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1、大连理工大学本科毕业设计40000DWT成品油船方案设计General Design of a 40000DWT Product Oil Tanker学 院（系）： 运载工程与力学学部 专 业： 船舶与海洋工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 2015年6月3日 大连理工大学Dalian University of Technology摘 要此次毕业设计题目为40000吨成品油船方案设计。设计者主要从船舶的实用性角度考虑，旨在能够最大限度的满足船东的使用要求。设计过程涵盖了本科阶段学习的诸多专业知识，具体情况如下：一、 根据设计任务书的要求确定
2、船舶的主尺度并进行性能校核，为了选择最优的设计方案，设计者在初期采用了三种方法并相互比较，分别是母型船修改法、统计公式法、按主尺度比估算法，确定了较优的主要尺度要素。二、 型线设计采用“1-Cp”法。考虑尾部线型的要求，使船、桨、舵良好的配合。三、 参照母型船的总布置方案进行总布置设计，合理布置船舶各个舱室及配套设备，保证船舶能在正常工作的同时也不影响船员生活的舒适性。四、 按规范要求，校核船舶满载出港、压载出港两种载况下的浮态及完整稳性计算，为进行上述计算，提供了静水力曲线、货油舱与压载舱的舱容要素曲线、稳性横截曲线和进水角曲线。五、 采用图谱设计法进行螺旋桨设计，选取AU-4系列桨，保证船
3、、机、桨三者的配合，以提高设计船的快速性能，在螺旋桨绘制过程中采用了系统的Excel绘制，提高了绘图效率。六、 按照规范进行中横剖面的结构设计。关键词：成品油船；方案设计；型线设计；总布置；稳性目录摘 要11 船舶主要要素的确定51.1 综述51.2 排水量估算51.3 主尺度初步确定51.3.1 母型船估算法51.3.2 统计法61.3.3 根据主尺度比估算61.3.4 综合数据初定主尺度61.4 船舶主机的初步选定71.5 空船重量估算71.5.1 舾装设备重量估算71.5.2 机电设备重量估算71.5.3 船体钢料重量估算81.5.4 空船重量估算81.6 重力与浮力平衡81.7 性能校
4、核81.7.1 稳性校核81.7.2 航速校核102 型线设计142.1 改造母型船横剖面面积曲线142.1.1 绘制母型船横剖面面积曲线142.1.2 将母型船SAC改造为设计船SAC152.2 绘制型线图183 总布置设计213.1 主船体内部船舱的划分213.1.1 主体水密舱的划分213.1.2 货舱的建筑特征213.1.3 主船体内部舱室布置223.1.4 主甲板上舱室布置223.2 上层建筑布置223.3 舾装设备233.3.1 锚泊设备233.3.2 系泊设备243.3.3 舵设备243.3.4 救生设备243.3.5 消防设备243.3.6 货油舱舱盖243.3.7 吊车243
5、.4 总布置图的绘制243.5 舱容校核243.6 总结与补充254 静力学及完整稳性计算264.1 静力学主要性能曲线264.1.1 绘制静水力曲线264.1.2 绘制稳性横截曲线284.1.3 绘制舱容要素曲线334.1.4 绘制进水角曲线374.2 各种装载情况下浮态和初稳性计算384.2.1 重量重心位置计算384.2.2 浮态及初稳性的计算404.3 完整稳性计算414.3.1计算公式414.3.2计算数据414.3.3校核结果445 螺旋桨图谱设计465.1 主要参数465.2最大航速计算475.3空泡校核485.4强度校核505.5螺距修正515.6重量及惯性矩计算515.7 敞
6、水性征曲线之确定525.8系柱特性计算535.9 航行特性计算545.10 螺旋桨计算总结555.11 螺旋桨制图566结构设计566.1 概述566.2 材料选择566.3 确定骨架系统和结构布置566.4 确定构件尺寸566.4.1 最小厚度计算566.4.2 外板576.4.3 甲板596.4.4 双层底结构596.4.5双壳结构616.4.6 甲板骨架636.4.7 槽形油密纵舱壁646.4.8 顶凳与底凳656.5 强度校核656.6 绘制典型横剖面结构图70结 论71附 录721 船舶主要要素的确定1.1 综述对于一艘船的衡量主要从技术性能与经济指标两方面来进行，而这两方面又都包括
7、诸多具体方面，并且不同方面之间往往存在矛盾，所以一艘船不可能在诸多方面都达到最佳。因此，在设计之初，需要根据设计船的使用环境，明确其首要要求，从而在设计过程中优先满足首要要求的情况下，尽量兼顾次要要求，甚至放弃某些要求。本设计船作为商用运输油船舶，其经济性、稳性与航向稳定性就显得更加重要。设计船舶为40000DWT 成品油船，因此主尺度确定按照非布置型问题的思路进行：首先从重量入手，参考母型船数据以及其他相关资料选取合适的载重量系数，然后估算设计船的排水量，按不同方法计算几组主尺度数据，从中选定初定值。随后针对初定值，估算空船重量，并进行重量与浮力的平衡计算，以及性能校核，若满足条件则初步确定
8、主尺度并进行经济分析，否则修改数值直至满足条件。1.2 排水量估算排水量的估算选用排水量系数法来进行。而对于排水量系数，主要用修改母型船的方式来选取：带入母型船数据，得到其载重量系数： DW0=DW00=0.779 （1.1）一般而言，载重量系数DW随着载重量DW的增大而增大。由于设计船的载重量DW相比较母型船偏小，因此设计船的载重量系数DW相较母型船也应偏小一些合理，在此暂定设计船DW=0.77。则计算设计船的排水量。=DWDW=400000.77=51948 （1.2）1.3 主尺度初步确定1.3.1 母型船估算法设计船的排水量=51948t，母型船排水量=61069t，带入数据计算：L=
9、L0013=176.23m （1.3）B=B0013=32.22m （1.4）d=d0013=10.90m （1.5）D=D0013=17.06m （1.6）其中，方形系数同母型船取Cb=0.8168。1.3.2 统计法根据以往设计建造的船舶，对同型船的相关数据进行统计，得到适当的统计公式进行分析，此处采用预报现代游船主要尺度的统计式，计算如下：Lpp=60.473lnDW-456.6=184.41m （1.7）B=10.853lnDW-84.9=30.14m （1.8）d=6.54610-5DW+8.127=10.75m （1.9）D=1.2d+3.3=16.2m （1.10）CB=A-Bv
10、L=0.812 （1.11）其中，系数A与B按照大连理工大学方形系数统计式的中值选定。1.3.3 根据主尺度比估算根据母型船数据计算系数：K1=LB=5.47、K2=Bd=2.96、K3=Dd=1.57、CB=0.8168。选取附体系数k=1.006，海水密度=1.025tm3，计算结果如下L=3K12K2kCB=176.11m （1.12）B=LK1=32.19m （1.13）d=BK2=10.88m （1.14）D=dK3=17.08m （1.15）1.3.4 综合数据初定主尺度三种方式分别计算的主尺度数据如下表：表1.1 Lpp/mB/mD/md/mCB母型船修改法176.2332.22
11、17.0610.90.8168统计法184.4130.1416.210.750.812主尺度比法176.1132.1917.0810.880.8168在选定初定值时，应结合基本设计思路考虑。主尺度要素中，船长对船舶的造价影响最大，故应该尽量减小船长；而在减小船长的情况下，适当增加型深，可以满足载重量及稳性要求。综上，应在满足航速和舱容的要求下，尽量减小本船的主尺度，提高经济性能。初步选取主尺度如下：表1.2 Lpp/mB/mD/md/mCB1763317110.8151.4 船舶主机的初步选定带入母型船数据：0=61069t、V0=14.3kn、BHP0=9480kw，根据海军部系数公式求得：
12、C=023V03BHP0=478.35 （1.16）而设计船V=14kn、=51948t，则BHP=23V3C=7986.4kw （1.17）查阅MAN-B&W公司的相关主机型号资料，初步选取的主机型号为MAN-B&W 6S50MC-C L1，其主要指标：额定功率9480kW，转速127r/min，耗油率174g/kWh。1.5 空船重量估算1.5.1 舾装设备重量估算木作舾装采用平方模数法进行：Wf=CfL(B+D) （1.18）其中，木作舾装系数：Cf=0.3428DW-1.495+0.0886。 分别带入数据可得：母型船Wf0=857t，设计船Wf=764t。1.5.2 机电设备重量估算
13、粗估机电设备：Wm=CmPm，其中机电设备重量系数Cm，根据船舶设计原理，其取值范围为0.11-0.132，本船主机较小，系数可取大，取0.125。带入数据后得：母型船Wm0=1010t，设计船Wm=1037t1.5.3 船体钢料重量估算母型船的空船重量减去以上所求舾装设备和机电设备重量，得母型船钢料重量，即：Wh0=0-DWT0-Wm0-Wf0=11602 （1.19）根据立方模数法，则有Wh=ChLBD，带入母型船数据得到船体钢料重量系数Ch=0.102，则带入数据算得：设计船钢料重量Wh=9758t1.5.4 空船重量估算设计船空船质量LW=Wh+Wm+Wf=11559t，取3%的裕度，
14、则LW=11906t。1.6 重力与浮力平衡第一次近似载重量DW1=1-LW=40042；则DW=DW1-DW=42t。而DWDW=0.01%13s满载：T=14.87413s式中：B型宽，m； f根据Bd决定的系数，当Bd2.5时，f=1+0.7Bd-2.5=1.286； Zg重心高度，m； GM初稳性高度，m； T横摇自摇周期，s。求得调谐因数：=TTw （1.26）空载：=2.8161.3满载：=2.3061.3其中Tw0.8，在近海范围内多在6070m，在此取=65m。综上，稳性校核通过。1.7.2 航速校核航速校核目的在于校验选定主尺度以及系数的条件下，选用额定功率9480kW 的主
15、机MAN-B&W 5S50ME-C L1时，能否达到任务书所要求的设计航速14kn。（1）总推进系数以及THP的估算总推进系数估算公式：Ct=PPs=H0RSg （1.27）其中，齿轮箱的效率，设计船的转速低，不设置齿轮箱，故=1；船身效率； 螺旋桨敞水效率；轴系传送效率；相对旋转效率。部分参数计算如下：表1.4方形系数CB0.815伴流分数=0.5CB-0.050.358推力减额分数t=0.5Cp-0.120.289相对旋转效率R1船身效率=(1t)/(1)1.106轴系传送效率s0.98再利用图谱完成剩余估算得出总推进系数：表1.5航速V14VA=V（1-）8.995PD=MCR0.9S1
16、1376.000BP=NPD0.5/VA2.555.821BP0.57.471AU4-40（查图）00.524AU4-55（查图）00.505AU4-70（查图）00.488暂取敞水效率00.515总推进系数D0.558（2）计算有效功率曲线因为莱普法适用于Cp=0.600.85的单桨商船，结果考虑到粗糙度影响和附体及空气阻力，故选用莱普法估算设计船的有效功率。所需基本参数如下：表1.6项目单位数值Lppm176Ldm177.76t51948m350680.976Bm33dm11B/d-3.000Ld/B-5.386666667Cb-0.815Xbm4.462Cbd-0.807Sm27912.
17、9130.5S413449.703Cp0.818190945Cpd0.810kg.s/m2104.5Cm0.996THPkw5293.949有效功率曲线计算如下：表1.7序号项目单位数值1vkn131415162vsm/s6.6877.2027.7168.2303Vs/(CpdLd)0.50.5570.6000.6430.6864r103(查图 B组)25.0029.0035.5041.505 根据LdB的修正值0.170.170.170.176r103修正后数值29.2533.9341.5448.567CRt1031.3371.5501.8982.2198vsLd1188.7171280.1
18、561371.5961463.0369Re=vsLd/100034222710772916291154241031123119043310CFs103(1957ITTC公式)1.5311.5171.5041.49211CA103（荷兰实验池提供资料）0.20.20.20.212Cti1033.0673.2673.6023.91113Vs2m2/s244.71951.86359.53767.739140.5SVs2kg1848891021442760246154132800687015Rtikg56708.0770053.8688657.08109523.8516Bd修正0.003000.003
19、000.003000.0030017修正Rtikg56878.19770264.02388923.051109852.42418Vs75m/s0.089160.096020.102880.1097419EHPkw3732.564965.686733.228872.52（3）绘制有效功率曲线并校验航速在CAD中绘制有效航速曲线，并求出与THP交点，如下图：图1.1 在CAD中读出交点，得出v=14.22kn14kn。综上，航速校核通过。2 型线设计因母型船存在平行中体，所以采用“1-CP”法进行型线设计。母型船和设计船的相关数据汇总如下表2.1项目母型船设计船垂线间长186176型宽3433型深
20、1817设计吃水11.511方形系数0.8170.815中剖面系数0.9960.996棱形系数0.8190.818浮心位置2.60%Lpp2.51%Lpp2.1 改造母型船横剖面面积曲线2.1.1 绘制母型船横剖面面积曲线根据母型船的型线图得到其设计水线下各站的横剖面面积，并进行无因次化，数据如下表： 表2.2站号面积读值无因次化站号面积读值无因次化-0.480-1.048111948043510.102228912.913-1121948043510.20.510272667.63-0.95131948043510.30.7523107047.33-0.925141948043510.413
21、6882487.52-0.915194371403.10.51.2551369155.86-0.87516192369979.50.61.566079656.34-0.8516.5188158929.30.65293584674.97-0.817179417301.10.72.5117708858.1-0.7518146702419.50.83137870174.3-0.718.5121328223.30.854166793562.6-0.61990983262.970.95182727582.3-0.519.557721087.020.956190438573.7-0.419.7541075
22、309.830.9757193954670.4-0.32024504545.4218194804359.1-0.220.213262422.841.029194804359.1-0.120.5201.05210194804359.10根据数据做出母型船无因次的横剖面面积曲线如下：图2.12.1.2 将母型船SAC改造为设计船SAC(1) “1-Cp”法根据母型船SAC曲线，计算母型船前体棱形系数为Cpf0=0.8747，后体棱形系数为Cpa0=0.765棱形系数为Cp0=0.8199，浮心纵向位置为xb0=2.60%Lpp=4.836m。设计船的棱形系数Cp=0.818，xb=2.51%Lpp
23、=4.418m，设计船的前体和后体棱形系数可以由以下经验公式估算： （2.1） （2.2）其中：和设计船前体和后体棱形系数；设计船棱形系数；设计船浮心纵向位置，船中前为正，船中后为负。计算得：Cpf=0.875，Cpa=0.761。再根据“”法各站移动距离的表达式如下式： （2.3） （2.4）式中，船中前各站x为正，船中后各站x为负。代入数据得到无因次横剖面面积曲线各站的偏移量x1，各站的原无因次化x加上相应的x1即为设计船的横剖面面积曲线的x1，面积无因次化的参数y保持不变，数据如下：站号x1x1无因次化y站号x1x1无因次化y-0.48-0.000758-1.0487580110.002
24、8170.1028171.0000000.000000-1.0000000.01144120.0025040.2025041.000000.50.000789-0.9492110.05273130.0021910.3021911.000000.750.001184-0.9238160.11862140.0018780.4018781.0000010.001578-0.8984220.18933150.0015650.5015650.997781.250.001973-0.8730270.26370160.0012520.6012520.987501.50.002367-0.8476330.33
25、92116.50.0010950.6510950.9658920.003157-0.7968430.48040170.0009390.7009390.921012.50.003946-0.7460540.60424180.0006260.8006260.7530830.004735-0.6952650.7077418.50.0004690.8504690.6228240.006313-0.5936870.85621190.0003130.9003130.4670550.007892-0.4921080.9380119.50.0001560.9501560.2963060.009470-0.39
26、05300.9775919.750.0000780.9750780.2108570.011048-0.2889520.99564200.0000001.0000000.1257980.012627-0.187373120.2-0.0000631.0199370.0680890.014205-0.085795120.52-0.0001631.0518370100.0157830.0157831表2.3根据以上数据绘制设计船的无因次的横剖面面积曲线，求出其包围的面积及形心的横坐标，得设计船的棱形系数和浮心的纵向位置。计算结果如下：表2.4Cp10.8182xb14.7256Cp偏差0.00111%
27、xb偏差5.91298%由以上校核结果可知，“1-CP”法得到的CP和XB与初步设计的理论值比较，xb偏差不满足要求，所以要用迁移法进一步改造母型船SAC。(2) 迁移法横剖面面积的形变函数为 （2.5）式中： 母型船SAC在x处的竖坐标；系数，。带入数据求出各站偏移量x2，再次进行偏移得到x2，数据如下表：表2.5站号x2x2无因次化y站号x2x2无因次化y-0.480.000000-1.048758011-0.0066620.0961551.000000-0.000076-1.0000760.0114412-0.0066620.1958421.000000.5-0.000351-0.949
28、5620.0527313-0.0066620.2955291.000000.75-0.000790-0.9246070.1186214-0.0066620.3952161.000001-0.001261-0.8996830.1893315-0.0066470.4949180.997781.25-0.001757-0.8747840.2637016-0.0065790.5946730.987501.5-0.002260-0.8498920.3392116.5-0.0064350.6446610.965892-0.003201-0.8000440.4804017-0.0061360.6948030
29、.921012.5-0.004026-0.7500800.6042418-0.0050170.7956090.753083-0.004715-0.6999800.7077418.5-0.0041490.8463200.622824-0.005704-0.5993910.8562119-0.0031120.8972010.467055-0.006249-0.4983580.9380119.5-0.0019740.9481820.296306-0.006513-0.3970430.9775919.75-0.0014050.9736730.210857-0.006633-0.2955850.9956
30、420-0.0008380.9991620.125798-0.006662-0.194036120.2-0.0004541.0194840.068089-0.006662-0.092457120.520.0000001.051837010-0.0066620.0091211由新的偏移量辅助站绘制出“迁移法”横剖面面积曲线，如下图：图2.2根据设计船的无因次的横剖面面积曲线，求出其包围的面积及形心的横坐标，即为设计船的棱形系数和浮心的纵向位置，如下表：表2.6Cp20.8182xb24.4528Cp偏差0.00111%Xb偏差0.20118%由以上校核结果可知，“1-CP”法得到的CP和XB与初
31、步设计的理论值比较，Cp、Xb均满足设计要求，因此将偏移法所得SAC曲线作为绘制型线图根据。2.2 绘制型线图(1) 选定绘图比例，绘制设计船格子线；(2) 绘辅助水线半宽图；a. 在水线图上绘辅助站位置；b. 在辅助站上量取半宽yi=yi0BB0，其中yi和B分别为设计船某辅助水线在各站处的型值半宽和型宽，yi0和B0分别为母型船对应水线上各站的型值半宽和型宽，由此得到各辅助水线。(3) 绘制艏艉轮廓线；根据各辅助水线艏艉端点距舯的距离确定艏艉轮廓线，由此轮廓线插值可得到艏艉几个站的横剖线的最低点，方便画横剖线图。(4) 绘制横剖面图；a. 在横剖面上画出辅助水线ti=ti0tt0，其中和t
32、0分别为设计船和母型船的设计吃水，而ti为设计船与母型船水线ti0相对应的辅助水线；b. 量取水线图上理论站上各辅助水线的半宽值，绘制到横剖面图的辅助水线上，同时，将由艏艉轮廓线中插值得到的艏艉几个站的横剖线的最低点加到相应站号上，从而得到横剖线图；c. 根据横剖线图校核设计船的Cb与Xb。(5) 绘制理论水线半宽图；在横剖线上插值，量取理论水线上各站半宽，重新画到水线图上，得到理论水线。(6) 绘制纵剖线图；插值横剖线图及半宽水线图中各纵剖线（直线）上相应点的坐标，对相应纵剖线上各点的纵坐标进行降序排列，绘出各纵剖线，并三面投影光顺配合。由于型线光顺后对型值改变较小，所以可以忽略其对设计船各
33、主要要素的影响，不再校核设计船的主要尺度和船型系数。另外与水线图相结合确定出各理论水线处艏柱半径及水线图艏艉圆弧半径。(7) 绘制甲板中心线及甲板边线；a. 首先根据母型船确定艏舷弧、艉舷弧及粱拱曲线；b. 在纵剖线图中画出甲板中心线，甲板中心线参照母型，艉部定为直线，艏部略有升高；c. 由甲板中心线及粱拱曲线在横剖线图中画出甲板边线；d. 依据横剖线图中的甲板边线相应得到甲板在半宽水线图和纵剖线图中的投影。(8) 绘制型线图的水上部分；采用本方法一般是对水下型线进行改造。水线以上部分采用自行绘制与参考母型相结合的方法。由于选取的母型船与设计船吨位上比较相近，可以进行一定程度的比例变换，画出水
34、线以上部分后自行进行相应的三向光顺配合，并注意与水下部分型线相配合。(9) 制定型值表，注字、标尺寸；本设计船的绘图规则参考杨永祥的船体制图，型线图及型值表详见型线图。经过型线设计后所确定的主尺度如下：表2.7总长184.992m垂线间长176m水线长180.256m型深17m型宽33m设计吃水11m梁拱0.4m方形系数0.8150中剖面系数0.9961棱形系数0.8180排水量51948t3 总布置设计3.1 主船体内部船舱的划分3.1.1 主体水密舱的划分(1) 水密舱壁的总数根据钢质海船入级规范(2006)中的规定，本船的水密舱壁数不小于8个。(2) 艏尖舱根据规范，货船的防撞舱壁距艏垂
35、线的距离应不小于0.05LL=8.8m或10m（取小者：8.8m），除经主管机关允许外，不大于0.08LL=14.08m或0.05LL+3m=11.8m（取大者：14.08m）。本船防撞舱壁距艏部的距离取为：9.76+2.3=12.06m，满足要求。(3) 艉尖舱艉尖舱舱壁距艉垂线的距离一般取为0.035Lpp0.045Lpp=7.737m9.947m。本船艉尖舱舱壁距艉垂线的距离取为：7.8m，满足要求。(4) 机舱参照母型船，本船机舱长度取为：24.57m，满足要求。(5) 货舱根据钢质海船入级规范2006中的规定，每一货油舱长度应不大于10m或0.15LL=26.4m，取二者中之大值：2
36、6.4m。本船设置6对货油舱，本船每个货舱长度取为：21.28m，满足要求。(6) 肋骨间距船尾艉尖舱壁(#16)：0.60m；艉尖舱壁(#16)机舱前壁(#56)：0.63m；机舱前壁(#56)防撞舱壁(#259)：0.76m；防撞舱壁(#259)船首：0.60m。3.1.2 货舱的建筑特征(1) 双层底与双层壳的确定凡载重量5000t以上的油船，应设双层底舱和双壳体。双壳体间距W应不小于W=0.5+DW/20000=2.5m或W=2.0m，取小者，但最小值W=1.0m。本船W取为：2m。双层底舱或处所的高度h应该不小于h=B/15=2.2m或h=2m，取小者，但最小值h=1.0m。本船h取为：2m。根据浆轴距船体基线高度和主机尺寸，机舱双层底高度定为：2.141m。(2) 甲板及平台本船布
