无压载水船自底向上型线分层设计方法与流程

本发明涉及一种无压载水船自底向上型线分层设计方法，可用于新型无压载水船舶的设计开发，属于无压载水船舶设计技术领域。

背景技术：

船舶压载水问题一直是全球关注的热点，其造成的环境污染和物种迁徙，已严重的影响了一些港口国家的生态平衡。长期以来，人们为了压载水问题采取了各种处理方法，但没有一种方法可以完全解决问题，有的甚至会造成不可逆的二次污染。目前通用的处理方法是给船舶加装压载水处理系统，在排放压载水之前对压载水进行处理达标后再排放。压载水处理系统有诸多弊端，一是是否能够有效杀灭压载水中的生物使之达到标准要求，二是压载水的运输和处理极大的增加了运输成本。

为了一劳永逸地解决船舶压载水问题，提出了无压载水船舶的设计思路。即通过船体型线的改造，使船舶无需加装压载水，就能满足各种不同的载况与海况时的正常航行，并且舱容、浮态、稳性、阻力性能等都要满足规范和使用要求。

国际上目前无压载水船型设计主要是三种方法：其一是v型nobs船体设计方案；其二是贯通流系统船体设计方案；其三是单一结构船体设计方案。但这三种船型分别存在空载航行稳性不足、需要少量压载水调整、船舶阻力增加等不足之处，很难做到完全无压载水航行。例如v型nobs船体设计方案,这种变换方法虽然可以解决压载水的问题，但由于设计过程中没有全面考虑不同载况下重心和浮心的平衡，故船舶的浮态难以得到很好的控制，导致船舶无法保证在各种装载条件下始终处于一个合理的浮态，不仅会带来阻力增大、燃油费用上升等经济性问题，且会出现稳性不足等安全性问题。目前，各国都在积极研究进行无压载水船型的开发，在满足安全、经济、环保的前提下，实现船舶真正的无压载水航行。

现存的无压载水船型设计仍然采用常规船体型线的整体设计法，即以满载工况为唯一设计状态，设计完成后进行性能校核。如果空载及轻载时首尾吃水达不到航行要求，则通过压载水调整，这样就不得不在船上设置压载水舱及压载水系统。为了实现运输船舶完全取消压载水，设计出无压载水船，急需一种全新的无压载水船舶的设计法，使其适合于船舶在空载或者轻载航行时需要利用压载水调节浮态及稳性的船舶型线设计时使用。

技术实现要素：

本发明旨在设计方法上的创新，以解决无压载水船舶型线设计开发问题。本发明提供一种无压载水船自底向上型线分层设计方法，即在设计过程中充分考虑船舶的各种典型装载情况，以设计船零压载水为前提，在型线设计全过程中，使其在不加压载水的情况下，满足营运中各种载况下都能到达所要求的浮态及其他性能要求。在确定出排水体积及其形心坐标随水线高度的变化规律之后，自底向上逐个工况设计型线，直到型线设计到主船体最高点为止。

本发明解决其设计问题所采用的设计步骤如下：

一种无压载水船自底向上型线分层设计方法，以船长、船宽、型深、吃水、方形系数、排水量和满载设计状态的浮心坐标作为型线设计的输入条件，包含以下设计步骤：

a、按规范和使用要求确定最低水线：在尾吃水满足螺旋桨埋水，首吃水达到规范规定的情况下，取一条最低的具有尾倾的水线作为最低水线；

b、根据估算的空载船舶重量，计算出重心坐标，并据此确定最低水线对应的排水量和浮心坐标；

c、确定最高水线和排水量：根据型线设计的输入条件计算满载吃水及其对应的排水量或超载吃水及其对应的排水量，按设计要求确定浮心坐标，使最高水线对应浮态为无首尾倾的正浮状态；

d、在最低水线和最高水线之间，按自下到上尾倾逐渐减小的原则，确定若干条中间水线，计算出每条中间水线对应的船舶重量和重心坐标，同时计算出浮心的应有坐标；

e、采取近似方法把带有纵倾水线的首、尾吃水换算成水平水线对应的平均吃水；

f、绘出浮心纵坐标、排水量、首吃水、尾吃水对平均吃水变化的曲线，这4条曲线应当是光滑曲线；

g、根据步骤f绘制的曲线自底向上逐层设计出船体型线，保证重心和浮心在同一垂线上，且吃水、浮态、稳性满足规范要求；

h、按光顺性要求修改步骤g设计的船体型线；

i、计算校核静水力性能和稳性性能，确认船体在不同载况下的各方面性能均满足规范及使用要求，如果不满足，返回步骤g调整修改；

j、型线局部修整：在保证船舶浮态和稳性性能满足要求的前提下，对步骤d中确定的中间水线所对应的型线做局部修整和光顺；

k、完成所述船体水线以下型线设计后，进行设计水线至船体甲板之间部分的型线设计，保证设计船从基线至甲板之间总型容积满足要求，以此确定干舷高度，并完成设计吃水线以上部分的型线设计。

本发明的有益效果是：这种无压载水船自底向上型线分层设计方法，以船长、船宽、型深、吃水、方形系数、排水量和满载设计状态的浮心坐标作为型线设计的输入条件，依次对设计船舶在无压载空载到港、无压载空载出港、满载到港、满载出港进行自底向上船体型线设计，并对各种载况下的浮态进行控制，使其满足规范及使用对稳性、浮态、螺旋桨浸深等要求，实现真正的无压载水船舶型线设计。解决了现有的无压载水船型设计方法分别存在空载航行稳性不足、需要少量压载水调整、船舶阻力增加等不足之处以及很难做到完全无压载水航行等问题。

附图说明

图1是一种无压载水船自底向上型线分层设计方法的流程示意图。

图2是一种无压载水船型线设计的框图。

图3是实施例中无压载水油船纵剖线图。

图4是实施例中无压载水油船水线图。

图5是实施例中无压载水油船船型轴测图。

具体实施方式

本发明涉及的无压载水船自底向上型线分层设计方法的流程如图1、2所示。船舶在不同的装载情况下具有不同的吃水（横线为吃水线）。若想解决不同装载情况下的浮态问题，需要吃水由浅至深，一步一步进行型线设计，使不同载况下重心与浮心均在同一竖直线上，为自底向上型线分层设计方法。

结合将一具体油船设计为无压载水油船作为具体实施案例，说明本发明的实施方式。为设计无需压载水的满足性能规范要求的油船型线，首先输入设计船主尺度船长、船宽、型深、吃水、方形系数、排水量、满载设计状态的浮心坐标等。之后开展具体设计：

a、依据船舶尾吃水满足螺旋桨埋水，首吃水达到《国内航行海船法定检验技术规则》规定，基于设计船空载到港载况，确定出一条具有尾倾的水线为最低水线。

b、估算设计船空船重量加残余油水等重量，计算出重心纵向及垂向坐标，进而计算出最低水线对应的排水量及浮心坐标。

c、基于设计输入确定设计船满载出港载况下，最高水线对应的排水量及浮心坐标，控制浮态为无首尾倾的正浮状态。

d、在最低水线和最高水线之间，按自底向上尾倾逐渐减小原则，确定若干条中间水线，如空载到港、空载出港、满载到港、满载出港等载况下的水线，并计算出每条中间水线相应的重量和重心坐标，同时计算出浮心的应有坐标。

e、采取近似方法把带有纵倾水线的首尾吃水换算成水平水线对应的平均吃水。

f、绘出浮心纵坐标、排水量、首吃水、尾吃水对平均吃水变化的曲线。

g、根据步骤f所绘制的各条曲线自底向上逐层设计出船体型线，保证重心和浮心在同一垂线上，且吃水、浮态、稳性等满足规范的相关要求。

h、在步骤g设计完成的基础上，按光顺性要求修改型线。

i、计算校核静水力性能，稳性性能等，确认船体在不同载况下的各方面性能均满足规范要求。如果不满足，返回步骤g再次调整修改。

j、在上述型线设计完成的基础上，进行最高水线至船体甲板之间部分的型线设计。保证设计船从基线至甲板之间总型容积满足要求，以此确定干舷高度，完成设计吃水线以上部分的型线设计。

k、按上述步骤设计出的型线，可以满足对船舶的无压载水水要求，但是此时船舶型线阻力等性能尚有很大提升空间。此时需要在保证船舶浮态和稳性等性能满足要求的前提下，对步骤d中确定的若干条中间水线所对应的型线做局部修整和光顺，进一步提高船舶水动力性能。

以上步骤即为无压载水船自底向上型线分层设计方法的具体实施方式，即选取几个特定的载况（吃水），由最低吃水到最高吃水，先设计最底部的型线，再逐渐增高到下一吃水，设计最低吃水到该吃水线中间部分的型线，再增高到下一吃水线，由此推进，逐步完成全船设计。

这种无压载水船自底向上型线分层设计方法，按各典型载况对应船舶吃水由小到大的顺序自底向上进行船体型线设计，使船舶在每种载况下无需压载水就满足螺旋桨浸深，船舶浮态、稳性等性能要求。该方法以设计船主尺度船长、船宽、型深、吃水、方形系数，排水量、满载设计状态的浮心坐标等为型线设计的输入条件，从无压载水船舶的重心与浮心平衡、控制船舶浮态作为船体型线设计的重点，按照不同载况采取吃水由小至大分步进行船体型线设计，最终获得满足规范要求的无压载水船体型线。该方法从最低船舶吃水载况即（空载到港吃水）开始设计，先设计最低吃水线以下的部分的船体型线，控制船体浮态和吃水，使其满足空载航行的螺旋桨吃水、浮态、稳性等性能要求，再将吃水线按照不同载况逐步增高，完成相应的船体型线设计，直到满载出港载况，完成全船的型线设计。每个阶段的船体设计都满足无压载水条件下的吃水、浮态、稳性等性能要求，这样最终可以得到一个无压载水的船体型线。按照上述步骤设计的无压载水油船的最终设计结果如图3-5所示。

通过本实施例可见，无压载水船自底向上型线分层设计方法，给出了完整清晰的设计步骤和过程，方便按部就班地进行无压载水船型设计开发，与现存的设计方法相比，可以严格控制浮态，从控制船舶各个载况下的浮态和稳性作为设计的出发点，对各个不同的载况下的浮态都能精确控制，各个载况下稳性都满足规范要求，而且实现了真正的无压载水设计，既保证了船舶总体性能满足规范要求，又使得船舶总阻力没有增加，性能校核符合要求使得设计方案具备可行性，且节省了压载水处理成本，使得设计方案具备更好的经济性。因此，所述无压载水船自底向上型线分层设计方法具备很好的应用价值。