1、这些说明书还叙述了模型试验和实验情况，一表明船舶设计师成功的，船舶是可接受的。表1.1列出了一艘大型船舶在合同设计中的典型图纸清单。小型船、不复杂的船客不要求具备表中所列的每一图纸，但该表确实显示了合同涉及中考虑的细致程度。d 详细设计船舶设计的最后阶段是绘制详细的施工图。这些图纸是供船舶装配工、焊工、舾装工人、金属制造工、主机供货方、管件工使用的安装与建造说明。这些图纸不属于基本设计过程的一部分。这一设计阶段的唯一共同之处是设计的每一阶段均从一个设计组传递到另一个设计组。在此阶段，交换仅限于设计工作于技术工人之间，也就是说，一个设计工程师的设计不再由任何其他工程师进行评判、调整或修改。这个设
2、计必须明确表达希望的最终结果，并且是可制造的和可操作的。概言之，本章将基本设计看作是整个船舶设计过程的一部分。从概念设计和初步设计到合同设计图纸与说明书，有效地保证船舶主要特征参数能足够可靠地确定下来。这个设计过程构成了使船厂建造价格在预先确定的价格范围之内的基础。该价格也保证了充分有效地船舶性能。表1.1合同涉及阶段典型图纸侧视图，总布置图纵剖面图，总布置图所有甲板与船舱的总布置图船员住舱布置图型线图舯横剖面图钢材尺寸图机舱布置图俯视图机舱布置图侧视图机舱布置图横剖面图主轴系布置图动力与照明系统布线图甲板与侧面防火图通风与空调设计图所有管系的图表设计热平衡与蒸汽流动图在正常工作情况下的常规动
3、力电路负载分析图舱容图船型曲线图可浸长度曲线图初始纵倾与初稳性手册破舱稳性计算1.2 一般介绍 在60年代后期和70年代，一些重要的新技术给普遍的基本设计问题在某种程度上带来一定的影响。其中最重要的是计算机。再计算机影响着基本设计的时候，其它一些变革已经在影响着基本设计的构成。例如，再班轮营运中一个革命性的进展是从散杂货向集装箱化货运运输方向发展。再其它类型船舶的另一些进展也产生了类似的新的问题需纳入考虑。以油船为例，尺寸迅速增大。世界上工业国家对石油和其它原料的需求的增长需要大型油船和散货船以可接受的成本来满足巨大的需求。人类正在不断地向海洋探求各种重要资源，近海钻井以获取石油和天然气，从墨
4、西哥湾浅水域的小规模工业迅速发展成巨人，进入到深水域和更加恶劣海况的水域中。这些发展对近岸钻井设备/船舶/模块的设计产生了变革，也对这样一个具有挑战性事业所必需的整个支撑船队产生变革。这包括交通艇、平台供应船，大马力拖船，铺管船/驳船，以及数不清的其它特殊的船艇。进一步的发展不可预知，但可以肯定的是，从海中寻找其它生成需要设计出完成此任务的全新船队。因而，船舶基本设计的难度将依据对既往实践的背离程而变化。一些航运公司倾向于以前的成功设计，几乎不允许对以往设计进行改进。如果预期的运输任务与现有的业务类似，那么这种（固执）（保守）是一个不错的办法。因此在这些情形下，基本设计大体上上限于对主尺度、动
5、力系统和布置微小修改。再另一个极端，全新的海上业务，例如液化天然气海上运输，最开始的时候，设计者对此是一片空白（一张白纸），通过不断地修正和完善，最终实现合理的工程设计。第二课 船舶分类2.1前言 船舶的形状是多种多样的，一艘船可能是一个豪华的海上酒店，载着旅客游世界；也可能是一个浮动的堡垒，扬起导弹发射架；也可能 是一个长箱，运输原油，甲板上布满了复杂的管线。这些外部特征的介绍绝不能准确地描述完整的集成的船舶系统自给自足的，适航的和有足够稳性的，能为船员和货物提供一个安全的处所。这一概念是造船师再设计船舶时必须牢记再心中的，也是今后讨论的基础，不仅仅是在本案中，而是贯穿整本书。为了探讨造船工
6、程，将船舶分类是有益处的，本课的目的是将船舶按照其物理支撑方式和设计用途二分类2.2按照物理支撑方式而划分的船舶类型 就船舶分类而言，物理支撑形式是基本于船舶在设计情况下进行的假定。船舶设计成在水上、水面或者水下工作，因此气水交界面将用于参考数据。因为前面提到的三个区域的物理环境特性差异很大，设计成在这些区域工作的船舶的物理特性也不同。空气静力支撑有两种类型船舶是靠前身产生的空气垫而支撑在海面之上的。这些相对较轻的船舶具有很高的航速，因为空气阻力远小于水阻力，还有的原因是在告诉航行时不与海浪接触以及采用的柔性密封连接减少了海浪的冲击。这类船舶依靠鼓风机在船底部形成一个低压空气垫。这个空气垫必须
7、足以支撑起水上船舶的重量。第一种类型船的四周具有柔性的“裙”，在船底围成一个空气垫，试船能完全升离水面。这种船成为“气垫船”（ACV），再有些场合是两栖的。另外一种是具有刚性侧壁或薄壳的气垫型船，侧壁伸到水面下，维持气垫压力所需的空气流量就降低了。这种类型的船称为束缚气泡减阻船（CAB）。这种船所需的升力风机功率要小于气垫船的，方向稳定性也更好，并可以由喷水装置或者超空泡螺旋桨推进。此类船非两栖，并且还没有达到像空气船那样推广，如旅客渡船、海峡汽车渡船、极地考察船、登陆艇及内河船等。水动力支撑依靠水动力支撑的船也只有两种类型。水动力是靠专门设计的水动力板在水面下具有快速相对运动而产生的。物理学
8、原理表明任何带来不对称流体的运动物体都会在垂直于运动的方向上产生一个升力。正像具有机翼的飞机在空气中运动能产生升力一样，通过一个穿过水面的支柱而固定在水下的木翼，其水动力可以支撑一般船舶离开水面。滑行船体的特点是具有相对平坦的底部和浅V型剖面（特别是在船中前），高速航行时在局部可以为轻排水量船和小型船艇提供足够的水动力支撑。滑行艇的尺寸与排水量一般都受限制，因为功率重量比和在波浪中航行产生的结构应力大小都有要求。大多数滑行艇都要求在静水中航行，尽管某些深V型船体具有再波浪中航行的能力。静水力支撑最后，是最古老的也是最可靠地支撑类型静水力支撑。一直到20世纪，所有的船、艇和建议的水艇都依靠静水的
9、浮力而工作在水面上。静水力支撑通常称为浮力，可以由公元前二世纪古代哲学及数学家阿基米德发现的物理定律来解释。阿基米德定律指出，浸没在液体中的物体将受到一个等一所排开的液体重量的浮力作用。这一定律适用于浮在水面或在下潜到水中的任何船。水包括海水和淡水。依据这一定律，这类船可以统称为排水型船。尽管这类船非常相似，其详细分类还是有必要进行特别讨论。例如，对某些船，合理的高航速必须与装载轻量货物的能力相结合，或者比滑行艇在波浪中航行更具舒适性。高速滑行船体的特点可以通过修改而产生半排水型船体或半滑行船体。这些折中的船艇，尽管没有全滑行船那样快，但还是比常规的排水型船快。它们需要比排水型船更大的功率和更
10、小的重量。这些类型船很明显是“折中”的结果。上面引证的例子是用物理定义作清晰分类而定义的类型，并不是从其实的排水型船中分化出的船型的一个良好的例子。后者应当认为是排水型船，它的归类主要取决于浮体体积即水下船体长度和宽度范围的分布情况。最常见的是排水型船一般分类为通用海洋运输船，它们可以用作客运、轻货运输、拖网捕鱼或各种不需要特殊舱容、速度、吃水、或其它特殊性能的其他业务。这类船最常见并很容易识别，具有适度的排水量、航速、长度和舱容。它们通常具有最大的航程和最好的适航性，属于“全季节船”，是所有其它排水型船分类时重要参照的标准。在这种标准船型中，最重要的船型是散装油船，油船和其它超级油船，它们不
11、仅在世界贸易中也在全球工业中扮演重要角色。这些术语是普通的但不具体。在该讨论中它们的称呼也是不充分的，因为多年前称为超级油船而现在并不是。工业本身已经产生了非常清晰的术语。基于10万吨级油船的指标，其尺度可定为LCC（大型油船），VLCC（非常大型油船）和ULCC（超级油船），大于10万吨但小于20万吨的油船属于LCC，再20万吨至40万吨的是VLCC，超过40万吨的是ULCC。我们知道，再1956年以前还没有超过5万吨的油船，在60年代初期也没有超过10万吨的任何船型。而现在关于这些名称的规律变得清晰了。1968年，第一艘超过30万吨的船建成。这些巨型船舶（一个甲板相当于4个足球场大）设计并
12、建造成为利润创造者，超长、超宽、超深船型，每个航次以最小的消耗运输大量的原油。这些超大油船很少配有超过一个的螺旋桨轴和舵。它们的驾驶台距其船首将近1/4英里远（约400m）。其最高服务航速很低，以至于从阿拉伯油港到欧洲目的港的航程通常要两个月时间。这些船属于排水型船，具有巨大的浮力支撑。当满载时其船体在水下有非常巨大的和不成比例的（？）体积。事实上，货物重量远远超过船本身的重量。一艘满载的VLCC的吃水或要求的水深在5060英尺之间，一艘ULCC大概要80英尺。这些船舶在排水型船舶中有专用的类型称为深排水量船。另外还有一类排水型船具有大的吃水。类似于前面讨论过的原油船，但吃水还没有 超过它们。
13、这类船称为SWATH（小水线面双体船）。简单地讲，这类极少见的船型设计成在中等程度海况中具有高速和稳定性的上体（上部结构）。它们的未来是有疑问的，但在水面以下提供大多数排水体积，通过窄的立柱支撑水面以上的船体或甲板的理论是完善的，通过上层平台而连接在一起的双船体提供了必要的稳性。排水型船中最值得关注的特殊应用是潜艇，完全潜入到水中工作。潜艇的特性和它的各种工作状态，包括静力的和水动力的，的描述在后面章节中有全面介绍。这里有必要强调的是潜艇是一种特殊的排水型船，应用了阿基米德定律及其所有隐含的定理。多体船有一种常用的船型还没有提到，主要因为不能归到已介绍的任何一种船型中，但是都在一定程度上可以归
14、纳到它们之中。这种船即所谓的多体船双体船和三体船。它们是常见的排水型船，例如前面提到的SWATH，或更常规的海洋考察船，要求有稳定的平台和保护区域以便于向水中投放设备。还有前面提到的双体气泡（幕）船和高速滑行双体船。实际上，多体船是一种由任何基本船型至特殊应用之间的改造船，以满足期望的横稳性要求和大的内部工作面积要求。图2.1绘出已经介绍过的船体轮廓图（没有比例尺）以及与其物理支撑的关联。除了多体船依据不同用途有不同的船速外，它们按速度从高向低排列。2.3其它指标 还有其它的指标可以证明船体设计的广阔的变化空间。它们是在考虑到成本、任务、航速、续航力、有效载荷（货物或武器容量）、工作环境（稳性
15、，生存性和港口要求）、可靠性、外观、乘员舒适性与居住性以及政策因素之后进行取舍、平衡而得到的结果。在各种因素中相对重要的是穿的用途，由商团、政府或购买船舶的个人所决定。关于用途而作的有用的划分包括下面几种类型：商船，军船和游艇。商船购买商船一般是用于赚取利润。先前讨论的货船的设计要满足最小的（或至少有竞争力的）所要求的运费率，涉及到指出船舶生命周期成本，包括购置成本，运行与维护成本以及出售的残值。还要进行现金流分析以明确船在投资回报率为多少。所有商船的新设计都必须与世界上其它造船者的类似船进行经济上竞争。所有商船应包括货船、客船、渔船、近岸供应船和拖船。政府通过补贴来保护民族造船工业，防止外国
16、竞争，对购船者来讲可以将成本降成，虽然实际建造成本比较高。因此，政策因素在商船设计与建造经济中起重要作用。外观、乘员舒适性和可靠性对豪华客船来说是必要的，而有效载荷、续航力和在恶劣海况下生存能力是渔船设计时要考虑的重要方向。近岸供应船关心运送平台员工的或者应急服务的速度（航速），而当钻管或钻井泥为主要运输货物时，较低的航速也是可接受的。工作环境包括在海上、港内和离岸停泊是的风和海浪条件。因此，大吃水船不能工作于特定的海域。专门用途的货物装卸机械，例如滚装船的卸货跳板，对于往返于世界主要港口和欠发达国家的港口之间船舶快速装卸时必要的。欠发达国家港口条件还迫使造船设计者应考虑其它一些货物转装卸中的
17、限制。军船和海岸警备船军船一般按照战斗性能或辅助装备而分类，尽管有些特殊用途的舰艇难以归类。对于大型战斗舰船，例如航母，导弹巡洋舰，驱逐舰和核潜艇，所有以前提到的因素均重要，因此，这类船造价非常高。它们的军事任务是最重要的，而执行这些任务取决于航速、续航力（可能由海上补给船提供帮助）、武器装载量以及在恶劣海况中的操纵性和生存性。作战条件下的可靠性，动力表现、对延长服役期限有影响的成员适居性，以及成为主承包商和武备等系统重要分包商的政策重要性，所有这些都必须考虑进去，因而军船的建造和运行对纳税人来说是很昂贵的。军用辅助船在外观上与相关的商船更接近，但它们的任务是为军船服务，要求兼备航速、续航力、
18、规定的有效载荷和在不良海况下补给操作能力等性能。所以人们（造船者）希望军船造价要比商船的高。海洋考察船、海岸警备船和破冰船在执行任务时，其续航力、可靠性、在困难海况下操作能力以及适居性方面都是重要的。由于小型船只有有限的燃油舱容，因而需要在航速和续航力之间做好平衡。有两种常见的发电设备用于提高航速和续航力。前面讨论的较高档的船艇一般牺牲有效载荷和续航能力来满足航速要求。游艇游艇包括电力驱动和风帆推进的，尺寸和形状变化很大以满足私人要求和风格。经济上的定位基于那些潜在的消费者所能负担起或认为他能负担起的考虑。外观、航速、乘员舒适性和适居性以及稳性是设计者要考虑的重要指标，以满足游艇的功能，使船主
19、业余时间娱乐活动能很好地展开。第三课 在仔细研究造船工程各种分支之前，定义一些术语是重要的，一便后面章节学习中使用。这一章的目的是解释这些术语，并让读者熟悉他们。首先，应考虑测量船舶尺寸的尺度，它们就是“主尺度”。正像任何固体一样，船舶要求三维尺度来定义她的尺度，包括船长、船宽和船深。这些将依次讨论。3.1主尺度船长定义船长有多种方法，首先考虑垂线间长。垂线间长是指从尾垂线沿夏季载重水线量至首垂线的距离。尾垂线取自舵柱的后缘（如果存在舵柱），首垂线为自首柱和夏季水线交点面作的铅垂线。如果船舶未设舵柱，那么尾垂线则取自舵杆中心线。垂线间长如图3.1所示。垂线间长（LBP）用于计算，将在后面看到但
20、从图3.1中可以明显看出它不代表船的最大长度。在多种场合，例如船舶靠泊时，了解船舶最大长度为多少是必要的。这个长度称为“总长”，定义为从最后端量至最前端。这一点可以再图3.1中清楚地看出。对大多数船来讲，总长要比垂线间长大出许多。包括尾部和首部外展的部分。现代传播具有大型球鼻首的最前端。第三种常用的船长，特别是在研究船舶阻力时用的是水线长（LWL）.水线长是自水线至船尾交点量至水线与首柱交点的长度。这个长度对于某艘船不是固定不变的，而是取决于船舶当时的水线位置以及船舶纵倾情况。该长度在图3.1也标出了。船宽垂线间长的中点称为船中。船舶通常在该点处最宽。船宽就在该点处测量。最常用的船宽称为“型宽
21、”。它可以简单定义为在最大船宽处自一舷侧板内表面量至另一舷侧板内表面的水平距离。就像垂线间长的情况一样，型宽也不是最大宽度，所以要求定义最大的船宽“最大船宽”（见图3.2）。对很多船来说，最大船宽是型宽加上每一舷舷侧板的厚度。在铆接船时代，船壳列板式搭接的，最大船宽等于型宽加上4倍的船壳板厚度。但在现代焊接船舶，额外的宽度只有2个外板厚度。在某些船上，最大宽度可能比型宽大出很多，因为船舷外有永久性突出物时，最大宽度是两舷最外点之间的距离。这个距离可能包括外伸的甲板，此种情况在客船上有时可见到，以增加额外的甲板面积。有的船经常靠自身动力进出港，故设有护舷以使靠码头保护船舷。船深 第3种尺度是船深
22、，沿着船长方向是变化的，但通常在船中处测量。该船深即“型深”，是自船中舷侧甲板下表面量至基线的距离，如图3.2（a）所示有时“上甲板型深”和“二甲板型深“等。如果没有特别指明哪层甲板，则是指量至最上层连续甲板。在一些现代船上，设置圆形舷边，如图3.2（b）所示在这种情况下，型深是自甲板线沿长线与船舷型线延长线的交点量起。 3.3其它尺度 三个主尺度给出了船舶尺寸的一般概念。此外还有一些其它尺度需要考虑，在两艘船具有相同的船长、船宽和船深的情况下，它们可能是不同。当中比较重要现在给出定义。舷弧从舷侧甲板上一点量至基线平行的且与船中甲板线相切的那条直线的距离称为舷弧。在船厂方向上不同位置处的舷弧是
23、不同的。通常在首尾两端为最大。现代船舶舷侧甲板线形状是变化的：可能在船中两舷某一范围内是平的，舷弧为0，而向首尾两端竖直线上升。另一方向可能在整个甲板上都没有舷弧，甲板边线在整个船长上都与基线平行。较老式船舶上，甲板线在测视图上是抛物线形状。在首尾垂线处的舷弧值在图3.1中有标注。所谓标注舷弧由下面公式计算：首舷弧=0.2L+20 L-单位：（feet）英尺尾舷弧=0.1L+10 舷弧单位：英寸（inch）这两个公式换成米制，则为：首舷弧（cm）=1.666L+50.8 L-单位：米尾舷弧（cm）=0.833L+25.4可以看出在这些标准公式中首舷弧是尾舷弧的2倍。在某些情况下，舷弧与这些标准
24、公式值有很大差异，有时首舷弧增加而尾舷弧在减小。偶尔还出现上甲板最低点位于船中之后一段距离的情况。有时还在抛物线舷弧上出现（阶梯状）变化情况。舷弧值特别是首舷弧增加甲板在水面上的高度（称为平台高度），此举可以使航行于风流中的传播减少甲板上浪。在一些现代船舶上不采用舷弧结构，其原因是从耐波性角度看首部甲板距水面如此之高所以首舷弧没有必要了。取消了舷弧的船舶更容易建造了。但从另一方面看船的外观没有以前的漂亮了梁拱梁拱或甲板圆弧的定义式甲板中心线距两舷甲板与舷侧交点连线的高度，如图3.3（a）所示。梁拱曲线是抛物线，但目前多数是直线梁拱也就是没有梁拱。从排水角度讲梁拱主要用于露天甲板。但这一点并很重
25、要，因为船舶在静止时很少是直立的。通常，如果船舶露天甲板设梁拱，那么下层甲板特别是客船的根本无梁拱，因为平甲板有利于客船布置。梁拱通常利于船的型宽来表示它的大小。标准梁拱取型宽的1/50.甲板梁拱想船舶首尾端逐渐减少，因为甲板宽度在减少。舭部半径船中横剖面轮廓如图3.3（a）所示。在许多“全“货船上。其横面是垂直的矩型在底角部以圆弧过渡。剖面的这一部分称为”舭部“其形状为圆弧形。构成舭部的圆弧的半径称为“舭部半径”。有些设计人员喜欢将该处做成曲线面不是圆弧。此曲线具有曲率半径，并且当曲线接近要连接的平直部分时，曲率半径是增大的。底部升高船中处的船底通常是平的但不必要是水平的。如果平坦船底线向舷
26、外连续延伸，它将与船宽型线相交，如图3.2（a）所示。该交点在基线以上的高度称为“底部升高”底部升高主要取决于船体型线。对于丰满船型例如货船，底部升高可能可能仅仅有几厘米。或者根本没有。对于瘦型船，将采用较大的底部升高，并且有较大的舭部半径平板龙骨在铆接船时代，“平板龙骨”或是“平底”是很普通的构件。如果没有底部升高，那么从船底中心线至舭部圆弧起点处的船底是平的。如果有底部升高，那么船底线与基线相交与船底中心线两侧一段距离的某一点上，是司空见惯的，因而船底中心线上的一小部分船底是平坦的，如图3.3（a）所示。这就是熟知的“平底”。它的作用在与平板龙骨与中底桁可以垂直连接，而不必对连接角钢进行倒
27、边舷侧内倾船舶横剖面还有一个特点在一段时期内相当常见，而现在几乎完全消失了此即所谓的舷侧内倾。它是船舷从型宽线向内缩进的距离，如图3.3（b）舷侧内倾在帆船上很常见，在二战前的商船上也经常出现。现代船舶已不在采用这一特征，因为取消它使建造容易且它的也是有疑问的。首柱倾斜在采用值的型材首柱或钢板首柱的船上，首柱自铅垂线向前倾斜称为首柱倾斜。它既可以由倾斜角角度来定义，也可以由首柱与基线交点至首垂线的距离来定义。当船舶首柱是弯曲特别是具有球鼻首时，首柱倾斜不易定义，所以有必要再不同水线上通过一些列坐标值来定义。在直首柱情况下，首柱线通常与基线以圆弧连接有时以其他形式曲线连接，需要用一些坐标值来定义
28、其形状吃水和纵倾船舶飘浮时的吃水简单地讲是指船底到水线的距离。如果水线与基线平行，船舶就称为平吃水；如果水线不平行于基线，那么船舶就称为纵倾。如果船舶尾吃水大于船首吃水，那么该船尾为倾。反过来，首吃水大于尾吃水，则为首倾。吃水可以用两种方式表示：或者用型吃水表示，即基线之水线的距离；或者用最大吃水表示，即船底缘至水线的距离。在现代焊接商船上，这两种吃水的差别仅仅为船底板的厚度，而在一些特定类型船上，采用棒状龙骨，那么最大吃水要从它的下边缘量起，所以要比型吃水大1523cm（69英寸）。这对了解船舶吃水或船舶入水多深是重要的。因此，吃水值应当容易获取。水尺刻在船首和船尾。这些数字给出了至船底的距离在采用英制单位时，字高为6英寸，字间距也是6英寸（一个数字的顶边缘与相邻另一个数字的底边缘的距离）。当水位在某个数字的字脚时，那么那个数字就代表吃水值（单位为英尺）。如果采用米制，那
