《CASD初步设计》PPT课件

第4章 计算机辅助船舶初步设计,概述 在船舶设计方面，CAD应用的非常广泛。主要具有以下特点： 1、计算速度快，能加快设计周期； 2、能进行多方案比较和优化，有利于提高设计质量； 3、功能强，出图质量高，美观； 4、涉及到智能的设计目前还相对薄弱； 5、总体、结构、性能、轮机、电气、舾装,4.1 总体设计和主尺度确定,在船型论证中，技术分析与营运经济分析是分别进行的，即在调查研究以后限定的范围内，先设立若干船型方案，对每个方案都进行技术分析，选出较好的主尺度、主机功率等技术方案，再对这些技术方案配上航线，货运条件，进行营运经济计算分析，最后从经济营运技术各方面进行全面的分析对比，选定一个可行方案。下面先介绍用“网格法”对16000t极标准干货船的例子。,4.1 总体设计和主尺度确定,一、16000t标准干货船的基本要求 16000t标准干货船是远洋干货运输的基本船型。本船为柴油机、单螺旋桨、两层甲板的干货，航行于我国各大港口与日本、西北欧、地中海、东西非洲之间，主要装运件杂货、大宗货，也装运少批量散货和重货。任务书要求本船载重量16000t，包装舱容20800m3，吃水9m，续航力12000n mile，要求服务航速不低于14kn，主机功率在5512.5kw左右。,4.1 总体设计和主尺度确定,二、方案的设立 由于规划船型表中对船的吨位、舱容、吃水、航速、功率等参数作了规定，在船型论证中，就侧重与不同主尺度方案。 主尺度方案的选择： 根据调查研究，国内外同类型船的方形系数范围大致在0.680.76之间,长宽比的范围大致在6.47.0之间。 三、主尺度的计算 主尺度的计算是按图框图进行。,4.1 总体设计和主尺度确定,三、主尺度的计算 1)由于大型干货船的吃水都受港口、航道水深的限制，因此要定一个吃水限度。 2）载重量系数E用下式作初次估算。 E = 0.685 - 0.0000034DW + 0.244(CB-0.7) 式中：DW载重量（t）； CB方形系数。 排水量 D=DW/E 3）主尺度计算是按照稳性合格与否，干舷合格与否而菜用不同的方法进行。,4.1 总体设计和主尺度确定,（1）如稳性合格，则根据浮性方程 D =1 L B T CB K（t） 和给定的长宽比L/B与吃水T而算出L和B。 （2）如稳性不合格，则按所需的L/B和B/T值算出L、B、T。 4）型深是按舱容的要求计算的。货舱的包装舱容是货舱长度、船宽、舱深、方形系数、结构形式、舱口大小、舷弧大小等的函数，主要是前四项，因此采用下式估算。,4.1 总体设计和主尺度确定,货舱包装容积 Ca=(L-Lm-Lp)B(H-HD)KgKB (m3) 式中: Lm机舱长度； Lp首尾尖舱长度之和； HD双层底高度； Kg随机舱位位置，根据方形系数、结构形式、舱口大小、舷弧大小等因素而变化的系数； KB包装舱容和散装舱容的比值。 Kg= C +1.08 CB 式中: C系数(对偏尾机舱船C=0.118,尾机舱 船C=0.175),4.1 总体设计和主尺度确定,这五个参数是经过分析现代杂货船的有关资料而确定的，从式中可求得： 型深,5)主尺度算出后要进行空船重量LW计算并 校核载重量。 LW = WS+W0+WM 式中: WS钢船体重量； W0木作舾装重量； WM动力装置重量。,4.1 总体设计和主尺度确定,采用下列两列估算WS和W0：,式中， WSO是特殊的木作舾装重量，如船上有 重吊，双排舱口或有旅客设备等则需增加重量。 动力装置重量WM分为主机和辅机机电设备重量两项计算。 WM是输入数据。这样载重量 DWT = D - LW（t） 如DWT与要求的载重量DW之差大于10t，用诺曼系数法修正，则须重新决定载重量系数,4.1 总体设计和主尺度确定,应用新的E值确定排水量D，再用上述方法计算主要尺度L、B、T、H，反复循环计算，直到DWT和DW相符合为止。 6)干舷是根据我国海船载重线规范,并作一系列的简化计算求得,主要的有: (1)基本干舷F0采用下列近似计算: F0 = -785 + 20.67L(mm) (2)假定设计船没有舷弧和仅有首楼。 如干舷不足，程序根据指定的信号，并把,4.1 总体设计和主尺度确定,型深自动增加到所需的数值，算出H/B比值。再进行下一步计算（载重效核）。 四、初稳性 计算满载出港和压载出港两个情况的初稳性。 1)压载排水量DB用下式近似地估算： DB = D 0.9 DWT+BW (t) 式中: BW为压载水重量(t)是给定的。这个公式假定载货量为总载重的90。压载情况的平均吃水TB用下式估算：,4.1 总体设计和主尺度确定,式中：CW 水线面面积系数。 2)现在杂货船的型线大多是中V形，因此采用以下两式计算CW值： 满载情况 CW = 0.408+0.577 CB 压载情况 CWB = 0.165+0.89 CB 3)初稳心高度 GM = KC+CM-KG (m) 式中: KC、 CM、KG分别为浮心距基线高，稳心半径和重心距基线高。 KC和CM用下列各式计算：,4.1 总体设计和主尺度确定,满载情况:,压载情况:,4.1 总体设计和主尺度确定,同类型船的 = KG/H比较稳定，因此一般均用这个比值估算重心高度KG。统计分析了现代杂货的资料，大多数船的值在下列范围内： 满载情况: =0.620.65,平均值为0.636。 压载情况: =0.520.59,平均值为0.562 对经济型杂货船，这个值在满载和压载情况下分为0.613和0.542。 4)如初稳心高度GM小于原要求的数值GM0,则用下式计算所需的B/H比值:,4.1 总体设计和主尺度确定,从上式求得的B/H值,连同为了保证货舱舱容不变(B(H-H0)=常数)的关系求得H值。 船宽B则从以上求得的H和B/H值求得。 吃水T则由求得的B值，连同为了保证载重量（或排水量）不变BT=常数（船长L，方形系数CB不变）的关系求得。,4.1 总体设计和主尺度确定,在调整B、H、T的同时，还算出L/B和B/T比值，这两个比值在进一步计算中是要用到的。 （或排水量）不变BT=常数（船长L，方形系数CB不变）的关系求得。 已调整的主要尺度还要进行重量校核，如果不合要求，就调整载重量系数E，重新估算排水量，再一次计算主尺度。这时计算尺度就要用到以上计算的L/B和B/T比值。这项计算反复进行到DWT和DW相符合为止。,4.1 总体设计和主尺度确定,初稳性计算中还包括横摇周期和共振横摇角的计算，这两项计算根据我国海船规范所提供的计算方法进行的。 五、航速计算 服务航速一般假定为试航速度的94，或假定服务航速比试航速度减少0.81kn。（也有用假定主机额定功率PB及转速N时的航速为试航速度，而用85PB的功率，94.7N的转速时的航速为服务航速),4.1 总体设计和主尺度确定,计算三个航速的主机功率是为了最后用插值法求得航速,船用主机功率PB可用下列方法估算: 1)用海军常数法求主机功率,式中：CA海军常数（从母型船求得）。 这一方法对于新设计船与母型船的大小、 尺度比、方形系数相差不大，主机类型也相同时，其计算结果较为准确。,4.1 总体设计和主尺度确定,2)用单一近似公式计算主机功率,式中：N主机转速（r/min） K9系数,（高速船，K9=1.04;低速船，K9=1.08)。,4.1 总体设计和主尺度确定,3)用有效功率与推进系数估算主机功率 (1)有效功率,(2)推进系数,式中：w、t 分别为伴流系数和推力减额系数；,4.1 总体设计和主尺度确定,式中：ES 轴系效率(一般ES =0.97) ； ER 相对旋转效率(一般ER =1.01) ； EP 螺旋桨敞水效率； BP 螺旋桨计算系数；,4.1 总体设计和主尺度确定,这一方法由于考虑到船舶主尺度的所有参数以及主机功率与转速等,因此可以得到比较准确的结果,同时也可用来比较各种主机的推进性能。 当已知船舶主机功率的情况下，船舶的航速可用下述方法估算： 假定三个航速，即v1、v2、v3，然后算出对应的主机功率P1、P2、P3。据此可画出P = f (v)的曲线，从图中可求出已知主机功率下的航速v。,4.1 总体设计和主尺度确定,六、经济指标计算 评价船舶经济性指标的选择，对船型方案的论证极为重要，采用不同的评价指标，会导致不同的选择方案。远洋货船设计中，常采用以下六个经济性指标作为评价船舶方案的主要指标，即船舶的造价P；投资回收年限TK；净现值NPV；航速v；吨成本S；货运费率RFR。,4.1 总体设计和主尺度确定,1.各经济指标的计算方法 (1)营运计算 a . 年货运量为 Q = nQC (吨/年) 式中:n 年往返航次数； b . 年货运周转量为 Q YJ= nQC YJ (吨海里/年) 式中: QC 往返航次货运周转量(吨海里)； YJ 运距(海里),4.1 总体设计和主尺度确定,c . 对于多港停靠情况,货运量计算为 QC = QC1+ QC2+QC3+ +QCn d . 相应的货运周转量为 Q YJ= nQC YJ (吨海里/年) QC YJ= QC1 YJ 1+ QC2 YJ2 +QC3 YJ 3+ +QCn YJn 式中:QC1 , QC2 , , QCn分别为各航段载 货量(t); YJ1 , YJ2 , , YJn分别为各航段运距(kn)。,4.1 总体设计和主尺度确定,e . 年往返航次数 n = Tn / Twf Tn=365营运率 Twf = Th + Twf 式中:Tn 年营运期(天); Twf 往返航次时间(天); Th 航行时间(天); Twf 停泊时间(天);,4.1 总体设计和主尺度确定,(2)经济计算 a . 造价 船体、舾装、机电和其它。 b . 年运输成本 CMZ=(FCY+FRR+FW+FGK+FZ)1.05 式中: FCY船员工资； FRR燃润料费； FW修理、保险、税金； FGK港口费； FZ折旧费；,4.1 总体设计和主尺度确定,c . 年营运收入 FR = RYF1 QC1 + RYF2 QC2 式中: RYF1、 RYF2往返货运价(美圆/吨)； QC1、 QC2往返货运量(t)； d . 年利润 AP = FR -CMZ e . 单位成本 CDY = CMZ/Q,4.1 总体设计和主尺度确定,(3)经济指标计算 a . 货运费率 RFR = AAC/Q 式中: AAC平均年度费用AAC=FNY+P CR； Q年货运量(t)； b . 净现值 NPV= SPW-(FR-FNY) 式中: FR年收入 FNY年营运开支;,4.1 总体设计和主尺度确定,SPW系列现值因素,SPW=1/CR； RI贷款利息； CR资金回收因数, ； b . 回收年限,式中: AP年利润; RI年利率。,4.1 总体设计和主尺度确定,以上净现值是假定船价是一次投资，每年营运支出与货运收入都不变的情况下才能计算。当船价是分期付款，每年的营运支出和货运收入都不同，则虚分年合算，然后再算净现值之和。,4.2 初步设计方案优化,初步确定16000t干货船的主要尺度范围。但在远洋干货船的优化设计中，自变量的取定，约束条件范围，多目标带约束转变为单目标无约束优化方法等内容上，下面就此再作一些介绍。 1.设计变量 根据远洋干货船特点取长宽比L/B，宽吃水比B/T和方形系数CB为设计变量较为适合。则：,4.2 初步设计方案优化,在求解过程中，采用标准化变量Y进行运算：,4.2 初步设计方案优化,其中带角标u表示上限值，带角标l表示下限值。 在计算船的技术经济性能时，还应以X为变量进行运算，由Y到X的逆变换为,4.2 初步设计方案优化,二、约束条件 尺度与性能的约束条件如下： G1=LBL/150-10； G2=B/22-10 G3=T/9-10； G4=1-CB/0.720 G5=1-GM/0.50 ; G6=1-T/100 G8=1-/1.60; G8=1-v/150 一条船的约束条件是很多,具体根据实际要求而定。,4.2 初步设计方案优化,三、目标函数 根据本船的特点，取六个目标函数： (1)造价P,以最小为优; (2)每吨货的运输成本CDY,以最小为优; (3)所需货运费率RFR,以最小为优; (4)投资回收年限TK,以最小为优; (5)试航速度v,以最大为优; (6)净现值NPN,以最大为优。,4.2 初步设计方案优化,由于有六个指标，而且各反映船舶某一方面的特性，相互之间存在着一定的制约和矛盾，给考察船舶的综合性能带来了一定的困难。如何把六个指标综合为一个指标，以便寻找一个最佳设计方案，是船舶优化设计中还未完全解决的研究课题。,4.2 初步设计方案优化,四、解法 1.多目标问题转化为单目标问题 利用分层序列法，首先把这个多目标问题化为一个单目标问题序列。对前面说的六个目标函数，按重要程度的不同排成一个序列，然而逐次求解最优。每完成一个目标函数的求解过程之后，就根据其最优解构造一个约束条件，加到后面各目标函数的优化中去。,4.2 初步设计方案优化,例如当以造价为目标函数的最优解X*找到之后，可构造的约束条件为： G=P/（1+）P*-10 式中： P*最优解X*点所对应的造价； P搜索过程中任意点所对应的造价；,4.2 初步设计方案优化,使用这个方法的前提是：R1， R2， Rm等集合均不空，且在每一集合中都不能只有一个元素，否则很难进行下去。,4.2 初步设计方案优化,标的最优，记第二个目标的最优解集合为R2，如此依次进行下去，一直到求得第m个目标的最优解X（m），其概型如下：,设计某船,设计水线长LWL=27米，设计水线宽BWL=5.4米，设计吃水T=1.05米，排水量为67.3吨，航速为28.5公里/小时，棱形系数Cp=0.588,舯剖面系数CM=0.748,水线面系数CW=0.757,浮心距舯xb=-1.09米,半进水角i =12,尾板面积与舯横剖面面积的比值为0.2,总效率=0.54,要求确定主机功率。,4.2 初步设计方案优化,