Maxsurf在800 t級海洋調(diào)查船設(shè)計中的應(yīng)用

李遵偉，賈欣鑫，王 雷，柴家臣

(1.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東青島 266100；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266100；3.青島中烏特種船舶研究設(shè)計院有限公司，山東青島 266100）

Maxsurf在800 t級海洋調(diào)查船設(shè)計中的應(yīng)用

李遵偉1,2,3，賈欣鑫2，王 雷2，柴家臣3

(1.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東青島 266100；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266100；3.青島中烏特種船舶研究設(shè)計院有限公司，山東青島 266100）

800 t級海洋調(diào)查船是青島中烏特種船舶研究設(shè)計院為國內(nèi)某船東設(shè)計的綜合性海洋調(diào)查船，利用Maxsurf進行型線設(shè)計、阻力估算、靜水力計算和穩(wěn)性計算，順利完成各項送審工作，顯著提高了設(shè)計效率。

Maxsurf；型線設(shè)計；阻力估算；靜水力計算；穩(wěn)性計算

0 引言

800 t級海洋調(diào)查船是一艘維護我國海洋權(quán)益、保護海洋環(huán)境、監(jiān)督管理海域使用、加強海洋執(zhí)法監(jiān)察和進行海洋基礎(chǔ)調(diào)查的綜合海洋調(diào)查船。可進行海洋水文物理、海洋氣象、海洋生物、海洋化學(xué)、海洋地質(zhì)地貌、地質(zhì)勘探、水聲等科學(xué)調(diào)查研究工作。船舶主要尺度如下：

總長：～65.32 m；

垂線間長：59.04 m；

型寬：9.60 m；

型深：4.70 m；

設(shè)計吃水：2.60 m；

設(shè)計排水量：～880 t；

經(jīng)濟航速：14 kn；

最大航速：16 kn。

Maxsurf軟件是由澳大利亞Formation Design Systems公司為船舶設(shè)計和建造開發(fā)的，適用于各種船舶設(shè)計、分析和建造的一款完整的計算機輔助船舶設(shè)計和建造軟件。Maxsurf軟件系統(tǒng)由船體模型生成模塊（Maxsurf Modeler）、船舶阻力及有效馬力計算模塊（Maxsurf Resistance）、船舶水動力及性能分析模塊（Maxsurf Stability）和船舶耐波性能分析模塊（Maxsurf Motions）等組成。與其它船舶輔助設(shè)計系統(tǒng)相比，由于其各個功能模塊共享一個集成數(shù)據(jù)庫，具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，支持參數(shù)化造型設(shè)計，有操作靈活的使用界面，是一個多重應(yīng)用的設(shè)計環(huán)境，Maxsurf軟件得到了中國的船舶設(shè)計機構(gòu)及船舶建造廠的廣泛認可[1]。因此，本文選取Maxsurf軟件系統(tǒng)進行800 t級海洋調(diào)查船的設(shè)計工作。

1 型線設(shè)計

型線設(shè)計主要是利用Maxsurf Modeler模塊，它是Maxsurf軟件的核心模塊。Maxsurf Modeler是一款在船舶與海洋工程領(lǐng)域功能強大的三維表面建模系統(tǒng)，可以使船舶設(shè)計師快速、準確地設(shè)計并優(yōu)化出各種船舶的主船體、上層建筑和附體型線。Maxsurf Modeler包含一整套用一個或多個NURBS曲面進行三維船體建模的工具，同時內(nèi)置靜水力計算工具及橫剖面面積曲線，能使設(shè)計師在設(shè)計過程中實時查詢船舶的性能參數(shù)。Maxsurf Modeler能夠準確地輸出船體型線以及其他格式的船體文件，避免格式轉(zhuǎn)化過程中的精度損失[2]。經(jīng)過對Maxsurf Modeler的二次開發(fā)，可以輸出固定格式的型值表，大大方便設(shè)計工作。根據(jù)設(shè)計任務(wù)和初步的總布置圖設(shè)計的800 t級海洋調(diào)查船的三維模型如圖1所示。

圖1 800 t級海洋調(diào)查船三維模型

2 阻力估算

阻力估算主要利用Maxsurf Resistance模塊，它提供了多種不同的算法來預(yù)測阻力，每一種算法都適用于一種系列船型。Maxsurf Resistance預(yù)測阻力的方法包括回歸計算和分析的方法。選取回歸計算各種方法時，根據(jù)計算船舶的主要參數(shù)來確定。船舶主要參數(shù)在計算方法的適用范圍內(nèi)時，阻力估算才會準確。Maxsurf Resistance模塊用分析方法估算阻力是基于“薄船”理論。“薄船”是指船體長度L與船體寬度B的比值很大的船舶。興波阻力計算運用“薄船”理論；計算粘性阻力時采用國際水池會議（ITTC）推薦的ITTC-57摩擦阻力計算公式進行計算[3]。表1為Maxsurf Resistance模塊估算的阻力與船模試驗得到的阻力的對比。

表1 阻力對比表

3 靜水力計算

靜水力計算是利用Maxsurf Stability模塊中Upright Hydrostatics計算單元。計算靜水力之前，首先要設(shè)置計算的環(huán)境，包括水的密度、波浪形態(tài)和選擇處于破損狀態(tài)還是完整狀態(tài)。然后設(shè)置計算選項，包括縱傾狀態(tài)和計算吃水范圍或排水量范圍。該計算單元不僅能夠計算船舶正浮在靜水中的靜水力數(shù)據(jù)，還能計算船舶在不同波浪形態(tài)、不同破損狀態(tài)、不同裝載工況時的靜水力數(shù)據(jù)。表2為800 t級海洋調(diào)查船吃水在2m～3m時部分靜水力數(shù)據(jù)。

4 穩(wěn)性計算

穩(wěn)性計算包括完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性，該船的破損穩(wěn)性使用確定法計算，主要利用Maxsurf Stability模塊中Large Angle Stability計算單元。在計算穩(wěn)性之前，首先要將模型處理為只參與穩(wěn)性的浮力體，將多余的部分修剪掉。然后建立艙室及液艙，艙室及液艙通過定義各艙的邊界、液體艙室的密度和艙柜的滲透率來建立。Maxsurf Stability中提供了多種建立艙室和液艙的方法，能夠滿足建立不同形狀艙室和液艙的需求。建立艙室及液艙完成后，就可以利用Tank Calibrations單元進行艙室容積計算，并產(chǎn)生艙容計算報告。圖2為800 t海洋調(diào)查船艙室及液艙模型。

圖2 800 t海洋調(diào)查船艙室及液艙模型

表2 800 t級海洋調(diào)查船部分靜水力數(shù)據(jù)

4.1 完整穩(wěn)性計算

《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》規(guī)定，對船長100 m以下的特種用途船舶，如設(shè)計和特性與近海供應(yīng)船相似，完整穩(wěn)性按照對近海供應(yīng)船的要求計算。首先通過Key points面板定義進水角開口，水能通過船側(cè)、上層連續(xù)甲板、上層建筑或甲板室的非風雨密關(guān)閉的開口及貨艙口、通風筒等進入船體內(nèi)的這些開口定義為進水角開口，諸如通過鋼纜、錨鏈、鎖具的開口和錨孔、流水孔、排水管和衛(wèi)生管等管口，如驗船師認為它們浸沒時不是引起嚴重浸水的原因的這些開口可不作為進水角開口。然后通過Load Case Window面板定義裝載工況，船舶的空船重量重心根據(jù)統(tǒng)計或其他方法獲得，該船的裝載工況分為出港、中途和到港。表3為完整穩(wěn)性計算表，其中修正后初穩(wěn)性高、最大復(fù)原力臂和最大復(fù)原力臂對應(yīng)角可以直接從Large Angle Stability和Equilibrium計算單元的計算報告中獲得，而穩(wěn)性恒準數(shù)K需要根據(jù)計算結(jié)果中的數(shù)據(jù)進一步計算得到。

表3 完整穩(wěn)性計算表

4.2 破損穩(wěn)性計算

《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》規(guī)定，對運載不超過50名特殊人員且船長不超過50 m的特種用途船舶，應(yīng)假定破損發(fā)生在橫向水密艙壁之間沿船舶長度方向的任何部位，其間距不小于假定的船側(cè)破損的縱向范圍，機器處所的破損除外。破損假定為：縱向范圍是（1/3）LL2/3或14.5，去其小者；橫向范圍是B/5或11.5，取其小者（在船內(nèi)于夏季載重線水平面上，自舷側(cè)向中中剖面方向量取）；垂向范圍是在中心線處自船底外板型線垂直向上無限制[4]。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的假定破損范圍在Damage Case Window單元定義破損工況如圖3所示。

假定破損處所的滲透率為：載貨處所要經(jīng)計算確定，但不得小于0.60；物料存放處所為0.60；起居處所為0.95；機器處所為0.85；空留處所為0.95。滲透率的定義早在艙室定義的時候已經(jīng)完成了破損狀態(tài)下的滲透率。同時規(guī)范還規(guī)定了殘存標準：進水最終階段的初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.05 m；進水最終階段的復(fù)原力臂曲線超過平衡位置應(yīng)至少有20°的范圍，在此范圍內(nèi)至少應(yīng)有100 mm的相應(yīng)最大復(fù)原力臂；由不對稱進水造成的橫傾角在平衡前應(yīng)不超過20°，平衡之后應(yīng)不超過7°，對進水涉及到相鄰水密橫艙壁之間的情況，平衡之后不超過12°。表4為出港工況時部分破損情況數(shù)據(jù)表。橫傾角、初穩(wěn)性高、最大復(fù)原力臂和正穩(wěn)性范圍都可以直接從Large Angle Stability和Equilibrium計算單元的計算報告中獲得。

圖3 800 t海洋調(diào)查船破損工況

表4 出港工況時部分破損情況數(shù)據(jù)表

除此以外，Maxsurf Stability模塊還可以進行配載計算、穩(wěn)性橫截力臂曲線計算、極限重心高度計算、可浸長度計算、總縱強度計算、概率破損穩(wěn)性計算等。

5 結(jié)論

使用Maxsurf軟件進行800 t海洋調(diào)查船的型線設(shè)計、阻力估算、靜水力計算和穩(wěn)性計算等等，幾乎涵蓋了從概念設(shè)計的方案制定到詳細設(shè)計的文件送審的全過程，大大提高了設(shè)計效率。

[1]蔣毅文.MAXSURF及相關(guān)設(shè)計程序在船舶設(shè)計中的應(yīng)用[J].船海工程,2005(4)： 39-41.

[2]Bentley Systems Pty Ltd.MaxsurfModeler UserManual[Z].Windows Version 20.2013.

[3]遲百宏,楊衛(wèi)民,丁飛,等.Maxsurf軟件在雙體帆船阻力計算中的應(yīng)用[J].船舶工程,2015(S1)： 39-41.

[4]中國海事局.國內(nèi)航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則[S].2011.

Application in Design of 800 t Sea Survey Ship with Maxsurf

LI Zunwei1,2,3,JIA Xinxin2,WANG Lei2,CHAI Jiachen3
(1.Science and Technology Center of Oceanographic Instrument of Shandong Province,Shandong Qingdao 266100,China; 2.Institute of Oceanographic Instrumentation of Shandong Academy of Sciences,Shandong Qingdao 266100,China; 3.Qingdao China-Ukraine Special Ship Research and Design Academy Co.,Ltd.,Shandong Qingdao 266100,China)

The 800 t sea survey ship is a comprehensive sea survey ship designed by Qingdao China-Ukraine Special Ship Research and Design Academy Co.,Ltd.for east China sea branch of state oceanic administration.The design of ship has been accomplished perfectly and the efficiency has been improved significantly with Maxsurf for ship lines design,resistance estimation,calculation of ship hydrostatic and stability.

Maxsurf; line design; resistance estimation; calculation of ship hydrostatic; calculation of ship stability

U662.2

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.012

李遵偉（1989—），男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶總體設(shè)計。