14200DWT级近海散货船方案设计毕业论文
2020-02-18 00:32:40
摘 要
本船为14200DWT近海散货船，以装运固体散货为主，兼装干杂货，诸如煤碳、建材等货物。根据其航道和经济性要求，着重解决船舶对舱容的需求。本次方案设计的主要内容包括绪论、任务书分析、全船设计概述、主尺度确定、型线设计、静水力计算、总布置设计、螺旋桨及舵主要要素确定、稳性计算、吨位丈量、干舷计算等11个部分，其中，借助 CAD 软件绘制了设计船的型线图和总布置图，采用COMPASS软件进行了静水力计算、并对舱容、静水力、稳性进行了详细计算和校核。计算表明，本船稳性、干舷均满足法规要求，设计航速以及舱容等均满足任务设计书要求。
关键词：方案设计；性能计算与校核；COMPASS
Abstract
The ship is a 14200 DWT offshore bulk carrier. It mainly carries solid bulk cargo and dry bulk cargo, such as coal, building materials, etc. According to the requirement of route and economy, the requirement of cabin capacity is mainly solved. The main contents of this project design include introduction, task analysis, summarize of ship design, determination of main dimensions, profile design, hydrostatic calculation, layout design, determination of main elements of propeller and rudder, stability calculation, tonnage measurement and freeboard calculation, etc. Among them, the design of ship's profile and general layout are drawn by CAD, and COMPASS software is used to carry out hydrostatic calculation, and the cabin capacity, hydrostatic and stability are calculated and checked in detail. The calculation shows that the ship's stability and freeboard meet the requirements of the regulations, and the design speed and cabin capacity meet the requirements of the mission design document.
Keys word: project design；performance calculation and verification；COMPASS.
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及发展现状 1
1.2 目的及意义 1
1.3课题研究概述 1
第二章 任务设计书分析 2
2.1 设计船舶要求 2
2.2 此类船型的特点 2
2.3 设计中应解决的中心问题 2
2.4设计方法 3
第三章 全船说明书 4
3.1船舶基本信息 4
3.2载货量及积载因数 4
3.3船级、规范及规则 4
3.4主要要素及性能 4
3.4.1主要尺度及船型系数 4
3.4.2航速、续航力及自持力 5
3.4.3船员定额 5
3.4.4稳性及干舷 5
3.4.5货舱舱容 5
3.5总布置概况 6
3.6舵设备 6
3.8动力装置 6
3.8.1 主机参数 6
3.8.2齿轮箱 6
第四章 船舶主要要素的确定 7
4.1主尺度初步估算 7
4.1.1 初估排水量 7
4.1.2船长L 7
4.1.3船宽B 7
4.1.4吃水d 8
4.1.5型深D 8
4.1.6方形系数CB 9
4.2 载重量DW估算 10
4.2.1 主、辅机选择 10
4.2.2 载重量分项估算 10
4.3性能校核 11
4.3.1浮性 11
4.3.2快速性校核 12
4.3.3初稳性校核 12
4.3.4横摇周期估算 13
第五章 型线设计 14
5.1型线设计概述 14
5.2型线设计方法以及步骤 14
5.3主要型线要素的确定 15
5.3.1棱形系数CP和舯横剖面系数CM的选择 15
5.3.2 浮心纵向位置 15
5.4型线绘制 15
5.4.1母型船型线改造 15
5.4.2作图步骤 16
5.5主要参数 17
第六章 静水力计算 18
第七章 总布置设计和舱容计算 19
7.1总布置设计 19
7.1.1概述 19
7.1.2总体规划 19
7.1.3主体舱室划分 19
7.1.4上层建筑 20
7.2舱容计算 20
7.3 浮态调整及纵倾调整 21
第八章 螺旋桨设计及舵主要要素的确定 22
8.1船舶阻力估算 22
8.2螺旋桨设计 25
8.2.1螺旋桨形式的确定 25
8.2.2已知条件 25
8.2.3螺旋桨设计 26
8.2.4空泡校核 28
8.3 舵主要要素的确定 29
8.3.1舵面积AR 29
8.3.2舵高 29
8.3.3舵宽 29
8.3.4展弦比 30
8.3.5平衡比 30
第九章 干舷校核 31
9.1基本干舷 31
9.2干舷修正 31
9.2.1方形系数CB对干舷的修正 31
9.2.2上层建筑和凸形甲板对干舷的修正 31
9.2.3非标准舷弧对干舷的修正 32
9.2.4甲板线位置对干舷的修正 33
9.3夏季干舷 33
9.4最小船艏高度 33
第十章 吨位 34
10.1概述 34
10.2总吨位 34
10.2.1主甲板以下所有围蔽处所的的型容积V1 34
10.1.2净吨位计算 35
第十一章 完整稳性计算 36
参 考 文 献 46
致谢 48
第一章 绪论
1.1 研究背景及发展现状
自从20世纪50年代中期，船舶海洋运输总体上保持着强劲的增长势头，在国际海洋航运业中，散货船运货占货物总运输的30％以上。且因为货运量比较大，货源非常充足，航线比较固定，装卸效率比较高等因素，所以散货船运输可以获得很好的经济效益，散货船已经成为运输船舶的主要船型。随着世界经济的逐渐发展，散货船运输还会以一种比较好的势头增长。而在我们国内的市场，散货的运输量占货物总运输量的40%左右。从船队的结构情况来看，我国干散货船队船舶的吨位要比世界平均水平低，而且散货船大都已经使用了很久；另外，由于近些年来我国对矿石的进口量增大，从而也导致了散货船货运量的增加，所以，研究散货船仍将是一个非常重要的课题。
1.2 目的及意义
从国际上散货船近五年的订单来看，由于货运量的增加，对2万吨级以上甚至20万吨级的散货船需求比较大，而我的课题是14200DWT级的散货船，虽然是小型散货船，但设计生产源自于需求，该船型仍是有市场需要的，并且通过对该船型的方案设计，也可以增加一些对船舶大型化设计的相关经验。
本次的毕设可以说是对我大学四年所学知识的一次总结。在这四年期间，我学到了很多对于我而言很新奇的船舶相关知识，其中包括了船舶设计原理，船舶推进，船舶的结构性能等。而且，在放假期间，学校还安排我们去多个船厂进行了参观实习，如海门招商重工，江南造船厂，外高桥造船厂，武昌造船厂等，见到了各种船舶的建造过程，从各个生产车间，到船坞码头，学到了很多书本里没有写到的知识以及一些经验性的总结。在这次 毕设的过程中，我会将专业知识转化为实际运用，将理论与实践相结合，这对于我而言，将是一次非常重要的机会。同时，结识了一群船舶生产设计前沿的工程师前辈们，体会了几个月的上班生活， 这也将对我往后的工作有很重要的意义。
1.3课题研究概述
本次设计的主要内容包括绪论、任务设计书分析、全船说明书、主尺度的确定、型线设计、静水力计算、总布置设计、螺旋桨及舵主要要素的确定、稳性计算、吨位丈量、干舷计算等，共计11个章节。
第二章 任务设计书分析
2.1 设计船舶要求
按照设计任务书的要求，本设计船舶应当按遵照中华人民共和国海事局于2012年颁布并实施的《船舶与与海上设施法定检验规则》，以及中国船级社（CCS）于2018年颁布并实施的《钢质海船入级规范》进行相关的设计与检验工作。在设计之初，应当充分考虑任务设计书限定的条件，进而考虑各种相关的制约因素，不断改进完善设计方案，最终，得到一份符合相关规定和法规的方案设计。
2.2 此类船型的特点
1）船型为中机或尾机型，具有较好的推进性能，且制造方便。
2）散货船属于载重型船舶，主要以运输货物为主，所以它的舱容是最主要的考虑因素，而型深对舱容影响最大，设计的时候需要优先考虑。
3）货舱与货舱开口：为便于装载和卸载货物，舱口数与货舱数应该相同，舱口宽度约占船舶宽度的70～80%。
2.3 设计中应解决的中心问题
本设计船舶是一条以运货为主的船舶，在满足任务设计书规定的各项要求的前提下，使本船具有必要的技术能力和性能，从而保证其能完成正常的运输任务，这是设计该船舶时应该首先考虑的因素。本设计船舶为单柴油机驱动、单主机单螺旋桨的散货船，除在设计过程中应该首先保证船舶的舱容和安全性，另外，在设计中还应该保证船舶具有一定的首尾吃水，如满载出港时应该正浮或者适当尾倾，压载到港是应当适当尾倾，以避免在风浪中发生飞车、砰击的现象。
因为本设计船舶为散货船，属于载重型船舶，载货量和舱容对其主尺度的限制是我们应该最优先考虑的，而且运输货物的积载因数较大，设计时不能只按最小干舷为标准，同时应当考虑到船舶的性价比。尽量降低造价，以最小的成本得到最大的运输能力，以得到最大化的收益。
2.4设计方法
本设计船舶采用的是母型船改造法，根据一系列优良的母型船进行合理的近似设计，不断优化自己的设计方案，做到没有最好，只有更佳。并且在满足规范和法规的前提下，突出自己设计方案的优点，最终得到一份较好的设计方案。
第三章 全船说明书
3.1船舶基本信息
船型 | 钢质散货船 |
船舶结构 | 单机、单桨、单舵、连续单甲板 |
航区 | 近海 |
装卸货物类型 | 固体散货为主，兼装干杂货 |
3.2载货量及积载因数
本设计船舶的设计载货量为14107.2t,积载因素不应小于1.4。
3.3船级、规范及规则
见前章任务设计书分析。
3.4主要要素及性能
3.4.1主要尺度及船型系数
总 长： 136.814 m 方 形 系 数： 0.8130
垂 线 间 长： 131.6 m 水线面系数： 0.9203
水 线 长： 134.536 m 舯横剖面系数：0.9935
型 宽： 22 m 棱 形 系 数： 0.8183
型 深： 10.3 m 浮 心 距 中： 1.033 m
设 计 吃 水： 7.6 m 排 水 量： 17889 t
梁 拱： 0.3 m 艏 舷 弧： 0.5 m
站 距： 5.85 m 尾 舷 弧： 0.6 m
3.4.2航速、续航力及自持力
静深水条件下试航速12.7kn,续航力3000 n mile，自持力15 天。
3.4.3船员定额
全船的船员人数总共有16人。
表3.1 船员定额
3.4.4稳性及干舷
稳性、干舷满足中华人民共和国海事局于2012年颁布的《船舶与海上设施法定检验规则》（国内航行海船法定检验技术规则）（下文简称《法规》）要求。
3.4.5货舱舱容
根据COMPASS-RULES（Ver.2010）计算的结果，本设计船舶的货舱总容积为20522.414m3。
3.5总布置概况
总布置概况见总布置设计。
3.6舵设备
船舶舵叶的结构尺寸应满足满足《规范》要求，具体见舵设计。
3.8动力装置
3.8.1 主机参数
型 号： 广柴6G32
功 率： 2665KW / 台*1
转 速： 600 r / min
缸 数： 6 缸
重 量： 36.5 t
油 耗： 185g/(kwh)
3.8.2齿轮箱
型号 GWC63.71
减速比 5:1
第四章 船舶主要要素的确定
4.1主尺度初步估算
4.1.1 初估排水量
本设计船舶属于载重型船舶，由于这类型的船舶载重量系数变化比较稳定，可以通过载重量系数来初步估计本设计船的排水量。母型船与设计船舶载重量相近，取本船载重量系数为：0.7967。
所以，由变形公式，有：
本设计船舶的设计满载排水量为：Δ=17823.5t
4.1.2船长L
按照统计公式，散货船（10000t＜DW＜100000t）：
按型船比值：
综合分析：我们所参考的船都是实船，在实际运行过程中表现良好，说明船长按照母型船比值换算还是比较可取的。而船长越大，空船重量越大，所需建造成本越高，所以，在保证经济性的条件下，船长应在合理范围内取小一些。故，本船船长L=131.6m。
4.1.3船宽B
本设计船舶属于低速运输船，在选择船宽大小的时候，我们应该优先考虑船舶对阻力、稳性以及耐波性的要求。现代散货船一般要求L/B在6～8之间，所以，我们选取船舶宽度的时候应该保证满足这个要求。
由母型船换算公式，有：
得到船宽：B=22.00m。
由统计公式，当散货船（DWT＞10000t）时，有:
得到船宽：B=19.4m。
综合分析：在《规范》中，对散货船要求其船长与船宽的比值大于或等于5，即L/B≥5。而从降低造价的方面来考虑，那么，降低船长L，增大船宽B是有利的。故，本船船宽B=22m。
4.1.4吃水d
由母型船换算公式，有：
代入数值，得到吃水：d=7.399m。
由统计公式，有：
代入数值，得到吃水：d=7.65m。
综合分析：选择吃水时，应当考虑B/d参数，B/d越大，横稳心半径越大，而初稳性高越大，其横摇周期越小。同时，本设计船是近海散货船，属于吃水不受限制的载重型船舶，在一定范围内，取较大的吃水是有利的，所以，本设计船舶的吃水：d=7.6m。
4.1.5型深D
根据母型船换算公式：
计算得到型深：D=10.00m。
根据换算公式：
计算得到型深：D=10.3m。
综合分析：在《规范》中，一般要求散货船： L/D≤17 ；B/D≤2.5，本船L/D=12.78;B/D=2.14。本船船型为载重型船舶，需要较大舱容, 增加型深是提高舱容最有效的措施, 而且，大型船舶的型深船体钢料的影响很小，所以，取本船型深：D=10.3m。
4.1.6方形系数CB
由计算公式，有：
其中，海水密度ρ=1.025（t/m3），取K=1.006，计算得方形系数:CB=0.78
按《船舶设计手册》给出的统计回归公式计算：
其中航行速度VS按kn计。
本船要求试航速度11.5kn，，水线间长LPP=131.6m，型宽B=22m，吃水d=7.6m，算得方形系数：CB=0.81。
综合分析：本设计船舶属于载重型船舶，选择较大的CB，可以减小L，对减轻空船重量是非常有利的。并且，取较大的方形系数有利于增大舱容，所以，取本设计船舶的方形系数：CB=0.805。
根据《钢质海船入级规范》（2018）第二篇第二章第二节校核总纵强度的有关规定，本船
L/B=5.982＞5
B/D=2.136＜2.5
L=131.6m＜500m
Cb=0.805＞0.6
故，无需对总纵强度作特别考虑。
4.2 载重量DW估算
4.2.1 主、辅机选择
在设计船舶的初级阶段，由于相关资料有限，一般都是采用海军系数法对船舶的主机功率进行估算，有：
得：C=389.47
取本设计船舶的海军系数C=389.47.通过取海军系数C=389.47，试航速度V=11.5kn，排水量Δ=17823.5t，以及海军系数法公式估算得设计船舶主机功率P=2664.5kw，取2665kw的主机。初步选择主机为广柴6G32，其主要参数如下：
表4.1 主机参数
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