船舶抗倾系统设计方法研究（可编辑）

船舶抗倾系统设计方法研究（可编辑） 船舶抗倾系统设计方法研究 哈尔滨工程大学 硕士学位论文 船舶抗倾系统设计方法研究 姓名:王儒 申请学位级别:硕士 专业:船舶与海洋结构物设计制造 指导教师:丁勇 20070201哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 摘 要 船舶抗倾系统主要应用于集装箱船、船、驳船以及军船等,在港口 装卸货物时,抗倾系统能够及时的调整船舶的浮态,保证持续的装卸货物, 因此大大提高了装载的效率;船舶在航行中,由于装载及其分布的变化或某 些舱室破损时,会引起浮态的变化影响到正常的航行及安全性,利用压载水 舱可以及时的将船舶调至正浮,保证船舶的正常航行,因此抗倾系统的建立 对于船舶航行安全性有着重要的意义。 本文的工作主要有以下几点: 、论文首先通过引入算法加密船体横剖面型值,提高了后续章节 的数值计算精度。 、针对压载水舱的布置型式进行研究,并对其调倾能力进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 、压载水调节系统的设计,包括设备的选型及管路的布置。 、对破舱稳性的传统算法及优化算法进行比较分析,完成了几种不同破 损情况下抗倾系统的调节方法的设计。 关键词:压载水舱;边舱;破舱稳性;优化算法哈尔滨丁稃大学硕十学位论 文 . , , . .. .. : 、?’ ..、 , . 、 . 、, . : ; ; ;哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导 下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签字:塑整 日期:龇研年月雷日哈尔滨稃大学硕十学位论文 第章绪论 .本文的目的和意义 船舶在航行中因装载油、水、货物等及其分布的变化、阵风吹袭、 以及遭遇破损进水等均可引起浮态变化,发生包括横倾与纵倾在内的船体倾 侧。因此,必须对船舶的浮态加以有效的控制,,以保障船舶的正常航行。 纠调船舶倾侧浮态至正浮状态的实用且有效的措施是设置具有抗倾功能 的压载水舱,船舶浮态调整的解决有多种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,主要的区别在于抗倾水舱的 布置类型不同。典型的有底舱式布置、边舱式布置、底舱与边舱共用的混合 布置以及底舱与舷侧顶舱共用的混合布置。采用何种水舱布置决定了抗倾系 统的功能抗横倾与抗纵倾、减横摇或减摇补偿和效率指标。另外,压载 水舱的布置形式还受到船体的总体布置、舱式布置和船舶的有效装载量的影 响。 船舶压载水舱的布置不仅有利于船舶稳性的提高而且还是船舶安全航行 的必要保证。通过设置压载水舱可以达到以下目的: 调整船舶的吃水和船体纵、横向的平稳及安全的稳心高度; 减少船体变形,以免引起过大的弯曲力矩和剪切力,降低船体振动; 改善空船的适航性。 一般船上利用艏尖舱、艉尖舱、双层底舱、边舱、项边舱和深舱作为压 载水舱。而调节艏艉尖舱及纵向两侧压载舱的压载水量,对调整船舶的纵向 倾斜最有效;调节边舱的压载水量,对调整船舶的横向平衡最有效。船舶在 设计、建造和正常使用情况下,一般都尽量使船舶处于正浮或略带艉倾的状 态,而尽可能避免大角度的横倾状态。在实际工作中,应保持船舶横倾角度 在一定范围之内。船舶压载的目的是为了合理地调整载荷在船上的分布,以 满足船舶多方面的性能指标要求。船舶不同的压载方案通常会影响船舶重心 的垂向分布、横向和纵向位置,改变船舶的排水量,改变船体的重量分布, 从而影响到船舶的稳性、横倾角、纵倾状况、最大吃水、最小吃水以及船体 强度等。因此,有必要对船舶的压载水抗系统进行研究。哈尔滨工程大学硕 十学位论文 对于船舶的压载水抗倾系统,将存在着以下若干具体问题: 针对船舶的复杂结构,压载水舱类型的选择、布置形式以及对分舱的 影响; 抗倾系统设备如泵、阀、液位仪等的选型以及压载水管路的布置形式; 抗倾系统的自动化程度,如船舶姿态的检测、压载舱液位的实时监测、 抗倾能力分析、调倾效率以及可靠性分析。最后形成一整套的抗倾系统总体 设计方案。 因此开展船舶抗倾系统的研究,以期掌握包括水舱布局、设备选型和调 倾效能等的设计与计算方法在内的船舶抗倾系统的总体设计将有着迫切又 实 际的需求和重要而广泛的工程应用意义。 .国内外研究综述 ..抗倾系统综述 在古代当人们首次制造船的时候,压载物是固体的,一般使用岩石、砂 子或金属。大约从世纪前后,船舶开始主要使用水作为压载物,因为水更 容易利用,更便于装卸,同时也比固体压载更有效和经济。 根据船舶大小和用途的不同,每条船可以携带几百吨到上万吨的压载水。 不同类型的船舶携带压载水的数量不同,恶劣天气下占的比例要大些。压载 水通常置于船上的专用压载舱中,这些压载舱根据船舶的结构以各种形式分 布在船上。其具体分布取决于船舶设计 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 、尺度和强度,不同类型的船舶 压载舱设计不同。压载舱通常位于船体的两边和底部。在压载水泵的帮助或 在重力作用下,压载水通过通海阀进入船舶的压载舱。通海阀入口覆盖着格 栅或滤网板以防止某些外来物体进入船舶引起通海阀及压载舱水泵的损坏, , 从而起到保护设备的作用。 当前船舶抗倾系统中存在的另一个问题是在监测和控制方面,监测方面 体现在航行中船舶浮态的监测,压载舱水位的实时测量;控制方面主要体现 在调载水量的控制和调节上,国内现有压载舱水量调节的大小大多都是技术 人员通过经验来进行计算的,对于压载水舱的自动调节以及航行中船舶浮态 的监控,国内研究的比较少,精确的调载更是无从谈起。科学地利用先进的 计算机技术、传感器技术以及通讯技术来构成计算机测控系统进行调载水量 哈尔滨程大学硕十学位论文 优化计算、调节和实时测控,实现船舶抗倾系统的自动化,不仅有利于提高 船舶装卸货物的效率、安全性和可靠性,而且在航行中能够达到及时的抗横 倾与纵倾以及低频状态下减横摇或减摇补偿,有效地提高船舶航行的稳定性 和安全性。因此对船舶抗倾系统的研究有着非常重要的工程实用价值和应用 背景。 国外对抗倾系统的研究已经有了相当成熟的技术以及整套系统产品研制 的丰富经验。最主要的代表是英国的?公司,?公司 在全球四大市场一航空、能源、船舶和国防均取得显著成绩。现在已成为全 球 航空与船舶动力研制技术的领导者。?公司的船舶抗倾系统被国 内很多安装压载水舱的船舶广泛使用。图.卜.为公司研制的 抗倾系统实时控制的设备图。 图.抗倾系统整体图哈尔滨丁程大学硕士学伉论文 图. 控制板 图.抗倾系统水泵 图.操作阀 哈尔滨稃大学硕士学位论文 图.阀门 图.倾斜仪 图.开关哈尔滨下程大学硕七学位论文 .. 研究综述 船舶无论是在港口装卸货物还是航行过程中,压载水舱都是根据船舶浮 态的变化作出相应的调节,将倾斜的船舶调至正浮状态。因此浮态的计算是 抗倾系统能否及时、可靠的调整船体倾侧的重要指标。在浮态的计算中我们 通常需要计算船舶的体积、水线面面积和惯性矩等一些参数,传统的计算方 法是利用型值表进行计算,但是由于型值表的数据点比较少,这会大大影响 计算精度。故需要对船体的数据点进行加密和细致的网格划分,从而能够对 船体外形进行更精确的描述。为我们提供了这种可能,使我们能够更 精确的描述船体,相对于比较少的型值点,可以任意的加密型值点,以满足 计算的需求。 描述船体曲面的几何方法有两种:曲线表示法和曲面表示法。由于后者 包含更多的几何信息,其较前者更直观和生动。对船体曲面进行表达,不仅 可以实现设计结果的三维直观显示及其网上发布,更重要的是在此基础上精 确的性能计算和船舶的分段建造?。 船体曲面表达可以追溯到世纪年代“,,设计者用解析曲线或曲面、 、以及等参数曲线或曲面等来表达船体曲面。由于 无法比拟的优良特性,它成为船体曲面表达的最主要的数学工具“?。年, 颁布了关于工业产品数据交换的国际标准,正式把作为定义 工业产品几何形状的唯一数学方法,。因此,在众多的船体曲面数学表达工具 中,曲面表达成为当今船体曲面表达的主流方法。 国内从年代初开始,出现运用计算机设计船体曲面,表示方法是曲线 法一?。年上海交通大学的周超俊和复旦大学的刘鼎元开始用曲 面构造船体曲面?,年他们又首次运用样条曲面法于船体曲面中“,并 指出船体曲面不需要分片。这是由三次样条基 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 的连续得到保证的。 所以说,双三次样条曲面相当简单地解决了曲面片之间的拼合问题。后来 这方面较主要的是大连理工大学林焰与纪卓尚等对船体曲面造型的研究, 给出了船体曲面几何造型的样条曲面控制网格生成思想与方法,以及从几 何角度给出曲面边界条件处理方法。 哈尔滨稃大学硕十学位论文 .本文的主要工作及创新点 本文主要是研究压载水舱布置、压载水调倾能力、压载水系统设备选型 以及船舶破损时压载水系统的调倾能力,具体如下: 基于的船体描述以及对船体型值的加密,从而对船体外型进行 更加精确的描述。 分析压载水舱的布置形式以及不同形式对分舱的影响。 以某实船为例,计算压载水舱在不同布置情况下抗倾能力以及压载水 的调拨原则与方法。 设计压载水调节系统,包括设备的选型泵、管路、通海阀等、以 及管路的布置及流量的计算。 对破舱稳性的传统算法及优化算法进行比较分析,在此基础上研究用 非线性规划的算法解破舱状态下浮态及稳性方程。最后完成了几种不同 破损情况下抗倾系统的调节方法的设计。 本文的创新点: 在船舶破舱稳性的计算中引入来提高和改善对船体的描述,提 高了计算精度。 国内关于压载水舱布置以及设备选型方面的研究比较少,本文系统的 研究了水舱的各种布置形式、压载系统设备的选型方法以及压载水抗倾系统 的调倾能力分析。对于工程设计有着重要的价值。 利用传统方法计算破舱稳性需要大量的计算,因而将耗费了大量的人 力物力,本文引入非线性优化中的方法来求解船舶破损状态下的浮态和 稳性方程。方法被公认为是当今求解非线性规划问题的最优秀算法之一。 哈尔滨程大学硕士学仲论文 第章基于的船体描述 在计算船舶的体积、水线面面积和惯性矩等一些参数时,需要计算诸如 船体的横剖面水线下的面积、水线面面积和惯性矩等等的船体参数,传统的 计算方法是利用型值表进行计算,但是由于型值表的数据点比较少,这会大 大影响计算精度。故需要对船体的数据点进行加密和细致的网格划分,对船 体外形进行更精确的描述。 为我们提供了这种可能,使我们能够更精确的描述船体,相对于 比较少的型值点,可以任意的加密型值点,以满足计算的需求。 ? ,非均匀有理样条,简称 是描述自由曲线/曲面的主流方法,广泛应用在飞机外形造型、汽车车身造 型、 船舶曲面造型、叶轮造型等复杂型面。是目前应用最广泛的一种曲线/曲面 造 型技术。 本章将采用对船体进行描述,并基于对船体进行网格划分, 为后面章节的计算做准备。 . 基本原理 .. 曲线定义 上 ?.”吐? 等??一 ?川,“? 式中是控制顶点的权因子,哦是控制顶点,川.。是次 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 样条 基函数,,.表示控制顶点的个数。对于规则二次曲线的表示,权因 子必须不等于。对于一般的自由曲线,常取权因子为,这样曲线既 可以表示非均匀的样条曲线与均匀的样条曲线,也可表示曲线。 关键在于节点矢量的取法是非均匀的、均匀的以及重节点的。 节点矢量是对控制顶点或型值点的参数化得到的。它是为了唯一地决定一 条插值于个数据点只,,?,的参数插值曲线或逼近曲线,必需先哈尔滨程大学 硕士学位论文 给数据点均赋予相应的参数值,使其形成一个严格递增的序列 ‰%?这个过程称为关于参数的一个分割。其构成的矢量就称节点 矢量,其中每个参数值称为节点。它决定了数据点与其参数域“?‰,“。】 内 的相应节点之间的一种对应关系。对一组有序数据点确定一个参数分割称为 数据点的参数化。 如果节点矢量在参数轴上均匀分布或等距分布,那么由此节点矢量构造 的曲线是均匀样条曲线;如果节点矢量在首末端点处取重复度,所有 内节点均匀分布,那么由此节点矢量构造的曲线是准均匀样条曲线;如果 节点矢量任意非递减序列分布且两端点重复度?,内节点重复度?,这 样的节点矢量定义了一般非均匀样条曲线。如果节点矢量在首末两端点取 重复度,而且所有内节点重复度为,并且控制顶点数减必须等于次数 的正整数倍,这样的节点矢量定义了分段基,即曲线的基 函数。 样条基函数的形式如下: 啪,豁嘞“ ? .。“?坚坠一?墨哇?二生心,“ ? 一% 规定罟 式中为幂次;玑,?,为节点,由其形成节点矢量: ? 甜.“,?,“。 当节点数为,幂次为,控制顶点数为时,,和三者之间的关 系为,对于非周期的样条,节点矢量为 ? 堡旦翟旦,‰?~“,地亦即节点矢量两端各有个相同的节点,以便使曲线通过 控制多边形首、 末端点并与首、末两边相切。 哈尔滨程大学硕士学位论文 .. 曲线的性质 曲线方程可改写为 “?“ ‘?’ 屯“:善趔生 ??,。“ 式中为样条的幂次,墨“称为有理基函数,足.。“具有如下重要 性质: 次曲线上参数为“?,【,】点至多与 个控制顶点面及相联系的权因子,?,,??,有关,与其他 顶点及权因子无关;另一方面,若移动次曲线的一个控制顶点或 改变所联系的权因子?将仅仅影响定义在区间,,上 那部分曲线的形状,对曲线的其他部分不发生影响。 变差减少性质任意平面与曲线的交点个数不会超过它与控制多边 形的交点数,但包含整个控制多边形的平面除外。 强的凸包性质定义在非零节点区间,】,】上那一 曲线段位于定义它的个控制顶点?,?,??,的凸包内。整条 曲线位于所有定义各曲线段的控制顶点的凸包的并集内。所有权因子 大于零保证凸包性质成立。 在放射与透视变换下的不变性。 在曲线定义域内有与有理基函数同样的可微性,或称为参数连续性。 如果某个权因子?等于零,那么相应那个控制顶点对曲线根本没 有影响。 ?若?佃删舯翁嚣“%? 哈尔滨’二稃大学硕士学何论文 . 曲线的基本算法 .. 曲线的求值 对于曲线的求值问题,可利用表达式?和基函数的递推公式 ?求取与参数相对应的曲线上的点,这种直接由定义式求值的算法稳 定、可靠。 .. 曲线的求导 对于求导,有: ’ ?一舡咖一 鞋孙 其关键是对基函数?求导,即: ?雄 去一舭.,.磊“‰? “一““ 一瓦瓦‰荆瓦““ 饥“~““ 式?表明,基函数的导数也是有递推方式定义。由此我们可以计算 曲线的一阶导矢,同理,亦可用以计算其二阶导矢。 .. 曲线的节点插入算法 节点插入算法是曲线的核心算法之一。在曲线分段的构造和局部 修改以及将曲线转化为曲线的操作中,都要用到节点插入算法。 现阐述用以处理非均匀样条的一般情况的算法,之后将其扩展到 的处理。 设已给一条次样条曲线 “?乃?? 其中,样条基由节点矢量哈尔滨丁稃大学硕十学侍论文 【“?.. 完全决定。现在要在曲线定义域某个节点区间内插入一个节点 “,】【,】,于是得到新的节点矢量 “,?,“,“,“,?,“”“】 重新编号后变为 甜,“,?,,““,““,?,“】 现在的问题是如何根据新的节点矢量计算新的控制顶点,其算法如 下: ? 《一吁一,嘭 ,,,..., 一 ?兰二坚,:一, ????上一,一, ,?,一 ,?,一 % 一“ ,,?,?, 式中为所插入节点的重复度,若原节点序列中不存在这个节点,则: 若已在原节点序列中出现次,则。这个算法实质上是德布尔算法求 次样条曲线上一点,站?,。】,%。】的第一级递推。 对于曲线,插入节点,甜甜。。后,新的控制顶点与原控制 顶点的关系在四维空间内仍满足式?和式一,将其映射到三维空 间,得到 ::?%?% ’ 一.口,, 插入节点前后权因子的关系为 ? 嵋一,? 式?至式一为在节点区间,峨,】内插入节点.一次后,计算 曲线新控制顶点和权因子的公式。 ,反算曲线的控制顶点 上面..节中利用控制顶点计算插值曲线各点称为曲线的样条正算过 程,类似用曲线上有限的原始离散坐标点计算控制顶点的过程称为样条曲线 的反算过程。 ?哈尔滨下稃大学硕学何论文 ..曲线反算的一般过程 在船舶型线设计等工程实际中,通常给出有限的离散坐标点,要求依次构 造出曲线。通过给定位于曲线上的一些点,反算出样条曲线的控制顶点, 作为曲线设计的初始控制顶点,要比直接给出一般不位于曲线上的控制顶点 更适合设计员的直观思路。因为在设计员头脑里直接考虑的是曲线的大致形 状,而非控制多边形的大致形状。有了曲线形状不满意之处,通过调整初始 控制顶点进行形状修改,以最后获得满意的结果,并把调整后的控制顶点等 信息存储下来,有时也把反算插值曲线的样条控制顶点称为样条曲线的 逆过程或逆问题。 ..三次样条插值曲线节点矢量的确定 给定个数据点。,,,?,在构造三次样条插值曲线时通常把 首末数据点分别作为样条曲线的首末端点,把内数据点依次作为样条曲线的 分段连接点,因此,样条曲线将包含段。我们将样条曲线的控制顶点的 下标取成从零开始,于是所求三次样条插值曲线应有个控制顶点玩, ,,?,。节点矢量应为【, ,“。】。如果首末数据点岛,见不相 重合或虽相重合,但封闭的插值曲线并不要求在该处连续,则都作为开曲 线处理,将首末节点都取重复度。如果首末数据点重合见,要求构 造一周期三次样条闭曲线,那么定义域正好是一个周期,定义域外的节点 可按周期性确定。因此,不论哪种情况,所要决定的都是定义域内的那些节 点值。定义域内的节点与数据点依次一一对应,这些节点值的确定也就是对 数据点实行参数化的过程,对数据点的参数化方法采用规范积累弦长参数化 法,即: ?四 仁曼础七二?,。 其中,为向前差分矢量,。一。即弦线矢量,这种参数化法如实 反映了数据点按弦长的分布情况,一直被认为是最佳参数化法。 ..反算三次样条插值曲线的控制顶点 用于插值个数据点吼,?.,?的三次样条插值曲线方程为式哈尔滨工稃大学 硕十学位论文 所示:“?嘭以。甜?乃%,,“,“?【 。】【“。】? 将曲线定义域“?【“,,“。。,。】内的节点值依次代入方程,应满足插值 条件: 砖?嘭%“,,,,,印 ;一 ‰,?嘭也,,%,% 上式共含有个方程。对于连续的三次样条闭合曲线,因首末数 据点重合,不计重复,方程数减少一个,剩下一个。对于控制顶点由于 首末个控制顶点依次相重合,未知控制顶点减少个,也剩下个。因 此,就可从个方程构成的线形方程组求解出个未知控制顶点。上 述线形方程组可改写成如下式? 吼 ?。岣 ?.,蚝 ?.,也 ?,以。 ? ?.“。 % 吒 口 ? : ?? ?? ? : ? 以.,。圯,。 饥,,。 反 一 饥“? 虬“?圯““ 以一: 吼一 其中,系数矩阵中的元素均为样条基函数的值,只与节点值有关,采用式 ?矩阵求解: 盔 弓 岛 口? 吐 岛 ? : : ? 瓯 吃一, 巳 口 吒一 玩一: 以。 巳一 其中: 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 一魄: ??“ 扛:垒生垒?垒塑垒型垒:?垒: ?,““ ?“?? 垒 。:: “ 岛?“,., 解之,即可求出全部未知控制顶点。 对于三次样条开曲线以及不要求在重合的首末数据点连续的三次 样条闭曲线,方程组中.个方程不足以决定其中包含的个未知控制顶 点,还必须增加两个通常有边界条件给定的附加方程。这时求解三次样条 插值曲线未知控制顶点的线性方程组可写成下式? 每如 也 巳 ? : ? : 一 吃一: 巳一 以.: 巳一 一 玩一。 一 以.。 岛 其中,系数矩阵中首行非零元素、、与右端列阵中矢量表示了首端 点边界条件,系数矩阵中末行非零元素。、吃、巳一。与右端列阵中矢量巳。 表示了末端点边界条件,其余各行元素与上述样条闭曲线情况相同。 常用边界条件有如下几种类型: 切矢条件端点切矢方向易给,模长难定。切矢条件在力学上相当于 梁的端部固支的情况,而具有固定的切线方向。模长与所取参数有关,并非 曲线的不变量,在弧长参数化下,切矢具有单位模长。因此,作为弧长参数 化一种近似的积累弦长参数化法,通常给出单位切矢,有利于样条曲线在端 部的光顺性。对于非积累弦长参数化法,通常可取成与积累弦长参数化法下 。 的单位切矢,即将模长取为: ;掣,阱掣. ;。;;; 坚垒鎏:垒奎兰竺圭兰堡篓圣 。.;。。 铲,吨与吼等吼 %,%,。,:,%,:靠一争磊 自由端点条件又称自然端点条件。相当于力学上的铰支梁,在端点 不受力矩作用,具有零曲率。物理样条就属此种情况。自由端点条件由端点 二阶导矢量保证,即觑眈。这时,在首末端点分别给出附加方程 社一揣 色?。 岛击去一再丽 垒: ????? ‰一石雨芒瓦丽 %瓦地.“:?鬲一若吝 ‰芒‰乞 巳一一日一目一 抛物线条件又称为贝塞尔条件。它使首末段为抛物线,即各具有常 矢量的二阶导矢。相应地分别有附加方程 氐、 小冬 即 铲,一丽 ?,?。 ;; ;; ;;窒:鎏;童奎兰竺圭茎堡篁蚤 岛去惫一丽. 垒?: 【???. ;吼吼 %一瓦雨若壬雨 %丽夏孑丽一丽 ,瓦而一 乌。一三。一‰ 以上边界条件所形成的系数矩阵都是近似的三对角线矩阵,在计算时, 可以先通过一定的计算将其化为完全的三对角线方程组形式,然后采用高斯 宗伞丰元素消去法,将系数阵转化成上三角阵,如式 如 呸 %一吃一巳一 % % 巴 ? ? 、 面 恐;靠靠.。.: 畋 以 。 童 以, ?九一七五恐;‘%.? 岛。 最后从后向前计算各的值。 其计算可以归纳如下:’ 将系数矩阵转换为上三角矩阵晶石,吐岛,,??/‖ 哈尔滨:稃大学硕士学付论文 ,,??,; 嚷岛一?/缸 一,一,??,。 计算各的值‘岛/.,玉函?札。/喀 四维空间的控制顶点除以该顶点的权因子,即可得到三维空问内控制顶点 的坐标。 一般情况下设计自由曲线曲面时,权因子常取为,当曲线中出现基本的 二次曲线等情况时,就应根据情况取其权因子。还应注意,实际是在 四维空间上对点进行处理,权因子的引入带来的各维之间复杂的相互影响, 可能导致控制顶点的权因子出现负值而使曲线失控“”。 .船体型值点的网格划分 在建立起了描述船体的函数后,通过正算插入一些符合一定要求的型值 点,对船体型值点进行网格划分,以便于进行更精确的数值计算。在网格划 分时采用输入要求分块数由程序自动划分网格。网格的划分有很多种方式, 本章具体划分网格时分为两个部分:第一部分是横剖面网格划分;第二部分 是纵向船舶横剖面的加密即站线加密。 ..横剖面网格划分 横剖面网格划分,就是采用本章.卜.节介绍的算法进行插值。 插值前首先对参数【甜。,%,...,甜。进行处理: :旦 ~ “ 这样就把的定义域从,“。转换到,,这叫做参数标准化。 参数进行标准化以后,根据要求的每个横剖面上网格划分数,可以得 到一系列插值点 % 通过表达式?和基函数的递推公式?,求取与参数“。相对应的曲 线上的点。 横剖面网格划分情况见下面图.卜.哈尔滨程大学硕学位论文 ; , 、 , ?? ,/? /。 、、~ ‘’~ ,?, 。,篓要碧懋雾鬟;磐荔薹要鬟:要:曩婴塑璧粤 ,船体原始型值点 ?基于船体加密后的型值点 图.基于船体横剖面型值点加密船舯部分横剖面 芗 冀 / . ~ \ ??:? . ?船体原始型值点 ?基于船体加密后的型值点 图.基于船体横剖面型值点加密船艏部分横剖面 哈尔滨一稃大学硕十学位论文 ..纵向船舶横剖面的站线加密 由于是按照船舶纵向坐标插值,采用进行插值对于确定的值 不易控制其参数化后的参数值,所以这里采用易于控制且差值速度快的 插值插值。采用输入在原有两站之间插入的站数来实现纵向网格的自 动化分。 下面介绍插值算法 在平面直角坐标系上给定个数据点只‘,”,,?,,要确定一 条光滑曲线厂并,使满足厂,同时使厂工具有连续的一阶导数, 并且在任何相邻的数据点之间用三次多项式来逼近,这就是插值方法 的构造方式。 显然,如果已知每个数据点上的导数,那么在任何两个相邻的数据点五和 稚。之间就有如下四个条件: , 坛厂‰ 一‘ 比 从而可以唯一确定一个三次多项式曲线,但导数的确定是一个关键问题。 一种方法是用过两个数据点五一。与鼍或与‰。的差商作为而点上的导 数,即取 ? 一丛 ? 或 一必 一而 另一种方法是用式和式?的平均值作为五点上的导数,即取: ‘‖‘,。?%。一‘ 上面的两种取法是比较粗略的,于年提出了一个几何条件,可 以用五个数据点来估计出中间点的导数,即取哈尔滨程大学硕士学位论文 ? %一 仁 譬箍群 其中: ,,?? 而“一 当出现镌%。与%.慨.:时,取 ‘肌%/ 同时,再加上端点的条件: 卜 【一 ?? 及 %一一 ? 厅~?一掰“ 上面已构造了插值所需的所有边界条件,即可在数据点区间内逐 段地配制三次多项式,从而完成对所需节点的光滑拟和与插值。 由上面插值理论可以看出,方法的优点是当考虑由一系列数 据点所确定的曲线时,只要所需曲线段附近的几个数据点就可以了,因此计 算速度较快特别是当数据量较大时,比较适合于曲线的实时绘制。但由于 该插值方法仅能保证曲线在节点处一阶导数连续,在船体曲率变化显著区域 很难保证网格划分精度。所以方法不适合于船体网格生成中的横剖面 插值?】。 纵向插值前后船体外形见图.?. 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 图.全船纵向横剖面加密前 图.全船纵向横剖面加密后哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 .本章小结 非均匀有理样条以统一的方法,在继承无理样条方法描述自由形状 强大功能的基础上,扩充了精确表示二次曲线曲面的功能,本章介绍的内容 主要包括: ?基本算法,包括定义以及基本性质 ?在的基础上,进行了船体横剖面网格划分 ?运用插值算法,纵向横剖面站线的划分 通过对型值的加密,提高了后续章节计算的精度,尤其是破舱稳性计算 的基础。哈尔滨:程大学硕七学位论文 第章压载水舱布置及其抗倾能力分析 船舶在航行中因装载及其分布的变化、阵风吹袭、以及遭遇破损进水等 均可引起浮态变化,发生包括横倾与纵倾在内的船体倾侧。因此,为保障其 航行的安全性,必须及时调整船舶浮态。将船舶由倾侧状态调至正浮的实用 且有效的措施是设置具有抗倾功能的专用压载舱。 专用压载舱,是专门用来装载压载水的舱室,具有独立的泵和管系,与 其他舱室如货油舱管系完全分隔。这保证了压载水不被货油污染。这种 专舱压载水可以直接排放入海,而不必担心可能会出现的海洋污染。另外, 由于专用压载舱的布置有保护位置的要求,即使出现了搁浅或者碰撞的情 况, 也能为货油舱提供破损保护,从而提高了船舶航行的安全性并且减少了造成 海洋污染的可能性。本章主要研究压载舱布置型式并对其抗倾倾能力加以分 析。 .舱室分类 船舶种类繁多,根据其功能和需要,船体空间的划分也是千差万别。有 的船舶舱室比较简单,主要是用水密横隔壁分隔船体表面形成比较单一的水 密大隔舱,各个大分隔舱室中会有纵向的水密贯通纵隔壁。比较典型的此类 舱室如方型驳船舱室、大型油船货油舱等。有的船舶舱室构成比较繁杂,在 其内部根据实际需要形成大量的货舱、水密分隔舱、压载水舱以及客舱、弹 药舱等。由于其用途复杂多样,因而舱室形状不一致。拥有此类舱室的典型 船舶有客船、军舰等。尽管各种船舶的舱室形状不一,种类繁多,但经综合 研究后发现,根据具体舱室空间和船体外表面所谓船体表面是指由船壳外底 板、舷侧边板以及内甲板所围形成的封闭空间的型表面的关系,可以将舱室 大体分为类: 完全由船体型线构成的舱室。如一般船舶的首、尾尖舱等。这类舱室 的数量在实际船舶中一般相对较少,不占主体如图.所示。 部分轮廓线由船体型线构成的舱室。如一般船舶的压载边舱、双层底 舱、液货舱等等。在实际船舶中,一般是此类舱室占绝大多数如图.所示。哈 尔滨程大学硕士学位论文 与船体型线完全无关的舱室。如大型油船的中货油舱、一般船舶的居 中液货舱、水密分隔舱、部分泵舱等等。此类舱室的数量在一般船舶中的比 例也相当大如图.所示。 图.完全由船体型线构成的舱室 图.部分舱室轮廓线由船体型线构成的舱室 图.与船体型线完全无关的舱室 .舱室要素 综合考虑舱室空间在船舶性能计算中的用途,将每个舱室的构成要素分 解为:舱室名称、舱室类型、渗透率、破损后渗透率、舱内液体密度、所载 液 体类型以及舱室几何要素。本论文主要研究压载舱及其破舱后的调倾故只对 船体水下部分、进水舱要素以及渗透率进行介绍。哈尔滨:程大学硕十学位 论文 ..船体水下部分及进水舱要素 下面就船舶水线面要素、船舶水线以下部分以及进水舱要素做详细研究。 属于具有未破损水密船体,且浮于水线礼,秒,伊的船舶的要素称为水 线面或水下部分的初始要素。由于船体破损和舱室淹水而对浮于水线 ,,妒的船舶的初始要素值所产生的负增量称为水线面或水下部分的损 失要素。船舶水下部分以及迸水舱要素都是相对于某一给定的水线面而言 的。 这些要素包括船舶水线面要素,船舶水下部分要素以及淹水舱要素等等。 船舶水线面要素: ??水线面在基平面上的投影面积当口时,此面积等于水 线面面积本身; 厶,、乃,??面积的重心坐标即漂心坐标; ‘,,,??面积对相应的船体坐标轴的惯性矩; 厶,、岛、,。??面积对平行于相应的船体坐标轴,且通过漂心的轴 中心惯性矩。 对于水线,目,妒的船舶水下部分要素有: ?一船的排水体积; 如、孙%一浮心坐标; ,,??排水体积对坐标平面,及的静力矩。 淹水舱要素包括: 一淹水舱的容积按给定水线或舱内给定水位计算; ,,一容积的重心三向坐标; 肌,、埘 ,??容积对坐标平面,及的静力矩; ??舱内自由液面面积在基平面上的投影面积; ,、,、,??面积的重心坐标; 蹦,、,、,??面积对坐标平面,及的静力矩; ,、,??面积的固有惯性矩面积对通过其重心的轴的惯性矩; 峨、捃’妇。??面积对船舶相连坐标轴的总惯性矩,它是固有惯性矩和 转移惯性矩之和:哈尔滨程大学硕十学位论文 。。 斗 ? ..淹水舱分类 按照前苏联..穆尔分法,淹水舱按其淹水特征进行分类,淹水舱可 以分为第类舱第类舱、第类舱三类。 不管淹水舱是否和舷外水相通,只要全部被淹,此类淹水舱就为第类 舱图.。 舱室局部被淹,且不和舷外水相通,此类淹水舱称为第类舱图.。 舱室局部被淹,且和舷外水相通,此类淹水舱称为第类舱图., 这种情况下,舱内水与舷外水面保持在同一水平面上,即舱中的水位和破损 后船的水线相重合。舱内进水的体积及其重心位置随着进水之后船舶的浮态 而改变。这种类型破舱是最典型的情形,迸水后的浮态和稳性计算相对比较 复杂。 图.第类淹水舱 图.第类淹水舱哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 水 图.第?类淹水舱 上面列举的舱室类型是淹水舱的基本类型。另外,还有一些舱室类型不 符合上述的基本类型定义,它们具有某些不符合上述定义的淹水特点。 假如在局部受淹且与舷外水相通的第类舱中具有空气垫,则舱内淹 水水位不与船的水线相重合。所以具有空气垫的第类舱应单独分为一类, 即第?类舱见图.。因而,舱室局部受淹、与舷外水相通,但不与外界 大气相通完全气密的淹水舱称为第?类 空气垫 水 图.第?类淹水舱 常常遇到这样一些第类舱,这些舱中的水随船舶倾斜而流向舷外。它 们与通常的第类舱不同,随着船舶倾斜的增加,舱中水量不断减少;而第 类舱中的水量为常量,且不随船舶的倾角改变。因此,把这种水流向舷外 的第类舱应当称为第类舱见图.。因而,舱的侧壁上部开有和舷外 水水上相通而水下不相通的孔的淹水舱称为第类舱。第类舱的特点是: 当船舶倾斜时,舱中的淹水水位始终通过出水孔边缘。出水点的坐标不变, 且此点是舱中淹水水位的转动中心见图.中点。哈尔滨程大学硕十学位论文 图.第类淹水舱 第?类淹水舱的空气垫随着船舶倾斜的增加,由于空气通过排水孔或打 开的通海阀流向船外而不断减小,因此,第?类淹水舱同样也属于第类淹 水舱。作为第?,类淹水舱的特征为:由于空气垫气压随倾角的增加而减少, 故舱中的淹水量不断增加。 目前常用的分类法不只这一种,还有更为复杂的淹水舱分类方法。例如 ..谢苗诺夫一张山斯基建议将淹水舱分为和舷外水相通,及和舷外水不通两 类:而每类舱又建议分为在舱壁上部开孔、全部淹水及舱壁上部开孔、局部 淹 水两种。这样分法,相当于将舱室分为四类,其中两类相当于第,类, 而另两类相当于其中的第类按与舷外水相通与否分成的两类。..谢苗诺 夫一张山斯基的分法没有包括许多淹水舱类如第?类和第类舱,现在一般 采用..穆尔提出的分类法。值得指出的是..穆尔分法并没有把各种可 能有的淹水舱都包括。例如,淹入比重不同的液体油和水的舱室:彼此相通, 但和舷外水不通的两个舱室,等等都没有包括在..穆尔分类法中。然而, 为了避免计算的复杂性,在不沉性理论中只用淹水舱的基本类型,即第, ,类舱,在必要的情况下特殊淹水情况的其他类型舱需要作更进一步的 讨论。 淹水舱的类型并不是始终保持不变的,当船的浮态改变时淹水舱的类型 可能改变。例如,第类舱可以变为第类舱,或相反,第类舱可以变 为第类舱。当空气垫消失时,第?类舱可以变为第类舱。一般认为, 淹水舱由一类转变为另一类的界限为:淹水舱中产生或消失了自由液面,淹 水 舱和舷外水之间产生或停止了水连通;淹水舱和外界大气间产生或停止了气 连通,水由第类舱中开始或停止流出。需要强调的是:当船的干舷上有开孔, 哈尔滨工程大学硕十学位论文 且浮态变化时,某些未淹水的舱可以变为淹水舱,或相反,另一些淹水舱可 完全排干变为不淹水的舱例如,在扶正船舶时会出现这种情况。 知道舱室由未淹变为受淹,由一类变为另一类的限界对于不沉性的计算 特别重要,因为不沉性的计算公式通常是在舱室类型不变和干舷上无洞的情 况下建立的。因此,抗沉性的计算公式仅在那些建立公式的舱室类型的限界 范围内适用,且当舱室变成新的类型时应当进行修正。 当船的浮态改变时进水舱的类型也可以改变。一般认为,进水舱由一类 转变为另一类必须具备一定的界限:进水舱中产生或消失了水的自由液面; 进 水舱和舷外水之间产生或停止了水连通;进水舱和外界大气间产生或停止了 气连通;水由第类舱中开始或停止流出。另外,当船舶干舷上有开孔,并 且浮态变化致使开孔进水时,某些未淹水的舱室可以变成进水舱“.,。 ..渗透率 某一处所的渗透率是指该处所能被水浸占的百分比。当该处所伸展至限 界线以上时,该处所体积仅量至限界线的高度。定义好舱室之后,当进行舱 容、稳性计算的时候,并不是数学上所计算出来的理论型容积,而应该按照 舱室的实际容积进行计算。由于舱内有肋骨肋板等各种结构件、设备、机器 等将要占去一部分舱内的空间,因此,船舱内实际进水的体积,总是要小 于空舱的型体积,两者之间的比值称为体积渗透率,即: ? /旦 ’, 因为舱中物件的断面占去舱室一部分面积,故进水舱的淹水面积墨,也 与理论淹水面积不同,两者之比: 从 ? 占 称为淹水舱的面积渗透率。 一般计算中近似地认为这两个系数相等,并将进水舱要素的理论计算值 乘以体积渗透率‖就能得到相应的、需要的进水舱要素。一般各种舱室的渗 透率如下”:哈尔滨‘鼙大学硕十学位论文 表.渗透率表 舱室名称 渗透率 . 空舱 . 起居处所 . 机舱、电站、渔业加工设备处所 . 钢铁、生铁、矿砂等重货的货舱 或. 装载油或水的双层底、深舱及尖舱 . 散装货舱矿砂除外、煤舱、物料舱 杂货舱、 注:视何者对破舱稳性较为不利而定 .压载舱布置及对分舱的影响 对于很多类型的船舶,为保证航行的安全性或防污染均应设置专用压载 舱。压载舱一般是安置在船底及船体两侧,用作平衡船体。对于油船它可以 使船舶在各装载状态下不依靠货油舱装载压载水而安全地进行压载航行,而 且还具有对货油舱的保护作用,减少船舶货舱破损漏油的几率“”。对于军船 设置专门的压载舱不仅提高军舰的稳性,而且在船舶低频横倾或纵倾运动 时, 起到调节船舶浮态的作用。 为满足规范对船体舱室布置的要求,必须对边舱与双层底的分隔进行专 门的设计,以保证在船底破损后,在由于船体下沉、横倾和纵倾形成的最后 水线状态下,船体的横倾角、进水最后阶段的稳性等满足规范的要求。 ..常用压载舱型式 对于各种不同类型的船舶,例如驳船、大型军舰、船及大型油船等, 均应设专用压载舱。常见型式如图.所示,其容量应至少能使船舶的吃水 和吃水差,在航行的任何部分,不论处于何类压载情况,包括只是空船加压 载水的情况在内,均应符合下列各项要求: 船中部型吃水以计不考虑任何船舶变形应不小于: . ? 在首、尾垂线处的吃水,应相当于中规定所确定的船中部吃水 ,但向尾纵倾的吃水差不得大于.;哈尔滨:稃大学硕十学位论文 尾垂线处的吃水,无论如何不得小于达到螺旋桨全部浸没所需的吃 水。 双舷双底型双底双脏型 图.各种压载舱型式 压载舱要满足最小压载水量要求,使之有足够能力调整船的浮态,而且 要尽可能使压载舱总数减少,以节省管系设备及费用,其布置应尽可能简单 易于压载水管理。专用压载舱的型式一般采用型,但为了满足某些规范的 要求,双壳体边舱与双层底舱有种型式可供比较选择: 型舱是传统的双壳双底组成型式,为常用的压载舱所采用的型式。 型舱是把型舱的双层底纵中木行材打通,采用此型式具有布置简 单、管系少、容易安排通道与通风等优点,但是加/排压载水过程中会产生很 大的自由液面。特别是在装卸油和加压载水同时作业时,产生大自由液面, 常导致初稳性不足而产生大角度横倾。 边纵舱壁通至基线组成边舱,内底板与纵舱壁相连接组成双层底舱。 双层底舱左右打通,此解决上述两型舱的不足之处。但在船底擦破位于边舱 内的情况下,若产生很大的横倾力矩,会有许多装载情况都不能满足规范的 要求。 内底通至舷侧,边纵舱壁位于内底之上,该型式解决了上一种型式的 缺点,但是进入双层底舱的通道与通风需经过边舱,以及两者之间的水密分 隔较为困难。 与两种型式仅在某些特殊情况或为满足特别的要求才采用。可以 先考虑型压载型式,如果不满足规范要求,再考虑其他型式的压载舱方案。哈 尔滨工程大学硕士学何论文 ..压载舱组合型式 对于各种不同类型的船舶,不管是货船、油船还是军船,都设有较多数 量的主要舱室,如货油舱、货舱等等,同时对应着各种不同的压载舱组合。 其压载舱布置方案有如下组合的可能: 全型压载舱:即所有压载舱均为型。对于型压载型式,由于单 边船底擦破导致船一侧进水很可能破舱稳性不满足要求;又由于型舱的自 由液面总和较大,的修正影响也就很大如图.。 全型压载舱:即所有压载舱均为型。其优点是构造简单,便于管 系布置、通风等优点,但是会产生很大的自由液面。特别是在装卸货物和加 压载水同时作业时,产生较大自由液面,常导致初稳性不足而产生大角度横 倾。但是在单边船底擦破或者舷侧破损时,比较于型压载不会产生巨大的 横倾力矩和静倾角,对破舱稳性较为有利如图.。 囟 图.全形压载舱型式 图.全形压载舱型式哈尔滨工程大学硕士学位论文 图.全、形压载舱型式 图.双层底“一”字形压载舱型式 、型组合压载舱:这是介于前两者之间的压载形式。通常第一压载 舱为型舱,,舱间隔或混合设置。型舱对单侧船底擦破进水后有一部分 平衡作用。虽然总的进水量有所增加,但因浮力储备较大,故对破舱稳性较 为有利。不过型舱的巨大自由液面,将是可能导致不能满足规范要求的主 要因素如图.。 增设双层底“一”字型压载舱:即将型舱一分为三,或将部分型 舱重新一分为三,宽度接近三等分,形成一对型舱和当中的一个“~”字 型舱如图.。由于自由液面惯性矩和液舱宽度的三次方成正比,因此 型舱一分为三后,自由液面影响将大大降低。而且“一”字型压载舱在单边 船底破损时减少了总的进水量,在单边两舱破损一个型舱和“一”字型舱 同时破损时,平衡了部分横倾力矩,都能使横倾力矩减少;在满足破舱稳性 的前提下,连通部分的“一”字型舱,可以减少压载舱的总个数。但是由于 要增设进入“一”字型舱的通道,在布置上有一定复杂性。 对于某些大型船舶来说,全型压载舱和,型组合压载舱己基本不能哈尔滨二: 稃大学硕十学付论文 同时满足规范要求。而增设双层底“一”字型压载舱在一定的型深限制下能 同时满足规范要求。它们能尽可能减少自由液面惯性矩,减小其对的影响。 由于自由液面惯性矩和液舱宽度的三次方成正比,因此减小液舱宽度将是非 常有效的措施。在双层底增设“一”字型压载舱就是以此为出发点,将整个 船宽拉近三等分,既可以使总的自由液面惯性矩之和最小,又可以使单边船 底破损时的进水量减小。而将双层底近四等分,虽可以更好地解决矛盾,但 更多的纵向细分会大大增加管系及成本开支,加大压载水管理难度,己无实 际应用的价值。因此在双层底增设“一”字型压载舱是必要前提,但同时也 要考虑到有型深的限制“一。 ..双层底高度及舷边舱宽度对分舱的影晌 双层底高度和舷边舱宽度对分舱的影响一直是设计者们十分关心的问题 之一。查阅各种文献,主要的分析结果有:当双层底高度增加时,最终平衡角 的变化有所增加,但是变化不大,最大静稳性臂有所减小,但减小的幅度不 大。可以得出双层底高度的变化对舱室破损后的横倾平衡角及最大静稳性臂 影响很小。 相对双层底高度的变化对船舶造成的影响来说,边舱宽度变化对破损稳 性的影响较大。主要原因是它导致静倾角发生变化。当边舱宽度增加时,横 倾平衡角随之增大,最大静稳性臂最大值有所下降,当在大角度的时候,稳 性力臂几乎不变“。 .实船压载舱布置及调倾能力分析 本节以某实船为例,对此船进行具体的压载舱布置,并分析不同布置情 况下其调倾能力。 实船的主要尺度如下: 总长:.米 型宽:米 型深:.米 吃水:.米 标准排水量:吨 满载排水量:吨