船舶设计原理21重量与重心.ppt

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1、课题二、船舶重量与重心,21 概述 船舶设计的基本要求之一是使船舶按预定状态浮在水面上，据船舶静力学知识，即要求船舶重量与浮力平衡，重心与浮心在同一铅垂线上；基本要求之二是使设计船满足预定的载重量，而船舶载重量通常是排水量与其自重的差值；基本要求之三是使设计船满足任务书规定的各项航行性能指标，而船舶排水量则往往是船舶性能估算或计算的一个重要基础。因此，船舶重量与重心计算是船舶设计中一项首要的基础工作，实船设计往往从重量估算开始。,一、重量方程式与浮性方程式 船舶在某种装载情况下的总重量，称为重量排水量，它是船舶各部分重量Wi之和(单位为t)，即有重量方程式 式中，LW空船重量(t)；Wh船体钢

2、料重量(t)；Wf木作舾装重量(t)；wm机电设备重量(t)DW 载重量(t)，包括货物、船员及其行李、旅客及其行李、燃油、滑油及炉水、食品、淡水，备品及供应品等重量。,同时，船舶所受浮力，等于船体所排开水的重量，故有浮力方程式 式中，水的密度(tm)，海水密度为1025tm3；淡水密度为10tm3；该装载情况下的型排水体积(m)；k附体体积系数，通常为1004101，因为为型排水体积，不包括外板厚度及附体(如舵、螺旋桨、轴支架，舭龙骨等)在内，k值为考虑这些因素而定的系数。,在上述统计数值中，通常对小船取大值，大船取小值；L、B、T、Cb-船长、型宽、吃水及方形系数(L，本书指垂线间长，即L

3、bp)。根据浮力和重量相等，可得浮性方程式,二、民船典型载况 船舶在营运及航行过程中，其载重量(如货物、旅客及行李、油、水)是变化的。随着载重量的变化，船的排水量及其浮心和重心的位置也不同，因而船的各种技术性能也就不同。为了掌握船舶在营运过程中的技术状况，须取若干种典型载况加以研究。民船通用的典型载况是空载和满载，相应的典型排水量为空船排水量和满载排水量。,1、空船排水量 空船排水量系指新船竣工交船时的排水量，即空船排水量LW。此时，动力装置管系中有可供主机动车的油和水，这部分油水重量包含在机电设备重量内，相应的机电设备重量称为 湿重，但不包括航行所需要的燃油、滑油和炉水储备及其他载重。2。满

4、载排水量 船舶装载了预定的全部载重量的载况称为满载，相应的排水量即为满载排水量。如重量估算准确，则满载时船舶吃水等于设计吃水，因此，满载排水量也称为设计排水量。民船通常以满载载况作为设计状态，它是决定船舶主要要素的基础。,对于货船，设计中通常取四种典型载况，即 满载出港设计状态，满载到港这时的油水等重量，规定为设计状态时油水储备量的10(不包括滑油)；空载出港船上不载运旅客与货物。但油水储备量为设计状态的100。空载到港船上不装载旅客与货物，而油水等为其总储备量的10。对于客货船，除上述载况外，通常还要核算满客无货出、到港载况，有时还要加算航行中途载况。在船舶稳性规范中，对各类民船的典型载况都

5、作了具体规定。,三、重量重心估算的重要性 船舶重量重心估算准确与否将直接影响设计船的航行性能与经济性，因而必须仔细地进行估算，力求提高估算精度在设计过程中，如果将船舶重量计算得过轻，则完工船的实际重量值将大于计算值，即重力大于浮力，实际吃水将超过设计吃水。,此时可能出现以下情况：新船不能在预定的航线上航行，或必须减载航行，这是因为，对于沿海和内河船舶，往往是航道水深限制了船舶吃水；对于远洋船舶，则是停靠港的泊位水深限制了船舶吃水。船舶干舷减小，储备浮力减少，船舶大角稳性与抗沉性难以满足，甲板容易上浪，船舶结构强度也可能不满足要求,反之，如果将船舶重量计算得过重，则船舶尺度选择势必偏大，船舶建造

6、所需的原材料与工时消耗增加，显然，船舶经济性降低；同时，由于实际吃水小于设计吃水，螺旋桨可能露出水面而影响推进效率，海上航行时船舶耐波性也可能变差。,类似地，如果船舶重心纵向位置Xg计算误差过大，则实船将出现较大纵倾，影响船舶的浮态、快速性与耐波性；船舶重心高zg误差过大，则实船初稳性高将产生较大的减少或增加，从而影响船舶稳性与横摇性能；同时，重心 xg、zg计算误差过大，都可能影响船舶的使用效能。,所以以上的分析充分说明了重量重心估算的重要性,四、重量重心计算的特点与方法重量重心计算特点有二：一、是贯穿于整个设计过程的始终；所谓贯穿始终，就是在设计的各个阶段，如初步设计、技术设计、施工设计，

7、完工计算等各个阶段都须进行重量估算或计算。二、是逐步近似。随着设计阶段的不断深入，重量计算也由粗到细，由最初阶段参考母型或统计资料的粗略估算到最后按设计船的施工图纸及施工文件分项精确计填，是个逐渐深化、逐渐准确、多次循环螺旋式上升的过程。,在不同设计阶段，重量重心计算的方法是不一样的。在技术设计，施工设计及完工计算时，船舶的主要图纸均已具备，船舶的各主要部分均已确定，甚至实船也已造出，因此此时的重量重心计算可以按图纸(或在完工计算中按实船)进行详细的分项计算，然后逐项累计即可。但在设计初期即主尺度及排水量确定阶段，则不具备这些条件，设计船的重量重心只能依据母型或统计资料进行较为粗略的估算。,本

8、章主要介绍初始设计阶段船舶重量重心的估算方法，寻求船舶主尺度系数与各部分重量之间的内在规律；同时，还将简略介绍船舶设计中、后期图纸资料比较完备情况下重量重心的计算方法。,22 空船重量的分析与估算,通常，空船重量估算的准确度是船舶设计能否成功的关键之一。这是因为空船重量LW占了船舶排水量的相当部分(见表21)，而且其影响因素多，不容易估算准确。表2-1 各类船舶的空船重量与满载排水量之比,一、空船重量分类 构成空船重量的项目是十分繁杂的。为便于船舶设计者准确地计算空船重量，避免重量项目计算的重复或遗漏，为便于船舶建造者进行原材料及设备订货，同时也便于船厂经营部门进行船舶报价，需要将空船重量按一

9、定的原则进行分类。按惯例，空船重量通常分为：1、船体钢料重量Wh；2、木作舾装重量Wf；三大部分3、机电设备重量Wm，各部分又细分为若干组，各组再分成若干项，如表22所列。,二、船体钢料重量Wh的分析与估算,表23为各类民船的WhLW和Wf/LW的大致范围，可供重量估算时参考。由表23可知，船体钢料重量Wh占空船重量的比重很大，因此，准确估算Wh对决定设计船的LW和有重要意义。,(一)影响船体钢料重量的因素 影响船体钢料重量的因素很多，大致有以下几个方面：,1、船舶尺度及系数 船舶主要尺度及系数(即L、B、D、T、Cb等)对船体钢料重量的影响程度可以从它们对构件数量和强度条件的影响两个方面来分

10、析。(1)船长L 大多数构件(如外板、底部结构、甲板、舱壁、舷侧结构等)都与船长有关；从强度方面看，船长L越长，其在水中所承受的纵向弯矩M越大，对船体结构纵向构件的尺寸要求也大。从规范可以看出，船长如大于60m，则将直接影响到构件的尺度。因此船长对船体钢料重量影响最大.,(2)船宽B 从结构构件数量上看，一些横向构件(如船底与甲板横向构件，横舱壁、平台、甲板等)都与船宽B有关，船宽B对横向强度影响较大，但对船体纵向强度影响不大。综合起来看，船宽对船体钢料重量影响次于船长。,(3)型深D 从构件几何尺度和数量方面看，型深D对舷侧板、肋骨、舱壁、支柱等构件有影响，即D增加要引起它们的重量增大；D增

11、加，则船体粱的剖面模数增大，可使船体纵向构件断面尺寸减小从而可减小它们的重量。从上述两方面综合考虑，对于大船，型深D增加，其船体钢料重量Wh不一定增加或增加甚微，甚至会减少，对于小船，其强度不是主要影响因素(一般能保证)，结构构件的尺度主要取决于工艺和建造方面的要求，因此型深增加要使船体钢料重量增大。,(4)吃水T 吃水T不影响结构构件数量，但对总纵强度和局部强度有一定影响。吃水T增加，使船体所受静水压力增大，故船体梁的剖面模数要增加。从局部强度方面看，船底和舷侧构件尺寸也要加大。所以，吃水增加也会引起船体钢料重量增加。,(5)方形系数Cb Cb增大(一般当CbO6时)，则需增大船体梁剖面模数

12、W这会引起总纵强度构件重量增加；另外，Cb增大，会引起外板、甲板，底部结构、舱壁等构件尺度和数量微小的增加。总之，方形系数Cb增大，会使船体钢料重量Wh有所增加，不过其影响甚微。,综上所述，可知主尺度及方形系数对Wh的影响程度是不同的，其顺序为L、B，D、T，Cb。它们对wh的具体影响程度因船舶类型、建筑及结构特征，主尺度的大小等而异，Wh与主尺度及方形系数之间的关系可用下式表示：,式中，指数，1，其他指数1,ch-钢料重量系数。,对于大船与小船，主尺度对Wh影响程度也不同。小船强度要求低，如主船体的板厚主要是从使用年限、耐腐蚀以及焊接工艺要求等方面考虑的，所以小船的船体钢料重量Wh主要取决于

13、其构件总尺度数量(总尺度数量正比于主尺度值的平方)。对于大船，其强度要求高，构件的尺寸正比于船长，由于构件总尺度数量正比于主尺度值的平方，故大船的船体钢料重量Wh近似正比于主尺度立方。对巨型油船和散货船，由于船长L对Wh影响更大，故Wh会高于主尺度立方关系变化，从上的影响指数看，对于小船，1；对于大船，1。,2布置特征 船舶布置特征不同，Wh也就不同，如甲板层数、舱壁数、上层建筑的大小等均对Wh有影响。甲板层数，取决于布置特点与使用要求；舱壁数，规范有最小数目的规定，实际的舱壁数目还要考虑使用要求；上层建筑大小，包括长度、宽度、高度、层数等，一般客船比货船要大。小船比大船的影响大些，且不同船型

14、也不同。,3船级、规范、航区 设计船入什么级，用哪国规范，都对船体结构要求有差别，因而对Wh有影响。同样尺度的船舶，如航行于冰区，船体的某些结构要加强，显然Wh值就会加大。,4结构材料 船体采用普通钢、高强度合金钢，还是铝合金、玻璃钢等，材料不同，显然Wh，会有很大差别。以上对影响 Wh 的几方面因素，进行了简单分析。分析讨论的目的是：有助于对某些近似估算公式的理解；在利用母型资料估算Wh时，可以根据上述影响因素，找出新船与母型船的差别，并进行修正，以使结果更加符合实际情况；将分析出的规律用于船舶设计，以便在满足使用和各种性能要求的前提下，尽量减轻空船重量，节省原材料。,(二)粗略的估算方法

15、船体钢料重量的估算方法很多，在设计中重要的是要根据收集所得的资料情况，在不同的设计阶段选取合适的估算方法，下面介绍的一些粗略的估算方法可在设计初始阶段使用。在设计船的L、B、D、T、Cb等已初步确定，对船的布置特征已有粗略设想，但其他设计工作还没有深入开展的情况下，用来粗略地估算Wh值。,1百分数法 假定Wh正比于，亦即 式中，Ch可根据母型船选取，Ch=Wh。(其中Wh、。分别为母型船的钢料重量 排水量)。如果已知Ch，则可根据求出Wh值。此估算方法简单方便，缺点是把L、B、T、Cb各要素对Wh的影响看成同等的，因此较为粗略，通常只适用于油船、散货船等较大且特征比较稳定的船。估算船体钢料重量

16、时所参考的母型船，应当是与设计船类型、船主体结构形式及船体材料相同、主尺度及船舶上层建筑丰满度相近的实船；其Ch应尽量采用多艘实船分析比较后确定。,2平方模数法 此法假定Wh正比于船体结构的总面积，并用L、B、D的某种组合来表征。最常见的形式 为 式(27)中，(B+D)可近似看成是单甲板船从龙骨到甲板中心的周长，所以上(B+D)实际上表征了船壳表面积及甲板表面积的一种面积特征数，亦称平方模数。本方法对于总纵强度不突出的船，其计算结果比较准确，常用于内河船舶及小型船舶。,如果考虑到甲板，内底及纵舱壁等的影响，有人建议式27改为：Wh=Ch L(aB bD)该式即为平方模数法的一般形式，式中L(

17、aB+bD)为平方模数，其中系数a和b的值没有统一取法，通常根据船的建筑特征而定。如常见资料建议，a=b=1,即式27；也有人建议，a连续甲板层数2，b2（无纵舱壁时）；Ch-关于平方模数的船体钢料系数，可取自相近的母型穿或统计资料。,3立方模数法 此法假定Wh正比于船舶内部总体积，并以LBD作为内部总体积的特征数，就是立方模数。最常见的形式为 若设计船的舷弧高度及上层建筑的体积与母型船相差较大，那么D应以相当型深D1替代，以提高计算精度,平均舷弧高度,甲板以上各层上层建筑的长度和高度,式中，SM平均舷弧高，一般地，SM=AL，A为船舶舷弧升高部分的侧投影面积()，如图21所示的阴影部分，对于

18、抛物线舷弧，SM=(SF+SA)/6，SF、SA分别为船舶首、尾舷弧高;li、hi 连续甲板以上第一层及各上层建筑的长度和高度。立方模数法对于大中型船舶，适用性较好。其缺点是，仅考虑了尺度L、B、D的影响，而未考虑船舶结构形式、布置特点、T和Cb等对Wh的影响；也未考虑尺度比(如LD)不同时Wh的差异；把L、B、D对Wh的影响看成是等同的，这显然与实际不符。,为了提高估算精确性，可将式(28)改写成：,另外，如果设计船与母型船的甲板层数不同，估算时也要对Wh值进行修正。通常每增加一层纵通甲板，Wh值约增加56。,4统计公式法根据经验得出很多统计公式,如对于散货船的Wh有如下的统计公式：,式中，

19、Ch钢料系数，根据母型船换算得到;l1、h1-伸展到舷边的上层建筑的长度和高度(m)；l2、h2-甲板室的长度和高度(m)，上述统计公式中，穆瑞公式适于中型散货船，阿德文克公式适于大型散货船，而瓦特生公式一般适于较广泛的船类(如散货船、杂货船和集装箱船等)和较宽的尺度范围。,(三)比较精确的估算方法 1、修差法 此法根据设计船与母型船主尺度的差别进行修正来得出新船的 Wh值，即,式中，Wh设计船船体钢料重量的增 量。,假定母型船的Who与主尺度的关系式为：,若设计船与母型船的主尺度差值为L、B、D，则由于设计船与母型船的主尺度改变而引起的Wh增量：,若设计船与母型船的方形系数不相同，其差值为C

20、b，则 Cb的重量修正值取为经主尺度修正后的Wh乘以0.3 Cb，即,2每米船长重量法 当设计船和母型船都具备船中横剖面结构图、型线图和总布置图时，可用本方法得出值Wh。本方法假定全船主船体构件的总重量，正比于船中部每米长度重量和船长Lbp，并以 考虑船体丰满度的影响。具体估算步骤如下：(1)计算单元长度的所有重量W0和W;所谓单元长度，对横骨架式船来说，为一个肋骨间距；对于纵骨架式船，则为相邻两个实肋板间的距离。单元长度应计入的重量包括：纵向构件-板、纵桁、纵骨等；横向构件-肋骨、甲板横梁、肋板、时板等。,(3)计算新船的钢料重量,(4)局部修正。分析设计船与母型船主船体构件的差异，如舱口的

21、大小、舷弧及特殊加强等，进行修正；分析设计船与母型船主船体局部构件(如横舱壁、首尾柱、轴支架，机座等)及上层建筑、甲板室等的差异，再加以修正，因为式(219)只反映了船中横剖面处的结构特点。本方法因考虑了船的具体结构特点，其结果一般比较精确。,3分项换算法 如有相近母型船钢料重量的详细分项资料，则按母型船逐项进行换算，可得到较精确的设计船Wh值。所用换算式一般可从其几何关系及强度关系两方面来建立。如,三、木作舾装重量的分析与估算,(一)简要分析 木作舾装重量分成以下四类来分析其对Wf 的影响；(1）与船舶排水量和主尺度相关的重量，如船舶设备与系统，包括锚、系泊设备、消防系统、管系、舵等。(2)

22、与船员和旅客人数，生活设施标准相关的重量，如舱室木作(内围壁、天花板、地板敷料)、家具、卫生设备、救生设备等。(3)与船的使用特点相关的重量，如货船的起货设备及舱口盖，拖船的拖带设备，渔船的渔捞和加工设备等。这些项目的重量常占同类船的Wf的相当部分。(4)特殊要求的重量，如减摇装置，侧推装置等，按船东要求和船舶技术性能要求而定。,(二)粗略的估算方法,初始设计阶段，与估算Wh相类似，可采用下述方法：1.百分数法 WfCf 此法仅用于建筑特征较稳定的货物运输船的Wf初估，结果较粗略。,2、平方模数法,式(223)、(224)常用于运输船舶的Wf 估算，其结果较百分数法准确。3、立方模数法 Wf=

23、cfLBD(225)客船、拖船、渔船等的Wf常可用此式估算。式(2-22)式(2-25)中，如用相当型深D1代替D，则可提高估算的精度。,(三)比较精确的估算方法分项换算法 类似于Wh的分项换算方法，根据已有的母型船Wf资料，按照母型船Wf 项目分组分项，然后采用适当的模数逐项换算，再依据设计船的技术要求与标准加以适当修正求得设计船木作舾装各分项重量，最后汇总得到全船Wf。,其换算模数，诸如：船体木作(木甲板、木铺板、木围壁及隔壁、货舱木护条等)重量可正比于L(B十D)；舱室木作(内围壁、天花板)重量可正比于AS，AS为所计算的内围壁、天花板的面积；锚泊及系泊设备，可按舾装数相近的母型船选取；

24、起货设备参考母型船或按产品样本计取；舵设备重量可正比于LT，vk为航速；油漆重量可正比于。技术设计末期，根据总布置图、舾装布置图、设备属具明细表等设计图纸和文件，查阅有关标准和产品样本逐项计算，最后汇总之，就可精确求得全船的Wf。,四、机电设备重量的分析与估算(一)简要分析 机电设备重量包括主机、辅机、轴系、动力管系与电气设备等，详见表22。机电设备重量的构成情况，大致分为三部分：(1)已知重量，如主机、锅炉、发电机组等的重量。船舶设计初期，这些设备项目往往是预先选定的，因而可从各自的产品样本中查出相应的重量。(2)可以计算的重量，如轴系重量，设计初期，根据预定的主机功率和螺旋桨转速可计算轴的

25、扭矩，确定轴径，再按拟定的机舱位置和螺旋桨数目算出轴系的重量,(3)其他配套设备重量，如其他辅机，泵、管系等，一般来说，当设计船与母型船的主机类型相同、功率相近时，与其配套的辅助设备的组成和重量也大体相近，因而可直接根据母型船的Wm 资料，结合设计船的不同要求用逐项比较法计算确定。显然，影响机电设备重量Wm，的最主要因素是主机的类型与功率。,(二)粗略的估算方法 初始设计阶段，当缺乏可靠的母型船机电设备重量分项资料时，设计船的Wm(t)可按主机功率的大小来粗略估算之。,(三)比较精确的估算方法-逐项比较法 选用主机、辅机相近的型船的Wm资料时；进行逐项比较，相同的照抄，不同的项目进行修正，没有

26、的项目删去等，这是最常用的方法，也是比较可靠的方法。技术设计阶段或施工设计末期，根据机舱布置图、轮机设备明细表清点主、辅机、锅炉等设备，算得机械设备重量；按轴系计算书及相关，图纸可算得轴系重量；按全船各系统图可算得全船管系重量，再按电气设备布置固和电气设备清册可算得电气设备重量，最后汇总求得精确的全船机电设备重量 Wm。,以上介绍了构成空船重量LW的三大部分重量Wh、Wf和Wm的估算方法。归结起来，Wh占LW的比例最大，规律性较强，wm则比较容易估算准确，如果手头上备有相近母型船的详细重量资料，则Wh和Wm可以估算得比较精确。相对难于估准的是Wf因为项目繁杂，规律性较差。因此，在估算Wf时，一

27、方面要搜集相近母型船的重量资料另一方面要吃透船东对全船木作舾装的具体要求，根据母型船资料换算成设计船的Wf,再针对船东的不同要求逐项修正，最后对求得的Wf再给出适当的储备。在设计过程中，LW除包括Wh、Wf，和Wm三大部分以外，通常还要考虑排水量裕度(亦称储备)，在有些船(如轮渡、客船及拖船等)上还要加固定压载，,五、固定压载与排水量裕度 固定压载是固定加在船上的载荷，通常采用生铁块、石头、水泥块和矿渣块等，一般在船下水前后加放在船的底部固定压载的作用主要在于降低船的重心以提高稳性；增加重量以加大吃水；必要时也可用来调整船的纵倾。在设计中加固定压载有时是不可避免的，有时则是设计失误所造成的。对

28、于拖船、渔船、调查船、客船、集装箱船，这类船舶的主尺度常取决于布置地位的需要。其尺度相对地较大，载重量占排水量的比例相对地较小，且重心较高，为保证其稳性和良好的浮态，通常在这类船上加一定数量的固定压载，其数值大小要根据使用要求，通过具体计算而定。但对一般货船来说设计有固定压载则是不经济的，也是不合理的。,(二)排水量裕度 在船舶设计中，为确保设计船的载重量，避免船舶超重，通常在分部估算Wh、Wf及Wm的基础上，将LW预加一定裕度，称为排水量裕度(或排水量储备)，其原因有三:(1)估算误差(2)设备增加(3)采用代用设备和材料,重量计算时，储备加多少，取决于设计者的经验、水平和资料具备的情况。一般有下列两种取法：取空船重量LW的某一百分数，在初步设计阶段，通常取为2、5LW(太船用小的数字)。分项储备，即分别在船体钢料、木作舾装、机电设备各部重量加一裕度，初始设计阶段，一般常取它们各自重量的24、48、2一5。,