大连理工大学船舶与海洋工程毕业设计.docx
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大连理工大学本科毕业设计
40000DWT成品油船方案设计
GeneralDesignofa40000DWTProductOilTanker
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
DalianUniversityofTechnology
40000DWT成品油船方案设计
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、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 1
1船舶主要要素的确定 5
1.1综述 5
1.2排水量估算 5
1.3主尺度初步确定 5
1.3.1母型船估算法 5
1.3.2统计法 6
1.3.3根据主尺度比估算 6
1.3.4综合数据初定主尺度 6
1.4船舶主机的初步选定 7
1.5空船重量估算 7
1.5.1舾装设备重量估算 7
1.5.2机电设备重量估算 7
1.5.3船体钢料重量估算 8
1.5.4空船重量估算 8
1.6重力与浮力平衡 8
1.7性能校核 8
1.7.1稳性校核 8
1.7.2航速校核 10
2型线设计 14
2.1改造母型船横剖面面积曲线 14
2.1.1绘制母型船横剖面面积曲线 14
2.1.2将母型船SAC改造为设计船SAC 15
2.2绘制型线图 18
3总布置设计 21
3.1主船体内部船舱的划分 21
3.1.1主体水密舱的划分 21
3.1.2货舱的建筑特征 21
3.1.3主船体内部舱室布置 22
3.1.4主甲板上舱室布置 22
3.2上层建筑布置 22
3.3舾装设备 23
3.3.1锚泊设备 23
3.3.2系泊设备 24
3.3.3舵设备 24
3.3.4救生设备 24
3.3.5消防设备 24
3.3.6货油舱舱盖 24
3.3.7吊车 24
3.4总布置图的绘制 24
3.5舱容校核 24
3.6总结与补充 25
4静力学及完整稳性计算 26
4.1静力学主要性能曲线 26
4.1.1绘制静水力曲线 26
4.1.2绘制稳性横截曲线 28
4.1.3绘制舱容要素曲线 33
4.1.4绘制进水角曲线 37
4.2各种装载情况下浮态和初稳性计算 38
4.2.1重量重心位置计算 38
4.2.2浮态及初稳性的计算 40
4.3完整稳性计算 41
4.3.1计算公式 41
4.3.2计算数据 41
4.3.3校核结果 44
5螺旋桨图谱设计 46
5.1主要参数 46
5.2最大航速计算 47
5.3空泡校核 48
5.4强度校核 50
5.5螺距修正 51
5.6重量及惯性矩计算 51
5.7敞水性征曲线之确定 52
5.8系柱特性计算 53
5.9航行特性计算 54
5.10螺旋桨计算总结 55
5.11螺旋桨制图 56
6结构设计 56
6.1概述 56
6.2材料选择 56
6.3确定骨架系统和结构布置 56
6.4确定构件尺寸 56
6.4.1最小厚度计算 56
6.4.2外板 57
6.4.3甲板 59
6.4.4双层底结构 59
6.4.5双壳结构 61
6.4.6甲板骨架 63
6.4.7槽形油密纵舱壁 64
6.4.8顶凳与底凳 65
6.5强度校核 65
6.6绘制典型横剖面结构图 70
结论 71
附录 72
1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：
ηDW0=DW0Δ0=0.779（1.1）
一般而言，载重量系数ηDW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ηDW相较母型船也应偏小一些合理，在此暂定设计船ηDW=0.77。
则计算设计船的排水量。
Δ=DWηDW=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Δ=51948t，母型船排水量Δ=61069t，带入数据计算：
L=L0ΔΔ013=176.23m（1.3）
B=B0ΔΔ013=32.22m（1.4）
d=d0ΔΔ013=10.90m（1.5）
D=D0ΔΔ013=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=6.546×10-5DW+8.127=10.75m（1.9）
D=1.2d+3.3=16.2m（1.10）
CB=A-BvL=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γ=1.025tm3，计算结果如下
L=3ΔK12K2kγCB=176.11m（1.12）
B=LK1=32.19m（1.13）
d=BK2=10.88m（1.14）
D=d×K3=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/m
B/m
D/m
d/m
CB
母型船修改法
176.23
32.22
17.06
10.9
0.8168
统计法
184.41
30.14
16.2
10.75
0.812
主尺度比法
176.11
32.19
17.08
10.88
0.8168
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/m
B/m
D/m
d/m
CB
176
33
17
11
0.815
1.4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：
C=Δ023V03BHP0=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&W6S50MC-CL1，其主要指标：
额定功率9480kW，转速127r/min，耗油率174g/kW·h。
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
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=1037t
1.5.3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=9758t
1.5.4空船重量估算
设计船空船质量LW=Wh+Wm+Wf=11559t，取3%的裕度，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δDW=DW1-DW=42t。
而δDWDW=0.01%<0.5%，即：
第一次近似结果满足重力与浮力平衡要求。
故初定设计船主尺度如下：
表1.3
Lpp/m
B/m
D/m
d/m
CB
Δ/t
176
33
17
11
0.815
51948
1.7性能校核
1.7.1稳性校核
稳性校核包括初稳性校核和大角稳性校核，在主尺度确定阶段只进行初稳性校核，以及估算初稳性高度。
根据式1.20可估算初稳性高度。
GM=Zb+r-Zg-δh（1.20）
式中：
GM——设计船所核算的初稳性高，m；
Zb——相应吃水下的浮心高度，m；
r——相应吃水下的横稳心半径，m；
Zg——所核算下的中心高度，m；
δh——自由液面对初稳性高度的修正值，m。
（1）计算浮心高度Zb与横稳心半径r：
根据
Zb=a1d（1.21）
r=a2B2d（1.22）
其中的系数a1与a2均按照诺曼公式取值，即：
a1=132.5-CbCw，a2=0.008+0.0745Cw2CB。
带入方形系数CB，求得Cw=1+2CB3，再代入上式后最终求得：
Zb=5.758，r=7.454。
（2）计算重心高度Zg与初稳性高GM：
估算重心高度Zg，初期常用公式为：
Zg=ξD（1.23）
其中，ξ对于油船，空船取0.60~0.66，满载取0.55~0.59，在此空载取ξ=0.63，满载取ξ=0.57。
从而求得：
空船：
Zg=ξD=10.71；满载Zg=ξD=9.69
忽略自由液面影响，取δh=0，根据：
GM=Zb+r-Zg-δh（1.24）
则有：
空载：
GM=2.55
满载：
GM=3.522
首先我国《船舶与海上设施法定检验规则》中对油船的最低初稳性高度的规定，检验下限要求，空载与满载均满足GM≥0.15m，故满足下限要求。
为了保证船舶横摇和缓，需检验初稳性高度是否超过规定上限值。
船舶自摇周期的近似值按照下式估算：
Tθ=0.58fB2+4Zg2GM（1.25）
空载：
Tθ=18.164>13s
满载：
Tθ=14.874>13s
式中：
B——型宽，m；
f——根据Bd决定的系数，当Bd>2.5时，f=1+0.7Bd-2.5=1.286；
Zg——重心高度，m；
GM——初稳性高度，m；
Tθ——横摇自摇周期，s。
求得调谐因数：
Λ=TθTw（1.26）
空载：
Λ=2.816≥1.3
满载：
Λ=2.306≥1.3
其中Tw≈0.8λ，λ在近海范围内多在60~70m，在此取λ=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的主机MAN-B&W5S50ME-CL1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=PεPs=ηHη0ηRηSηg（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CB
0.815
伴流分数ω=0.5CB-0.05
0.358
推力减额分数t=0.5Cp-0.12
0.289
相对旋转效率ηR
1
船身效率ηΗ=（1－t）/（1－ω）
1.106
轴系传送效率ηs
0.98
再利用图谱完成剩余估算得出总推进系数：
表1.5
航速V
14
VA=V（1-ω）
8.995
PD=MCR×0.9×ηS
11376.000
BP=NPD0.5/VA2.5
55.821
BP0.5
7.471
AU4-40（查图）η0
0.524
AU4-55（查图）η0
0.505
AU4-70（查图）η0
0.488
暂取敞水效率η0
0.515
总推进系数ηD
0.558
（2）计算有效功率曲线
因为莱普法适用于Cp=0.60~0.85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
Lpp
m
176
Ld
m
177.76
Δ
t
51948
▽
m3
50680.976
B
m
33
d
m
11
B/d
-
3.000
Ld/B
-
5.386666667
Cb
-
0.815
Xb
m
4.462
Cbd
-
0.807
S
m2
7912.913
0.5ρS
413449.703
Cp
0.818190945
Cpd
0.810
ρ
kg.s/m2
104.5
Cm
0.996
THP
kw
5293.949
有效功率曲线计算如下：
表1.7
序号
项目
单位
数值
1
v
kn
13
14
15
16
2
vs
m/s
6.687
7.202
7.716
8.230
3
Vs/（CpdLd）0.5
0.557
0.600
0.643
0.686
4
ξr×103（查图B组）
25.00
29.00
35.50
41.50
5
根据Ld／B的修正值
0.17
0.17
0.17
0.17
6
ξr×103修正后数值
29.25
33.93
41.54
48.56
7
CRt×103
1.337
1.550
1.898
2.219
8
vs×Ld
1188.717
1280.156
1371.596
1463.036
9
Re=vs×Ld/ν
1000342227
1077291629
1154241031
1231190433
10
CFs×103（1957ITTC公式）
1.531
1.517
1.504
1.492
11
CA×103（荷兰实验池提供资料）
0.2
0.2
0.2
0.2
12
Cti×103
3.067
3.267
3.602
3.911
13
Vs2
m2/s2
44.719
51.863
59.537
67.739
14
0.5ρSVs2
kg
18488910
21442760
24615413
28006870
15
Rti
kg
56708.07
70053.86
88657.08
109523.85
16
B／d修正
0.00300
0.00300
0.00300
0.00300
17
修正Rti
kg
56878.197
70264.023
88923.051
109852.424
18
Vs／75
m/s
0.08916
0.09602
0.10288
0.10974
19
EHP
kw
3732.56
4965.68
6733.22
8872.52
（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=14.22kn>14kn。
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
186
176
型宽
34
33
型深
18
17
设计吃水
11.5
11
方形系数
0.817
0.815
中剖面系数
0.996
0.996
棱形系数
0.819
0.818
浮心位置
2.60%Lpp
2.51%Lpp
2.1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
-0.48
0
-1.048
11
194804351
0.1
0
2228912.913
-1
12
194804351
0.2
0.5
10272667.63
-0.95
13
194804351
0.3
0.75
23107047.33
-0.925
14
194804351
0.4
1
36882487.52
-0.9
15
194371403.1
0.5
1.25
51369155.86
-0.875
16
192369979.5
0.6
1.5
66079656.34
-0.85
16.5
188158929.3
0.65
2
93584674.97
-0.8
17
179417301.1
0.7
2.5
117708858.1
-0.75
18
146702419.5
0.8
3
137870174.3
-0.7
18.5
121328223.3
0.85
4
166793562.6
-0.6
19
90983262.97
0.9
5
182727582.3
-0.5
19.5
57721087.02
0.95
6
190438573.7
-0.4
19.75
41075309.83
0.975
7
193954670.4
-0.3
20
24504545.42
1
8
194804359.1
-0.2
20.2
13262422.84
1.02
9
194804359.1
-0.1
20.52
0
1.052
10
194804359.1
0
根据数据做出母型船无因次的横剖面面积曲线如下：
图2.1
2.1.2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=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：
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