深远海多功能工程船艏部型线设计

彭必业 ,王小红, 赵华荣

(中船重工(武汉)船舶与海洋工程装备设计有限公司，武汉 430060)

深远海多功能工程船艏部型线设计

彭必业 ,王小红, 赵华荣

(中船重工(武汉)船舶与海洋工程装备设计有限公司，武汉 430060)

借鉴目前国内外常见的4种深远海多功能工程船船艏型线设计理念，开发一种适航性能更佳的工程船艏部型线方案，从耐波性角度分析其水动力机理，并从美观性角度审视其可观赏度，将国内专家对直立型船艏的研究成果运用于深远海多功能工程船上，形成自主设计船型。

深远海多功能工程船；船艏型线设计

在深远海油气资源开采工程中，海洋工程辅助船起着重要作用。海工辅助船大体上包括有深水钻井船、深水三用工作船、多功能守护船、潜水支持船、铺管船、以及海底开沟埋管船和大型半潜运载船等[1]，且近年来国际上设计建造的海工辅助船出现了多功能融合的趋势。

深远海多功能工程船船型通常是在深水三用工作船船型的基础上发展起来，通过船舶尺度和总布置的调整来融合新的功能，所以平台供应、操锚、拖带是该类船舶的基本功能。该类船舶需要频繁与海洋平台进行靠绑作业以开展供应功能，所以船舶尺度一般不能太大(船长通常处于90～130 m范围内)，大尺度和大吨位的船舶会在靠绑过程中由于波浪中船舶的运动对平台造成严重碰撞和损坏。

深远海多功能工程船需要定期对海洋平台提供物资补给，即使遇到非常恶劣的海况也得完成航行和供给任务，从而保障海洋油气开发。所以，尺度较小的深远海多功能工程船必将长期经受恶劣海况的考验，也给长期在该类船舶上工作的船员造成身体不适的影响。

近年来，针对改进深远海多功能工程船耐波性能，众多国际知名海洋工程船舶设计公司陆续推出了独特的船舶艏部外观型线设计理念，同时也获得了美观的视觉效果。在研究传统的和国外新潮的深远海多功能工程船艏型线及水动力机理，又考虑到规避知识产权纠纷问题的基础上，研发一种直立型深远海多功能工程船船艏型线方案。

1 传统设计

传统的深远海多功能工程船船艏水线以上通常采用倾斜艏柱设计。水线以下采用S-V型球艏或采用垂直艏柱设计，水线以上横剖面带有明显的外飘，艏楼甲板为开敞甲板，具体形态的可见武昌船舶重工集团公司承建的“海洋石油681”号和“华虎”号的实船照片(图1、2)。

图1 “海洋石油681”

图2 “华虎”号

这种水线以上明显外飘的船艏型线设计是典型的压浪船艏设计，具有压浪的效果。但由于该类船的艏楼甲板距离水面高度有限，有限的船长和较低的艏楼甲板使船舶在四级以上海况产生埋艏现象而无法获得理想的压浪效果。平坦开敞的艏楼甲板很容易因埋艏产生严重上浪，加剧了船艏的冲击和纵摇加速度，当波浪遭遇周期接近船舶纵摇固有周期时还会产生共振运动，而且上浪甚至影响到驾驶甲板，给驾驶人员带来不适。

所以，传统的深远海多功能工程船船艏型线设计中引入了“压浪”元素，但较小的船舶尺度仍然在较恶劣海况下会产生严重的甲板上浪的缺点，对该类船舶的正常营运造成瓶颈。

2 国际创新方案分析

近年来，为了在船舶尺度受限的前提下尽可能改善深远海多功能工程船的艏部上浪，国际上众多知名的海工船设计公司进行了尝试和探索，陆续推出了较为成熟的解决方案，其中船艏型线的创新性设计是一大亮点。

2005年前后，挪威乌斯坦设计公司(Ulstein Design AS)率先推出了弓形船艏设计方案(X bow plan)，并在多国申请了船型发明专利——一种排水型船船艏设计(A Foreship Arrangement for A Vessel of The Displacement Type)[2]。如图3、4所示，从侧视图上看这种船艏型线的所有纵剖面均呈弓的弧线形状后倾，且弓形外壳一直向上延伸至驾驶甲板，将艏楼甲板至驾驶甲板之间的空间非水密围闭起来，从而防止艏楼甲板上浪。

图3 Ulstein Design AS 公司设计的船型

图4 艏部型线特征

较小的船长尺度使供应船无法避免大风浪中的埋艏现象，但弓形船独特的艏部流线型设计减少了外飘程度，从而使其入水柔和，有效消除船艏冲击。如图4的艏部横剖线形状，水线面至驾驶甲板之间的横剖线向上呈锐角的弧线形设计，使船舶埋艏后海水能够沿船艏顺利向下流动，避免艏楼甲板上浪且驾驶室甲板上浪状况极少出现[5-6]。

弓形船艏与穿浪双体船的型线设计有异曲同工之处，各高度的水线均拥有尖锐的进流角使得船舶在大风浪中航行犹如一把尖刀，划过迎面而来的巨浪。该船艏型线的设计理念主要在于设计师面对波浪问题的矛盾转化，目的是有效改善艏楼甲板和驾驶室甲板上浪。在船舶尺度受限的前提下，外飘船型无法起到理想的压浪效果，传统的设计理念走不通时必须转变思维方式，将压浪设计改为穿浪设计，引入“穿浪”元素，通过水线面至驾驶甲板一体化的尖瘦流线形封闭外壳设计从而获得新的突破。

简约的流线型线使船舶更加新颖、前卫、大气、美观，也获得了更佳的船舶性能。乌斯坦公司推出的弓形船艏在全球海工船领域内掀起了一股船艏创新性设计热潮，它具有里程碑的意义。目前，该船型已在挪威、美国、俄罗斯、新加坡、乌克兰、中国、巴西等国家获得了专利保护。

随后，挪威的VARD Design AS设计公司和Roll-Royce Marine AS公司也推出了自己的耐波型供应船船艏设计方案，其设计理念大多来源于弓形船的启发，大有异曲同工之妙。以VARD Design AS设计公司的船艏[3]设计为例，见图5、6和7，该方案的水线面以下形状为常规S-V型球艏，水线面以上形状却发生了变化，其特征可以总结为“凹入船艏无钝角形表面”与“至驾驶甲板的封闭式上层建筑围壳”相结合。如图7，船艏从基线垂直向上依次为S-V球艏、凹入船艏无钝角形表面、至驾驶甲板的封闭式上层建筑围壳，其S-V球艏保持了传统船艏型在平静海况航行时船舶兴波阻力小的优点；驾驶甲板的封闭式上层建筑围壳借用了弓形船的设计灵感，将艏楼至驾驶甲板的区域用折角过渡的外壳遮蔽起来，且通过减小艏部上层建筑甲板宽度来有效控制迎浪面积，从而保证船舶埋艏后海水能够沿船艏顺利向下流动；该船型最大的特点就在于“凹入船艏无钝角形表面”这段中间过渡区域。所谓凹入船艏即从侧视图上看通过凹入的形状将S-V球艏与封闭上建围壳衔接起来；所谓“无钝角形表面”是指该区域的横剖线下缘角和水线前缘角均为较小的锐角设计，从而保证船舶遭遇浪高较小的波浪时船舶能够有效的劈波斩浪，减少波浪引起的船舶阻力和纵向运动。

“凹入船艏无钝角形表面”在外形上给人感觉有些怪异，不过大量水池试验表明其水动力性能非常优秀，同时兼顾了静水环境的快速性、低海况的快速性/耐波性和高海况下的耐波性，也体现了一种非常难得的设计理念。

图6 艏部型线特征

图7 艏部船型原理

图8 Roll-Royce Marine AS公司设计的艏部船型

Roll-Royce Marine AS公司推出的船艏设计方案[4]见图8、9所示，采用了折角型S-V球艏与倾斜直线艏柱相结合，同样也采用了与上述船型一致的上层建筑折角过渡外壳遮蔽处理，比起VARD公司的船型，Roll-Royce的型线更加美观。

图9 艏部型线特征

还有挪威的Vik-Sandvik公司(现已被Wartsila公司收购)，近年来该公司也推出了外观改进的WSD4612船型(见图10)，在原VS4612的基础上采用了光滑遮蔽的上层建筑外壳。然而Vik-Sandvik公司习惯采用较宽的艏楼甲板设计以便布置艏部锚泊设备，艏部无法实现“无钝角”设计，所以该船艏设计方案不具备优秀的穿浪效应，不过艏楼甲板上浪得到改善。

图10 Vik-Sandvik公司设计的艏部船型

3 借鉴与创新

通过以上分析不难发现，“船艏无钝角形表面”和“遮蔽的上层建筑外壳”是国外知名设计公司设计方案的共同特点。对国内设计师而言，有必要在船型设计中借鉴以上两大特点设计思路且规避国外公司船艏型线发明专利的侵权风险。

笔者在的8万载重吨级散货船的型线设计与分析过程中探索过散货船球鼻艏船型和直立型艏船型之间的水动力对比。直立型艏是指船舶艏柱前移，船舶首型侧轮廓呈垂直状，而船舶首部横剖面形状仍带有球收船型特征的艏型[7]。水池试验发现，在静水中直立型艏的船舶阻力较球鼻艏能够降低3%以上，其减阻效果非常明显。这主要是由于散货船是低速船，设计傅氏数处于0.18左右，其阻力成分以摩擦阻力和形状阻力为主，而直立型艏能够加长水线长，有效减少形状阻力。对于低速肥大船型而言，直型艏船型能够有更好的压力分布和更低的兴波特征[7-8]。与常规球艏船型相比，直型艏船型静水阻力约可降低3%～9%，波浪中阻力增加可减少6%～44%。

深远海多功能工程船的设计傅氏数通常处于0.25左右，属于中低速船，其方形系数普遍处于0.7左右，与散货船比较接近。所以，通过借鉴散货船的设计灵感，并结合国外设计公司的“船艏无钝角形表面”和“遮蔽的上层建筑外壳”设计特点，开发出了 “直立型无钝角形表面封闭船艏”，如图11、12。

图11 CMOE直立艏型型线特征

图12 CMOE直立艏部船型

4 结束语

深远海多功能工程船由于尺度的限制引起了一股船艏型线创新性设计的浪潮，不仅改善了该类船舶的总体性能，也获得了更加优美的视觉外观，这方面工作是有意义的。通过研究，总结出如下深远海多功能工程船艏型线设计要点。

1)当所设计的船舶尺度受限且要求长期处于恶劣海况下作业时，船艏的设计需考虑放弃传统的“压浪”设计思路，转而运用“穿浪”设计思路。

2)“船艏无钝角形表面”是实现船舶“穿浪”的设计特征。

3)“遮蔽的上层建筑外壳”是缓解艏楼甲板上浪的设计特征。

同时，笔者也深刻的感觉到国外海工船设计公司，特别是挪威的设计公司在这一领域的技术处于顶尖水平。相比之下，国内设计师的设计理念还存在相当大的差距，要想迎头赶上并在国际市场上推出更加新颖实用的工程船外观型线理念，并合理的规避各种知识产权纠纷，这就需要我国众多优秀的工程师们付出更大的努力，船舶企业给予更大的支持。笔者深知任重而道远，希望通过本文的分析起到抛砖引玉的作用，激起大家的设计灵感，和众多优秀的设计师共同努力。

[1] 周国平.海洋工程辅助船研发构想[J].上海造船,2009,80(4):4-8.

[2] Ulstein Design As. A Foreship Arrangement for A Vessel of the Displacement Type[P]. Singapore. SG135279, 2006.2.

[3] VARD DESIGN AS. A Ship's Fore Body Form[P]. Singapore. SG173134, 2010.1.

[4] Rolls-Royce Marine AS. Vessel/boat bow[P]. United States. USD0657729S, 2012.4.

[5] 祁 斌.近海工程船领域的明星[J].中国船检,2011(9):58-61.

[6] 秦 琦.X船首：激进创新开辟“蓝海”[J].中船船检,2012(1):48-53.

[7] 陈霞萍，陈伟民，陈 兵,等.直型艏与常规球艏静水阻力与波浪增阻比较研究[J].中国造船,2014,56(1):113-120.

[8] 胡可一，柳卫东，陈 兵,等.垂直船艏在波浪中快速性综合分析研究[J].船舶与海洋工程,2013,93(1):1-5.

Stem Lines Design of the Deepwater Multi-Purpose Offshore Vessel

PENG Bi-ye, WANG Xiao-hong, ZHAO Hua-rong

(CSIC(Wuhan)Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430060, China)

The common four typical stem lines design ideas for deepwater multi-purpose offshore vessel are used for design of the stem lines of an offshore vessel. The hydro-dynamic performance is analyzed in view of sea-keeping ability, as well as the elegance of the vessel's shape. The research achievements of the vertical bow has been applied in the stem lines design, forming a new stem lines design plan for the deepwater multi-purpose offshore vessel.

deepwater multi-purpose offshore vessel; stem lines design

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.013

2015-05-21

国家发改委2013年海洋工程装备研发及产业化课题资助项目

彭必业(1983-)，男，学士，工程师

U674.38

A

1671-7953(2015)06-0055-05

修回日期：2015-06-17

研究方向:海洋工程船舶及特种船舶总体设计与研究

E-mail: pengbiye@sina.com;dev@csicmoe.com