195m双体搜救船设计船舶与海洋工程本科学位论文.docx
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195m双体搜救船设计船舶与海洋工程本科学位论文
华中科技大学文华学院
毕业设计（论文）
题目：
太湖双体搜救船（19.5m）设计
学部（系）：
机械与电气工程
专业年级：
船舶与海洋工程3班
太湖双体搜救船（19.5m）设计
摘要
本课题为设计一艘19.5m双体搜救船,设计主要内容为主尺度论证、总布置设计、三维建模、型线设计、稳性校核。
确定双体搜救船的航区,航速等之后,进行双体搜救船的主尺度论证，根据主尺度进行双体搜救船的总布置设计，在总布置设计中参照母型船进行设计改造。
接着使用maxsurf的maxsurfpro模块进行三维建模、光顺模型，然后导出型线,进行型线的完善。
之后通过maxsurf的Hydromaxpro模块进行静水力的计算以及大倾角稳性的校核。
关键词：
双体搜救船，总布置，三维模型,型线，静水力
TheDesignof19.5mCatamaranRescueVessels
Abstract
Thetopicforthedesignofa20mcatamaranrescuevessels,thedesignofthemaincontentsofthemain-scaledemonstration,theoveralllayoutdesign,three-dimensionalmodeling,modeldesign,calibrationstability,.Twin-hullvesseltodeterminetheaircraftsearchandrescuearea,afterthespeed,etc.tocarryoutsearchandrescueboatcatamaran-scaledemonstrationoftheLord,accordingtothemain-scalesearchandrescueboatcatamarantotheoveralllayoutofthedesign,layoutdesigninthelightoftheoverallhome-basedtransformationofshipdesign.Thenusethemaxsurfpromodulemaxsurfthree-dimensionalmodeling,smoothingmodel,andthenexporttheprofiletocarryouttheperfectlines.AftertheadoptionofthemaxsurfHydrostaticHydromaxpromodulesaswellasthecalculationoflargeanglestabilitycheck.
Keywords:
catamaranrescuevesselsGeneralarrangementThree-dimensionalmodelLines
1.选题背景
1.1太湖环境介绍
太湖是我国著名的五大淡水湖之一，湖岸总长405公里，湖泊面积2427.8Km2,湖区有52个岛屿，是典型的浅水型湖泊。
苏州市管辖的湖泊面积1600平方公里，约为太湖总面积的三分之二。
太湖沿岸入湖口众多，可供船舶航行的航线包括太湖航线、芜申线、苏西线等在内多达15条，航程200余公里。
随着环太湖特别是苏州市经济的高速发展，湖上航行船舶和货运量呈现快速增长的势头，湖区船舶日流量逾千艘，货物流通增速强劲，太湖成为流域地区重要的水上交通走廊，这对区域的经济发展和城市建设、对沿岸旅游资源的开发、环太湖和苏州区域经济的发展都起到了积极的作用。
从古至今，太湖的水上养殖、捕捞、航运及水上旅游观光事业十分发达。
但由于其自然环境十分复杂，在恶劣的气候条件下，特别是大风季节，湖面上波浪滔天，浪高可达到1米以上。
而且由于太湖水浅，平均水深仅1.2m，在大风季节容易形成“浅水波”。
浅水波的特点是浪高且陡，俗称“浪硬”，这种波浪对在湖面上航行和作业的船只极具伤害性。
因此，太湖也是水上事故高发地区，轻则人身和船只遭受伤害，重则船毁人亡，严重地影响到了一方人民的安全，也会给建设和谐社会画上不协调的音符。
因此提高太湖搜救能力，确保太湖水域航行安全已引起各级政府部门的高度重视，太湖搜救中心已获省市人民政府批准建设。
目前，规划定点选址工作已完成，初步方案设计正在进行之中。
另有西太湖二处避风港建设已进入方案设计阶段，期盼几十年的现代化多功能的太湖搜救中心不久将成为现实。
苏州市城区地方海事处作为处理辖区水上事故的职能部门，深感肩上责任重大，但面对目前较低的太湖搜救能力却感到十分无奈。
其中主要原因是现有的搜救船只老化，性能落后，很难满足搜救工作的需要，现有的搜救船航速低，仅为15公里/小时左右，稳性差，抗风浪能力低，吃水偏深且船载设备陈旧简陋。
在实施搜救时，由于搜救船吃水深，不能接近事故船，往往搜寻到正在下沉的船舶，遇险船员在棚顶呼救而搜救人员无法靠近沉船，有时只能采取冒险行动；二是由于搜救艇航速低，不能在最短的时间内到达事故现场，错失救助良机，特别时大风严冬季节，遇险船员浸泡在水中几个小时，往往被冻死而非被淹死；三是由于现有搜救船适航性差，遇上恶劣的气候，非但不能有效地完成搜救任务，连自身脱险安全回航都得不到保证。
因此，开发研制新型的太湖搜救船型已迫在眉睫。
新型太湖搜救艇采用双体船型，由两细长片体和连接桥架构成，该船型具有稳性好，吃水浅，航速快，抗风浪能力强及操纵灵活方便，且甲板面积大等特点，其优良的快速性、耐波性和操纵性能在确保安全的情况下大大增强其机动性，可克服太湖恶劣环境，在第一时间内到达事故现场。
新型搜救船拟配置GPS卫星导航测速定位系统、大功率远光搜索灯、摄像远程传输系统等先进装备，必将大大提高太湖搜救工作的能力和效率。
该新船型不但可作为太湖搜救艇的更新换代产品，也为“现代海事”、“数字海事”的建设打下坚实的基础。
1.2船型选择
本文选择双体搜救船，它有以下优点：
（1）高速性瘦削船型对高速时的阻力和耐波形的改进都很有利，特别是深V船型，但单体快速船长宽比过大和过于瘦削的船型会引起横稳性下降、操纵性变坏、波浪上纵向弯矩增加以及对舱容和布置有碍等一系列问题，双体船很好的解结了这些问题，并且在速度上获得了保障。
（2）稳性好双体船有两个分得较开的片体，使水线面的横向惯性矩大大增加，所以复原力矩很大，稳性好，抗风力强。
大风时期可较其它船种更易维持正常交通和工作。
对搜救工作非常有利，同时对于被搜救人员也有很好的保护。
（3）适居性较好双体船单位排水量甲板面积比单体船大50％，如加上上层建筑，其比例可达100％。
因此双体船具有宽敞的上层甲板和多层上层建筑，便于舱室生活设施布置，装饰，可以建筑更多的娱乐场所，使得游客在船上的生活更为丰富，生活得更为舒适，同时可以让游客在船上多方位欣赏湖光山色。
（4）操纵性好双休船两个片体造成两个船桨之间的间距大，具有较好的操纵性；—桨正转，一桨反转，船体能原地回转或作侧内移动。
双体船的回转直径比单体船小得多。
经测试，单体船的回转直径为12—15倍船长，双体船回转直径只有5—6倍船长。
（5）推进效率高由于双体船桨叶往往置于有利的尾部伴流中，附体阻力较一般双桨单体船低15~20%。
两桨间的相互干扰由于船体间距的拉开而有所减少。
。
1.3存在的技术问题
技术难点：
（1）由于双体船总长和总宽相差不大，使得双体船的纵摇与横摇周期比较接近，当船受到横浪作用时，将会产生纵横摇的耦合摇摆运动，因而有较大的线加速度，使船抵挡横浪影响的能力较差。
（2）由于船的总宽度较大，阻力大，因而横摇角小，复原反应会引起较大的横摇加速，使旅客有不舒适感。
（3）采用螺旋桨扣进方式的高速双体船，尾部兴波较大，主机轴线与船体基线形成相当大的夹角，造成较大的尾浪。
（4）连接桥底部离开水面但高度不大，使得双体船在海中遇浪航行时底部受拍击严重，在进入内河浅水航后吸底严重。
（5）船体结构重。
高速双体船要比相同排水量的单体船重，这一方面是因为单体分为两个片体，结构增加，另一方面是两个片体间连接桥宽度较大。
要承受的弯曲与扭转力矩大。
为保证其强度和刚度，必须要有较大的构件。
（6）造价较高。
双体船的钢材消耗量较同等排水量及用途的单体船多。
加上主、辅机分别布置在两个片体内，增加了管系和电缆长度。
根据实船建造情况，造价相对提高一些。
（7）由于太湖的水浅，易造成潜水效应；船要沿着景点走，离岸近易造成池壁效应；同时湖里水藻就多，对推进系统要求较高。
解决方案：
（1）为了提高双体船的耐波性，必须减小船的水线面面积，以减少波浪对船体所产生的撞击作用。
（2）由于是内湖，对船的安全性能可以降低。
可以考虑使用在局部采用玻璃钢，泡沫塑料，铝合金以降低重量、成本及简化工艺。
（3）由于是游船，对速度要求不高，可采用U型船体，同时降低对推进系统的功率要求。
（4）采用喷水推进系统，可减小尾流，提高推进效率；使得水藻对推进系统的影响减小；不设倒车齿轮箱、桨轴、尾轴套管、船身附加物，舵装置，整套喷水装仪受到船体保扩。
1.4国内外的研究情况及双体船的发展前景
近年来，高速双体船在我国得到了迅猛发展。
我国也有很多部门正在进行高速双体船的设计与研制，多半用于短途客运。
由于其高速、经济、舒适的特点，很受航运部门欢迎，特别是能用于其他运输工具（如飞机）不易达到的航线，但须改善风浪中的耐波性，如扭摇现象等。
现在国内外都在利用各种高性能船舶的特殊技术进行杂交，从而派生出各种新型高性能船舶，使小水线面水翼船、双体水翼船、双体穿浪船、双体气垫船、气垫水翼双体船等相继问世。
可以预言，在未来高性能船的发展中，双体船技术将越来越扮演重要的角色。
2.主尺度论证
2.1设计任务书的分析
（1）任务与航区:
本船为航行于太湖湖区的国内双体搜救船，航区为内河B级。
（2.）船型:
采用钢质双体船型，双机双桨。
（3）船级:
满足中国船级社颁发的有关规范要求.如:
《钢质内河船舶建造规范》,《内河高速船入级与建造规范》等.
（4）主机型号:
自选
（5）主尺度范围及技术任务指标:
船长20m
平均吃水T≯1.2M
乘员10人
船员及服务员4人
续航力10小时
航速静水中蒲氏风级不超过3级时,试航速度Fn不小于0.7。
（6）设备:
采用悬吊式流线型平衡舵装置，设燃油辅锅炉提供全船热水及冬季暖气，锚泊,消防,照明,通讯与导航设备按有关规范和需要配齐。
根据设计任务书选择高速双体母型船如下：
双体高速母型船主尺度及船型系数如下：
总长Loa（m）
20.35
设计水线长LWL（m）
18.4
型宽B（m）
6.0
片体宽b（m）
1.8
片体水线宽bw（m）
1.6
片体中心距2Co（m）
4.2
型深H（m）
1.55
吃水T（m）
0.96
型排水量▽（m3）
24.36
空船重量（t）
18.17
方形系数Cb
0.437
舯剖面系数CM
0.656
棱形系数Cp
0.666
浮心纵向位置XCB（％L）
-3.81
航速
35km/h
主机功率×转速
205KW×2100rpm
2.2根据母型船估算排水量、主尺度、空船重量
2.2.1主尺度初选
1）船长L
任务为19.5m双体船的设计，故船长定为19.5m，水线长初步定为19m。
2）片体宽b
本船属于高速双体船，取Fn=0.75，适当加大片体宽度和减小吃水及船长，以争取较小湿表面积和降低空船重量是恰当的，一般取L/b=8~12，用排水体积长度系数
反映高速双体船阻力性能要比L/b更确切，因为它既考虑船长因素，又考虑船体的瘦削程度。
取L/b=10.2，则b=1.86（m）
3）型宽B
K/b对干扰阻力的影响随航速的增大而逐渐减弱，干扰阻力在总阻力中仅占5%~8%。
在顾及阻力与连接桥重量下，取K/b=2.22，B=K+b=6（m）
4）吃水T
双体船的b/T对阻力的影响主要表现在片体摩擦阻力上，减少片体宽度和增大吃水对减小摩擦阻力是有利的。
但要求尾部具有一定升力的高速双体船，b/T稍偏大，是双体船具有较佳的航行纵倾角，对减少兴波阻力是有利的。
内河船舶吃水T的选取受航道和港口水深的限制，为避免船舶搁浅，船底与河床之间应留有一定的间隙，称为富裕水深。
富裕水深的大小一般为0.2—0.5m，鉴于湖区泊位水深很小，故取吃水为0.95m。
5）连接桥和型深D
双体船片体瘦削，升沉和纵摇均比单体船大，为防止和减缓波浪对连接桥的砰击，必须提高连接桥距水面高度，并将连接桥首部端向后移，或者在连接桥首端做成具有12
—15
倾角，桥的首部横剖面为单三角形或双三角形。
按船舶设计实用手册的要求，如图2-1所示，可取连接桥距水面的高度为1.8m。
图21连接桥距水面高度
1—最小许可值2—希望值3—目前实船统计值（3%~5%）L
增加型深能提高船舶的抗沉性，对于对安全要求较高的船增大型深是有利的，另外对浅吃水的内河船舶型深大对机舱的布置与操作也十分有利，据此取型深D为2m。
2.2.2船型系数的初选
1）棱形系数Cp是影响双体船片体兴波阻力和干扰阻力的主要参数。
在Fn﹥0.3时，由于沿船长几乎全部产生兴波作用，需要排水体积沿船长均匀分布。
因此，棱形系数对片体阻力的影响符合单体船的规律，航速大者，棱形系数宜取大。
参考圆舭快艇高速区Cp参考图，如图2-2所示，取Cp=0.65。
图22圆舭快艇高速区Cp参考图
2）水线面系数
双体船的水线面系数对形状稳性力臂的影响已微不足道，但对提供尾部升力的影响将随船速提高而明显。
尾板水线面宽度极为重要，这个影响具有与高速单体船同样的性质。
对于中速以上船舶尤其是高速船舶，因
对阻力影响十分显著，一般减小Cb于阻力有利。
当Fn>=0.30时，Cb、Cp与Fn有最佳配合关系表。
如表2-1所示。
表21Cb、Cp与Fn有最佳配合关系表
Fn
Cb
可用Cp
剩余阻力最佳的Cp
0.30
0.550—0.570
0.580—0.620
0.500—0.520
0.32
0.510—0.560
0.570—0.610
0.500—0.520
0.34
0.500—0.550
0.580—0.600
0.520—0.530
0.36
0.490—0.540
0.560—0.580
0.540—0.560
0.38
0.530
0.560—0.580
0.560—0.580
0.40
0.520
0.590—0.610
0.590—0.610
0.42
0.510
0.600—0.620
0.600—0.620
大于0.44
0.500
0.630—0.650
0.630—0.650
按照配合表，暂时取方形系数Cb为0.500
3）浮心纵向位置
浮心位置对双体船阻力影响与单体船相似，随航速的增加，Xcb应向舯后移动。
由于双体船的机舱一般都在舯偏后，甚至是尾机布置，尤其高速双体船是这样。
因此，从阻力角度选择最佳浮心位置时，还要顾及总布置的要求，防止尾机型双体船的过大尾纵倾，在双体船有利的速度范围内，一般Xcb取在舯后1%L~5%L[3]。
图23最佳浮心位置参考图
按照最佳浮心位置参考图，如图2-3所示，取Xcb在肿后1.36%L。
4）空船重量
对于船长60m以下的双体客船，空船重量可用空船重量系数
来初步估算:
式中
—总长（m），B—型宽（m），H—型深（m），
—空船重量（t）
由母型船资料得
=18.17/（20.35×6.0×1.55）=0.096
故设计船的空船重量
LW=0.096×20×6×2=23.04t
5）载重量
人员及行李、淡水、食品
船员及服务人员4人、成员10人计算，则
人员重量为14×60=840kg=0.84t
行李重量为4×45+10×15=330kg=0.330t
淡水主要是饮水,按总量为1t计算
食品按每人3kg计算,则食品重量为3×14=42kg=0.042t
燃油、滑油及炉水
鉴于这些重量分项计算误差较大，故取其总重量为1.5t.
所以载重量为:
DW=0.84+0.33+1+0.042+1.5=3.712t
综上可得船舶的满载排水量为
=LW+DW=23.04+3.712=26.752t
6）主机的选择
主机的功率由海军系数法有：
可以算出P=254.2（kw）
式中，设计船的设计航速由V=Fn×
计算，并取设计航速V=36.8km/h。
内河船一般用柴油机做主机，网上查知型号WD61561C01柴油机，标定功率130kw，标定转速1600r/min。
该主机性能优良，工作稳定且体积小，重量轻，油耗较小，减速比i=2.0。
3.性能校核
方形系数校核
开始选取的Cb=0.500，相差有点大，取Cb=0.432。
稳性校核
由于母型船的重心位置没有给出，故本船的初稳心很难估算。
但一般来说，由于双体船的型宽很大，其初稳性能满足要求，故该部分可以在总布置确定之后再校核。
4.主尺度方案的确定
总长20m设计水线长19m
型宽6m吃水0.950m
片体宽1.86m型深2m
棱形系数0.650方形系数0.432
3．双体搜救船总布置设计
3.1概述
船舶总布置设计是以满足船东提出的使用要求和航行性能为前提的，合理经济地确定新船整体布置的工作，具体说就是要完成新船总布置图的设计和绘制。
船舶总布置图一般包括侧面图、各层甲板、舱底平面图及平台平面图，有的还要绘制横剖面图和阴影图。
总布置设计是船舶设计中极为重要的一环。
总布置设计的好坏对船舶的使用性能与经济性、航行性能与安全性及结构公艺性都有直接的影响，是后续设计绘图与计算工作的主要依据。
总布置应完成以下工作：
主船体与上层建筑的总体区划、纵倾调整、梯口与通道的规划及舱室布置、舾装设备的选型与布置[4]。
3.2总体区划
总体区划是指根据船的技术特点及使用要求，参考有关船型资料，对全船空间进行合理的区划。
本船总长为20m，两柱间长为19m，型宽为6m，吃水0.95m
片体宽1.86m，型深2m，菱形系数0.650，方形系数0.432。
其总布置主要包括以下几个方面：
（1）纵向区划
1）肋骨间距
一般内河船的肋骨间距取S=0.5—0.6m，本船船长较小，故肋骨间距取为0.5m，且全船统一。
2）水密舱壁的数目
根据内河客船的破舱稳性及双体船的破舱稳性要求，取横舱壁为6道，且均通到舱壁甲板。
3）首尖舱长与尾尖舱长
规范对内河船规定：
首防撞舱壁至首垂线的距离即首尖舱长应不小于0.05L且不大于0.05L+3m。
具体到本船就是应在1m到4m之间，故本船首尖舱取为3.3m。
尾尖舱长取决于布置尾轴管所需的长度及尾尖舱舱容要求，本船船长较小，取尾尖舱为2m。
4）机舱位置
尾机型船舶可以有效的满足舱容的要求，且可以减少传动轴的长度，提高轴系效率，减少建造成本，本船属于高速船，需要较高的传动效率，故本船采用尾机型布置。
5）本船船首至32＃为艏尖舱，内设锚链舱，32＃～24＃，24＃～18＃为空舱，18＃～16＃为燃油舱，16＃～9＃为机舱，9＃～4＃为空舱，舱内不设污水柜，4＃～0＃为尾尖舱和舵机舱，压载水舱待定。
（2）竖向区划
本船只设连续的主甲板，在甲板上布置有载客舱、配电室、杂物间、驾驶室与厕所，载客舱的高度按内河船舶设计手册取为2.1m。
本船的上层建筑采用甲板室的形式,，即上层建筑的两侧壁不延伸到船两舷，留有外走道。
这种形式有利于人员在甲板上的通行。
主甲板的布置——主甲板从31＃至11＃肋位，舱室宽度为2.7m，其中31＃～23＃为驾驶室，驾驶室空间宽敞、视野开阔，方便船员驾驶与停靠码头，23＃～15＃为载客舱，15＃～11＃左舷为卫生间和杂物间，右舷为配电间。
主甲板露天部分的布置——9＃～14＃设机舱盖，机舱盖长2160mm，宽765mm，高330mm，其前部设机舱通风管（鹅胫）高740mm，管径200mm，各底舱均开有600×400mm的进出口。
（3）定员
全船共设船员4人，其他乘员10人，乘员舱内共设14个航空椅，两边对称排列，中间走道宽677mm。
（4）舾装设备的布置
1）、锚泊设备的布置
按照《内河高速船入级与建造规范》船舶舾装数N按下式计算[5]：
式中：
△——船舶满载排水量，
B——船宽，m；
d——吃水，m；
b——上层建筑及甲板室围壁的最大宽度，m；
H——船舶在静水中从满载水线到宽度大于B/4的最高一层围蔽建筑顶点的高度，m；
A——在满载水线以上的船体和各层上层建筑及甲板室宽度大于B/4的甲板室围壁的侧投影面积，
；
K——航区系数，B级航区取K=0.8；
对于本船经计算N=153.5，经查表需125kg大力抓锚。
本船设75kg重海军锚二只，配有
mm无档锚链共100m，在船首尾两侧分别布置双柱系缆桩。
本船锚重较小，为了降低空船重量，省略了锚链筒、起锚机、锚链管等设备，采用人工抛锚的方式系泊。
2）门与窗
驾驶室两侧的门宽750mm，采用风雨封密型钢质门，与钢质舱壁牢固绞接，门上设有风雨密橡胶填料及关门夹具，其余通道及舱室门为非金属门，纵向通道门宽为492.5mm，其余为420mm，风雨密型钢制门安装完毕后应进行冲水试验。
舱室窗为铝质矩形方窗，宽900mm，高600mm，驾驶室前端两侧应根据舱壁形状设置弧形窗，中间一扇装扫雪器，窗是否开启或固定是需要定的。
3）救生设备
船舶常用的救生设备有救生艇、救生筏、救生浮、救生圈和救生衣等，本船属于小型船舶，前三种救生设备布置上空间不足，故本船只布置救生圈和救生衣。
按规范我们可以布置14套救生衣和6个救生圈。
4）消防设备
《内河高速船舶入级与建造规范》规定：
对于船长不大于20m的船舶，应设置手提式灭火器4具，气体灭火器2具，消防水桶2只，沙箱2个及太平斧一把。
5）信号设备
本船在驾驶甲板的顶部设有舷灯，舷灯左红右绿，设在27号肋位附近。
在驾驶甲板顶部还设有尾灯，尾灯在13号肋位附近。
为了便于通信，本船在24号肋位附近设有桅杆，桅杆上布置有无线电天线等设备。
双体搜救船总布置图见附录一
4.双体搜救船三维建模及型线
4.1基于Maxsurf建模及改造
4.1.1maxsurf简介
Maxsruf是用于船舶设计的强有力的三维曲面建模体系,它提供了清晰而亲切的用户环境,并能作系统实验和快速最优化设计。
Maxsurf有许多模块组成，MAXSURF模块（动态三维船体模型生成模块）、HULLSPEED模块（船舶阻力及有效马力计算模块）、HYDROMAX模块（船舶水动力性能计算分析模块）、WORKSHOP模块（船体结构生产放样及CAD图形生成模块）、SEAKEEPER模块（船舶耐波性能分析模块）、PREFIT模块（空间实体自动拟合模块）、SPAN模块（帆船性能分析模块）、HYDROLINK模块（数据转换模块）等等。
Maxsurf的多曲面特性允许在任何给定的设计里随意进行曲面建模，并能创建诸多的船体形式。
辅以流体静力学计算，则能进行船形分析和确定船形参数。
以船体型线的形式给出高精度的输出，能转换成其他标准
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