高耐波性多指標優化大型商用不對稱雙體船的製作方法

2023-12-12 11:24:37 2

本發明涉及船舶，具體涉及雙體結構的特種作業船舶，該船舶按中國船級社船舶入級符號分類標準應屬於調查(科考)船、交通船、公務船、特殊用途船舶等船舶類別。

背景技術：

執行「港到港」貨物運輸的貨運船是最常見的船舶。海船中散貨船、貨櫃船、油船等傳統運輸船型，數量多、單只船噸位大，具有大運量、低成本的優勢，是國際貿易中的主要運輸方式。自蒸汽動力船舶出現以來，運輸船舶的單船噸位越來越大、單位貨物的運輸成本越來越低，技術水準穩步提升。

除了作為運輸通道，近年來，人們越來越多地把海洋視作「藍色國土」，海上作業、活動逐步拓展，對海洋的研究、開發、管理、利用活動越來越多。各種活動例如海洋科考、旅遊運動娛樂、海上漁場作業、海上油氣作業、海上巡邏、駐守守護、救助、風電開發維護、人工島礁施工等越來越多。海上作業活動不同於傳統的「港到港之間貨運」活動，作業平臺較多時間巡航、停泊於海上，主要是在海上停泊、巡航時完成主要作業任務。因此對船型的性能要求需要不同於貨運船。

當前對海上多功能特種作業的需求，主要有海洋科考、海上巡邏守護救助、海上設施作業、特種設備和人員部署、水面和水下作業支持、旅遊運動娛樂等等。涵蓋的船型有科考船、公務船、島際運輸船、中小型旅遊船、海上設施作業維護船、中小型私人遊輪等等。這些船型，普遍要求耐波性高、航速較高節能性好、抗風浪能力強、能搭載重型特種設備作業、甲板作業面積寬裕、搭載較多特種人員要求居住舒適等等。

最開始人們利用和運輸船大同小異的單體船船型，按作業需求進行主尺度、吃水、布置設計，投入海上作業使用。後來針對單體船穩性差甲板面積小的缺點，又開發應用了特種船如普通雙體船、小水線面雙體船，最近又有三體船嘗試使用。

通過多種多型船的實際使用發現，現有傳統單體船、普通雙體船、小水線面雙體船、三體船等船型作為特種工作船，存在優點單一，固有缺點難以克服的缺點。具體舉例分析各已有船型的特點和缺點如以下各節：

(1)單體船的特點和缺點有：穩性和快速性要求對船寬的要求互相矛盾、可用甲板布置地位有限、穩性和耐波性性能難以同時得到優化等等。例如，如果一條多功能科考船採用普通單體船型，那麼主尺度、性能指標可以變化和優化的範圍十分有限，整體性能將較為平庸。單體船的特點和分析介紹簡述如表1.1：

表1.1：單體船特種工作船船型的特點和缺點列舉分析

(2)普通雙體船：有甲板面積大、橫穩心高、橫搖角小的優點，但是有結構薄弱、橫搖加速度大、雙體間扭力大不適宜大型化的等固有缺點。如表1.2分析介紹：

表1.2：雙體船特種工作船船型的特點和固有缺點列舉分析

(3)三體船具有雙體船的部分優點如甲板面積大、橫穩心高、橫搖角小，缺點是片體及連接橋尺度小、離水低不抗風浪等。如表1.3分析介紹：

表1.3：三體特種工作船船型的特點和固有缺點列舉分析

(4)小水線面雙體船的優點是具備半潛船型的抗風浪能力，缺點主要有載重量調整範圍小、機電設備布置特殊等等。如表1.4分析介紹：

表1.4：小水線面工作船船型的特點和固有缺點列舉分析

再者，基於已有的經典船舶設計思維，為了能夠使得船舶結構受力、穩性等規範校核計算得到適度簡化，在工程上實用可行，計算結果可信，能夠獲得審圖機構認可保障安全，現有用於科考、工作船的單體船、普通雙體船、三體船、小水線面雙體船等船型，都採用左右對稱布置的設計方案。然而左右對稱布置的多功能特種工作船不管什麼船型(單體船、普通雙體船、三體船、或小水線面雙體船等船型)都存在較多的難以克服的固有缺點(如上分析)，無法真正意義上的滿足海上多功能特種作業的需求。

因此，如何有效的優化傳統科考、工作船的船型，以全面提高其性能滿足海上多功能特種作業的需求，是本領域亟需解決的問題；然而基於傳統的設計思維，傳統的對稱布置船型可供同時優化選項有限、優化範圍小，無法有效實現多方面提升科考、工作船性能的目的，這大大制約了科考、工作船的發展。

技術實現要素：

針對現有科考、工作船所存在的問題，需要一種新的科考、工作船船型。

為此，本發明所要解決的技術問題是提供一種高耐波性多指標優化大型商用不對稱雙體船，該船型相對於傳統船型能夠實現對多個性能指標項目大範圍的同時優化。

為了解決上述技術問題，本發明提供的高耐波性多指標優化大型商用不對稱雙體船包括：主船體(110)，次船體(120)以及連接橋(130)，所述次船體不同於主船體，次船體長度遠小於主船體，並通過連接橋連接於主船體。

在本不對稱雙體船的方案中，所述主船體(110)和次船體(120)浮體長寬比均超過10:1。

在本不對稱雙體船的方案中，所述主船體為全鋼結構船體，甲板下設置多艙室，船首和船尾設有露天甲板；所述主船體、次船體、連接橋、主船體和次船體之間可選配布置輕型格柵甲板以進一步增加作業區域。

在本不對稱雙體船的方案中，所述主船體上可安裝大型設備，在舷邊、主船體和次船體之間或甲板上可掛載多種任務載荷。

在本不對稱雙體船的方案中，所述次船體外形光滑無附體，採用坐灘加強結構。

在本不對稱雙體船的方案中，所述次船體配置電動推進器。

在本不對稱雙體船的方案中，所述次船體採用可調壓載水和幹舷儲備浮力設計，與次船體的尺寸和吃水相配合。次船體的三維尺度遠小於主船體，並根據任務需求優化。

在本不對稱雙體船的方案中，所述不對稱雙體船通過使用次船體的可調壓載水及儲備幹舷提供較大橫向回復力矩。

在本不對稱雙體船的方案中，所述連接橋高出水面5-6米，面向船首端設計為斜坡狀。由此本船型可在波高5.5米的海況下正常航行作業。

在本不對稱雙體船的方案中，所述連接橋分別設置在主船體和次船體長度方向上的中部位置。

在本不對稱雙體船的方案中，所述不對稱雙體船上還布置有直升機起降場，所述直升機起降場布置在連接橋上。

在本不對稱雙體船的方案中，所述主船體和次船體之間搭載長跳板。

在本不對稱雙體船的方案中，所述不對稱雙體船可通過次船體進行無碼頭衝灘。

在本不對稱雙體船的方案中，所述不對稱雙體船在有碼頭設施時可用主船體側按常規方式靠泊，在無碼頭水域可將次船體吃水調至最低並將次船體衝灘，再外翻出搭載在主船體和次船體之間的長跳板實現無碼頭滾裝裝卸。

本方案提供的不對稱雙體船相對於現有的科考、工作船，摒棄對稱布置方案，克服技術偏見創新的採用不對稱雙體船的設置方案，並克服技術難點實現大型化、商用化，對功能、性能的提升十分明顯，主要有耐波性高、中高航速段節能明顯、抗風浪能力大幅提升、適航性人員舒適性好、設備搭載和作業能力強等等。

再者，本方案提供的不對稱雙體船技術先進實用性強，和同類實船相比，投產後可大幅提高增強船舶的實際作業能力、效率、效能；大幅增加實際可出海、作業時間；大幅提高船舶的經濟效益。

再者，本方案能夠有效突破大型化-商用化(能通過審圖用於營業)的門檻，還可拓展應用到其它類別的運輸和作業船型的具體設計方案中。

附圖說明

以下結合附圖和具體實施方式來進一步說明本發明。

圖1為本發明實例中大型商用不對稱雙體船的示意圖；

圖2為本發明實例中主船體的結構示意圖；

圖3為本發明實例中次船體的結構示意圖；

圖4為本發明實例中連接橋的結構示意圖；

圖5為本發明實例中大型商用不對稱雙體船進行衝灘滾裝裝卸示意圖；

圖6為本發明實例中直升機起降場布置示意圖。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。

傳統大型商用船舶都有對稱布置的特點，在大型商用船舶出現的數百年時間後，船舶工程界一直未能具備針對不對稱船型的流體力學性能、結構力學性能等進行工程安全校核的實用工程手段，在不具備實用、有效、可信的流體、結構力學核算手段的情況下，事關旅客、貨物安全的大型船隻在實踐中是不能採用非對稱船型的(不能獲得審圖批准)。長此以往形成了大型民用船舶必須是對稱船型的技術偏見，實際中優先採用對稱布置的船型可以實用、有效地進行結構受力、靜水力穩性計算等規範校核計算，保障客貨運輸安全，獲得符合國際海事組織公約法規、各國船級社規範安全性要求的審批許可，投入建造使用。

在大量研究和實驗的基礎上，本方案克服大型民用船舶必須是對稱船型的技術偏見，創新的提出了可用於客貨運輸、海上作業等具有很強工程實用性的高耐波性多指標優化大型商用不對稱雙體船新船型。

參見圖1，其示出了本方案提供的大型商用不對稱雙體船的主體組成結構。由圖可知，該大型商用不對稱雙體船100包括主船體110、片體(次船體)120以及連接橋130三部分；大小分明的主船體110和次船體120之間平行布置，兩者之間通過連接橋130進行固定連接，從而形成不對稱雙體船。

其中，主船體110和次船體120兩者不相同，且兩者之間大小分明(即次船體120的三維尺寸遠小於主船體110)。大尺寸的主船體承載主要功能。同時主、次船體各自的主尺度比例可根據快速性等功能要求優化。

主、次船體間的連接橋130離水高度和中心距距離可根據抗風浪等級、穩性等要求優化；本方案中連接橋130離水高度優選4-6m，使得本船型可在波高5.5米的海況下正常航行作業。

次船體120用於與主船體110配合，以調整不對稱雙體船的各項性能。次船體120的三維尺度遠小於主船體，並可根據任務需求優化。該次船體120採用可調壓載水和幹舷儲備浮力設計，並與次船體的尺寸和吃水相配合。在具體實現時，本次船體120的空重、壓載水量、幹舷儲備浮力、空吃水及壓載吃水均可按耐波性、抗風浪要求、穩性要求、設備搭載作業、裝卸貨等要求優化。

在此基礎上，在主船體110和次船體120之間搭載長跳板140，該長跳板140用於配合次船體120，實現無碼頭水域滾裝上下。

據此構成的大型商用不對稱雙體船可依據各種功能要求在大範圍內調整和優化多個自變量，在多個性能指標項目上同時獲得最優結果，並避免任一單項性能出現明顯缺限。

據此設計原理，以下具體說明一下本大型商用不對稱雙體船通過調整和優化多個自變量實現同時最優化多個性能指標項目的過程。

1、本方案中，主船體110採用深、窄、瘦長的快速性最優的船型；與之配合的次船體120也採用深、窄、瘦長的外形，同時採用符合穩性最佳要求的最淺吃水、最小尺度；根據需要次片體120也可配小功率電動推進器。由此可實現本大型商用不對稱雙體船的快速性最優化。對此優化項目，具體實現時可通過CFD手段優化主船體快速性，通過NAPA軟體充分校核主次複合船型的穩性滿足要求。

2、本方案中，次船體120由於離主船體110中心線很遠有很長的橫向恢復力臂，具體使用較小的空重、可調水壓載、幹舷浮力儲備即可滿足主船體靜穩性、及起吊設備作業穩性、多種設備搭載穩性的要求。由此實現本大型商用不對稱雙體船的穩性最優化。對此優化項目，具體實現時可使用NAPA軟體充分校核主次複合船型的穩性滿足要求，及橫搖性能參數，海上設備作業穩性要求。

3、本方案中，在確定優化的次船體的空重、水壓載倉容、幹舷浮力儲備等參數的基礎上，進一步結合可調水壓載，以此獲得足夠且遠小於普通雙體船的初穩性，使得橫搖和緩、橫搖角小，人員舒適度高、適航性提高，由此實現本大型商用不對稱雙體船的耐波性、抗風浪適航性的提升。對此優化項目，具體實現時可使用NAPA軟體充分校核主次複合船型的穩性滿足要求，及橫搖性能參數。

4、本方案中，主船體110結構堅固尺度大，次船體120尺度較小傳遞給連接橋的風浪載荷小(避免了大型普通雙體船兩船體之間扭力大的缺點)，連接橋強度指標高，實現船體整體結構堅固。由此實現本大型商用不對稱雙體船的船體結構強度最優化。對此優化項目，具體實現時按規範設計並用結構有限元法校核，獲得接近於單體船的結構強度。

5、本方案中，主船體110堅固，其上可安裝大型起吊設備；在此基礎上結合次船體120使用壓載調節，保證整個不對稱船體的穩定性，可滿足海上重吊作業穩性要求。同理可在舷邊、片體間、甲板上掛載多種任務載荷。由此實現本大型商用不對稱雙體船的船體多功能任務載荷搭載能力強的優點。對此優化項目，具體實現時大型設備牢靠地安裝於主船體，根據作業和穩性要求選定布置位置，同時優化片體的設計滿足重型設備作業穩性要求。

6、本方案中，通過使用次船體120的可調壓載水及儲備幹舷提供較大橫向回復力臂，保證穩性充足，支持起吊等多種海上作業。由此實現本大型商用不對稱雙體船的海上作業能力的優化。對此優化項目，具體實現時保證空載時穩性滿足要求，在海上作業時還可使用壓載水進一步增強穩性。

7、本方案中，主船體110採用高幹舷甲板下多層艙室、甲板上多層上建設計，留出較多露天甲板面可用於科考作業。在此基礎上，片體(即主船體、次船體)及連接橋130、主次片體之間可布置輕型格柵甲板，以此進一步增加作業面積。由此實現本大型商用不對稱雙體船的露天甲板作業面積寬廣。對此優化項目，具體實現時區分載荷大小，按規範要求布置相應強度的甲板結構。

8、本方案中，主船體110設計建造使用同普通單體船，而次船體120和連接橋130無複雜結構，無特殊機電設備。由此實現本大型商用不對稱雙體船造價低廉。對此優化項目，具體實現時可全部使用鋼材建造，使用常規機電設備，整體造價低廉。

9、本方案中，設備布置、日常使用接近普通單體船，整體操控性能十分接近單體船(次船體可選配電動推進器)。由此實現本大型商用不對稱雙體船使用方便，且船員無需特殊培訓。對此優化項目，具體實現時可通過優化次船體尺度和吃水，使得此船體對主船體操控影響最小；同時可通過流體有限元模擬及船模水池試驗驗證。

10、本方案中，該大型商用不對稱雙體船通過主船體與次船體配合，具備無碼頭滾裝卸貨能力，在有碼頭設施時可用主船體側按常規方式靠泊，在無碼頭水域可將次片體吃水調至最低並將次片體衝灘，再外翻出搭載在兩片體間的長跳板，即可在無碼頭水域靠泊上下。跳板加強後可實現無碼頭水域滾裝上下。由此實現本大型商用不對稱雙體船靠泊方便。對此優化項目，具體實現時只需將次船體結構設計堅固，外形光滑無附體，結構按坐灘設計加強。

11、本方案中，該大型商用不對稱雙體船堅固的結構、充足的甲板面積和合適的位置，可滿足直升機起降要求。由此實現本大型商用不對稱雙體船可起降直升機。對此優化項目，具體實現時通過起降區結構適度加強，按相關要求配置觀察通訊、安全護欄等直升機起降附屬設施實現。

12、本方案中，該大型商用不對稱雙體船符合最新的英國勞氏船級社和中國船級社規範，可按照最新的英國勞氏和中國CCS規範，擬定合適、具體的船級符號；同時依據船級符號對應的設計規範章節的要求，即可展開具體設計繪圖，獲得審批，按圖建造後投入運營。由此本大型商用不對稱雙體船的工程化路徑明確，具體實現時結合應用最新的英國勞氏規範的「multi-hull(多體船)」船級和中國CCS規範，可順利完成施工圖設計審批。

由上可知，本方案創新的提出的大型商用不對稱雙體船，其克服了現有船型只能保證單一或幾個指標最優的缺點，能夠使得十個以上大指標的同時達到最優或較優結果(如耐波性高、中高速節能快速性好、穩性充裕、抗風浪適航性好、船體結構堅固、多功能任務載荷搭載能力大、海上作業能力強、露天甲板作業面積寬廣、可起降直升機、可無碼頭滾裝卸貨、造價低廉、無需特殊培訓和特殊碼頭使用方便等等)。這一新船型如能投入實際使用，將使得船舶在造價小幅提升的情況下作業效率、效益得到成倍的提升。

以下通過一具體實例來說明一下本方案。

針對現有的科考-特種作業船一般採用小水線面船，普通雙體船，三體船或單體船等對稱船體的船型，本實例基於上述方案創新的提供了一種綠色節能高耐波性、多功能、多指標最優化-91米特種作業不對稱雙體船。

參見圖1-圖6，本91米特種作業不對稱雙體船100主要包括大小分明的兩個船體—主船體110和次船體120以及連接主、次船體的連接橋130。

該91米特種作業不對稱雙體船100中，主船體110、次船體120浮體長寬比均超過10:1，相比較普通工作船一般5:1左右，其水下部分具有長、深、窄的特點，適合中高速航行。該船型在中、高速航行時興波阻力將大幅降低，快速性達到最優化，和同等長度工作船相比在中、高速航行時節能效果明顯。

參見圖2，本不對稱雙體船100中的主船體110採用高幹舷甲板下多層艙室、甲板上多層上建設計，主船體的主甲板型深高達9米(耐波性大幅提高)，留出更多露天甲板面用於科考作業。船首有34米長度露天甲板111，船尾有24.6米長度露天甲板112，作業區長度遠超普通單體科考船。片體及連接橋、主次片體之間布置輕型格柵甲板還可繼續大量增加作業面積。

由此構成的主船體110其露天甲板作業面積寬廣，整體結構堅固，可在船首或船尾的露天甲板111、露天甲板112上安裝大型起吊設備113，並結合次船體120使用壓載調節，可滿足海上重吊作業穩性要求；同理可在舷邊、片體間、甲板上掛載多種任務載荷如儀器貨櫃、工作艇。由此保證本不對稱雙體船100具有很強的多功能任務載荷搭載能力。

參見圖1和圖3，本不對稱雙體船100中的次船體120通過連接橋130連接於主船體110，具體為次船體120的中部通過連接橋130連接於主船體110的中部，其離主船體中心線較遠有很長的力臂。在此基礎上，該次船體120內部設置相應的壓載艙121，並使用較小尺度、吃水，配合動態壓載水、幹舷浮力儲備的調節，由此滿足主船體大傾角穩性、起吊設備作業穩性、多種設備搭載穩性的要求。該次船體120具體實現時，其壓載艙具備3000噸.米的橫向力矩調整能力，穩性充裕、可根據載重和功能要求在大範圍內調整、獲得優化值。

基於次船體120的壓載艙121所具備的3000噸.米的橫向力矩調整能力，通過優化調整與主船體110，可滿足超重型重吊海上作業配重要求，從而使得本不對稱雙體船100的海上作業能力強，穩性大範圍可控，可進行多種海上作業。

另外，根據需要該次船體120也可配小功率電動推進器122。

在此基礎上，該雙體船可進一步通過優化次船體120的尺度、吃水，配合動態壓載水、幹舷浮力儲備的調節，可獲得充裕且遠小於普通雙體船的初穩性，使得橫搖和緩，提高人員舒適度、適航性；同時可實現不對稱雙體船的無碼頭衝灘。

作為舉例，本實例中次船體最小吃水只有1.5米(還可進一步優化)，其吃水明顯小於主船體，這樣方便無碼頭衝灘，而且使得次船體的阻力會更小。由於次船體吃水小、長度小且位於主船體的中部，這樣基本不影響主船體的操縱性，使得整船體各種操縱駕駛特性非常接近常規單體船。

進一步的，次船體120和主船體110之間的連接橋130採用高位設置。該連接橋130高出水面達到5.5米，結構堅固尺度小，具體位置在船中。由此設置的連接橋130和一般雙體結構連接橋相比抗大浪能力成倍提高。

另外，該連接橋130在面向船首的一側採用斜坡設置131(參見圖4)，以進一步提高抗大風浪的性能，降低風浪對連接橋130破壞力。

據此設置的連接橋130配合主甲板型深高達9米的主船體110，可使本不對稱雙體船能夠獲得極高的耐波性，與同尺度單體科考船相比，其耐波性能提高兩個海況等級，提升效果非常的明顯，從而使得本不對稱雙體船100的適航性和航行中抗大風浪明顯好於單體船。再者，根據上述方案構成的不對稱雙體船100，其中的主船體110其結構強度高，而次船體尺度小、吃水淺，由此作用於連接橋130的載荷非常小，避免了兩個大片體對連接橋產生大扭轉載荷的問題，從而保證整體結構堅固。

上述不對稱雙體船100的基礎上，本實例主船體110和次船體120之間搭載長跳板140，該長跳板140用於配合次船體120，實現無碼頭水域滾裝上下。

由此構成的不對稱雙體船100整體操控性能十分接近單體船，使用方便，設備布置、船舶操控接近普通船，靠泊可使用主船體一側常規靠泊。

參見圖5，本不對稱雙體船100能在有碼頭設施時可用主船體110側按普通方式靠泊，在無碼頭設施岸邊衝灘滾裝裝卸。在無碼頭水域可將次片體120吃水調至最低並將次片體120衝灘(如上述的1.5m)，再外翻出搭載在兩片體間的長跳板140，即可在無碼頭水域靠泊。該跳板140加強後可實現無碼頭水域滾裝上下。

上述不對稱雙體船100的基礎上，本實例還進一步布置直升機起降場150。由於本不對稱雙體船100的可用空間大，直升機起降場布置方便。

如圖6所示，該直升機起降場150優選布置在連接橋130上，其尺度優選為27米*17米，三向無遮擋的良好直升機起降設施，可滿足3噸級直升機起降作業。

本實例提供的不對稱雙體船100，其在具體實現時，主船體110設計建造、機電設備選型布置同普通單體船。次片體120和連接橋130無複雜結構和設備，使用鋼材建造。整個的造價低廉，總排水量適度。

同時，使用英國勞氏規範的「Multi(multi-hull多體船)」船級符號，指導不對稱雙體船體結構設計。並按英國勞氏和中國CCS規範，擬定了機電等船級符號。依據船級符號對應的設計規範章節的要求，即可展開具體設計繪圖，順利完成施工圖設計審批，按圖建造後投入運營。整個工程化路徑明確，工程實用性強。

由上可知，本實例提供的91米特種作業不對稱雙體船100和普通91左右船長的單體科考船相比，本船型對功能、性能的提升十分明顯，特別是中高航速段節能明顯、抗風浪能力大幅提升、適航性人員舒適性好、設備搭載和作業能力強等等；其中耐波性和同尺度單體科考船相比能夠提高兩個海況等級，提升效果超出預期，達到意想不到的效果。

再者本船型技術先進實用性強，和同類實船相比，投產後可大幅提高增強船舶的實際作業能力、效率、效能；大幅增加實際可出海、作業時間；大幅提高船舶的經濟效益。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。