V型无压载水船舶型线设计变换研究

韦俊凯 林 焰

大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连 116024

V型无压载水船舶型线设计变换研究

韦俊凯 林 焰

大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连 116024

无压载水船舶作为一种新的船舶设计理念已经在国外展开了相关的研究，而在中国还研究甚少。就V型无压载水方案的型线设计变换进行研究，首次提出基于母型的横剖面面积曲线基本不变的V型无压载水型线设计变换方法。该方法对母型船的型线进行底部V型变换，使设计船舶的底部呈现一定的倾角，同时增大船宽。变换后设计船舶的横剖面面积曲线和母型船保持一致，变换方法简单可靠，在保证设计船舶的船长、设计吃水、排水量等参数基本不变的情况下，较好地解决了设计船舶型线的光顺性问题。

型线设计；横剖面面积曲线；型线光顺性

1 引言

船舶压载水对多数空载状态下的船舶而言是必不可少的，它的作用一是在船舶空载航行时使船舶保持一定深度的吃水不至于倾覆；二是在船舶载货的状态下用压载水在各压载舱之间的压载和调节，达到最佳的浮态，保证船舶在特定的水域中顺利、安全航行。

但压载水本身所带来的危害已长期广泛地存在，这种危害不仅是眼前的，而且是长远的和深刻的。全球船舶压载水转运总量年均达到数十亿吨，由此而引发的污染、外来生物入侵，给各海域带来了严重的环境问题，也给各大航运国造成严重的损失。专门处理压载水的各种化学药剂，尽管可以消灭压载水中的有害微生物，但化学试剂本身会造成二次污染，而且压载水处理剂价格昂贵，因此压载水问题的解决成为一个世界性的难题。

作为一种理想船型，无压载水船舶（Ballast Free Ship）需要进行大量的研究工作并有着巨大的应用前景。所谓无压载水船舶，即设计船舶在无需压载水或者恶劣海况下仅需少量压载水的情况下，满足稳性、装载等多项性能的要求。国外已经对此展开了相关的研究，目前较为认可的有三种设计方案［1］，分别是V型设计方案、贯通流系统设计方案、单一结构船身设计方案。这三种方案在设计理念上是截然不同的，但每种设计方案并未取得突破性研究成果，其中日本的研究偏重于V型设计方案［2］，美国密歇根大学偏重研究贯通流系统方案［3］；中国则在这方面研究较少。

本文的研究针对V型设计方案。V型船身的特点是船体下半部分更加细长，船底呈现明显向下突出的V型，以使船舶有足够的吃水配合船舶空载时的性能要求；同时增加了设计船舶的宽度，使船舶的稳性得到明显的提高；在特殊海况下，可以加入少量的压载水来调整船舶的浮态。

2 设计思想

基于母型的V型无压载水船舶主要设计思想是对母型船的线型做相应修改，通过倾斜船底，加大船宽或加大型深，在保证船长、设计吃水和排水量基本不变的基础上，使设计船的横剖面底部呈明显的V型。加大船宽或者加大型深一方面是为了弥补因底部形状改变而带来的浮力减小，另一方面也可以为船舶在不打压载水的情况下提供足够的稳性。

图1是V型设计方案下，无压载水船与母型船横剖面对比情况。由图可以很明显地看出设计船底部倾斜，呈现明显的V型。

3 设计方法

基于母型船的型线设计方法有多种［4，5］，包括比例变换法、1-Cp法、Lackenby法、二次式变换函数法等，但这些方法仅用于常规船型设计。对于新船型V型无压载水船，是不合适的，因此需要研究一个可行的设计方法以达到新的设计需求。

受益于保证船长、设计吃水和排水量基本不变的要求，本文提出基于横剖面面积曲线不变的V型无压载水船设计方法。

观察无压载水船与母型船横剖面对比图，可以发现对于同一站的横剖线，其变化的形状呈互补的状态，如图2，即设计吃水线以下，母型船横剖面所减少的区域A的面积，由设计船横剖面所增加的区域B的面积来补偿，以保证其排水量的要求。

图2 无压载水船舶与母型船舶横剖面型线

现考虑位于平行中体处的横剖面变换。如图2，设母型船的半宽为b，设计船的半宽为B，二者的设计吃水均为d。设计船底部倾斜角度为θ；区域A可近似考虑成一三角形，区域B则近似考虑成一梯形。

则区域A的面积为：

区域B的面积为：

令 B＝（n+1）b，显然n＞0；设 n 变量，则整理等式可得：

一元二次方程求解可得：

观察等式可发现，等号右边仅有倾斜角θ为可变量。考虑实际情况，可限定θ角度的范围为0°～30°，限定系数 n的范围为0＜n＜1。通过计算可发现，多数倾斜角度θ下都有唯一的系数n与其相对应（当θ偏大时，会有n不存在的现象），即取合适的底部倾斜角θ时，会有唯一的设计船宽B与其相对应。

此种设计方法的可行性在日本船舶研究中心（Shipbuilding Research Centre of Japan）提供的最优V型无压载水设计结果中得以验证。

根据日本船舶研究中心提供的有关V型无压载水船的报告，其报告中提供了两艘大吨位油船无压载水设计的结果，其中一艘设计排水量16万吨的“苏伊士”油轮，其母型船与设计船主要尺度对比见表1。

表1 “苏伊士”油轮母型船与设计船对比

根据式（5），取“苏伊士”油轮为母型，油轮半宽 b=21.5 m，设计吃水 do=16.0 m，当底部倾角 θ在5°～20°之间变化时，可得到对应的设计船半宽值见表2。

表2 底部倾角θ与设计船半宽对应表

由表2可以看出，使用上述设计方法，当设计船底部倾角采用日本船舶研究中心提供的θ=15.2°时， 设计船半宽 B=28.30 m， 型宽为 56.60 m，对比表1日本船舶研究中心给出的设计结果为 56.0 m，二者数据上相差 1.07%，基本一致。

确定了平行中体型线变化方法以后，可通过比例变换来获得非平行中体部分站面的横剖线，具体变换方法如图3所示。

图3 任意站面横剖面型线变换

如图3所示，取设计船非平行中体站的任一站，该站面离最近的平行中体站的距离为S，设计船长一半为L，则对于任意吃水下的半宽变换量为：

由此得设计船舶任意吃水下的半宽值x为：

式中，x0为母型船对应站对应吃水下的半宽值。

通过式（7）可得到设计船任意站的半宽值，进而得到相应站的横剖线，得到横剖线后即可根据横剖线来绘制水线以及纵剖线，并进行光顺。

根据式（5），我们可以得到底部倾斜角与设计型宽的一一对应关系。由于底部倾斜角是不确定的，可变的，因此我们可以获得任意多的设计船，后续的工作可以通过计算不同倾斜角度下的设计船性能来筛选出符合要求的最优船。

4 设计举例

以某5万吨油轮为母型船，采用上述方法进行V型无压载水船型线设计。已知母型船的型值表，母型船主要参数，半宽b=17 m，设计吃水do=11.5m，绘制母型船的横剖线图和水线图（图4）。

图4 母型船的横剖线图和水线图

采用上述设计方法作为主要设计思想，通过Object ARX对CAD进行二次开发［6］，可以快速获得任意倾斜角度下的设计船型线，并通过面域计算快速获取任一吃水下的排水量、浮心坐标以及横稳心半径等参数。表3为设计船底部倾角θ与设计船半宽B对应表。

表3 设计船底部倾角θ与设计船半宽B对应表

由表 3得知，当 θ=12°时，B=21m，此时设计船的横剖线图和水线图，如图5所示。

当θ=14°，B=22 m，设计船的横剖线图和水线图，见图6。

当θ=16°，B=24 m，设计船的横剖线图和水线图，如图7所示。

图5 设计船舶的横剖线和水线图（θ＝12°，B＝21m）

图6 设计船舶的横剖线和水线图（θ＝14°，B＝22m）

图7 设计船舶的横剖线和水线图（θ＝16°，B＝24m）

表4为母型船以及不同倾角下的设计船在设计吃水下，其排水量、浮心坐标以及横稳心半径。

通过表4可以看出，设计船与母型船在同一设计吃水下的排水体积和浮心纵向坐标仅发生了很小的变化，当 θ分别为 12°、14°、16°时，排水体积 相 对 母 型 船 变 化 率 分 别 为 0.61%，1.6%和1.2%，基本保证了设计船和母型船的排水量保持不变。由于设计船底部出现倾角，呈现V型，故设计船的浮心垂向坐标也有了一定幅度的提升；同时由于较大幅度地增加了设计船的宽度，可以比较明显地看到设计船的横稳心半径有了大幅度的增加，这样可以有效地抵消由于浮心重心垂向坐标升高而带来的稳性损失，保证设计船的稳性。

表4 不同倾角下的设计船排水量、浮心坐标以及横稳心半径

图8为母型船与设计船（θ＝12°）的无因次化横剖面面积曲线，由图可以看出二者基本重合，只有个别地方有微小差别。

图8 母型船与设计船舶的无因次化横剖面面积曲线对比

5 结论

1）以上介绍了基于横剖面面积不变的V型无压载水船型线设计方法以及应用实例。通过介绍可以发现本设计方法可以很好地满足型线光顺性的要求，只有局部个别部位出现不很光顺的现象，但修改量很少，故该设计方法具有型线光顺上的可行性。

2）通过该方法设计的V型无压载水船舶，其横剖面面积曲线发生很小变化，可以很好地满足排水量不变的要求，同时设计船浮心纵向坐标发生很小变化，部分地保留了母型船的特性。除此以外的相关参数如方形系数、菱形系数、船宽吃水比等与母型船相比均发生明显的变化。

3）本设计方法尚处于研究阶段。由于设计船舶的型线相对母型船发生了比较大的变化，因此船舶的各项性能，如阻力、横摇等都会发生相应的变化，需要对设计船舶进行计算分析。故后续尚有很多工作要做，包括阻力分析、横摇计算、分舱设计、载况计算、结构计算、快速性分析、适航性分析、经济性能计算等，只有通过更多性能的计算分析才能总体评价设计方案的可行性，同时对其优化以获取最优性能底部倾角和船宽，即最优V型无压载水船舶。

4）无压载水船舶作为一个新的船舶理念，从设计到应用还会有一段很长的路要走，但它无疑给船舶压载水问题的解决带来光明，值得大家投入更多的精力进行探索研究。

［1］ 张荣忠.国外关于无压载水舱船舶的探索 ［J］.航海技术，2005（5）64－66.

［2］ Shipbuilding Research Centre of Japan.The Ultimate Solution：Non－BallastWater Ships （N OBS）［M］， 2006.

［3］ KOTINIS M，PARSONS M，LAMB T.Development and Investigation of the Ballast Free Ship Concept ［M］.The University of Michigan，2005.

［4］ 盛振邦，刘应中.船舶原理（上册）［M］.上海：上海交通大学出版社，2003.

［5］ 王世连，刘寅东.船舶设计原理［M］.大连：大连理工大学出版，2000.

［6］ 张帆.ObjectARX 开发实例教程［M］，2007.

Hull Line Design and Variation for a V-S hape Ballast-Free Ship

Wei Jun-kai Lin Yan
Departmentof Naval Architecture ＆ Ocean Engineering， Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

As a new concept in ship design， ballast-free ship has been studied extensively abroad， but it is rarely mentioned in China.In this paper， the design and variation of the hull lines for this kind of shipswere studied and a new design and variation method was proposed under the assumption that area of themid－ship section equals to that of themother ship.With thismethod， the hull lines of the bottom of the mother ship was changed into V－Shape，so that the designed ship has an inclined angle at the bottom with a wider breadth while the area of the mid-ship section was kept unchanged.The proposed new method is simple but reliable.It can obtain smooth hull lines for the design ship with the major factors unchanged， such as length， draught and displacement， etc.

lines design；section area curve； fairness of lines

U662

A

1673－3185（2010）01－24－04

2009-06-24

辽宁省“百千万人才工程”培养基金资助

韦俊凯（1984－），男，硕士研究生。研究方向：船舶结构物设计制造。E-mail：wjk0918＠126.com

林 焰（1963－ ），男，教授，博士生导师。 研究方向：船舶结构物设计制造。E-mail：linyanly＠dlut.edu.cn