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1、高 技 术 船 舶 科 研 项 目立 项 建 议 书项目名称：精品船舶共性设计技术研究项目类别：船型开发科研项目申报单位：大连理工大学（船舶制造国家工程研究中心） 大连船舶重工集团有限公司研制周期：2009年9月-2012年12月编制日期：2009年9月13日 工业和信息化部目 录1.研究目的及国内外技术发展现状01.1 项目背景01.2 研究目的01.3 国内外发展现状01.4 必要性分析02.研究目标及主要研究内容22.1 研究目标22.2 主要研究内容23初步研究方案、关键技术及解决途径03.1 初步研究方案03.2 关键技术及解决途径34.主要技术指标、研究成果及应用方向74.1 主要
2、技术指标74.2 研究成果及成果形式85.项目的知识产权可行性分析报告106.技术基础、配套条件及措施分析116.1 已有技术基础116.2 软硬件条件136.3 研究队伍216.4 分工与协作227.研究周期及初步的实施计划安排238.总经费测算248.1 总经费及其构成248.2 经费测算248.3 研究内容经费分解258.4 承担单位经费分解279.风险及应用前最分析2810 附件29- 29 -1.研究目的及国内外技术发展现状1.1 项目背景说明开展项目研究的背景情况，包括需求情况、急需解决的主要问题、同类项目的研究状况等。1.2 研究目的总体阐述开展项目研究的目的、意义、对国内外相关
3、技术领域的影响等。1.3 国内外发展现状1.3.1国外发展现状分析国外相关技术领域的.慈体发展水平、发展趋势，列出国外相关技术的研究单位及现有水平，技术优势等。1.3.2国内发展现状分析国内相关技术领域的总体发展水平、发展趋势，列出国内相关技木的研究单位及现有水平、技术优势。1.4 必要性分析2.研究目标及主要研究内容2.1 研究目标基于我国在三大主流船型领域已有的技术能力，对比国际先进水平主流船型的参数和技术经济指标，针对最新生效、即将生效和正在制定的国际新公约、新规范、新标准等方面的要求，提出能够满足工程实践要求和指导精品船舶开发设计的相关方法、技术路线、技术指标和参数，形成指导性文件，以
4、推动和支撑精品船型的开发设计。2.2 主要研究内容2.2.1 船舶全寿命周期内安全和环保技术指标研究根据IMO GBS的要求，对船舶全寿命周期内的安全和环保技术指标展开研究，主要包括船舶结构总体强度、特殊局部结构强度、结构疲劳寿命、结构冗余度和考虑工艺过程产生有害残余应力的船体结构安全评估和优化设计方法等内容，具体如下：（1）在海洋环境条件和作用于船体的环境外载荷分析的基础上，对船舶结构总体强度进行计算和分析，提出船舶结构总体强度技术指标。（2）确定船体结构关键节点，参照总体强度计算和分析方法，对关键节点结构局部强度、局部屈曲强度计算的载荷条件和边界条件进行分析，提出船舶特殊局部结构强度技术指
5、标。（3）根据关键节点局部结构应力分布状态分析结果，采用热点应力进行疲劳分析，提出结构疲劳寿命技术指标。（4）研究结构在多种损伤状态下的极限承载力，提出船体结构冗余度计算分析方法和技术指标。（5）在船舶制造的各个工艺环节，结构的各个部件在各种加工载荷的作用下，会产生复杂的弹性变形和塑性变形，会在部件中留下残余变形和应力，当这种残余应力达到一定数值时，往往会对结构的安全性能造成不利的影响，这也是导致船舶在使用过程中发生结构破坏事故的原因之一。因此，在对船体结构安全性计算分析中有必要引入工艺过程产生有害残余应力的影响，分析船体建造工艺环节中各种制造载荷产生的有害残余应力发生在船体及其构件中的力学行
6、为，在考虑有害残余应力的基础上对船体结构安全性能评估方法和船体结构优化设计方法展开研究。2.2.2 精品船舶耐波性指标研究和预报软件开发根据风浪中船舶发生摇摆甚至倾覆的机理，考虑船舶自身参数，对斜浪中船舶在参数激励和强迫激励联合作用下的非线性运动展开研究，通过对其动力特性与倾覆机理的分析，给出波浪中船舶耦合运动问题的数学建模方法，揭示在不同航行参数和波浪参数情况下，船舶运动的规律和特征给出避免船舶在风浪中发生大幅横摇甚至倾覆的相关准则，并编制出可以预报不同类型船舶在不同风浪等级下的运动响应的程序。本子课题包括以下主要内容：（1）船舶非线性摇荡运动建模方法研究:考虑横摇阻尼、回复力矩的非线性以及
7、船舶运动的耦合效应，分析引发横摇回复力矩系数变化的原因，考虑操纵性和耐波性，建立船舶耦合运动方程。（2）船舶横摇稳性变化研究:通过数值求解上述多自由度耦合运动方程和模型试验研究，分析船舶在斜浪中航行时，波浪形状、船波相对位置、船舶航速和航向以及船舶耦合运动对船舶横摇回复力矩和波浪扰动力矩的影响。（3）船舶在参数激励和强迫激励联合作用下的横摇运动研究:根据非线性耦合运动方程，采用非线性动力学理论，开展参数激励和强迫激励联合作用下的横摇运动稳定性分析。以航速、航向、规则波浪要素为参数确定横摇运动的稳定区域、倾覆区域。（4）船舶摇荡运动的水池模型试验研究:选择多组航向、航速和波浪环境进行摇荡运动水池
8、模型试验研究，观测并分析船舶参数、航向、航速和波浪参数对船模摇荡运动的影响，将模型试验结果与计算结果进行比较。2.2.3减少压载水量的船型优化设计方法研究以现有的典型油船为对象，在保证相同载重量的前提下开发减少压载水量且能安全航行的船型，该船型要综合考虑环保，安全和经济性，具有良好的航性性能，且满足工程实践要求。通过对系列船型的理论计算和模型试验研究，提出减少压载水量的船型优化设计方法，为环保型船型设计提供技术支撑。本子课题包括以下主要内容：（1）减少压载水量的船型方案研究:在现有典型船型的基础上，系列变化船型参数及横剖面形状，研究不同船型方案（包括船体线型）和所需要携带压载水量之间的关系和规
9、律，从而探讨能保证安全航行且减少压载水携带量的若干可行船型方案-以下简称“减少压载水量船型”。（2）减少压载水量船型的快速性分析:减少压载水量船型为了适应从空载时小排水量到满载时大排水量的变化，首部船底形状成V型，船宽和常规的船型相比有加宽的趋势，这对稳性和经济性有利，但对快速性不利，需要分析对各种阻力成分的影响，采用精细优化船体线型的办法最大限度控制阻力增加。通过理论计算和模型试验的方法评估减少压载水量船型的快速性。（3）减少压载水量船型的首部抨击研究:由于减少压载水量船型压载航行状态的首部吃水比常规船型小，首部抨击的可能性加大，恶劣天气时可能破坏首部结构。所以需要开发首部抨击载荷计算程序，
10、对可行的减少压载水量船型的首部抨击进行计算分析，并通过模型试验，选择首部抨击较小的船型方案。（4）螺旋桨最小浸深模型试验研究:减少压载水量船型的尾部吃水变小，给螺旋桨和主机带来不利的影响，为了确定螺旋桨最小浸深，需要进行系列模型试验。（5）减少压载水量船型的分舱及稳性研究:为保证减少压载水量船型能安全航行，在分舱布置设计时，需要综合考虑船舶浮性、稳性及结构强度。开发舱室快速定义程序，以适应对各种分舱方案完整稳性及破损稳性影响的大量计算，分析减少压载水量船型和常规船型相比稳性变化的规律。（6）减少压载水量船型的结构强度分析:按最新国际规范，对减少压载水量船型进行结构初步设计，校核总纵强度及局部强
11、度。通过结构有限元前处理技术，实现参数化结构模型至结构有限元模型的转换，并调用有限元计算软件完成有限元求解，分析结构强度是否满足设计要求。2.2.4 船舶节能减排技术研究2.2.5 精品船型关键设计技术参数指标范围研究通过对现有三大主流优秀船型指标数据的搜集、整理、分析，针对不同船型建立一套完整的、科学的、可操作性强的精品船型评价指标体系，提出精品船型在船体用钢量、日燃油消耗量、设计与服务航速、主副机功率等方面等关键设计参数的指标范围。该子课题包括以下主要内容：（1）分别对三大船型的数据资料进行分析、整理，同时对其不同的作业功能和船型特点进行分析，针对不同船型建立一套完整的、科学的、可操作性强
12、的精品船型评价指标体系。该评价指标体系涉及到技术、经济和社会效益等因素，这就要求我们统筹兼顾，对船型方案的技术效益、经济效益和社会效益进行综合分析和论证，这是该部分研究内容的重点也是难点。根据这套评价指标体系对不同船型进行综合技术经济分析和论证，以推动和支撑精品船型的开发设计，提高船舶的总体社会经济效益。（2）在前面研究的基础上，通过对现有三大主流优秀船型指标数据的搜集、整理、分析，提出精品船型在船体用钢量、日燃油消耗量、设计与服务航速、主副机功率等方面等关键设计参数的指标范围。该指标范围的确定需要搜集大量的现有的优秀船型的数据资料，通过对资料的统计分析，确定该指标范围，这是该部分研究内容的难
13、点所在。2.2.6 船舶营运经济性评估方法和指标体系研究影响船舶内部收益率的因素错综复杂，既有技术指标引起经济指标的变化，也有国内金融市场的政策、国际金融市场的稳定等因素的影响，既有设计阶段就决定了的经济参数，也有建造阶段决定了的经济参数，因此建立全方位的多层次的立体内部收益率的评估指标与评估方法，是帮助我国精品船型提高经济性指标，获得更多船东青睐的重要途径。该子课题包括以下主要内容：（1）研究国际新公约、新规范、新规则等对各精品船型的要求与目标，提出与内部收益率相关联的设计参数与建造参数。（2）在充分比较国内外相应船型的主尺度及技术经济指标的基础上，分析其差别；建立内部收益率的评估指标。（3
14、）根据三大主流船型（散货船、油船、集装箱船）的特点，提出不同船型内部收益率的评估指标集；根据评估指标集的不同属性，建立与之相适应的不同船型内部收益率的评估方法。2.2.7 船舶振动与噪声控制方法和技术指标体系研究船舶作为一种交通工具，装备强大的各种动力系统，不管是船员、乘客或其他人，无法躲避或脱离船舶动力系统产生振动和噪声的干扰，影响舒适性，振动和噪声环境还会影响设备及结构的安全，所以研究船舶振动和噪声并加以控制就成为一个不可回避有很大难度的交叉研究课题。本子课题针对船舶设计开发过程的不同阶段，根据国际标准研究振动和噪声控制技术指标，并研究相应的振动和噪声预报方法，具体包括：（1）船舶振动的激
15、励特性和结构特性的预报分析，建立分析方法，研究确定相关参数的和评估预报精度。（2）研究船舶方案设计阶段合理的船体线型、推进主机与螺旋桨的动力配合；技术设计阶段通过对结构的动力分析，研究调整结构避免设计结构引起较大的有害振动的方法。（3）通过对船舶噪声源特性及传播途径进行分析，以IMO或ISO衡准为控制目标，研究影响噪声传播的总体布置设计方法，采用适当的结构及舾装材料，达到最有效的隔声效果。3初步研究方案、关键技术及解决途径3.1 初步研究方案3.1.1船舶全寿命周期内安全和环保技术指标研究（1）船舶结构的总体强度计算分析建立船体结构有限元模型。确定海洋环境条件：确定海洋环境条件，主要包括最大波高、波浪周期范围或平均波浪周期、表面流速以及风速等参数，考虑波浪载荷非线性。形成总体强度分析的外载荷：从水动力性能及运动性能预报分析结果中提取海洋环境作用于结构的环境载荷，进一步分析确定进行总体强度计算分析的外载荷。船舶结构总体强度计算：分别计算在最大总纵弯曲状态、最大扭转力矩状态和最大横向波浪力状态下结构总体强度。（2）特殊局部结构强度分析确定关键节点：参照结构总体强度计算分析的结果，确定进行结构局部强度计算分析、屈服强度计算分析的关键节点。针对关键节点进行初
