， ，

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

載重量在2～5萬(wàn)t級(jí)左右的靈便型散貨船以其載重噸位適中,對(duì)航道、運(yùn)河及港口碼頭具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且多配有起卸貨設(shè)備，營(yíng)運(yùn)方便靈活，吃水較淺，世界上各港口基本都可以?？慷鴤涫艽瑬|青睞。正是由于靈便型散貨船航線覆蓋的水域最為廣闊，其壓載水的不當(dāng)處理和隨意排放對(duì)環(huán)境造成的危害也是災(zāi)難性的，為此選用靈便型散貨船作為研究對(duì)象[1]。在對(duì)靈便型無(wú)壓載水艙散貨船船型的開(kāi)發(fā)[2]和研究中，有3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：①如何保證船舶在空載航行時(shí)的艏艉吃水；②在滿足空載吃水的同時(shí)，保證船舶滿載時(shí)的載貨量；③新船型在空載航行和滿載航行時(shí)具有較好的適航性。

1 船型的建立

以武漢理工大學(xué)華東船舶設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)的35 000 DWT級(jí)散貨船為母型船，借鑒荷蘭代爾夫特大學(xué)的單一結(jié)構(gòu)船身設(shè)計(jì)方案并結(jié)合雙尾鰭進(jìn)行型線設(shè)計(jì)。

型線設(shè)計(jì)以母型船設(shè)計(jì)水線下的橫剖面面積曲線基本不變?yōu)榍疤?，主要?duì)母型船的底部型線進(jìn)行倒“凹”形修改，在船舶的底部設(shè)置一個(gè)向后開(kāi)放的內(nèi)凹，同時(shí)增大船寬。變換后的橫剖面面積曲線和母型船基本保持一致，在保證船長(zhǎng)、設(shè)計(jì)吃水、排水量等參數(shù)基本不變的情況下，較好地解決了型線的光順性問(wèn)題。對(duì)比母型船和設(shè)計(jì)船的船舯橫剖面，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)，見(jiàn)圖1。即在設(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(lái)補(bǔ)償，以保證其排水量的要求。

圖1 設(shè)計(jì)船與母型船橫剖面型線形狀

1.1 船舶主尺度的確定

船寬B與船底的內(nèi)凹高度H和內(nèi)凹寬度b存在惟一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。如果區(qū)域A的面積較小，則設(shè)計(jì)船在空載時(shí)的吃水可能不足，不能保證船舶的安全航行；如果區(qū)域A的面積過(guò)大，則設(shè)計(jì)船的船寬增加較大，這樣導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題：①設(shè)計(jì)船的濕表面面積大幅度擴(kuò)大，在低速船摩擦阻力占主要比例的情況下，船舶阻力增大較多；②設(shè)計(jì)船的L/B過(guò)小，這樣可能不滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中長(zhǎng)寬比不小于5，寬深比不大于2.5的要求。綜合考慮雙尾鰭型線的光順和艉部縱向水流的順暢，取設(shè)計(jì)船的船寬為30 m，船底內(nèi)凹高度H為1.5 m。

1.2 船舶艏部型線的特征

艏部型線水下部分較為肥大，這樣處理是為了使船舶的浮心前移，從而產(chǎn)生足夠的艉傾力矩，保證螺旋槳的沉深，見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)計(jì)船的艏部型線

1.3 船舶雙尾鰭型線的特征

艉部采用雙尾鰭線型，阻力性能好、推進(jìn)效率高、船體振動(dòng)小且操縱性好，同時(shí)雙尾鰭船型采用雙機(jī)、雙槳、雙舵，不僅使螺旋槳直徑大大減小，降低了其沉深高度，而且艉下沉和淺水阻力也較小，這是采用雙尾鰭線型的主要原因之一。

以下參數(shù)對(duì)雙尾鰭型線的影響較為關(guān)鍵。

1) 艉軸高度。母型船的艉軸高度為3.2 m，由于采用雙尾鰭線型后，采用雙機(jī)雙槳，此時(shí)的主機(jī)功率取為母型船主機(jī)的一半。母型船的主推進(jìn)裝置如下：采用1套MAN B&W 6S42MC-MK7主機(jī)，最大持續(xù)功率(MCR)及轉(zhuǎn)速為 6 480 kW×136 r/min，螺旋槳直徑為5.2 m。因此，設(shè)計(jì)船的主推進(jìn)裝置采用2套MAN B&W 5L35MC6主機(jī)，最大持續(xù)功率(MCR)及轉(zhuǎn)速為 3 250 kW和210 r/min，螺旋槳直徑為3.3 m?？紤]主機(jī)的底座高度和機(jī)艙艙底機(jī)座縱桁的結(jié)構(gòu)尺寸后，艉軸高度H=0.55+2.20=2.75 m,考慮一定的誤差和安裝間隙，設(shè)計(jì)船的艉軸高度取為2.80 m。

2) 底切點(diǎn)。中剖線與基線的夾角α應(yīng)該控制在13°以下為宜,最好不要大于10°。本設(shè)計(jì)船在處理艉部型線時(shí)，通過(guò)控制底切角的位置，將α始終控制在10°以下[3]。

3) 艉軸間距。艉軸間距決定片尾的肥瘦程度。b/B=0.5～0.6，都不致于引起性能上質(zhì)的變化。因此本設(shè)計(jì)船的艉軸間距b/B=0.588。

設(shè)計(jì)船艉部的型線見(jiàn)圖3。

圖3 設(shè)計(jì)船的艉部型線

1.4 設(shè)計(jì)船空船重量的估算

對(duì)設(shè)計(jì)船進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，據(jù)此估算設(shè)計(jì)船的空船重量和重心。因除船寬B外，船舶主尺度并沒(méi)有變化，故采取和母型船同樣的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算主要構(gòu)件尺寸。計(jì)算表明設(shè)計(jì)船的結(jié)構(gòu)尺寸與母型船基本一致，設(shè)計(jì)船的空船重量為9 618.2 t，重心高度為8.783 m[4]。

1.5 設(shè)計(jì)船的浮態(tài)和裝載計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)船型線，參考母型船的艙室分布，進(jìn)行靜水力和各種裝載情況下的穩(wěn)性計(jì)算,見(jiàn)表1。

表1 母型船和設(shè)計(jì)船各參數(shù)的對(duì)比

空載出港時(shí)，船舶的艏艉吃水分別為2.251 m和4.737 m，保證螺旋槳完全浸沒(méi)；同時(shí)縱傾值為2.486 m，小于0.015L，滿足《雙舷散貨船指南》對(duì)壓載時(shí)艉傾及艏吃水的要求。

結(jié)構(gòu)吃水出港時(shí)，船舶的艏艉吃水分別為9.762 m和10.620 m ，排水量為43 243.2 t，減去空船重量得船舶載重量為33 625.0 t。

可見(jiàn)，設(shè)計(jì)船型線滿足空載時(shí)的吃水要求和滿載時(shí)的載貨量的要求。

2 耐波性分析

采用由DNV開(kāi)發(fā)的Wasim軟件計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)。

將母型船和設(shè)計(jì)船的型值編入*.pln文件，載入到Wasim中，并設(shè)置船舶的參數(shù)，包括：船舶的浮態(tài)、重心位置以及船舶的橫向、縱向和垂向的慣性半徑等。此處，慣性半徑橫向取0.30倍的船寬，縱向和垂向取0.25倍的船長(zhǎng)。然后輸入網(wǎng)格參數(shù)，Wasim會(huì)對(duì)模型及自由表面自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖4。

圖4 Wasim進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格劃分

分別針對(duì)設(shè)計(jì)船的空載狀態(tài)和重載狀態(tài)以及母型船的壓載狀態(tài)和重載狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，船舶表面的縱向和周向網(wǎng)格數(shù)目為40×12，網(wǎng)格分布的半徑范圍取為5倍船長(zhǎng)，最小時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s，計(jì)算總時(shí)間為600 s，假定設(shè)計(jì)航速為13.4 kn。

2.1 船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度中，尤以垂蕩、橫搖、縱搖對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響最為顯著，這3個(gè)自由度的響應(yīng)分別見(jiàn)圖5～9。

圖5 設(shè)計(jì)船與母型船順浪時(shí)的升沉響應(yīng)

圖6 設(shè)計(jì)船與母型船迎浪時(shí)的升沉響應(yīng)

圖7 設(shè)計(jì)船與母型船正橫浪時(shí)的橫搖響應(yīng)

圖8 設(shè)計(jì)船與母型船迎浪時(shí)的縱搖響應(yīng)

由于船舶艏艉形狀不對(duì)稱(chēng)，因此在迎浪航行時(shí)同時(shí)發(fā)生垂蕩和縱搖，即耦合影響。一般，波長(zhǎng)與船長(zhǎng)比對(duì)縱搖和垂蕩的影響最大，航速其次。由于設(shè)計(jì)船和母型船的船長(zhǎng)和計(jì)算航速一樣，故設(shè)計(jì)船和母型船的縱向運(yùn)動(dòng)在相同裝載情況應(yīng)基本處于同一水平，圖5、6、8、9可以驗(yàn)證。

圖9 設(shè)計(jì)船與母型船順浪時(shí)的縱搖響應(yīng)

觀察圖7發(fā)現(xiàn)，在相同裝載情況下，設(shè)計(jì)船的橫搖響應(yīng)曲線的峰值比母型船小很多，而且收斂得更快。這主要是由于設(shè)計(jì)船較母型船船寬增加，導(dǎo)致設(shè)計(jì)船的橫穩(wěn)心高度較大，從而橫搖阻尼增大，橫搖周期減小。

2.1 船舶運(yùn)動(dòng)的短期預(yù)報(bào)

在圖10～12中，其橫坐標(biāo)為特征周期，縱坐標(biāo)分別為單幅有義垂蕩、單幅有義橫搖和單幅有義縱搖對(duì)有義波高的比值。一旦清楚某海況的特征周期和特征參數(shù)，結(jié)合船舶運(yùn)動(dòng)的頻響譜進(jìn)行計(jì)算，就能非常方便地得到該海況下船舶運(yùn)動(dòng)的短期預(yù)報(bào)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)船空載時(shí)的垂蕩、橫搖和縱搖單幅有義值略大于母型船壓載時(shí)的值，但相差不多，仍在允許的范圍內(nèi)；設(shè)計(jì)船重載時(shí)的垂蕩、橫搖和縱搖單幅有義值與母型船重載時(shí)的值基本處于同一水平。

圖10 迎浪時(shí)的升沉短期預(yù)報(bào)

圖11 正橫浪時(shí)的橫搖短期預(yù)報(bào)

3 結(jié)論

1) 將雙尾鰭艉型與單一結(jié)構(gòu)船身結(jié)合起來(lái)，在設(shè)計(jì)水線下橫剖面面積曲線不變的前提下，在母型船的基礎(chǔ)上進(jìn)行型線設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)的型線能夠滿足空載時(shí)的吃水和滿載時(shí)載貨量以及穩(wěn)性要求，在惡劣海況下，可能須加載少量的壓載水以保證船舶安全。可見(jiàn)，該型線可基本實(shí)現(xiàn)靈便型散貨船的無(wú)壓載水化。

圖12 迎浪時(shí)的縱搖短期預(yù)報(bào)

2) 分析耐波性理論計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)船與母型船在相同裝載情況下的耐波性能，除個(gè)別情況略差之外，基本處于同一水平；同時(shí)只要給出升沉、橫搖和縱搖的短期預(yù)報(bào)曲線，可以很方便地計(jì)算出各種海況下的垂蕩、橫搖和縱搖的單幅有義值，供船舶設(shè)計(jì)參考。

3) 本船型尚處于初步研究階段，接下來(lái)還有很多工作要做，包括進(jìn)一步的適航性分析、阻力分析、快速性分析、經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算等，只有通過(guò)更多性能的計(jì)算分析才能更好地總體評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的可行性。

[1] MICHAEL G.PARSONS, MILITIADIS KOTINIS. Further development and optimization of the ballast-free ship design concept[R].USA:The University of Michigan, 2008：1-4.

[2] 趙橋生，張錚錚.無(wú)壓載水船舶的研究進(jìn)展[J].艦船技術(shù)，2009，(7)：17-19.

[3] 李世謨.雙尾節(jié)能船型[J].中國(guó)造船，1988，(1)：69-75.

[4] 韋俊凱，林 焰.V型無(wú)壓載水船舶型線設(shè)計(jì)變換研究[J].中國(guó)艦船研究，2010，(1)：24-27.