体船、小水线面双体船等船型，都采用左右对称布置的设计方案。然而左右对称布置的多功能特种工作船不管什么船型(单体船、普通双体船、三体船、或小水线面双体船等船型)都存在较多的难以克服的固有缺点(如上分析)，无法真正意义上的满足海上多功能特种作业的需求。

因此，如何有效的优化传统科考、工作船的船型，以全面提高其性能满足海上多功能特种作业的需求，是本领域亟需解决的问题；然而基于传统的设计思维，传统的对称布置船型可供同时优化选项有限、优化范围小，无法有效实现多方面提升科考、工作船性能的目的，这大大制约了科考、工作船的发展。

技术实现要素：

针对现有科考、工作船所存在的问题，需要一种新的科考、工作船船型。

为此，本发明所要解决的技术问题是提供一种高耐波性多指标优化大型商用不对称双体船，该船型相对于传统船型能够实现对多个性能指标项目大范围的同时优化。

为了解决上述技术问题，本发明提供的高耐波性多指标优化大型商用不对称双体船包括：主船体(110)，次船体(120)以及连接桥(130)，所述次船体不同于主船体，次船体长度远小于主船体，并通过连接桥连接于主船体。

在本不对称双体船的方案中，所述主船体(110)和次船体(120)浮体长宽比均超过10:1。

在本不对称双体船的方案中，所述主船体为全钢结构船体，甲板下设置多舱室，船首和船尾设有露天甲板；所述主船体、次船体、连接桥、主船体和次船体之间可选配布置轻型格栅甲板以进一步增加作业区域。

在本不对称双体船的方案中，所述主船体上可安装大型设备，在舷边、主船体和次船体之间或甲板上可挂载多种任务载荷。

在本不对称双体船的方案中，所述次船体外形光滑无附体，采用坐滩加强结构。

在本不对称双体船的方案中，所述次船体配置电动推进器。

在本不对称双体船的方案中，所述次船体采用可调压载水和干舷储备浮力设计，与次船体的尺寸和吃水相配合。次船体的三维尺度远小于主船体，并根据任务需求优化。

在本不对称双体船的方案中，所述不对称双体船通过使用次船体的可调压载水及储备干舷提供较大横向回复力矩。

在本不对称双体船的方案中，所述连接桥高出水面5-6米，面向船首端设计为斜坡状。由此本船型可在波高5.5米的海况下正常航行作业。

在本不对称双体船的方案中，所述连接桥分别设置在主船体和次船体长度方向上的中部位置。

在本不对称双体船的方案中，所述不对称双体船上还布置有直升机起降场，所述直升机起降场布置在连接桥上。

在本不对称双体船的方案中，所述主船体和次船体之间搭载长跳板。

在本不对称双体船的方案中，所述不对称双体船可通过次船体进行无码头冲滩。

在本不对称双体船的方案中，所述不对称双体船在有码头设施时可用主船体侧按常规方式靠泊，在无码头水域可将次船体吃水调至最低并将次船体冲滩，再外翻出搭载在主船体和次船体之间的长跳板实现无码头滚装装卸。

本方案提供的不对称双体船相对于现有的科考、工作船，摒弃对称布置方案，克服技术偏见创新的采用不对称双体船的设置方案，并克服技术难点实现大型化、商用化，对功能、性能的提升十分明显，主要有耐波性高、中高航速段节能明显、抗风浪能力大幅提升、适航性人员舒适性好、设备搭载和作业能力强等等。

再者，本方案提供的不对称双体船技术先进实用性强，和同类实船相比，投产后可大幅提高增强船舶的实际作业能力、效率、效能；大幅增加实际可出海、作业时间；大幅提高船舶的经济效益。

再者，本方案能够有效突破大型化-商用化(能通过审图用于营业)的门槛，还可拓展应用到其它类别的运输和作业船型的具体设计方案中。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明实例中大型商用不对称双体船的示意图；

图2为本发明实例中主船体的结构示意图；

图3为本发明实例中次船体的结构示意图；

图4为本发明实例中连接桥的结构示意图；

图5为本发明实例中大型商用不对称双体船进行冲滩滚装装卸示意图；

图6为本发明实例中直升机起降场布置示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

传统大型商用船舶都有对称布置的特点，在大型商用船舶出现的数百年时间后，船舶工程界一直未能具备针对不对称船型的流体力学性能、结构力学性能等进行工程安全校核的实用工程手段，在不具备实用、有效、可信的流体、结构力学核算手段的情况下，事关旅客、货物安全的大型船只在实践中是不能采用非对称船型的(不能获得审图批准)。长此以往形成了大型民用船舶必须是对称船型的技术偏见，实际中优先采用对称布置的船型可以实用、有效地进行结构受力、静水力稳性计算等规范校核计算，保障客货运输安全，获得符合国际海事组织公约法规、各国船级社规范安全性要求的审批许可，投入建造使用。

在大量研究和实验的基础上，本方案克服大型民用船舶必须是对称船型的技术偏见，创新的提出了可用于客货运输、海上作业等具有很强工程实用性的高耐波性多指标优化大型商用不对称双体船新船型。

参见图1，其示出了本方案提供的大型商用不对称双体船的主体组成结构。由图可知，该大型商用不对称双体船100包括主船体110、片体(次船体)120以及连接桥130三部分；大小分明的主船体110和次船体120之间平行布置，两者之间通过连接桥130进行固定连接，从而形成不对称双体船。

其中，主船体110和次船体120两者不相同，且两者之间大小分明(即次船体120的三维尺寸远小于主船体110)。大尺寸的主船体承载主要功能。同时主、次船体各自的主尺度比例可根据快速性等功能要求优化。

主、次船体间的连接桥130离水高度和中心距距离可根据抗风浪等级、稳性等要求优化；本方案中连接桥130离水高度优选4-6m，使得本船型可在波高5.5米的海况下正常航行作业。

次船体120用于与主船体110配合，以调整不对称双体船的各项性能。次船体120的三维尺度远小于主船体，并可根据任务需求优化。该次船体120采用可调压载水和干舷储备浮力设计，并与次船体的尺寸和吃水相配合。在具体实现时，本次船体120的空重、压载水量、干舷储备浮力、空吃水及压载吃水均可按耐波性、抗风浪要求、稳性要求、设备搭载作业、装卸货等要求优化。

在此基础上，在主船体110和次船体120之间搭载长跳板140，该长跳板140用于配合次船体120，实现无码头水域滚装上下。

据此构成的大型商用不对称双体船可依据各种功能要求在大范围内调整和优化多个自变量，在多个性能指标项目上同时获得最优结果，并避免任一单项性能出现明显缺限。

据此设计原理，以下具体说明一下本大型商用不对称双体船通过调整和优化多个自变量实现同时最优化多个性能指标项目的过程。

1、本方案中，主船体110采用深、窄、瘦长的快速性最优的船型；与之配合的次船体120也采用深、窄、瘦长的外形，同时采用符合稳性最佳要求的最浅吃水、最小尺度；根据需要次片体120也可配小功率电动推进器。由此可实现本大型商用不对称双体船的快速性最优化。对此优化项目，具体实现时可通过CFD手段优化主船体快速性，通过NAPA软件充分校核主次复合船型的稳性满足要求。

2、本方案中，次船体120由于离主船体110中心线很远有很长的横向恢复力臂，具体使用较小的空重、可调水压载、干舷浮力储备即可满足主船体静稳性、及起吊设备作业稳性、多种设备搭载稳性的要求。由此实现本大型商用不对称双体船的稳性最优化。对此优化项目，具体实现时可使用NAPA软件充分校核主次复合船型的稳性满足要求，及横摇性能参数，海上设备作业稳性要求。

3、本方案中，在确定优化的次船体的空重、水压载仓容、干舷浮力储备等参数的基础上，进一步结合可调水压载，以此获得足够且远小于普通双体船的初稳性，使得横摇和缓、横摇角小，人员舒适度高、适航性提高，由此实现本大型商用不对称双体船的耐波性、抗风浪适航性的提升。对此优化项目，具体实现时可使用NAPA软件充分校核主次复合船型的稳性满足要求，及横摇性能参数。

4、本方案中，主船体110结构坚固尺度大，次船体120尺度较小传递给连接桥的风浪载荷小(避免了大型普通双体船两船体之间扭力大的缺点)，连接桥强度指标高，实现船体整体结构坚固。由此实现本大型商用不对称双体船的船体结构强度最优化。对此优化项目，具体实现时按规范设计并用结构有限元法校核，获得接近于单体船的结构强度。

5、本方案中，主船体110坚固，其上可安装大型起吊设备；在此基础上结合次船体120使用压载调节，保证整个不对称船体的稳定性，可满足海上重吊作业稳性要求。同理可在舷边、片体间、甲板上挂载多种任务载荷。由此实现本大型商用不对称双体船的船体多功能任务载荷搭载能力强的优点。对此优化项目，具体实现时大型设备牢靠地安装于主船体，根据作业和稳性要求选定布置位置，同时优化片体的设计满足重型设备作业稳性要求。

6、本方案中，通过使用次船体120的可调压载水及储备干舷提供较大横向回复力臂，保证稳性充足，支持起吊等多种海上作业。由此实现本大型商用不对称双体船的海上作业能力的优化。对此优化项目，具体实现时保证空载时稳性满足要求，在海上作业时还可使用压载水进一步增强稳性。

7、本方案中，主船体110采用高干舷甲板下多层舱室、甲板上多层上建设计，留出较多露天甲板面可用于科考作业。在此基础上，片体(即主船体、次船体)及连接桥130、主次片体之间可布置轻型格栅甲板，以此进一步增加作业面积。由此实现本大型商用不对称双体船的露天甲板作业面积宽广。对此优化项目，具体实现时区分载荷大小，按规范要求布置相应强度的甲板结构。

8、本方案中，主船体110设计建造使用同普通单体船，而次船体120和连接桥130无复杂结构，无特殊机电设备。由此实现本大型商用不对称双体船造价低廉。对此优化项目，具体实现时可全部使用钢材建造，使用常规机电设备，整体造价低廉。

9、本方案中，设备布置、日常使用接近普通单体船，整体操控性能十分接近单体船(次船体可选配电动推进器)。由此实现本大型商用不对称双体船使用方便，且船员无需特殊培训。对此优化项目，具体实现时可通过优化次船体尺度和吃水，使得此船体对主船体操控影响最小；同时可通过流体有限元模拟及船模水池试验验证。

10、本方案中，该大型商用不对称双体船通过主船体与次船体配合，具备无码头滚装卸货能力，在有码头设施时可用主船体侧按常规方式靠泊，在无码头水域可将次片体吃水调至最低并将次片体冲滩，再外翻出搭载在两片体间的长跳板，即可在无码头水域靠泊上下。跳板加强后可实现无码头水域滚装上下。由此实现本大型商用不对称双体船靠泊方便。对此优化项目，具体实现时只需将次船体结构设计坚固，外形光滑无附体，结构按坐滩设计加强。

11、本方案中，该大型商用不对称双体船坚固的结构、充足的甲板面积和合适的位置，可满足直升机起降要求。由此实现本大型商用不对称双体船可起降直升机。对此优化项目，具体实现时通过起降区结构适度加强，按相关要求配置观察通讯、安全护栏等直升机起降附属设施实现。

12、本方案中，该大型商用不对称双体船符合最新的英国劳氏船级社和中国船级社规范，可按照最新的英国劳氏和中国CCS规范，拟定合适、具体的船级符号；同时依据船级符号对应的设计规范章节的要求，即可展开具体设计绘图，获得审批，按图建造后投入运营。由此本大型商用不对称双体船的工程化路径明确，具体实现时结合应用最新的英国劳氏规范的“multi-hull(多体船)”船级和中国CCS规范，可顺利完成施工图设计审批。

由上可知，本方案创新的提出的大型商用不对称双体船，其克服了现有船型只能保证单一或几个指标最优的缺点，能够使得十个以上大指标的同时达到最优或较优结果(如耐波性高、中高速节能快速性好、稳性充裕、抗风浪适航性好、船体结构坚固、多功能任务载荷搭载能力大、海上作业能力强、露天甲板作业面积宽广、可起降直升机、可无码头滚装卸货、造价低廉、无需特殊培训和特殊码头使用方便等等)。这一新船型如能投入实际使用，将使得船舶在造价小幅提升的情况下作业效率、效益得到成倍的提升。

以下通过一具体实例来说明一下本方案。

针对现有的科考-特种作业船一般采用小水线面船，普通双体船，三体船或单体船等对称船体的船型，本实例基于上述方案创新的提供了一种绿色节能高耐波性、多功能、多指标最优化-91米特种作业不对称双体船。

参见图1-图6，本91米特种作业不对称双体船100主要包括大小分明的两个船体—主船体110和次船体120以及连接主、次船体的连接桥130。

该91米特种作业不对称双体船100中，主船体110、次船体120浮体长宽比均超过10:1，相比较普通工作船一般5:1左右，其水下部分具有长、深、窄的特点，适合中高速航行。该船型在中、高速航行时兴波阻力将大幅降低，快速性达到最优化，和同等长度工作船相比在中、高速航行时节能效果明显。

参见图2，本不对称双体船100中的主船体110采用高干舷甲板下多层舱室、甲板上多层上建设计，主船体的主甲板型深高达9米(耐波性大幅提高)，留出更多露天甲板面用于科考作业。船首有34米长度露天甲板111，船尾有24.6米长度露天甲板112，作业区长度远超普通单体科考船。片体及连接桥、主次片体之间布置轻型格栅甲板还可继续大量增加作业面积。

由此构成的主船体110其露天甲板作业面积宽广，整体结构坚固，可在船首或船尾的露天甲板111、露天甲板112上安装大型起吊设备113，并结合次船体120使用压载调节，可满足海上重吊作业稳性要求；同理可在舷边、片体间、甲板上挂载多种任务载荷如仪器集装箱、工作艇。由此保证本不对称双体船100具有很强的多功能任务载荷搭载能力。

参见图1和图3，本不对称双体船100中的次船体120通过连接桥130连接于主船体110，具体为次船体120的中部通过连接桥130连接于主船体110的中部，其离主船体中心线较远有很长的力臂。在此基础上，该次船体120内部设置相应的压载舱121，并使用较小尺度、吃水，配合动态压载水、干舷浮力储备的调节，由此满足主船体大倾角稳性、起吊设备作业稳性、多种设备搭载稳性的要求。该次船体120具体实现时，其压载舱具备3000吨.米的横向力矩调整能力，稳性充裕、可根据载重和功能要求在大范围内调整、获得优化值。

基于次船体120的压载舱121所具备的3000吨.米的横向力矩调整能力，通过优化调整与主船体110，可满足超重型重吊海上作业配重要求，从而使得本不对称双体船100的海上作业能力强，稳性大范围可控，可进行多种海上作业。

另外，根据需要该次船体120也可配小功率电动推进器122。

在此基础上，该双体船可进一步通过优化次船体120的尺度、吃水，配合动态压载水、干舷浮力储备的调节，可获得充裕且远小于普通双体船的初稳性，使得横摇和缓，提高人员舒适度、适航性；同时可实现不对称双体船的无码头冲滩。

作为举例，本实例中次船体最小吃水只有1.5米(还可进一步优化)，其吃水明显小于主船体，这样方便无码头冲滩，而且使得次船体的阻力会更小。由于次船体吃水小、长度小且位于主船体的中部，这样基本不影响主船体的操纵性，使得整船体各种操纵驾驶特性非常接近常规单体船。

进一步的，次船体120和主船体110之间的连接桥130采用高位设置。该连接桥130高出水面达到5.5米，结构坚固尺度小，具体位置在船中。由此设置的连接桥130和一般双体结构连接桥相比抗大浪能力成倍提高。

另外，该连接桥130在面向船首的一侧采用斜坡设置131(参见图4)，以进一步提高抗大风浪的性能，降低风浪对连接桥130破坏力。

据此设置的连接桥130配合主甲板型深高达9米的主船体110，可使本不对称双体船能够获得极高的耐波性，与同尺度单体科考船相比，其耐波性能提高两个海况等级，提升效果非常的明显，从而使得本不对称双体船100的适航性和航行中抗大风浪明显好于单体船。再者，根据上述方案构成的不对称双体船100，其中的主船体110其结构强度高，而次船体尺度小、吃水浅，由此作用于连接桥130的载荷非常小，避免了两个大片体对连接桥产生大扭转载荷的问题，从而保证整体结构坚固。

上述不对称双体船100的基础上，本实例主船体110和次船体120之间搭载长跳板140，该长跳板140用于配合次船体120，实现无码头水域滚装上下。

由此构成的不对称双体船100整体操控性能十分接近单体船，使用方便，设备布置、船舶操控接近普通船，靠泊可使用主船体一侧常规靠泊。

参见图5，本不对称双体船100能在有码头设施时可用主船体110侧按普通方式靠泊，在无码头设施岸边冲滩滚装装卸。在无码头水域可将次片体120吃水调至最低并将次片体120冲滩(如上述的1.5m)，再外翻出搭载在两片体间的长跳板140，即可在无码头水域靠泊。该跳板140加强后可实现无码头水域滚装上下。

上述不对称双体船100的基础上，本实例还进一步布置直升机起降场150。由于本不对称双体船100的可用空间大，直升机起降场布置方便。

如图6所示，该直升机起降场150优选布置在连接桥130上，其尺度优选为27米*17米，三向无遮挡的良好直升机起降设施，可满足3吨级直升机起降作业。

本实例提供的不对称双体船100，其在具体实现时，主船体110设计建造、机电设备选型布置同普通单体船。次片体120和连接桥130无复杂结构和设备，使用钢材建造。整个的造价低廉，总排水量适度。

同时，使用英国劳氏规范的“Multi(multi-hull多体船)”船级符号，指导不对称双体船体结构设计。并按英国劳氏和中国CCS规范，拟定了机电等船级符号。依据船级符号对应的设计规范章节的要求，即可展开具体设计绘图，顺利完成施工图设计审批，按图建造后投入运营。整个工程化路径明确，工程实用性强。

由上可知，本实例提供的91米特种作业不对称双体船100和普通91左右船长的单体科考船相比，本船型对功能、性能的提升十分明显，特别是中高航速段节能明显、抗风浪能力大幅提升、适航性人员舒适性好、设备搭载和作业能力强等等；其中耐波性和同尺度单体科考船相比能够提高两个海况等级，提升效果超出预期，达到意想不到的效果。

再者本船型技术先进实用性强，和同类实船相比，投产后可大幅提高增强船舶的实际作业能力、效率、效能；大幅增加实际可出海、作业时间；大幅提高船舶的经济效益。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。