散货船总体方案设计.docx

AbstractThe subject of this graduation design is the schematic design of a 82000-ton bulkproduct carrier. What the designer mainly considers is the practicability of the ship and the economical point of view, we tried to reduce the cost of the ship construction. The whole design process covers most of the knowledge which the designer has gained from undergraduate taught courses. The design process can be divided into six major parts as follows:1. Fix the principal dimensions of the ship in accordance with the design specification and then check the capability. In order to select optimal schematic, the designer has taken three methods into account and chose the optimal one after comparison. Furthermore, the main characteristics of the ship are preliminarily checked.2. Design the lines of the under-water part of the ship using the method of “1-Cp”, while the up-water part is designed with the method of “Self-design” to correspond to the under-water part. The requirements of the lines of the stern must be considered in order to easily arrange a screw propeller and a rudder behind the stern.3. Consult similar ships to go along with the general arrangement. To make the ship to work normally and seamen to live comfortably, it is necessary to arrange every cabin and various related equipment properly. The frame space and the number of bulkheads are determined by corresponding rules. 4. According to line gragh,we can calculate the hydrostatic curve. Calculation of Hydrostatics and Stability. In the calculation of hydrostatic and stability ,the designer obtains the hydrostatics curves. The initial stability for the four typical loading conditions, i.e. fully-loaded arrival, fully-loaded departure, ballast-loaded arrival as well as ballast-loaded departure are all checked based on the corresponding rules.5. Design a MAU-5 type of screw propeller using the method of “Draft design”. Ensure the cooperation of the ship, mainframe and the screw in order to enhance the velocity capability of the ship designed.6. Design the structure of cargo hold under the rules of “Rules For the Classification of Sea-going steel ships (2006)”. It is necessary to reduce the cost of ship construction on the premise of meeting the strength demands.Generraly speaking, the graduation project is a bulk carrier design as the basis, which considers the practicality and economy of the ship. The calculation and analysis are used to check whether the ship is sailing to meet the performance goals. I focused on the design of stowage and stability calculations and in this respect I also have done a detailed explanation of the calculation.Calculated by standardizing requirements and verification, the results of the ships design are with good ends so that it is good to meet the design specifications in the mission statement and the corresponding requirements of the performance.Key Words：Bulk Carrier;Linetype Design；Genenral layout Design；Stability; Structure Design目 录摘 要IAbstractII引 言1设计任务书2第一章 绪论31.1 现代散货船的特点31.1.1 散货船名称的由来31.1.2 船型与主尺度31.1.3 散货船船货舱区的结构形式41.2 母型船资料41.2.1 母型船主要尺度41.2.2 母型船型线图51.2.3 母型船总布置图5第二章 船舶主要要素的初步拟定62.1 确定船舶主要尺度和排水量的主要方法62.2 排水量估算62.2.1 载重量系数的初步拟定62.2.2 排水量的初步确定72.3 选择船舶主要要素考虑的主要因素72.3.1 选择船长考虑的主要因素72.3.2 选择型宽考虑的主要因素82.3.3 选择型深考虑的主要因素82.3.4 选择吃水考虑的主要因素82.3.5 选择方形系数考虑的主要因素82.4 设计船主要要素的确定82.4.1 设计船主要要素的初步计算82.4.2 设计船主要要素的初步确定102.5 主机选型112.6 空船重量估算122.7 重力浮力平衡122.8 性能校核132.8.1 稳性校核132.8.2 航速校核152.8.3 容积校核182.9 本章小结22第三章 型线设计233.1 绘制母型船无因次横剖面面积曲线233.2 改造母型船横剖面面积曲线253.2.1 母型船相应参数253.2.2 改造母型船横剖面面积曲线.253.3 绘制型线图283.4 本章小结30第四章 总布置设计314.1 概述314.2 遵循的原则314.3 肋骨间距划分314.4 计算双层底高度324.5 计算双舷侧宽度324.6 船舶总体规划324.6.1 总体划分324.5.2 内部舱室划分334.5.3 上甲板布置344.6 上层建筑布置344.7 舾装设备344.7.1 锚泊设备354.7.2 系泊设备354.7.3 舵设备354.7.4 救生设备354.7.5 货舱舱盖354.7.6 货物吊车354.8 总布置图绘制364.9 舱容校核364.10 本章小结36第五章 静水力和装载稳性计算375.1 绘制静水力曲线375.2 装载稳性计算405.2.1 稳性横截曲线绘制405.2.2 绘制进水角曲线485.2.3 舱容要素曲线495.2.4 装载稳性校核525.2.5 满载出港稳性校核535.2.6 压载出港稳性校核575.2.7 满载到港稳性校核625.2.8 压载到港稳性校核665.2.9 稳性校核汇总705.3 本章小结71第六章 螺旋桨图谱设计726.1 阻力预报726.1.1 有效马力估算726.2 螺旋桨图谱设计736.2.1 船体主要参数736.2.2 主机参数736.2.3 决定推进因子746.2.4 最大航速计算746.2.5 空泡校核756.2.6 强度校核776.2.7 螺距修正786.2.8 重量及惯性矩计算786.2.9 敞水性征曲线的确定816.2.10 系柱特性计算816.2.11 航行特性计算826.2.12 间隙校核836.3 螺旋桨制图846.4 本章小结85第七章 结构设计867.1 概述867.2 货舱基本结构计算867.2.1 外板867.2.2 甲板887.2.3 船底结构887.2.4 舷侧结构907.2.5 甲板骨架927.2.6 槽形横舱壁947.2.7 加强筋957.4 强度校核957.5 绘制典型横剖面结构图997.6 本章小结99总 结100参 考 文 献101声 明102附录A 附录内容名称103致 谢104引 言新中国成立后，百废待举，国家重新认识到船舶与海洋领域的重要性，集中人力、物力、财力发展船舶工业。改革开放以来，在总工程师邓小平同志的正确领导下，经过几代人几十年的奋力拼搏，中国重新跻身举足轻重的世界造船大国。在经济全球化的今天，国际贸易日趋频繁，这极大地推动了船舶事业的发展。特别地，散货船作为当今三大主流船型（散货船、集装箱船、油船）之一，需求量巨大且稳中有升。散货船自20世纪50年代中期出现以来，在60年的时间里，总体上保持着强劲的增长势头。在国际航运业中，散货船运输占货物运输的30以上。由于货运量大，货源充足，航线固定，装卸效率高等因素，散货船运输能获得良好的经济效益，散货船已成为运输船舶的主力军。随着世界经济的发展，散货船运输仍将保持较高的增长势头。20世纪50年代以前没有专用的散货船，煤、谷物、矿石等干散货，早先是由杂货船承运的。粮食、水泥等散货的流动性比液体小，都有一定的休止角，因而当这些散货在舱口围板内装满后，舱口四周的甲板下仍留有一个楔形空档。船在海上发生横摇后，散货流向空档，形成横贯整个船宽的自由表面。出现较大横摇时散货将流向一舷，船随即横倾，在风浪中很容易发生倾覆事故。据统计，20世纪50年代全世界有150余艘运送散货的船发生海损事故。为了解决这个安全问题，才逐步形成了现在广泛应用的典型专用散货船。其结构型式为：两舷布置底边舱加高舱口围板以保证满舱，两舷布置底边舱便于清舱，也能增加抗沉性；由于82000吨散货船属于大型船，承受的总纵强度大，因此在双层底、四个边舱区及舷侧均采用纵骨架式结构以保证船体总纵强度：两个货舱口之间的甲板不参与保证总纵强度，这里的甲板板明显地比舱口线以外的甲板板薄，骨架也减弱。散货船根据载重吨位通常分为以下几个类型：灵便型散货船（指载重量在25万吨左右的散货船，其中超过4万吨的船舶又被称为大灵便型散货船）；巴拿马型散货船（指在满载情况下可以通过巴拿马运河的最大型散货船，载重量一般在67.5万吨之间）；好望角型散货船（指载重量在15万吨左右的散货船，由于尺度限制不可能通过巴拿马运河和苏伊士运河，需绕行好望角和合恩角）；大湖型散货船（指经由圣劳伦斯水道航行于美国、加拿大交界处五大湖区的散货船，载重量一般在3万吨左右）。本次毕业设计为82000DWT散货船总体方案设计，该设计结合现代散货船的船型特点，采用双底双壳结构，结合母型船、统计资料和规范要求对散货船的主尺度、型线、总布置、典型横剖面结构进行了设计、计算，并对典型载况下的稳性和总纵强度进行了校核，由此获得一个良好的满足设计任务书的设计方案。设计任务书1 用途本货船用于运载谷物，货物积载因数是1.51 m3/ t。2 航区航线本船航区为无限航区。3 船级入CCS船级。4 船型本船为钢质、单机、单桨、单甲板、尾机型、双舷侧、双底，具有球首线型。5 航速要求设计航速不小于15节。6 续航力本船续航力约为6000海里。7 自持力 本船自持力为60天。8 船员数本船船员数为40人。9 动力装置主机机型选用MAN B&W。10 螺旋桨本船采用MAU型螺旋桨。第一章 绪论1.1 现代散货船的特点1.1.1 散货船名称的由来 散货船是散装货船简称，是专门用来运输不加包扎的货物，如煤炭、矿石、木材、牲畜、谷物等。散装运输谷物、煤、矿砂、盐、水泥等大宗干散货物的船舶，都可以称为干散货船，或简称散货船。因为干散货船的货种单一，不需要包装成捆、成包、成箱的装载运输，不怕挤压，便于装卸，所以都是单甲板船。总载重量在50000吨以上的，一般不装起货设备。由于谷物、煤和矿砂等的积载因数（每吨货物所占的体积）相差很大，所要求的货舱容积的大小、船体的结构、布置和设备等许多方面都有所不同。因此，一般习惯上仅把装载粮食、煤等货物积载因数相近的船舶，称为散装货船，而装载积载因数较小的矿砂等货物的船舶，称为矿砂船。1.1.2 船型与主尺度1.1.3 散货船船货舱区的结构形式（1） 货油舱区的甲板骨架、船底骨架和内底骨架均为纵骨架式结构。 （2）1.2 母型船资料1.2.1 母型船主要尺度表1.1 母型船主尺度项目数值总 长228.6m垂线间长217.0m设计水线长221.8m型宽32.26m型深21m设计吃水12.50m结构吃水14.50 m型排水体积 (设计/结构吃水)abt. 73577.8/86709.6m3排水量 (设计/结构吃水)abt. 75756.0/89206.3t方形系数0.8408舯剖面系数0.9961棱形系数0.8441水线面系数0.9256半进水角47浮心纵向坐标6.838m梁 拱0.7m首 舷 弧(#179+0.15F.P.)1.60m尾 舷 弧由梁拱引起试航速度15.103kn1.2.2 母型船型线图图1.2 母型船型线图1.2.3 母型船总布置图图1.3 母型船总布置图 第二章 船舶主要要素的初步拟定2.1 确定船舶主要尺度和排水量的主要方法由于大中型散货船的主要尺度确定属于典型的非布置问题。因此需要按载重型船的方法来论证。解决这类问题的一般思路是：从重量入手，先选取载重量系数，然后估算排水量，按适宜尺度比及限制条件等算出主要尺度，重量与浮力平衡后进行性能校核，若满足，则结束或进行经济分析，否则，修改主要尺度重新计算。流程图2.1所示框图就是解决这类问题的典型流程之一。图2.1 确定载重型船舶主要尺度和排水量的基本步骤2.2 排水量估算2.2.1 载重量系数的初步拟定 载重量与排水量的比成为载重量系数，它反映了运输船舶装载能力的大小，表示排水量的利用率。载重量系数的初步拟定用于初步确定设计船的排水量。此船的载重量系数DW取自统计资料，见表2-1。由于设计船为82000吨散货船，属于大型散货船，故取其DW=0.81.21DWDWDW0050150700860300400300500680750400550720830660700600750700852.2.2 排水量的初步确定 设计船的排水量可由下式求得， =DWDW (2.1) 代入数据可得设计船的排水量为=820000.81=101235t2.3 选择船舶主要要素考虑的主要因素 船舶主要要素受到一系列因素的制约，航道、码头泊位等对主尺度有限制，船舶的各项技术性能对主要要素有各种要求，货源、运费、造价和散货价等经济因素也对设计船主要要素有影响。选择设计船主要要素时，必须首先对影响主要要素的各种因素进行研究和综合分析。2.3.1 选择船长考虑的主要因素（1） 船长对阻力的影响本船的航速为15kn，而其垂线间长初步估计在230m左右，估算其傅汝德数大于0.18属于中速船型，在排水量不变的情况下，随着船长的变化，对应一定航速可以得到总阻力最低的船长 ，同时也可以找到使总阻力开始显著增加的最短船长（称临界船长）。现代散货船的大约在68之间，所以选择主尺度时，应尽量在此范围内。另外，船长的选择还需满足布置要求、阻力性能、操纵性和经济性的条件的影响。（2） 使用条件及建造条件的限制由于本船的航区为我国沿海区域，且本船的总排水量101235t左右，船长在230m左右，为国际无限航区。据相关新闻报道，巴拿马运河将于2014年完成扩宽工程，对船宽的限制逐渐缩小。苏伊士运河最大吃水限制为58英尺，即17.67m，设计船舶应当满足此条件。所以对于使用条件及建造条件限制可以作为次要因素考虑。（3） 船长对操纵性、耐波性、抗沉性的影响本设计船航区为国际无限航区，需要较好的航向稳定性，适当增加船长有利。船长主要影响船的纵摇和升沉，增大船长对耐波性有利。增加船长对改善抗沉性有利。（4） 船长对重量及造价的影响船长增长对钢料重量影响很大，船的造价也会增加，出于对经济性的考虑，本船应在满足要求的情况下尽量使船长减小，但也不应太小，同时应考虑到（1）中船长与阻力的关系。2.3.2 选择型宽考虑的主要因素本船由于航速较高，排水量相对较小，在船宽选择方面应主要考虑稳性及耐波性的要求，其次应考虑船宽对阻力的影响。同时，现代散货船的L/B大约在68之间，选择船宽时应保证在此范围内。对于稳性而言，调整船宽是最有效的措施，而且在保证稳性下限值的前提下，尽可能较小B，以增大横摇周期，使横摇尽量和缓。2.3.3 选择型深考虑的主要因素本船为装载谷物的散货船船，谷物的积载因数为1.51m3/t，即，积载因数在1.4以上，属于轻质货物船，其干舷大于最小干舷，属于“容积型”富裕干舷船型。增加型深是提高舱容最有效的措施，但同时，型深的增加对大倾角稳性和初稳性的影响是相互矛盾的，其对大倾角稳性一般是有利的，而对初稳性是不利的。现代散货船的大约在817之间，设计时应在该范围内。2.3.4 选择吃水考虑的主要因素选用大一些的吃水对提高螺旋桨工作性能和降低阻力有利。同时增加吃水，可加大螺旋桨的埋水深度，还能在纵摇时减少螺旋桨出水的可能性，对耐波性也有好处。然而，随着吃水的增大，船体湿表面积增大，从而使得阻力随之增大。现代散货船的大约在2.02.6之间。2.3.5 选择方形系数考虑的主要因素方形系数是调节重力与浮力平衡的一个常用因素，对于本设计船来说，由于是中低速的民用船，因此考虑方形系数主要体现在对阻力的影响，其对于总布置影响方面可当做次要影响因素来考虑，参照母型船即可。2.4 设计船主要要素的确定2.4.1 设计船主要要素的初步计算初步拟定主尺度及方形系数的方法有很多种，此处采用以下三种方法进行对比论证：母型换算法、统计公式法和主尺度比法。通过对三种方法的对比，我们获得最优解，即结合本设计船主要特点的最优船型。(1) 母型换算法设计船排水量=DWDW=820000.81=101235t，母型船排水量0=75756t。 (2.2) (2.3) (2.4) (2.5)代入相关数据得， Lpp=239.0m，B=35.53m，d=13.77m，D=23.13m由此得到方形系数近似值 (2) 统计公式法 (2.6) (2.7) (2.8) (2.9)式中 DW载重量（t）；代入相关数据得， Lpp=232.0m，B=35.94m， d=13.51m，D=22.46m方形系数近似值 (3) 主尺度比法经分析母型船及统计范围后选择出LB=K1,Bd=K2及方形系数Cb,已知排水量后，可应用浮性方程算出L、B、d. (2.10) (2.11) (2.12) (2.13)由此可得， 即设计船的主要尺度要素为， Lpp=248.5m，B=36.94m，d=12.74m，D=24.05m， Cb=0.84112.4.2 设计船主要要素的初步确定 由上述三种方法可得到三种主要要素方案，见表2-2.22LBDdCbmmmm239035532313137708408232035942246135108440248536942405127408411根据现代散货船统计资料得，8017060802026散货船属于低速船，除了专用的自卸散货船等专用船以外，30000t 以上的绝大多数散货船的服务航速都在14kn至14.5kn之间。本船为载重量为82000t的大型散货船，航速要求在15kn，所以本设计船在航速方面要求是比较高的，故比较接近，且都在统计范围内，所以本船的选取值只要在现代散货船统计范围内即可。 （2.14）计算三种方案的临界方形系数，得表2-3.如下所示。23由表2-3可知，只有母型换算法和统计公式法符合要求。对于载重型船舶，考虑到使用上和建造价格等方面的要求，设计时不应片面的强调阻力性能而选用过小的方形系数。由于本船傅汝德数在0.18左右，对阻力影响可以不予考虑，如果值太小，势必影响舱容和布置；而从造价要求考虑，总是要求将船设计得短些、丰满些。据相关资料显示，N413船是舟山中远船务建造的第一艘82000DWT散货船，也是DAELIM公司82000DWT系列散货船的第一艘。船型长229米，型宽32.26米，型深20.25米，总载重吨82000吨。根据上述现代散货船的统计资料和实船资料，综合第一、二、三号方案，设计船舶主要要素的初步拟定为： m mmm 初步选择的这一组主要要素符合一般八万吨级散货船尺度的通常范围。为了提高经济性要求，应尽量降低钢材消耗及造价，这就要求船长较短；而为了提高快速性，满足高航速的要求则要求船长加长。因此本船在主要要素的选择中考虑了两方面的要求，经过三种方案的比较，体积小者钢料少，所以选择如上。2.5 主机选型在初步选定主机时，可以根据母型船主机功率，用海军系数法估算主机功率，母型船海军系数为 (2.15)代入数据求得母型船海军系数为.设计船主机功率 (2.16)设计船要求的试航速度不低于15kn，因此取kn.同样保持10%的功率储备，得到设计船的kW。由海军部系数法得到的设计船的主机功率，选取的主机型号为MAN-B&W 7S65MC-C，选用的主机参数见表2-4.24项目单位数值最大持续功率kW16030主机额定转速r/min95单位燃散货消耗率g/kWh1622.6 空船重量估算(1) 钢料重量估算采用经验公式估算 (2.17) 其中，(2) 舾装重量估算采用经验公式估算 (2.18)(3) 机电设备重量估算采用经验公式 (2.19)式中 主机功率（kW）； 机电设备重量系数。对于中速主机，56；对于低速主机，在10000kW以上时78，在10000kW以下时89。根据本船主机型号，取6。代入相关数据得到t。本船空船重量t，本船载重量t。2.7 重力浮力平衡采用诺曼系数法进行重力浮力平衡。保持载重量、方形系数，通过改变型深进行重力浮力平衡。 (1) 求诺曼系数N (2.20) (2) 载重量增量t (2.21) (3) 排水量增量 t (2.22)代入浮性微分方程 (2.23) 仅变化方形系数Cb, 得到方形系数的变化量=0.017 (4）由于Cb发生了变化，船体钢料重量相应变化为 t (2.24) (5)由于Cb发生了变化，船体舾装重量相应变化为 (2.25) 重复循环上述过程，经过7次平衡后得到t满足要求，从而重力和浮力得到平衡，得到新的排水量和方形系数分别为t，Cb=0.8477.2.8 性能校核性能校核一般包括稳性校核、航速校核、干舷校核和容量校核。由于本船装载谷物的积载因数是1.51m3/t,属于富裕干舷船，因此此处可省略干舷校核。2.8.1 稳性校核稳性校核包括初稳性和大角稳性校核，在主要尺度确定时通常只作初稳性校核，因为在初稳性校核之后，按照初稳性高度的大小，根据母型船的大倾角稳性情况，一般可以判断出设计船的大倾角稳性。初稳性校核的内容是估算初稳性高度，并检查其是否符合设计船所要求的数值。初稳性高度下限值：m; 初稳性上限值：设计中在保证初稳性下限的条件下力求使船舶的横摇缓和，为使横摇和缓，摇幅不过大，希望不发生谐摇，即对调谐因子要求： (2.26)(1) 初稳性高的计算 初稳性高度的估算按初稳性方程式进行 (2.27)式中 所核算状态下的初稳性高度；相应吃水下的浮心高度；相应吃水下的横稳心半径；所核算状态下的重心高度；自由液面对初稳性高度修正值，此处暂时忽略不计。由薛安国公式得到浮心高度的近似公式 (2.28) 其中， (2.29)方形系数已知，水线面系数，得m.由诺曼公式得到横稳心半径的近似公式 (2.30) 其中， (2.31) 代入相关数据得到 m.重心高度 (2.32) 其中，系数，取自母型船，值的一般数值范围见船舶设计原理2-4表，取空载时为0.64，满载是为0.62.由此可得，空载时Zg=14.336m，满载时Zg=13.888m.初稳性高度 (2.33)由上式可得，满载时m0.15m，满足初稳性高度下限值； 空载时m0.15m，满足初稳性高度下限值。(2) 调谐因子的计算波浪周期 (2.34) 式中 波长，远洋船取160m. 代入数据得 s空载时，横摇周期 (2.35)满载时，横摇周期 (2.36)式中 修正系数。时，； 时，f取1.0。由于本船，代入相关数据的。调谐因子要求 (2.37)稳性校核的最终计算及校核结果见表2-5。25项目空 船满 载系数0.640.62重心高度/m14.33613.888初稳性高度/m1.2631.711横摇周期/s24.091320.4513调谐因子1.8531.31.5731.3从表2-5中可以知，本船满足初稳性的要求。2.8.2 航速校核航速校核的目的是校验在选定的主要尺度及系数下，当主机功率为19615.23kW（储备功率为10%），检验航速能否达到任务书的要求，即航速为15kn.（1）总推进系数的估算有效功率的估算，采用兰普法。表中船中剖面系数Cm,暂取为0.996，浮心位置Xb取为船中前2.8% 处。具体过程见表2-6和2-7.26 项目单位数值BHPhp21794.7伴流分数0.374推力减额分数0.224相对旋转效率1.00船身效率1.2390.84760.8509转速r/min95因为MAU5叶桨拥有比较好的阻力性能和水动力性能，因此本船采用MAU5叶桨 图谱进行设计计算，储备功率10%，轴系效率。27项目单位数值航速kn15kn9.39PD=BHP0.9SRhp19222.9348.506.964MAU5-40（查图）0.523MAU4-55（查图）0.514MAU4-70（查图）0.496P.C0.635(2) 计算有效功率曲线采用莱普法进行有效功率曲线估算，具体过程见表2-8和表2-9。表28 项目单位数值Lppm232Ldm234.32Bm36.4dm13.8Dm22.4排水体积m99172.9Cb0.8477Cbd0.8393S=(3.413+0.5Lpp)13m12654.0kgs/m4104.50.5Skgs/m661171.0CRt=(BdC