一种兼顾多吃水阻力性能的新型球首的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于船舶设计领域，涉及一种船舶首部外形结构，尤其涉及有多种航行吃水工况的船舶的首部外形结构。
【背景技术】
[0002]由于全球经济增速放缓，国际航运市场形势长期低迷，各类海运价格指数持续走低，航运公司的利润空间被大大压缩。同时面对国际海事组织有关EEDI (能效设计指数)规则陆续强制实施的压力，船东强烈希望改善新造船的综合营运性能以降低油耗成本、满足新规则要求。
[0003]由于运输船舶在实际营运中普遍存在以多种吃水状态航行的情况，为了获得最佳的综合性能，船体型线设计必须同时兼顾多种典型吃水工况，这比传统的仅针对设计吃水一种工况进行设计更为复杂。特别是许多船型为了降低航行阻力都在首部采用球首，包括采用侧视轮廓无球首形状但横剖线为球首形状的隐形球首，这样更加增大了型线优化设计的难度。因为一般球首都是针对某一个固定吃水状态(如设计吃水)进行优化设计，很难同时兼顾其它常用吃水状态的阻力性能，导致压载吃水时的阻力性能比设计吃水时恶化很多，甚至出现压载阻力大于设计吃水和结构吃水阻力的情况。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供了一种兼顾多吃水阻力性能的新型球首。
[0005]为达到上述目的，具体技术方案如下:
[0006]一种兼顾多吃水阻力性能的新型球首，适用多种航行吃水工况的船舶，所述船舶设有压载吃水状态和设计吃水状态，所述球首横剖线在压载吃水高度附近呈现内凹形状，在压载吃水高度和设计吃水高度之间、靠近设计吃水高度则呈现外凸形状。
[0007]所述内凹区域的纵向延伸长度范围为:其最前点可延伸至球首纵向轮廓线的最前端，最后点可延伸至距离船首20站(首垂线)25%船长处。
[0008]所述船舶包括大型船和瘦削的中速船。
[0009]所述船舶包括油船、散货船、液化气体船和集装箱船。
[0010]相对于现有技术，本发明的技术方案在显著降低压载吃水阻力的同时，保持设计吃水和结构吃水的阻力性能基本不变。既适用于油船、散货船、液化气体船等肥大型船，也可适用于像集装箱船这种比较瘦削的中速船。
【附图说明】
[0011]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0012]图1是本发明实施例的船首外形结构横剖线图；
[0013]图2是本发明实施例的船首外形结构侧视图；
[0014]图3是本发明实施例的船首外形结构的部分水线图；
[0015]图4是初始船体外形；
[0016]图5是兼顾设计吃水和结构吃水工况的最佳船首外形结构；
[0017]图6是兼顾压载、设计吃水和结构吃水工况的最佳船首外形结构。
[0018]其中，I为压载吃水水线、2为设计吃水水线、3为结构吃水水线、4为船首20站站线、5为船首19.5站站线、6为船首19站站线。
【具体实施方式】
[0019]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0021]以下将结合附图对本发明的实施例做具体阐释。
[0022]如图1至图3中所示的本发明的实施例的一种兼顾多吃水阻力性能的新型球首，适用多种航行吃水工况的船舶。
[0023]船首进流段一定长度范围内的横剖线在压载吃水高度处附近呈现内凹形状，优选的船首20站站线4、船首19.5站站线5、船首19站站线6在压载吃水水线I附近内凹；在压载吃水高度和设计吃水高度之间则呈现外凸形状，在设计吃水水线2和压载吃水水线I之间外凸，而结构吃水水线3处形状与设计吃水水线2处相当。
[0024]本发明实施例在压载吃水高度处附近内凹部分的作用是使压载吃水水面附近的船首水线进流段形状比较瘦削，减弱首部的兴波和破波，同时改善船首的压力分布，从而明显降低压载工况的船体阻力。压载吃水高度处和设计吃水高度处之间外凸部分的作用是为了兼顾设计吃水和结构吃水的阻力性能；综合两者，最终实现兼顾多种吃水状态的阻力性能的目的。
[0025]如图1至图3中所示，船首进流段的横剖线在压载吃水高度附近呈现内凹形状的一定长度范围，通常是从压载吃水水线I与船首轮廓线的交点开始，向后一般延伸至船首20站站线(首垂线)以后，且延伸长度范围大于零，如图1中所示，优选从船首20站站线4至船首19.5站站线5，直至船首19站站线6。
[0026]船首进流段一定长度范围内的横剖线在压载吃水高度附近呈现内凹形状的内凹程度以直线为临界，只要横剖线在压载吃水高度附近的曲率线指向船体内部，即为内凹。
[0027]船首进流段一定长度范围内的横剖线的内凹形状出现在压载吃水高度附近，意指压载吃水水线I与船首进流段一定长度范围内的横剖线的内凹段有交点。
[0028]本发明的实施例根据目标船型的尺度参数、典型吃水状态、航速和总体布置约束条件，首先，以设计吃水状态为主、兼顾结构吃水的阻力性能，作为优化目标，对船首外形结构进行优化设计，确定满足设计要求的船首外形结构；在此基础上，将一定长度范围内的船首(含球首)进流段在压载吃水附近的宽度减小，使该长度范围内的横剖线在压载吃水附近呈现内凹形状，相应地压载吃水和设计吃水之间横剖线呈现外凸形状，通过优化调节内凹和外凸的程度，最终获得可在明显改善压载吃水阻力性能的同时，保持设计吃水和结构吃水的阻力性能基本不变的最佳船首外形结构。
[0029]上述过程中，通常借助最优化技术、自由变形技术(FFD)、计算流体力学技术(CFD)，以及专家经验完成船首外形结构的优化设计，部分中间方案和最终方案的优化效果通常需要通过水池模型试验验证。有时，根据水池试验结果与数值计算结果之间的差异，对船首外形结构作进一步优化和调整，最终把经模型试验验证的、满足兼顾多吃水工况阻力性能要求的最佳船首外形结构提供实船实施。
[0030]以下是应用本专利技术设计的兼顾多吃水工况的船首外形结构应用于一型液货船的案例。
[0031]根据市场调研和船东需求，确定一型目标船，主要尺度参数、典型吃水状态、航速和约束条件如下:
[0032]总长:183.16m
[0033]型宽:32.25m
[0034]设计吃水高度:11.0m
[0035]结构吃水高度:13.1m
[0036]压载吃水水线:首吃水6.3m，尾吃水8.5m
[0037]排水量:?60000t
[0038]航速14.5kn
[0039]约束条件:球首最前点不得超出总长。
[0040]首先，根据以上参数信息，参考相近船型资料，结合经验，设计一个初始船体外形，如图4中所示；
[0041]其次，在14.5kn的设计航速下，以设计吃水11.0m状态阻力性能为主，兼顾结构吃水13.1m状态下的阻力，进行多方案综合优化设计，选择性能优良的方案进行模型试验验证，得到可同时兼顾设计吃水和结构吃水两种工况的最佳船首外形。与原型相比，优化后的型线球首的重心上抬，如图5中所示。
[0042]最后，在图5船首外形结构的基础上，把18.5站以前的船首进流段在压载吃水高度附近的宽度减小，使横剖线呈现内凹形，以减小压载吃水(首吃水6.3m，尾吃水8.5m)状态下设计航速14.5kn的阻力；同时调整压载吃水和设计吃水之间的外凸形，还调整船首轮廓形状保持排水体积不变，以保持设计吃水和结构吃水状态阻力性能不变。通过对船首的内凹和外凸程度进行优化设计，并经过模型试验验证，最终得到可同时兼顾压载、设计吃水和结构吃水三种工况的最佳船首外形结构，如图6中所示。
[0043]以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
【主权项】
1.一种兼顾多吃水阻力性能的新型球首，适用多种航行吃水工况的船舶，所述船舶设有压载吃水状态和设计吃水状态，其特征在于，所述球首横剖线在压载吃水高度附近呈现内凹形状；在压载吃水高度和设计吃水高度之间、靠近设计吃水高度则呈现外凸形状。2.如权利要求1所述的兼顾多吃水阻力性能的新型球首，其特征在于，所述内凹区域的纵向延伸长度范围为:其最前点可延伸至球首纵向轮廓线的最前端，最后点可延伸至距离船首20站(首垂线)25%船长处。3.如权利要求1所述的兼顾多吃水阻力性能的新型球首，其特征在于，所述船舶包括肥大型船和瘦削的中速船。4.如权利要求1所述的兼顾多吃水阻力性能的新型球首，其特征在于，所述船舶包括油船、散货船、液化气体船和集装箱船。
【专利摘要】本发明公开了一种兼顾多吃水阻力性能的新型球首，属于船舶设计领域，适用多种航行吃水工况的船舶，所述船舶设有压载吃水状态和设计吃水状态，所述球首横剖线在压载吃水高度附近呈现内凹形状，在压载吃水高度和设计吃水高度之间、靠近设计吃水高度则呈现外凸形状。本发明的技术方案在明显改善压载吃水状态阻力性能的同时，保持设计吃水和结构吃水的阻力性能基本不变，从而改善多工况营运船舶的综合油耗成本，提高经济性，减少排放。
【IPC分类】B63B3/46, B63B1/32
【公开号】CN104890809
【申请号】CN201510307286
【发明人】王金宝, 熊小青, 于海, 张越峰
【申请人】中国船舶工业集团公司第七〇八研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月5日