船型對阻力的影響.

1、高等教育自學考試畢業(yè)設(shè)計（論文）學 院專 業(yè)學生姓名班級學號指導教師目錄摘要 3第一章緒論 4第二章船型對阻力影響的基本概念 52.1 船型、航速與阻力性能之間的關(guān)系2.2 確定影響阻力的船型參數(shù)2.3 船型對阻力影響問題的研究方法第三章船體主尺度的影響 63.1 排水量長度系數(shù)對阻力的影響3.2 寬度吃水比的影響第四章主要船型系數(shù)的影響 114.1 棱形系數(shù)的影響4.2 船中橫剖面系數(shù)的影響4.3 方形系數(shù)的影響第五章 橫剖面面積曲線形狀的影響 165.1 浮心縱向位置的影響5.2 平行中體長度和位置的影響5.3 橫剖面面積曲線兩端形狀的影響第六章首尾端形狀的影響 196.1 首尾橫剖面形狀

2、6.2 船首柱、尾柱形狀6.3 球鼻艏對阻力的影響6.4 特殊船尾形狀結(jié)束語 .25致謝 .26參考文獻 .27附錄 .28摘要船舶設(shè)計中一個重要步驟是確定船型參數(shù)，就是確定表征船體水線以下部分的一些特征參數(shù)的數(shù)值和幾何形狀。但應(yīng)該指出，船舶設(shè)計是一個必須考慮各種因素的綜合性問題，船型參數(shù)的選擇應(yīng)顧及總體布置、工藝結(jié)構(gòu)、快速性、耐波性、穩(wěn)性、航區(qū)和經(jīng)濟性等諸多方 面既有聯(lián)系又有矛盾的各種要求。關(guān)鍵詞：船體主尺度、主要船型系數(shù)、橫剖面面積曲線、首尾端形狀第一章緒論船舶設(shè)計建造部門總希望所設(shè)計建造的船舶具有優(yōu)良的航行性能，用船部門理所當然要求所屬的各類船舶都具有優(yōu)良的航行性能。概括來說，所謂優(yōu)良的

3、航行性能大體包括：船舶是否具有合理的浮態(tài)和足夠的穩(wěn)性，是否屬低阻力的優(yōu)良船型， 推進器的效率是否最佳，推進器與船體及主機是否匹配，是否具有良好的航向穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性，在風浪中航行時是否會產(chǎn)生劇烈的搖擺運動以及砰擊、甲板上浪及失速等，但在實際造船工作中，判斷船舶是否具有優(yōu)良的航行性能是有一定衡量指標的，有些指標因素考慮到航海安全而由船籍社乃至國際組織規(guī)定必須滿足的硬指標，有些指標則是與長期積累的優(yōu)秀船型資料相比較而判定的。所有這些指標都和船舶的主要尺度、船體形狀、裝載情況等密切相關(guān)。因此，本文中所討論的眾多問題，都是船舶設(shè)計、建造和營運乃至新型船舶的研究開發(fā)需要用到的專門基礎(chǔ)知識第二章 船型對阻力

4、影響的基本概念2.1、船型、航速與阻力性能之間的關(guān)系2.1.1 .優(yōu)良船型的含義船型對阻力性能的影響是與船速密切聯(lián)系的，在不同速度范圍內(nèi)，船型參 數(shù)對阻力的影響不僅程度上不同，甚至還有本質(zhì)上的差別，因此，所謂阻力性能優(yōu) 良的船型是對某一定速度范圍而言。2.1.2 船舶分類及其主要阻力成分低速船航速較低，興波阻力很小，其總阻力中摩擦阻力與粘壓阻力占主要成分，中速船的航速較低速船有所增大，興波阻力成分隨之增大，故在設(shè)計過程中既要注意減小興波阻 力，又要防止其他阻力成分的增長。高速船的興波阻力是總阻力中的主要成分，有時可達50%以上。為此，設(shè)計中應(yīng)力求減少興波阻 力。2.2、確定影響阻力的船型參數(shù)

5、船型參數(shù)主要包括三個方面：(1) 主尺度比：有長寬比 L/B,寬度吃水比 B/d。(2) 船型系數(shù)：有方形系數(shù) Cb，棱形系數(shù) Cp,船中橫剖面系數(shù) Cm以及排水體積長度系數(shù)I/L。所述的六個船型參數(shù)，并非完全獨立，存在如下兩關(guān)系：Cp = C b / Cm因而上述六個參數(shù)中，可取四個作獨立參數(shù)。即:'/L、 Cm、Cp 或 Cb(3) 船體形狀：表征船體形狀的因素很多，可歸納為三個主要方面： 橫剖面面積曲線的形狀：可由浮心縱向位置xc,平行中體長度 Lp和位置，以及曲線兩端的形狀來表征。 滿載水線面的形狀：可以由滿載水線面的面積，滿載水線平行中段，滿載水線首 尾端的形狀以及滿載水線首

6、端半進角等因素表征。 首尾形狀：包括首尾橫剖面形狀和縱剖面形狀。若上述諸方面的各項參數(shù)、特征一定時，船的形狀可以說基本上確定，故總阻力系 數(shù)表達式可改寫成：Ct = f ('、 旦、Cp、Cm、船體形狀、Fr)L3d2.3、船型對阻力影響問題的研究方法由于目前還不可能用理論計算方法來確定船型諸參數(shù)對船體阻力的影響, 所以現(xiàn)在解決這個問題的主要手段是船模系列試驗方法。派生系列船模改變船型的方式有兩種：一種為仿射變化；另一種是改變線型特征的方式。第三章船體主尺度的影響3.1排水量長度系數(shù)對阻力的影響船型參數(shù)f oil 3的變化可以由兩種情況所引起：若在排水量一定時：要求船中橫剖面系數(shù)Cm,

7、 Cp和不變，則的；的變化是由同時改變寬度和吃水并相應(yīng)改變船長B/d都保持L而得到若船長L 一定時：要求 Cm、Cp和B/d均保持不變，貝U的變化是由同時改變 B和d以致由變化而得到的。3"0.01L3.1.1 .由船長變化，討論0.01L -的影響(1)對摩擦阻力影響由于濕面積可按 S = Cs . L估算，在參數(shù) Cm, Cp和B/d不變情況下，Cs近似 為常數(shù)，因此可認為在排水量一定時，S與L 1/2成正比關(guān)系。由此可知，船長增大時，濕面積將隨之增加，而一般說來船長增大時, 增大所引起的摩擦阻力系數(shù)減小是極微的。因此增大船長 (或減小 擦阻力增加。以致Re)將使摩(0.01L)

8、3(2)對剩余阻力的影響因為在排水量一定時，增加船長，必 定要求B、d同時減小，其L/B增大，所以船 型變得較瘦長，這樣對剩余阻力產(chǎn)生的影響 反映在兩個方面：一方面，船型瘦長，將使 粘壓阻力下降；另一方面，船寬B，吃水d減小，將使興波阻力下降。顯然，在一定時，增加 L將使剩余阻 力下降。(3)對總阻力的影響由于在一定時，增長L的結(jié)果使摩擦阻力Rf和剩余阻力Rr產(chǎn)生完全相反的影響,因而對總阻力的影響作用將取決于Rf與Rr兩者增減的數(shù)值而定。但由前知，對于不同航速的船舶說來，Rf和Rr占總阻力的比重是不同的，因而船長對總阻力的影響也將是不同的。 對低速船:Rf占總阻力的主要成分，可達總阻力的70%

9、以上。而Rr所占比例較小，因此當排水量一定時，增長L時(即減小耗)，剩余阻力的減小值不大，因此總阻力幾乎無甚下降。如果L過大時，總阻力反而增大。 對高速船：由于Rr占總阻力的比例很大，因此隨著 船長增大，即耗 減小，總阻力的變化情況與低速船有所不同，.當航速Vs 定時：如果船長較短時，Rr很大，因此增大船長，Rr下降相當明顯，Rr的減小值 大于Rf的增加值，因而總阻力的減小相當顯著。隨著船長繼續(xù)增加，或麗右 繼續(xù)減小，Rr的下降漸趨緩慢，總阻力的減小趨勢減緩，直至出現(xiàn)對應(yīng)于總阻力最低點的最佳船長Lopt;如果進一步再增加船長，總阻力反趨增大。因為當船長增加到一定程度后， Rr并沒有更多的減小，

10、(a)(b)圖川-1排水量長度系數(shù)對阻力影響的示意圖(a)低速船情況(當=常數(shù));(b)高速船情況(當=常數(shù))。(4) 船長的選擇必須考慮的幾個方面的要求 布置要求：滿足船舶使用要求，使艙室布 置符合要求； 阻力性能：盡量選擇對應(yīng)于船體阻力性能良好的船長；操縱性：船長與操縱性關(guān)系密切，船過長，其回轉(zhuǎn)性差，要考慮港口、航道內(nèi)的操 縱性問題； 經(jīng)濟性：如果在最低阻力所對應(yīng)的最佳船長附近范圍的總阻力差別不大時，應(yīng)選用阻力并不過高的最短船長，以降低船體造價。(5) 確定船長的經(jīng)驗公式巴士久寧公式Ldisp = 0.305 x C 1/3艾亞公式艾亞對一般民用船的長度、排水量與速度關(guān)系以下式表示，其平均

11、數(shù)值:=3.344 + 10.225 Fr巴士久寧公式適用于 = 160042000t的各類民用船。p.01L j 適用于Lbp = 120140m的商船。 諾吉德公式該公式比較簡單，給出的長度排水體積1/3=2.3 u s系數(shù)與航速的關(guān)系式為L0.01L 32.由排水量變化，討論(1)對摩擦阻力影響 因為在一定船長時，RfSoC 的影響Rf / 隨S /而變，并且:八L 1:比 * 由此知增大排水量，即排水量長度系數(shù)增加時，單位排水量摩擦阻力Rf /30.01L將減小。(2)對剩余阻力的影響同樣地，由同時增大當船長不變時，增大排水量是B、d實現(xiàn)的。因此不但興波阻力將增大，而且由于船型變肥，粘

12、壓阻力亦 隨之增大。剩余阻力 Rr必然增大。對于低速船，可以認為影響是不大的。(0.01L 3對Rr / 的圖川-2排水量長度系數(shù)對Rr / 影響(a)Fr = 0.208;(b)Fr=0.298排水量長度系數(shù)對 Rr / 影響(a)Fr = 0.208;(b)Fr排水量長度系數(shù)對Rr / 影響(a)Fr = 0.208;(b)Fr59753A/(0.1L)3/(0.1L)3圖6-5 排水量長度系數(shù)對 Rr / A影響c人681234(a)Fr = 0.208; (b)Fr1量長度系數(shù)對 Rrr = 0.208; (b)Fr1量長度系數(shù)對300rr = 0.208;1圖6-5排水c> =

13、°8 圖(a)F6-5排水亠 10.75(a)FL a. =0.70I 一一一 一 一 0.65 - -11 _ -1/'” 10.60Cp = 0.5,h r -)5B/d = Fr =2.250.208(b)Fr250200A150100/ A影響1 11 1/ A影響Cp = 0.8°/ / 0.75/ / z / / °.55/ 0.700 60/ /Cp = 0.65I/B/d二 2.25Fr = 0.29850100150200250A/(0.01_)350 100A/0.01L)3150對于高速船，由圖Rr/ 將有明顯增加。(3)對總阻力的影

14、響低速船：當增大高速船：由于川-2(b)知(0.01L 3(0.01L 3的影響相當敏感，隨著該系數(shù)增大,Rr減小時，Rr/ 將下降,時，Rf/ 將減小，但Rr/ 卻幾乎保持為常數(shù)。 /A在總阻力中占重要比重，一般說來，當Rt/ 亦是下降的。(0.01L)33 .不同船舶的(0-01L f選取(1)低、中速船的 隨著航速增大，則應(yīng)降低A0.01LA0.01L宜取適當大一些;值，對阻力性能是有利的。(2)高速船的 以高速船船型瘦長，低速較低速船要小得多，所 肥。對應(yīng)于不同航速應(yīng)該存在3.2寬度吃水比的影響的最佳曲線。321. B/d對摩擦阻力的影響討論B/d對摩擦阻力的影響，亦即討論B/d變化對

15、濕面積的影響，試驗資料認為在B/d = 2.253.75的實用范圍內(nèi)變化時，對摩擦阻力的影響很小。3.2.2. B/d對剩余阻力的影響B(tài)/d對剩余阻力的影響要看B和d分別影響的大小而定：一般認為船寬B增大時，船體的散波波高增大；吃水 d增大時橫波的波高增大。而改變 B/d是由 B、d兩者相反變化而得。因此兩者對興波的影響，反映在剩余阻力有相反影響作用4.03.63.22.82.42.01.02)Smin*、 、S min、V、/1.02)Smin0.400.500.600.700.80Cb圖川-3對應(yīng)最小濕面積的B/d值對應(yīng)最小濕面積的B/d值200r1 rB/d= 2.25I1'Fh

16、l11 / 卅/ ” ITT/ /¥B/d= 3.75 -i 十7 ti 1 f W rtr 1 f/'寸!;r . 1 ； V / 7/.'C)=0.(0.'3070J1J lJ X/r Jr1jr! <1 / / # i1It/I1/ !l'J I J /10.(50T t7if1*中Jr1-0.(50/ :i /補/ /!/ /1 / / L / /fX/ / / / /( 0/31L)=5).25/圖6-7對應(yīng)最小濕面積的B/d值0.200.250.300.350.40 Fr150100500.60.81.01.21.4V/ L圖川-4

17、B/d對Rr/ 的影響3.3.3. B/d 對總阻力影響由上述知，B/d對總阻力將有所影響，但是這種影響作用往往是不大的。一般根據(jù)試驗統(tǒng)計資料認為可近似估計這種影響，對于低中速船，在常用的B/d范圍內(nèi)，當B/d值增加0.1時，將使總阻力增加0.50%0.75%，而高速船相應(yīng)增加要大些。第四章主要船型系數(shù)的影響4.1、棱形系數(shù)的影響Cp=/ L Am圖W -1不同Cp值的橫剖面面積曲線3Cp 二 0.80Cp 0.50 /(0.01L)=常數(shù)4.1.1 棱形系數(shù)對阻力的影響(1) cp對Rf的影響一般認為Cp對摩擦阻力的影響可不予考慮。(2) Cp對Rr的影響棱形系數(shù)對剩余阻力的影響是很大的。1

18、00A9 _ 1/o3 廠jr_汀/JTF1 X0-i / / 1最佳Cp / / 303?/ / 1_一 / 7 X / 才/ / >/ / /X0.29/ f/ 一LV-0.27”一-£_亠I"""h _ 亠 4rzzT一一200150500.70.6Cp0.80.50棱形系數(shù)對剩余阻力的影響，隨航速而發(fā)生變化的原因如下：低速時，由于興波阻力極小，因而棱形系數(shù)對阻力的影響甚微；中速時，船的興波作用主要在船首尾兩端，棱形系數(shù)Cp小者，首尾尖瘦,對減小興波有利。在高速時，整個船體均產(chǎn)生較大的興波作用，若排水體積沿船長分布比較均勻，則有利于緩和興波作

19、用。因此取適當大的Cp值時，其剩余阻力反而較小。圖W -3 Cp值與船首形狀、水壓力的關(guān)系棱形系數(shù)對剩余阻力的影響，隨航速而發(fā)生變化的原因是與不同航速時的興波 情況有關(guān)。低速時，Cp對阻力的影響甚微； 中速時，選擇較小的 Cp值有利。 高速時，取適當大的 Cp值。4.1.2 .最佳棱形系數(shù)曲線Fr0.800.700.600.500.501.00 V/ L1.502.00Cp 0.150.200.300.400.50圖W -4 最佳棱形系數(shù)曲線4.1.3 經(jīng)驗公式確定棱形系數(shù)(1) 楚思德(Troost)公式(2) 貝克(Baker)公式(3) 直接利用設(shè)計資料=1.85 - 1.6 CpCp

20、= 1.02 -10 A1/6實際棱形系數(shù)可按圖當 Fr V 0.24 時：Fr = 0.240.30 時：4.2、船中橫剖面系數(shù)的影響6-6選取；也可由下式計算:Cp = 1.015-1.46FrCp = 0.325Fr12圖W -5兩種船中橫剖面形狀89.8cm71.6cmCm= 0.70Cm=1.10421. Cm對阻力的影響基于泰洛的試驗結(jié)果和其他類似試驗結(jié)果，總是認為Cm對阻力的影響并不重要。4.2.2. Cm值的選取Cm值的選取實際上是取決于方形系數(shù)Cb。圖IV -5民用船的Cm與對應(yīng)的Cb曲線4.3、方形系數(shù)的影響圖 V -6 不同F(xiàn)r時的Cb、Cp、Cm相應(yīng)關(guān)系4.3.1. 方

21、形系數(shù)對阻力影響方形系數(shù)Cb對摩擦阻力的影響比較小，但對剩余阻力的影響較大, 速較高的船的影響更為顯著。 根據(jù)不同F(xiàn)r數(shù)，可確定臨界方形系數(shù):Cbc = 1.05 -1.68 Fr （對于服務(wù)速度）Cbc = 1.08 -1.68 Fr （對于試航速度）(2)根據(jù)Cp、Cm和Cb三者關(guān)系確定：由于Cp、Cm和Cb三者之間存在著密切聯(lián)系，圖6-16是商船在不同尤其是對航Fr數(shù)時的三者的0.750.700.650.601.000.950.900.850.550.150.200.250.30 Fr圖W -7 Cb對阻力性能的影響第五章橫剖面面積曲線形狀的影響0.80橫剖面面積曲線形狀可以由下列幾方面

22、來表征:相應(yīng)曲線值，可供設(shè)計時應(yīng)用。浮心縱向位置XC ； 平行中體長度Lp和位置； 橫剖面面積曲線兩端的形狀。5.1、浮心縱向位置的影響5.1.1 .浮心縱向位置對阻力的影響由于浮心縱向位置的改變，對船體濕面積影響不大，故對摩擦阻力影響很小，然而對剩余阻力的影響比較大。列表說明如下:浮心位置變化XC：由船中之前 T船中之后船體形狀改變船型：首部肥、尾部瘦T首部瘦、尾部肥剩余阻力的影響粘壓阻力：由較小T變?yōu)檩^大 興波阻力：由較大T減小5.1.2 不同船型的xc選擇0.550.600.65Cb0.700.750.80Ji*/、AT、1VA服務(wù)扌速度°、V）試航吭速度*/ f 1Tf0.8

23、543211234XC 距舯（Lbp ）圖V -I 系列60的最佳浮心位置5.2、平行中體長度和位置的影響5.2.1 .平行中體對阻力的影響在排水體積一定的情況下，適當?shù)卦O(shè)置平行中體可使船首尾兩端尖瘦，在中低 速情況下，對減小興波阻力和粘壓阻力均有利，這是對阻力性能有利的一面。但另 一方面，由于平行中體的存在，船的前體（進流段）和后體（去流段）與平行中體之間將形成前肩”和后肩”易于產(chǎn)生肩波和旋渦，這是對阻力性能不利的一面。對高速船，如果設(shè)置平行中體，必然使船首過分瘦削，水線成為S形，這樣在較高航速時， 首部波浪水壓力的水平分量將增大，因而阻力增大。522 .確定平行中體長度和位置0.80.50

24、.60.7V/ L(b)(a)圖V -2平行中體長度和位置的確定（a）Lp/Lbp與 V/L?的關(guān)系；（b）系列60的Lp和Le值。此外，平行中體長度和位置亦可直接根據(jù)最短進流段和最短去流段要求而確定。 由興波阻力和粘壓阻力部分討論知：避免前肩波系干擾的最短進流段要求為：Le= 0.257Vs，即色L 9.474 Fr匕 L min避免嚴重旋渦的最短去流段要求為:斗 4.08< L 7minCm BLr = 4.08 ” 心即5.3、橫剖面面積曲線兩端形狀的影響不同航速船舶的橫剖面面積曲線兩端的形狀可概括為:低速船：兩端宜為直線形；中速船：前端宜取微凹或凹形，后端直線或微凹; 高速船：兩

25、端宜取直線或微凸。圖V -3橫剖面面積曲線的兩端形狀第六章首尾端形狀的影響6.1首尾橫剖面形狀6.1.1. 橫剖面形狀的形式按程度不同又可分為極端U形、V形，和緩和U形、V形（又稱中U形和中V形）如圖V -1所示。緩和形 一-緩和V形圖W -1不同的橫剖面形狀6.1.2 .橫剖面形狀對阻力影響及選擇1)首部橫剖面形狀：低速船取V形較佳，一般對中高速船以采用U形為佳。(2)尾部橫剖面形狀：從阻力觀點來看，采用V形剖面。從推進觀點來看，尾部采用U形剖面可使伴流比較均勻，因此船體振動較小,特別對提高單螺旋槳效率有利。6.2、船首柱、尾柱形狀6.2.1 .船首柱形狀(c)(f )圖W - 2各種船首型

26、6.2.2 .船尾柱形狀(a)圖W -3 各種船尾外型6.3、球鼻船首(亦稱球鼻首)對阻力的影響6.3.1. 球鼻船首的減阻機理(1) 減小興波阻力；(2) 減小舭渦阻力：(3) 減小破波阻力。選用球鼻船首的 界限速度一般說來，只有當航速大于某一值時，球鼻船首才會顯示其減阻作用。該航速值稱為球鼻船首的界限速度”。估算公式有：中速貨船：FJb = 0.644 - 0.641Cb;低速肥大型船：Frb = 0.582 - 0.493Cb。所以首先要判定設(shè)計航速時的Fr數(shù)是否大于F"b，然后決定是否選用球鼻船首。6.4、特殊船尾形狀6.4.1 .方 尾方尾的最主要優(yōu)點在于：它的尾部縱剖線坡

27、度緩和近于直線。這樣可使水流大致沿縱剖線方向流動，減少高速水流的扭轉(zhuǎn)和彎曲程度，如圖W-4(a)所示。從而可減少能量損失，可改善阻力性能。更重要的是由圖W -4(b)可見，高速水流沿著方尾邊緣一直延伸到尾后相當?shù)木嚯x處，其作用相當于增加了船體的有效長度，這 樣摩擦阻力并未增加，但對減小剩余阻力是有利的。方尾的這種作用通常稱為虛長 度作用。此外，由于方尾的尾部排水體積較大可以減小航行過程中的尾傾現(xiàn)象，從 而使尾部產(chǎn)生的雞尾流”波浪情況得到改善。(b)圖W -4 方尾(a)方尾尾部流動狀態(tài)；(b)方尾的虛長度”幺士由I五結(jié)束語本研究及學位論文是在我的導師曾教授的親切關(guān)懷和悉心指導下完成的。 他嚴肅的科學 態(tài)度， 嚴謹?shù)闹螌W精神， 精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項 目的最終完成， 孫老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。 兩年多來， 曾教授不僅在學 業(yè)上給我以精心指導， 同時還在思想、 生活上給我以無微不至的關(guān)懷， 在此謹向曾老師致以 誠摯的謝意和崇高的敬意。在此， 我還要感謝在一起愉快的