英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

河海两用矿砂散货船的设计优化

摘要：这篇文章展示了关于一艘从一个新建的内河码头到在葡萄牙西海岸的港口运输铁矿石的散货船的相关工作。本研究的目的是确定船舶的最佳性能和服务航速。首先描述了运载任务，并讨论了主要的设计方案。接下来，给出了船舶综合模型、航行模型和优化过程的主要部分。最后对结果进行了讨论，并得出了一些结论。

关键字：散货船 船舶综合模型 优化

1 介绍

较大的预期年产量和该处铁矿距离一个内河码头较近的地理位置是我们研究一种不同的从内陆矿址到海港来装进远洋散货船的运输方法的动机。本文分析了从内河码头直达海港的河海两用散货船的设计。

船舶的任务是设计的起点。在本例中，这艘船既不是经典的内河船，也不是常规的海船。该船的内河航程约占整体航程的75%，并且经过允许不同航行水平的四个船闸。

这种内河运输可采用几种方式：一种推进的机动船只，一列非推进的牵引驳船，或推动驳船。在欧洲内河水域，推式驳船几乎完全取代了拖式驳船船队，因为它们提供了更好的机动能力，所需的劳动力也更少了（驳船是无人驾驶的）。在目前的情况下，需要船闸才能保证航行的河流状态以及在航行中存在一条外海航程，这就带来了制约因素，使推力船成为显而易见的解决方法。

本文描述了船舶综合模型、典型的往返航行模型和优化过程的主要部分。最后对结果进行了讨论，并得出了一些结论。

确定了相关法律法规，并且讨论了它们的实用性。

2 船舶综合模型

船舶综合模型（SSM）的概念可以追溯到70年代（Reed，1976），随着先进的水面舰艇评估工具（ASSET），的初步发展而建立，这是一种由海军水面作战中心提供的软件，用于评估海军舰艇设计。这个工具决定了一个特定的设计是否可行，并在这个过程中改变船舶的各种要素，来达到设计的平衡。由于在模型中使用了类似的方法和标准，有效的SSM还保证了可行性研究之间的一致性。

SSM是用于集成多个不同方面的船舶设计的数值方法的结果（图1）。即使随着计算机和工程软件的不断发展，大量替代用设计的开发和分析也与第一原理法的广泛使用不兼容。因此，在船舶设计的初始阶段，许多使用的方法都是经验性的，并依赖于从相似船舶或半经验的数据库的数据回归分析中得到的公式，并依赖于从系统研究中得出的结论。然而，SSM发展的趋势是，只要模块可用和/或其使用与预期研究是约束相符，就可以将其升级为更精确的计算。

在下一节中描述了为河海两用船舶的设计而开发的SSM的组成部分。

图1

图3

图2

2.1 船体形状和舱室布局

由于75%的路线位于内陆水道，没有波浪，所以采用的船体形状具有很高的方形系数（Cb）值。应简化船体形状，增大可展曲面的使用以降低建筑成本，并且某有球鼻首（图2）。

远洋散货船是具有顶边舱和舷顶边舱的单船体船舶。通常，用于内陆航行的散货船采用不同的结构，具有双壳，这使它们可运用于更多的目的，箱形货舱也适用于运输集装箱和其他统一类型的货物（图3）.

货物容量的估计可以根据中船段的配置和货物区域的长度来进行。后者取决于尾尖舱、机舱和首尖舱长度。《海上人命安全公约》第二章第1款规定，在没有球鼻首的船舶上，碰撞舱壁的位置与首垂线不小于0.05L或10米，以较小但不大于0.08L为准（国际海事组织，2 012a）。然而，《海上人命安全公约》并不是为国内航行而设计的船舶的强制性规定。考虑到这种情况下，75%的航行是在内陆水道进行的，假定考虑到碰撞舱壁的较不保守的位置，即被欧洲指南2006/87（欧共体，2006）推荐的0.4L。

机舱的长度推进系统和所安装的推进功率的函数来估计。后机舱舱壁的位置假定为0.4L。最后，货物区域的长度是通过从船舶总长减去这些长度来获得的。

2.2 干舷

矿砂船是一种排水型船，这意味着由于其典型的货物高密度值，货物的体积不是问题。因此，只要所产生的干舷符合适用的船舶安全要求，船体的型深就可以减少。

《国际载重线公约》仅适用于长度大于24米的，进行国际航行的船舶（海事组织，2005年）。然而，在本例中，根据船籍国的标准，通过了国际法律准则。

2.3空船重量

轻船重量估计为结构（钢料）、机电和舾装三个主要成分的总和。结构由船体和上层建筑组成。

矿石货物密度约为2.2t/m3，这证明了由于必需的双层底加固而增加船体重量的合理性。根据《一般结构规则》（CS R），海运散货船可分为三类，取决于货物密度（IACS，2012年）。

在设计中利用来自现有相似船只的数据以及最近一项侧重于内河航行船只的工作来对经验公式的结果进行了验证（Hekkenberg，201） 3；Michalski，2005年）。

2.4 船体阻力

船体阻力用Holtroamp;Mennen方法估算（Holtroamp;Mennen，1982年；Holtroamp;Mennen，1984年）。虽然这种方法是以较大船只的数据为基础的，但它也是非常常用的。对于尺寸较小的船舶，甚至对于内河航行船舶，都是一种参考。

船舶的阻力和机动性取决于航行区域的深度。在（PIANC，1992）中，根据水深/船舶吃水（h/T）之比对水深进行了分类，显示在表1中。

深度的影响在中深水中可以注意到，在浅水中是显著的，在非常浅的水中占主导地位。在本案中，（h/T）的值范围为1.60至1.13，最大水深为4.2m。在这种深度条件下，除了船裸船体的阻力外，还必须考虑三种影响：浅水增加的阻力，限制航区和船体下蹲增加的阻力。

浅水增加了摩擦阻力，在临界深度Fnh=1.0附近，这种增加的阻力特别明显（Bertram，2012年。Fnh是由下式决定的

其中：Vs是船舶速度，以米为单位；g为重力加速度，以米每平方秒为单位；h是水深，以米为单位。

如果船在限制航区航行，这种阻力将进一步增加。造成这种影响的一个重要因素是堵塞因子S，由下式决定

其中：As是船体水下部分的横截面面积，Ac是水道面积

2.5 推进系统

这类船只最常见的推进系统是四冲程、中速柴油发动机、柴油电动系统，或者最新的可以燃烧海洋柴油（MDO）或液化天然气（LNG）的双燃料发动机。

一般来说，液化天然气比柴油更安全。在泄漏的情况下，由于室温和液化温度之间的温差，气体会发生蒸发。由此产生的混合物在大气压下不可燃，因此不会对船舶或环境造成直接损害。液化天然气的排放量也低于柴油。SOx和微粒物（PM）的排放几乎被消除，NOx减少了约90%，CO减少了20%至25%

另一方面，液化天然气不能像MDO一样储存在结构罐中。通常使用的是圆柱形水箱，它可以储存在容器中，以便在加油作业中容易更换。这种安排不仅需要更多的空间，而且这个空间必须在靠近机舱的位置，同时靠近甲板以便进行更换。

环境敏感地区的船舶排放问题和当前燃料价格问题是分析两种推进系统方案的动机：

一种传统的解决方案，使用船用柴油的四冲程发动机或能够使用液化天然气的双燃料发动机。在LNG发动机的方案中，气体的储存需要船上的一些额外空间。然而，与船用锅炉燃料油相比，目前液化天然气价格下降的趋势证明了这一分析的合理性。

虽然船舶在装载和压载条件下的速度可能相当低，但是已安装的推进设备应能保证至少13公里/小时的最低速度 （7节），这是指南2006/87（欧共体，2006年）的要求，适用于欧洲内陆水道。

2.6 船舶能效和排放

能效设计指数（EEDI）是衡量船舶能效的指标。2013年1月1日之后建造的所有新船都必须明确其能效设计指数。

虽然国际海事组织的要求不适用于内陆水道，但现实仍然是，预期在该地区航行的船只数量很大，这造成了环境问题。因此，对EEDI进行了核查，并根据海事组织的要求估计了CO排放总量（IMO，2012年b；IMO，2012年c）

2.7 船舶建造费用和营运费用

对船舶设计备选方案的评估不能完全基于技术标准，经济因素对任何工程项目都是至关重要的。建造成本是一个显而易见的评估标准，但设计方案还有一些影响只能从长远来看。因此，我们开发了一个往返航行模型，来进行船舶运营成本的估计。以经验公式为三个主要部分，即结构、机电和舾装的总和，对船舶初始成本进行了估算。将其结果与现有船舶的价格进行了比较，并在模型中引入了修正因子。为了使这项工作更具现实性，考虑了70%的船舶投资为银行贷款而产生的资本成本。

所用燃料的价格是基于2013年的平均值（Fearnleys，2013年）。液化天然气舱位的价格通常参照其热值（每百万吨BTU/美元）确定。为了简化与MDO的比较，在本研究中，作为近似，假设LNG价格比船用燃料300 CST低35%。关于船舶的营运费用，采用了费用的共同细目的方法（Stopford，2009年），如表2所示。

图4

表2

3 航行模型

货物运输是货物在两个地点之间的移动。许多时候，它涉及到几种运输方式，并由多种方式联合使用。当使用了多种运输方式或者将少量货物组合成大的整体，或者将大量货物分割成少量时，就需要额外的运输系统（转运）或者临时储存。

一个域模型建立了问题范围内的概念以及它们之间的关系。在面向对象方法的背景下，概念由类表示，关系由关联表示。

我们开发了一个数据模型，以具体说明在海洋运输问题中使用的实体类别、其属性和关联。航行是由一段或多段路程组成的。（图5）

4 设计优化

4.1 模型验证

由于SSM中使用的许多方法的通用性和经验性，在开始优化过程之前，必须对模型进行验证和最终核准。这一验证是通过比较从模型中获得的值与来自现有类似船只的实际数据来完成的。

关于船舶空船重量的可得信息不多。在这项研究中，收集了一些现有船舶的数据（Egorov，2014年），（Egorov，2007年）。然而，这些船舶都是冰区加强船体，这意味着由于结构加固而导致的额外结构重量。

为了对模型结果与现有船舶数据进行合理的比较，必须扣除由于冰区而产生的额外重量。广泛认为，对于这些船只（LU1和LU2俄罗斯海运冰级海事登记册），冰区加强代表船舶重量增加1%（Dvlorak，2009）

模型给出的第一个空船重量与实际数据略有偏差。然后将修正因子应用于模型估计。图8显示了模型的结果，在应用修正因子后，更适合于实际数据。模型结果也与估计内河船舶重量的Hoffman/Heusser公式（趋势线）相同（Hekkenberg，2013年）。

结果也与米哈尔斯基方法进行了比较，但这种方法似乎低估了空船重量。

在该模型中货物容量的估计可以根据中船段的配置和货物区域的长度来进行，后者取决于尾尖舱、机舱和首尖舱长度。

为了验证货物容量估计方法，在根据图2所示的船体形状建立的三维模型中计算了实际货物体积。这一比较表明，该模型高估了约6%的体积容量。对估计公式进行了改进，以更好地匹配这一结果。

载重量是由船舶排水量和空船重量之间的差异来给出的。到这里已经对空船重量估计进行了分析、改进和验证。载重量分析是检查是否良好估计了模型重量分布的另一种方法。

观察到模型给出的值在现有船舶真实数据的相同范围内（图6）。当船舶的LBD值较高时，模型有一定的偏差。

图5 图6

4.2 优化

优化过程采用以下配置进行：一个目标、六个设计变量和十六个约束。

众所周知，工程问题本质上是多目标的。然而，在更高层次的决断中，以及为了将问题缩小到计算时间可接受，许多目标可以被适当的约束所取代。在这种情况下，采用了一个唯一的目标，即尽量减少所需运费（RFR）。纳入考虑的设计变量包括船舶的垂线间长，型深，吃水，方形系数，和在装载和压载条件下的服务航速。

考虑了两种主要类型的约束：物理限制和技术要求。物理限制是由于航道条件（最大深度和宽度），水闸尺寸（最大总长和宽度）和高度限制（存在桥梁）。关于技术

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[236597]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word