摘 要

本文主要完成16500DWT近海散货船的方案设计。在完成方案设计的过程中，本文以优良的母型船为基础，并紧跟设计任务的具体要求，先后完成了以下内容：撰写调查报告；论证分析后初步拟定主要参数及初选主要设备；用母型改造法进行型线设计，计算静水力并绘制静水力曲线图及邦金曲线图；完成总布置设计后进行浮态调整，确定舵的主要要素；螺旋桨设计和预报航速；稳性计算（包括初稳性及大倾角稳性）；吨位丈量；干舷计算。

本文紧跟市场需求，以16500DWT近海散货船的优化设计为目标，结合最新规范及法规的要求，在吸收母型船的优秀设计经验的情况下，力求设计出具有优异经济性的、人性化的、安全可靠的、性能优越的、造型美观的近海散货船。

关键词：方案设计；型线设计；总布置设计；螺旋桨设计；稳性计算；优化设计

Abstract

This paper mainly completes the scheme design of 16500DWT offshore bulk carrier. In the process of completing the scheme design, based on the excellent parent ship, and closely following the specific requirements of the design task, this paper has completed the following contents: writing the investigation report; After demonstration and analysis, the main parameters and primary equipment are preliminarily determined; Ship lines design was carried out with the method of parent ship modification, hydrostatics was calculated and hydrostatics curve and Bonjean curve were drawn. Float adjustment shall be carried out after the general layout design is completed, And determine the main elements of the rudder. Propeller design and speed prediction; Calculation of stability (including initial stability and large inclination stability); Tonnage measurement; Freeboard calculation.

This paper closely follows the market demand, takes the optimization design of 16500DWT offshore bulk carrier as the goal, combines the requirements of the latest CCS rules and Regulations, and under the condition of absorbing the excellent design experience of the parent ship, strives to design an offshore bulk carrier with excellent economy, humanization, safety and reliability, superior performance and beautiful shape.

Key Words：Scheme design; Ship lines design; General layout design; Propeller design; Stability calculation; Optimization design

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外发展历史及研究现状 2

1.3全文概述 3

第二章 设计要求及分析 4

2.1设计要求 4

2.1.1船型、航区及用途 4

2.1.2主要尺度及设计要素要求 4

2.1.3船级、规范及规则 4

2.1.4舾装、航行及信号设备 4

2.1.5航速、自持力 4

2.1.6稳性及干舷 5

2.2设计方法及思想 5

第三章 全船设计概述 6

3.1船型、航区及用途 6

3.2船级、规范、规则 6

3.3载重量及吨位 6

3.4主要要素 6

3.5航速、螺旋桨及续航力 6

3.6干舷及稳性 7

3.7主机和减速齿轮箱 7

3.8总布置概况 7

3.9船体结构 9

3.10主要设备 9

3.10.1锚设备 9

3.10.2舵及舵机 9

3.10.3救生设备 10

3.10.4消防设备 10

3.10.5航行及信号设备 10

第四章 主要参数的初步拟定 11

4.1选择主要参数时需要考虑的因素 11

4.1.1选择船长L需要考虑的主要因素 11

4.1.2选择船宽B需要考虑的主要因素 11

4.1.3选择吃水d及型深D需要考虑的主要因素 12

4.1.4选择方形系数Cb需要考虑的主要因素 12

4.1.5选择中横剖面系数Cm需要考虑的主要因素 12

4.2船舶主要参数的拟定 12

4.2.1排水量估算 12

4.2.2主尺度及方形系数的初步拟定 12

4.2.3船形系数的初步拟定 14

4.2.4重量重心估算 14

4.2.5排水量与重量平衡 15

4.2.6主机功率估算 15

4.2.7稳性估算 16

4.2.8横摇周期的估算 16

4.3主要设备选型 17

4.3.1主机选型 17

4.3.2辅机选型 17

第五章 型线设计 19

5.1设计准则 19

5.2型线设计的方法及步骤 19

5.3横剖面面积曲线 19

5.3.1棱形系数Cp的选择 20

5.3.2浮心纵向位置Xb的选择 20

5.3.3横剖面面积曲线的改造 21

5.4型线图绘制 22

5.5静水力曲线图及邦戎曲线图 25

第六章 总布置设计 28

6.1主船体内船舱的划分 28

6.1.1肋骨间距 28

6.1.2双层底 28

6.1.3首尖舱 28

6.1.4尾尖舱 29

6.1.5机舱 29

6.1.6货舱 29

6.1.7液舱 29

6.2上层建筑的划分 30

6.3生活、工作舱室及通道布置 31

6.4主要舾装设备布置 32

6.4.1锚泊设备 32

6.4.2舵及舵机 32

6.4.3救生设备 33

6.4.4消防设备 34

6.4.5航行及信号设备 35

6.5浮态调整 35

6.5.1舱容计算 36

6.5.2各部分重量 38

6.5.3满载出港 39

6.5.4满载到港 41

6.5.5压载出港 43

6.5.6压载到港 46

6.5.7满载出港 结冰 48

第七章 螺旋桨设计和预报航速 51

7.1船体与螺旋桨相关系数确定 51

7.1.1伴流分数的估算 51

7.1.2推力减额分数的估算 51

7.1.3相对旋转效率 51

7.1.4船身效率 51

7.1.5其他系数 52

7.2螺旋桨的初步设计 52

7.2.1有效功率估算 52

7.2.2初步设计过程 53

7.3螺旋桨的终结设计 55

7.4螺旋桨空泡校核 57

第八章 稳性计算 59

8.1稳性计算概述 59

8.2自由液面修正 59

8.3初稳性、横摇角及横摇加速度 61

8.4各载况下静稳性及动稳性力臂计算 63

8.5受风面积计算 69

8.5.1满实面积 69

8.5.2非满实面积 70

8.6风压力臂计算 70

8.7稳性计算结果汇总 72

第九章 吨位丈量 74

9.1总吨位计算 74

9.1.1上甲板以下所有围蔽处所的型容积 74

9.1.2上甲板以上所有围蔽处所的型容积 74

9.2净吨位计算 75

第十章 干舷计算 76

10.1基本干舷计算 76

10.2方形系数对干舷的修正 76

10.3干舷甲板凹槽修正 76

10.4上层建筑和凸形甲板对干舷的修正 76

10.5非标准舷弧对干舷的修正 76

10.6夏季最小干舷计算 77

10.7最小船首高 77

结束语 78

参考文献 79

致 谢 81

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

2008年遭受金融危机的影响，国际干散货运输市场受到剧烈冲击，干散货运输需求急剧下降，散货船造船市场也因此受到波及。新造船价格及订单量随即断崖式下降，直到最近几年散货船造船市场才有复苏的痕迹。

相关文献表明，2017年散货船各细分船型新造船价格出现增长，其中小型散货船涨幅尤为明显。2017年散货船的订单量也有较大提升，据统计全年累计成交3251万DWT，同比增长133%。

克拉克松数据统计显示，2017年1至8月，全球散货船新签订单119艘，合计1221.7万载重吨，相比2016年同期的46艘，1318.9万载重吨，艘数和载重吨分别同比上升158.7%和下降7.37%。2017年散货船订单的增长反映出市场复苏的趋势。从订单量增长的同时载重吨反而下降的现象可以看出船东或更青睐小型散货船。

船龄结构方面，2015年的统计数据表明：整体来看散货船船队船龄比较年轻，平均船龄为8.8年，比2014年下降了0.2年。这表明未来几年散货船由于船舶老化拆解带来的需求将较低，但小型散货船则不同，船龄在20年及以上的小型散货船占比达到16%，可以预见未来几年小型散货船将由船舶老化拆解带来一定造船需求。

运价情况方面，在大宗商品价格下跌和散货船运力过剩的共同作用下，波罗的海干散货运价指数（BDI）下降至28年来的最低水平。专家预测未来一段时间内中国市场对大宗散货的需求可能将更加疲软。各散货船船型在2015年一年期内租金呈“倒V”型走势，且大幅走低，出现了“船型越大，租金越低”的反常现象。

上述种种现象表明近几年小型散货船或更受市场欢迎。

本文研究（设计）的16500DWT近海散货船属于小型散货船范畴，这类船型具有以下诸多优点：其承运货物种类丰富，以载运固体散货为主，兼装干杂货，可装运散煤、建材等货物，也可装载散装谷物。其主尺度较小，尤其是吃水较浅，受航区水域及码头港口的限制较小，灵活性高。小型散货船结构简单，建造周期短，应对风险能力强。其货舱数量可以减少至三舱，装卸货方便快捷，可以减少在港口停靠的时间。而且16500DWT近海散货船的长度大多接近150米而未达到150米，《法规》对150米以上的散货船在总纵强度、稳性、设备配置等诸多方面都有更加严格的要求，这会在很大程度上增加建造成本，这是船东不愿意看到的，同时足够的船长意味着足够的舱容、足够的航速。因此这类接近150米而未达到150米的散货船普遍受到追求利益最大化的船东的青睐。

本文紧跟市场需求，以16500DWT近海散货船的优化设计为目标，结合最新《规范》、《法规》的要求，在吸收母型船的优秀设计经验的情况下，力求设计出具有优异经济性的、人性化的、安全可靠的、性能优越的、造型美观的近海散货船。

1.2国内外发展历史及研究现状

本文船舶方案设计又被称为基本设计、概念设计，是当设计船的技术复杂程度较高或开发设计新船型时在初步设计之前增加的设计阶段，方案设计着重于对全船技术形态的研究和方案比较、优化。其完成的工作与初步设计类似，需要对船舶主尺度、船型参数进行确定，以及总布置设计、型线设计、各项性能的计算与保证、主要设备的选型。船舶方案设计是船舶设计过程中最为重要的设计阶段之一，是全船设计的提纲挈领。它对各个阶段的设计影响是全局的、深远的。

不少从事设计工作的学者发表了与小型散货船方案设计有关的文章，出版相关书籍。江苏科技大学的严兴春在其硕士学位论文“40000吨自卸散货船总体方案设计研究”里详细阐明40000吨自卸散货船从船舶主要要素的初步拟定，到主要设备选型，再到型线设计及快速性预报，到总布置设计，再到船舶主要性能的计算与分析的整个总体设计过程。上海船舶研究设计院的何新宇、杨博在其论文“65000DWT散货船总体设计”中结合该设计院实际工程设计任务，从总布置、型线设计、完整稳性与装载工况、破舱稳性、总纵强度、主机油耗及能效指数EEDI等方面介绍了该设计院开发的国内近海散货船的设计概况及主要设计特点，并汇总了设计过程中存在的一些问题，提出优化设计方法，对本课题有重要的参考借鉴意义。张振德,徐中直发表的会议论文“28200吨散货船总体设计”详尽的介绍了当时正在渤海船厂建造的28200DWT散货船的总体设计过程，论文中比较优选两个型线设计方案的过程较为清晰完整。官长琪,韩永兴在于2016年发表在《船舶标准化工程》上的论文“39000 DWT散货船的优化设计分析”中采用模型试验与数值计算分析结合的方法对船体线型进行多方案对比优化设计，作者还进行了艉部节能装置的实验研究及螺旋桨节能设计研究。周妍,王露,赵洪武在其论文“55000 DWT自卸散货船总体设计优化”中结合图纸对自卸散货船的总布置设计进行详细阐述，并对总布置进行了优化，设计者在对该型散货进行快速性及操作性优化时采用了可调螺距桨及襟翼舵。

以上学者们的研究经验为本课题研究提供了宝贵的经验。

1.3全文概述

全文主要内容包括绪论、设计要求及分析、全船设计概述、主要参数的初步拟定、型线设计、总布置设计、螺旋桨设计和航速预报、稳性计算、吨位丈量、干舷计算，共计十个章节。本文将运用公认合理的设计原理和方法对设计船的整个方案设计过程进行详尽的阐述。本文最终将呈现16500DWT近海散货船方案设计的整个过程及结果。

第二章 设计要求及分析

2.1 设计要求

2.1.1船型、航区及用途 

设计新船为钢质散货船，其具有连续的单甲板、艏楼、尾上层建筑、球鼻艏线型、倾斜首、混合式骨架结构、双底、单桨、单舵。采用艉机型、单柴油机驱动。 航区为近海航区。设计新船以装运固体散货为主，兼装干杂货。

2.1.2主要尺度及设计要素要求 

设计新船为载重型船，确定主要尺度及设计要素时以满足载重量要求为第一考虑，并力求经济合理。

2.1.3船级、规范及规则 

设计新船船体结构、舾装设备、机电设备及所有其它装置的配备和建造由中国船级社检验。本船船体、机械和设备按照下列规范、法规和所有修改通报进行设计、建造及配备： 

（1）中国船级社(CCS)《国内航行海船建造规范》（2018）；

（2）中华人民共和国海事局(CHINA MSA)《国内航行海船法定检验技术规则》（2011）及其修改通报（2012）。

2.1.4舾装、航行及信号设备 

设计新船按中国船级社《国内航行海船建造规范》（2018）及中华人民共和国海事局《国内航行海船法定检验技术规则》（2011）及其修改通报（2012）的要求配备。 

2.1.5航速、自持力 

设计新船设计航速为11.5kn，续航力为3000 n mile。 

2.1.6稳性及干舷 

设计新船满足中华人民共和国海事局《国内航行海船法定检验技术规则》对近海散货船稳性及最小干舷的要求。

2.2 设计方法及思想

设计新船主要采用母型改造法，在吸收母型船优良的设计经验的基础上，综合分析设计任务要求，合理解决设计矛盾，逐步近似地完成整个方案设计过程。

设计新船为载重型船舶，在型线设计和总布置设计时以满足载货量要求为首要目标。本设计船为低速肥大型船，傅汝德数Fr约为0.16，摩擦阻力占总阻力的比例较大，因此减小船长L有利于减小阻力，同时船长L对空船重量及造价影响很大，选择L时应取保证主要性能损失不大的最短船长。设计新船为散货船，采用艉机型有利于货舱布置，有利于减少轴系所占空间，对经济性有益。

第三章 全船设计概述

3.1船型、航区及用途

本设计船为钢质散货船。本设计船具有艏楼、尾上层建筑、球鼻艏线型和倾斜首。船体采用混合骨架式结构，货舱区域为双底结构。采用艉机型布置，配备单桨、单舵。由单柴油机驱动。航区为近海航区。本设计船主要装运固体散货，兼装干杂货、亦可装载散装谷物。

3.2船级、规范、规则

本设计船入级中国船级社(CCS)。本设计船的设计、船体结构、设备配备满足下列规范、法规的要求：

中国船级社：《国内航行海船建造规范》(2018)。

中华人民共和国海事局(CHINA MSA)：《国内航行海船法定检验技术规则》(2011) 及其修改通报（2012）。

3.3载重量及吨位

本设计船在设计吃水时，（海水密度取值1.025t/），载重量约16493t，载货量为15853.7t。

本设计船的吨位计算按照中华人民共和国海事局《国内航行海船法定检验技术规则》（2011）及其修改通报第4篇第2章的相关规定进行，计算结果如下：

总吨位GT 9804

净吨位NT 5490

3.4主要要素

本设计船的主要要素见下表：

表3.1 设计船的主要要素表

3.5航速、螺旋桨及续航力

本设计船在满载设计吃水（8.363m）时，船体表面处于光滑无污底的情况下，风力小于三级风（莆氏风级）的平静深水海域，主柴油机发出85%最大持续功率，考虑5%风浪裕度，服务航速为11.5kn。

本设计船决定选用AU 5—50型叶螺旋桨，桨径为4.428m，减速比为4.969：1。

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