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(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

載重量在2～5萬t級左右的靈便型散貨船以其載重噸位適中,對航道、運河及港口碼頭具有較強的適應性，且多配有起卸貨設(shè)備，營運方便靈活，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，其壓載水的不當處理和隨意排放對環(huán)境造成的危害也是災難性的，為此選用靈便型散貨船作為研究對象[1]。在對靈便型無壓載水艙散貨船船型的開發(fā)[2]和研究中，有3個關(guān)鍵點：①如何保證船舶在空載航行時的艏艉吃水；②在滿足空載吃水的同時，保證船舶滿載時的載貨量；③新船型在空載航行和滿載航行時具有較好的適航性。

1 船型的建立

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

型線設(shè)計以母型船設(shè)計水線下的橫剖面面積曲線基本不變?yōu)榍疤?，主要對母型船的底部型線進行倒“凹”形修改，在船舶的底部設(shè)置一個向后開放的內(nèi)凹，同時增大船寬。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、設(shè)計吃水、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題。對比母型船和設(shè)計船的船舯橫剖面，發(fā)現(xiàn)對于同一站的橫剖線，其變化的形狀呈互補的狀態(tài)，見圖1。即在設(shè)計吃水線以下，母型船橫剖面所減少的區(qū)域A的面積由設(shè)計船橫剖面所增加的區(qū)域B的面積來補償，以保證其排水量的要求。

圖1 設(shè)計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存在惟一對應的函數(shù)關(guān)系。如果區(qū)域A的面積較小，則設(shè)計船在空載時的吃水可能不足，不能保證船舶的安全航行；如果區(qū)域A的面積過大，則設(shè)計船的船寬增加較大，這樣導致兩個問題：①設(shè)計船的濕表面面積大幅度擴大，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)計船的L/B過小，這樣可能不滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中長寬比不小于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，見圖2。

圖2 設(shè)計船的艏部型線

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、推進效率高、船體振動小且操縱性好，同時雙尾鰭船型采用雙機、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，采用雙機雙槳，此時的主機功率取為母型船主機的一半。母型船的主推進裝置如下：采用1套MAN B&W 6S42MC-MK7主機，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)計船的主推進裝置采用2套MAN B&W 5L35MC6主機，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]主機的底座高度和機艙艙底機座縱桁的結(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)計船的艉軸高度取為2.80 m。

2) 底切點。中剖線與基線的夾角α應該控制在13°以下為宜,最好不要大于10°。本設(shè)計船在處理艉部型線時，通過控制底切角的位置，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)計船的艉軸間距b/B=0.588。

設(shè)計船艉部的型線見圖3。

圖3 設(shè)計船的艉部型線

1.4 設(shè)計船空船重量的估算

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

1.5 設(shè)計船的浮態(tài)和裝載計算

根據(jù)設(shè)計船型線，參考母型船的艙室分布，進行靜水力和各種裝載情況下的穩(wěn)性計算,見表1。

表1 母型船和設(shè)計船各參數(shù)的對比

空載出港時，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；同時縱傾值為2.486 m，小于0.015L，滿足《雙舷散貨船指南》對壓載時艉傾及艏吃水的要求。

結(jié)構(gòu)吃水出港時，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，設(shè)計船型線滿足空載時的吃水要求和滿載時的載貨量的要求。

2 耐波性分析

采用由DNV開發(fā)的Wasim軟件計算船舶運動。

將母型船和設(shè)計船的型值編入*.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。然后輸入網(wǎng)格參數(shù)，Wasim會對模型及自由表面自動進行網(wǎng)格劃分，見圖4。

圖4 Wasim進行模擬計算時的網(wǎng)格劃分

分別針對設(shè)計船的空載狀態(tài)和重載狀態(tài)以及母型船的壓載狀態(tài)和重載狀態(tài)進行計算，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，最小時間步長為0.1 s，計算總時間為600 s，假定設(shè)計航速為13.4 kn。

2.1 船舶運動響應

6個運動自由度中，尤以垂蕩、橫搖、縱搖對船舶運動的影響最為顯著，這3個自由度的響應分別見圖5～9。

圖5 設(shè)計船與母型船順浪時的升沉響應

圖6 設(shè)計船與母型船迎浪時的升沉響應

圖7 設(shè)計船與母型船正橫浪時的橫搖響應

圖8 設(shè)計船與母型船迎浪時的縱搖響應

由于船舶艏艉形狀不對稱，因此在迎浪航行時同時發(fā)生垂蕩和縱搖，即耦合影響。一般，波長與船長比對縱搖和垂蕩的影響最大，航速其次。由于設(shè)計船和母型船的船長和計算航速一樣，故設(shè)計船和母型船的縱向運動在相同裝載情況應基本處于同一水平，圖5、6、8、9可以驗證。

圖9 設(shè)計船與母型船順浪時的縱搖響應

觀察圖7發(fā)現(xiàn)，在相同裝載情況下，設(shè)計船的橫搖響應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)計船較母型船船寬增加，導致設(shè)計船的橫穩(wěn)心高度較大，從而橫搖阻尼增大，橫搖周期減小。

2.1 船舶運動的短期預報

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

圖10 迎浪時的升沉短期預報

圖11 正橫浪時的橫搖短期預報

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，在設(shè)計水線下橫剖面面積曲線不變的前提下，在母型船的基礎(chǔ)上進行型線設(shè)計。新設(shè)計的型線能夠滿足空載時的吃水和滿載時載貨量以及穩(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，該型線可基本實現(xiàn)靈便型散貨船的無壓載水化。

圖12 迎浪時的縱搖短期預報

2) 分析耐波性理論計算結(jié)果可知，設(shè)計船與母型船在相同裝載情況下的耐波性能，除個別情況略差之外，基本處于同一水平；同時只要給出升沉、橫搖和縱搖的短期預報曲線，可以很方便地計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)計參考。

3) 本船型尚處于初步研究階段，接下來還有很多工作要做，包括進一步的適航性分析、阻力分析、快速性分析、經(jīng)濟性的計算等，只有通過更多性能的計算分析才能更好地總體評價設(shè)計方案的可行性。

[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.無壓載水船舶的研究進展[J].艦船技術(shù)，2009，(7)：17-19.

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

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