船舶設(shè)計(jì)原理第2章

船舶設(shè)計(jì)原理(Ch2)§2-2空船重心的分析估算§2-1概述§2-3載重量估算§2-4重心估算第二章船舶重量與重心重量方程式△＝∑W=LW十DWLW＝Wh十Wf十Wm§2-1概述一重量方程式與浮性方程式式中，LW:空船重量(t)Wh:船體鋼料重量(t)Wf:木作舾裝重量(t)Wm:機(jī)電設(shè)備重量(t)DW:載重量(t)，包括貨物、船員及其行李、旅客及其行李、燃油、滑油及爐水、食品、淡水、備品及供應(yīng)品等重量。***載貨量Wc***浮力方程式

△＝ρ▽

＝ρkLBTCb式中,ρ:水的密度(1t／m3,1.025t／m3)

▽:該裝載情況下的型排水體積(m3)k:附體體積系數(shù)，通常為1.004—1.01L:船長(zhǎng)（m）,通常指垂線間長(zhǎng)，即LppB:型寬（m)T:吃水（m)Cb:方形系數(shù)浮性方程式△＝∑W=ρkLBTCb§2-1概述

空船排水量：△

≈LW指新船竣工交船時(shí)的排水量其中的機(jī)電重量是濕重滿載排水量：△＝LW十DW裝載了預(yù)定的全部載重量時(shí)的排水量滿載排水量也稱為設(shè)計(jì)排水量（如果重量估算準(zhǔn)確）壓載排水量：無(wú)貨空放航行時(shí)，加載一定壓載水。民船常以滿載載況作為設(shè)計(jì)狀態(tài)、它是決定船舶主要要素的基礎(chǔ)。§2-1概述二民船典型載況§2-1概述在船舶規(guī)范中對(duì)各類船舶的典型載況都有規(guī)定對(duì)于內(nèi)河貨船，設(shè)計(jì)中通常取四種典型載況滿載出港---設(shè)計(jì)狀態(tài)；滿載到港---這時(shí)的油水等重量、規(guī)定為設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)油水儲(chǔ)備量的10％(不包括滑油）；空載出港---船上不載運(yùn)旅客與貨物。但油水儲(chǔ)備量為設(shè)計(jì)狀態(tài)的100％；空載到港---船上不裝載旅客與貨物，而油水等為其總儲(chǔ)備量的10％；§2-1概述在船舶規(guī)范中對(duì)各類船舶的典型載況都有規(guī)定對(duì)于海船干貨船，設(shè)計(jì)中通常取四種典型載況滿載出港---設(shè)計(jì)狀態(tài)；滿載到港---這時(shí)的油水等重量、規(guī)定為設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)油水儲(chǔ)備量的10％；壓載出港---船上不載運(yùn)貨物，有所需的壓載水。但油水儲(chǔ)備量為設(shè)計(jì)狀態(tài)的100％；壓載到港---船上不裝載貨物，有所需的壓載水而油水等為其總儲(chǔ)備量的10％；§2-1概述

直接影響船舶經(jīng)濟(jì)性和航行性能重量設(shè)計(jì)得過輕：船的實(shí)際重量值將大于計(jì)算值、重力大于浮力，實(shí)際吃水將超過設(shè)計(jì)吃水，①必須減載航行。②船舶干舷減小，船舶大角穩(wěn)性與抗沉性難以滿足。甲板容易上浪．船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也可能不滿足要求。重量計(jì)算得過重：船舶尺度選擇勢(shì)必偏大。重心縱向位置計(jì)算誤差過大：船將出現(xiàn)較大縱傾，影響船舶的浮態(tài)、快速性與耐波性；船舶重心高誤差過大：影響船舶穩(wěn)性與橫搖性能。三重量重心估算的重要性§2-1概述重量重心計(jì)算持點(diǎn)：一、貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程的始終；二、逐步近似。重量重心計(jì)算方法：在設(shè)計(jì)初期即主尺度及排水量確定階段，重量重心只能依據(jù)母型或統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行較為粗略的估算。在技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)時(shí)，船舶的主要圖紙均已具備，船舶的各主要部分均已確定，甚至實(shí)船也已造出，重量重心計(jì)算可以按圖紙進(jìn)行詳細(xì)的分項(xiàng)計(jì)算，然后逐項(xiàng)累計(jì)。在完工計(jì)算時(shí)按實(shí)船進(jìn)行詳細(xì)的分項(xiàng)計(jì)算，然后逐項(xiàng)累計(jì)。四重量重心計(jì)算的特點(diǎn)與方法§2-2空船重量的分析與估算空船重量估算的準(zhǔn)確度是船舶設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵原因是空船重量占了船舶排水量的相當(dāng)部分，影響因素多，不容易估算準(zhǔn)確。拖船0.85～0.95大型油船0.20～0.35漁船0.60～0.70中、小型客船0.50～0.70中、小型貨船0.30～0.43大型客船0.45～0.60大型貨船0.27～0.36駁船0.20～0.30中、小型油船0.35～0.50各類船舶的空船重量和滿載排水量之比§2-2空船重量的分析與估算空船重量通常分為船體鋼料重量Wh

木作舾裝重量Wf機(jī)電設(shè)備重量Wm三大部分，各部分又細(xì)分為若干組,各組再分成若干項(xiàng)一空船重量的分類§2-2空船重量的分析與估算二船體鋼料重量Wh的分析與估算1.1船舶尺度及系數(shù)

船長(zhǎng)，船寬，型深

，吃水，方形系數(shù)1.2布置特征1.3船級(jí)、規(guī)范、航區(qū)1.4其它因素1。影響船體鋼料重量的因素§2-2空船重量的分析與估算1.1船舶尺度及系數(shù)對(duì)鋼料重量的影響從對(duì)構(gòu)件數(shù)量和強(qiáng)度條件的影響兩個(gè)方面來分析。船長(zhǎng)L：船體絕大多數(shù)構(gòu)件(如外板、底部結(jié)構(gòu)、甲板、艙壁、舷側(cè)結(jié)構(gòu)等)都與船長(zhǎng)有關(guān)；船長(zhǎng)越長(zhǎng)，其在水中所承受的縱向彎矩越大，對(duì)船體結(jié)構(gòu)縱向構(gòu)件的尺寸要求也大因此船長(zhǎng)對(duì)船體鋼料重量影響最大。二船體鋼料重量Wh的分析與估算1。影響船體鋼料重量的因素§2-2空船重量的分析與估算船寬B:一些橫向構(gòu)件(如船底與甲板橫向構(gòu)件、橫艙壁平臺(tái)、甲板等)與船寬有關(guān)；船寬對(duì)橫向強(qiáng)度影響較大，但對(duì)船體縱向強(qiáng)度影響不大。綜合起來看、船寬對(duì)船體鋼料重量影響次于船長(zhǎng)。1。影響船體鋼料重量的因素§2-2空船重量的分析與估算型深D:

型深對(duì)舷側(cè)板、肋骨、艙壁、支柱等構(gòu)件有影響、型深增加要引起它們的重量增大；型深增加．船體梁的剖面模數(shù)增大，船體縱向構(gòu)件斷面尺寸減小，從而可減小它們的重量。對(duì)于大船,型深增加，其船體鋼料重量不一定增加或增加甚微．甚至?xí)p少；對(duì)于小船,型深增加要使船體鋼料重量增大。吃水和方形系數(shù)：對(duì)Wh影響很小1。影響船體鋼料重量的因素1.2布置特征船舶布置特征不同,Wh也就不同，如甲板層數(shù)、艙壁數(shù)、上層建筑的大小等均對(duì)Wh有影響。1.3船級(jí)、規(guī)范、航區(qū)設(shè)計(jì)船入什么級(jí)，用哪國(guó)規(guī)范．都對(duì)船體結(jié)構(gòu)要求有差別，因而對(duì)Wh有影響。同樣尺度的船舶，如航行于冰區(qū)，船體的某些結(jié)構(gòu)要加強(qiáng)、顯然Wh值就會(huì)加大。1.4其它因素（結(jié)構(gòu)材料，船體特殊性等）船體采用普通鋼、高強(qiáng)度合金鋼，還是鋁合金、玻璃鋼等，材料不同，顯然Wh會(huì)有很大差別?！?-2空船重量的分析與估算1。影響船體鋼料重量的因素§2-2空船重量的分析與估算2.Wh粗略的估算方法2.1百分?jǐn)?shù)法2.2平方模數(shù)法

2.3立方模數(shù)法2.4指數(shù)法2.5統(tǒng)計(jì)公式法§2-2空船重量的分析與估算2.1百分?jǐn)?shù)法假定Wh正比于Δ

即式中，Ch

，系數(shù),可根據(jù)母型船選取，

(其中,Wh0、Δho分別為母型船的鋼料重量和排水量。

估算時(shí)所參考的母型船，應(yīng)當(dāng)與設(shè)計(jì)船類型、主體結(jié)構(gòu)形式及船體材料相同、主尺度及船舶上層建筑豐滿度相近的實(shí)船；其Ch應(yīng)盡量采用多艘實(shí)船分析比較后確定。2.Wh粗略的估算方法§2-2空船重量的分析與估算

2.2平方模數(shù)法（常用于內(nèi)河船舶及小型船舶）此法假定Ｗh正比于船體結(jié)構(gòu)的總面積．并用L、D、B的某種組合來表征。最常見的形式為：

Wh＝Ch*L(B十D)2.3立方模數(shù)法（適合大的豐滿型船舶）此法假定Wh正比于船舶內(nèi)部總體積，并以LBD作為內(nèi)部總體積的特征數(shù),簡(jiǎn)稱立方模數(shù)．最常見的形式為：

Wh＝Ch*L*B*D2.Wh粗略的估算方法§2-2空船重量的分析與估算

2.4指數(shù)法Wh=Ch*LαBβDγdσCbτ+Wc試中指數(shù)可從下表中選擇，常數(shù)項(xiàng)Wc與主尺度無(wú)關(guān)

船體鋼料重量指數(shù)形式的回歸系數(shù)

2.Wh粗略的估算方法

船型

指數(shù)

αβγστ小型貨船1.250.750.7500.50散貨船1.8780.695-0.1890.1580.197油船（2萬(wàn)～7萬(wàn)噸）1.830.7500.393集裝箱船1.7590.7120.4300常規(guī)客船1.450.9450.6600§2-2空船重量的分析與估算2.5統(tǒng)計(jì)公式法對(duì)于一些結(jié)構(gòu)形式相差不大、布置特點(diǎn)比較穩(wěn)定、有大量相近實(shí)船的船型，如大型油船、散貨船、集裝箱船等，在設(shè)計(jì)初始階段用統(tǒng)計(jì)公式法估算Wh是十分有效的。常見的有穆瑞公式（適于中型散貨船），

Wh=ChL1.65(B+D+T/2)(Cb+0.8)阿德文克公式（適于大型散貨船），

Wh=ChL1.878B0.695D-0.189T0.158Cb0.197瓦待生—智爾費(fèi)蘭公式（適于散貨船、雜貨船和集裝箱船等）

Wh=ChE1.36(1+0.5(Cb’-0.7))2.Wh粗略的估算方法§2-2空船重量的分析與估算2.5統(tǒng)計(jì)公式法

僅有雙層底，K=0.261～0.273雙底雙殼，K=0.276～0.345

集裝箱船：2.Wh粗略的估算方法3.1修差法此法根據(jù)設(shè)計(jì)船與母型船主尺度的差別進(jìn)行修正來得出新船的Wh.3.2每米船長(zhǎng)重量法當(dāng)設(shè)計(jì)船和母型船都具備船中橫剖面結(jié)構(gòu)圖、型線圖和總布置圖時(shí)，可用本方法得出Wh值。3.3分項(xiàng)換算法有相近母型船鋼料重量的詳細(xì)分項(xiàng)資料，則按母型船逐項(xiàng)進(jìn)行換算，可得到較精確的設(shè)計(jì)船的Wh值?！?-2空船重量的分析與估算3.Wh比較精確的估算方法§2-2空船重量的分析與估算

木作舾裝重量名目繁多，各自獨(dú)立，規(guī)律性差。初始設(shè)計(jì)階段較難估準(zhǔn)。通常將木作舾裝重量分成四類來分拆其對(duì)Wf的影響：(1)與船舶排水量和主尺度相關(guān)的重量，船舶設(shè)備與系統(tǒng)，包括錨、系泊設(shè)備、消防系統(tǒng)、管系、舵、油漆(2)與船員和旅客人數(shù)、生活設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的重量，如艙室木作(內(nèi)圍壁、天花板)、家具、衛(wèi)生設(shè)備、救生設(shè)備(3)與船的使用特點(diǎn)相關(guān)的重量，如貨船的起貨設(shè)備及艙口蓋，拖船的拖帶設(shè)備，救助船的救助設(shè)備．漁船的漁撈和加工設(shè)備等。(4)特殊要求的重量，如減搖裝置、側(cè)推裝置等，按船東要求和船舶技術(shù)性能要求而定。三木作舾裝重量Wf的分析與估算2.1百分?jǐn)?shù)法Wf=Cf?

此法僅用于建筑待征較穩(wěn)定的貨物運(yùn)輸船的隊(duì)初估、結(jié)果較粗略。2.2平方模數(shù)法Wf=CfLBWf=CfL(B+D)常用于運(yùn)輸船舶的估算，其結(jié)果較百分?jǐn)?shù)法準(zhǔn)確2.3立方模數(shù)法Wf=CfLBD常用于客船、拖船、漁船等的估算?！?-2空船重量的分析與估算2.Ｗf的粗略估算方法

設(shè)計(jì)初期根據(jù)已有的母型船資料、按照母型船項(xiàng)目分組分項(xiàng)，然后采用適當(dāng)?shù)哪?shù)逐項(xiàng)換算．再依據(jù)設(shè)計(jì)船的技術(shù)要求與標(biāo)準(zhǔn)加以適當(dāng)修正求得設(shè)計(jì)船的木作舾裝備分項(xiàng)重量，最后匯總得到全船木作舾裝重量。

技術(shù)設(shè)計(jì)末期，根據(jù)總布置圖、舾裝布置圖、設(shè)備家具明細(xì)表等設(shè)計(jì)圖紙和文件、查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品樣本逐項(xiàng)計(jì)算，最后匯總就可精確求得全船的舾裝重量?！?-2空船重量的分析與估算3.Wf比較精確的估算方法--分項(xiàng)換算法

機(jī)電設(shè)備重量包括主機(jī)、輔機(jī)、軸系、動(dòng)力管系與電氣設(shè)備等，大致分為三部分：(1)已知重量，如主機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)組等的重量。(2)可以計(jì)算的重量，如軸系重量。(3)其他配套設(shè)備重量．如其他埔機(jī)、泵、管系等．影響機(jī)電設(shè)備重量的主要因素是主機(jī)的類型與功率?！?-2空船重量的分析與估算四機(jī)電設(shè)備重量Wm的分析與估算§2-2空船重量的分析與估算初始設(shè)計(jì)階段，當(dāng)缺乏可靠的母型船機(jī)電設(shè)備重量Wm分項(xiàng)資料時(shí)，設(shè)計(jì)船的Wm可按主機(jī)功率的大小來粗略估算之。Wm＝Cm*PCm為機(jī)電設(shè)備重量系數(shù)．可取自母型船或有關(guān)圖表資料，P為主機(jī)額定功率(kw)。有時(shí)也可采用統(tǒng)計(jì)公式來估算，但必須核算幾條相近實(shí)船來檢驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的可信度。

2.Ｗm的粗略估算方法

選用主機(jī)、輔機(jī)相近的型船的Wm資料時(shí)，進(jìn)行逐項(xiàng)比較，相同的照抄，不同的項(xiàng)目進(jìn)行修正、沒有的項(xiàng)目刪去等，這是最常用的方法、也是比較可靠的方法。技術(shù)設(shè)計(jì)階段或施工設(shè)計(jì)末期，根據(jù)機(jī)舶布置圖、輪機(jī)設(shè)備明細(xì)表，軸系計(jì)算書及相關(guān)圖紙，電氣設(shè)備布置圖和電氣設(shè)備清冊(cè)等匯總求得精確的全船機(jī)電設(shè)備重量?！?-2空船重量的分析與估算3.Wm比較精確的估算方法--逐項(xiàng)比較法§2-2空船重量的分析與估算

固定壓載是固定加在船上的載荷，通常采用生鐵塊、石頭、水泥塊和礦渣塊等、一般在下水前后加放在船的底部固定壓載的作用主要在于降低船的重心以提高穩(wěn)性；增加重量以加大吃水；必要時(shí)也可用來調(diào)整船的縱傾。固定壓載有時(shí)是不可避免的，有時(shí)則是設(shè)計(jì)失誤造成的貨船：設(shè)計(jì)有固定壓載則是不經(jīng)濟(jì)的，也是不合理的。拖船、渡船、海洋調(diào)查船、客船：有時(shí)要加固定壓載

五固定壓載與排水量裕度

1.固定壓載在船舶設(shè)計(jì)中，為確保設(shè)計(jì)船的載重量，避免船舶超重，通常在分部估算Wh、Wf及Wm的基礎(chǔ)上，將LW預(yù)加一定裕度．稱為排水量裕度,其原因有三：

(1)估算誤差(2)設(shè)備增加(3)采用代用設(shè)備和材料

裕度取法一般有下列兩種：①取空船重量的百分?jǐn)?shù)。在初步設(shè)計(jì)階段，通常取為2％一5％LW(大船用小的數(shù)字)。②分項(xiàng)儲(chǔ)備，即分別在船體鋼料、木作舾裝、機(jī)電設(shè)備各部重量加一裕度，初始設(shè)計(jì)階段，一般常取它們各自重量的2％一4％、4％一8％、2％一5％?！?-2空船重量的分析與估算五固定壓載與排水量裕度

2.排水量裕度

船舶載重量DW包括以下各項(xiàng)：DW=①+②+③+④+⑤+

⑥

①船員及行李，旅客及其行李；②淡水和食品；③燃油、滑油及爐水;④貨物（Wc)⑤備品及供應(yīng)品;⑥壓載水§2-3載重量估算任務(wù)書給出DW,可以求得Wc任務(wù)書給出Wc,可以求得DW一載重量估算1.人員及行李、淡水、食品①②

人員及行李

人員的重量通常按每人平均65kg重計(jì)算,

每人攜帶行李的重量約為：船員行李40一65kg

長(zhǎng)途旅客行李40一65kg

短途旅客行李10一35kg②食品及淡水總儲(chǔ)備量＝自給力×人員數(shù)×定量自給力＝R/24vs

R-續(xù)航力（nmile或km);vs-服務(wù)航速（kn或km/h)食品:2.5-4.5kg/天，淡水定量為50-100kg/天

100-200kg/天（海船）

.§2-3載重量估算一載重量估算§2-3載重量估算③.燃油、滑油及爐水3.1燃油W0=0.001g0Ps(R/vs)k

根據(jù)主機(jī)功率、續(xù)航力、航速、耗油率等計(jì)算．通常取儲(chǔ)備系數(shù)為1.1—1.2。3.2滑油WL=εW0

由于船上潤(rùn)滑油用量較少，初始設(shè)計(jì)階段，滑油儲(chǔ)備量可取為燃油總量的某個(gè)百分?jǐn)?shù)。柴油機(jī)船取3%-5%，汽輪機(jī)船取0.8%-1.0%(功率大航程遠(yuǎn)的取小值）3.3爐水WbW=0.001εQt用來補(bǔ)充船上蒸汽漏失所需的爐水量。小型船舶可以不計(jì)及此項(xiàng)。一載重量估算§2-3載重量估算⑤.備品及供應(yīng)品

備品：為保證船舶正常航行．用于臨時(shí)維修，應(yīng)付緊急事故和持殊情況所儲(chǔ)備的備用部件、設(shè)備與裝置、包括錨、燈具、損壞管制器材、油漆等。

供應(yīng)品：零星物品，如床上用品、炊具、信號(hào)旗、辦公用品、醫(yī)療器材、電視機(jī)等。通常取為0.5％--1.0％LW。一載重量估算排水量估算公式：?＝DW/ηDW

式中：ηDW－載重量系數(shù)ηDW的估算：1.多用途貨船：

ηDW＝0.64＋0.0556(DW/10000)2.散貨船：

ηDW＝0.7666+0.1304(DW/105)-0.0775(DW/105)2

+

0.1294(DW/105)3-0.1441(DW/105)4

+0.0469(DW/105)5

3.油船：

ηDW

＝0.7337K(DW/10000)0.0551排水量的逐步近似估算§2-4重心估算

由于船舶型線都是左右對(duì)稱的，總布置設(shè)計(jì)時(shí)也總是使左右舷重量相平衡，故yg＝o。船舶重心的估算主要指重心縱向坐標(biāo)xg和重心高zg，

xg將決定船舶浮態(tài)．影響船舶縱傾，

zg則影響船舶穩(wěn)性和橫搖性能。船舶重心估算對(duì)船舶技術(shù)性能和使用效能的影響甚大船舶重心估算，采用力矩法在重量計(jì)算的同時(shí)列表進(jìn)行重心位置估算xg

ygzg§2-4重心估算

1.1空船重心高度（粗估法，分部分項(xiàng)換算，精確計(jì)算）（1）粗估法設(shè)計(jì)初期假定空船重心高度正比于型深即zg1=ξ1Dzg1=

ξ11D1（2）分部分項(xiàng)換算