第八章 計算機輔助船舶總體設計

8.1 總體設計概述

總體設計主要解決的船舶的性能以及其與目標功能的實現，此階段的設計除確定船舶的主要特征參數外，還需要對目標船舶的適航性、經濟性、安全性、環保等各個方面進行校核，并盡可能的優化參數的配置，以達到更好的運營效果。

總體設計需要根據需求和限制條件，確定船舶的主尺度、船體線型及不同工況和航速下的阻力、動力（類型和功率）、船體形式、艙室布置、動力裝置的布置、貨艙和液艙的劃分、干舷及噸位，以及主要結構形式等。

總體設計需要保證目標船舶達到要求的航速、續航力、載貨容積、載重量（或其它特定的功能用途）。還需要核算、校驗裝載（或施工條件）中可能用到的各種工況，以及每一個工況所對應的船舶浮態、穩性、總縱強度、螺旋槳浸沒、駕駛視線等是否滿足相關衡準的要求。

總體設計時，需要特別注意船舶的各參數的變化和約束，除來自于使用過程中的約束外，適用規范、標準也對船舶參數有限制性的要求。以“500總噸”這一參數為例，大于500總噸和小于500總噸的船舶，在防污染、對船員要求、通訊和自動化系統等各方面的要求，幾乎完全不同。

8.2 總體設計的一般步驟

新造船舶的

首先，船舶需求方（船東）提供所需船舶的要求，并對船舶的主要參數進行限制或給出一定的范圍。比如船東需要造一艘50000噸的散貨船，船東給出以下要求：由于需要通過巴拿馬運河，所以船長不能超過274.32米，型寬不能超過32.3米；無限航區；且需要滿足一級冰區加強的要求。當然，實際設計時，船東可能提出更多的其它要求。總體設計步驟可歸納為如下：

根據船東給出的需求及參數、限制，在已有的船型數據庫中，找到相似的船舶作為母型船。如設計者沒有足夠的船型數據庫，或者需求的船舶較為特別，則需要進行全新的設計，由設計者創造合適的“母型船”原型。

在母型船的參數基礎上，結合需求數據，先是對船舶的主尺度進行調整，如船長（垂線間長）、型寬、型深、吃水等數據，結合船舶的方型系數，核算出滿足需求的船舶排水量。核算的過程中，可能需要反復的對垂線間長、型寬、吃水、方型系數等進行調整，以滿足船東對船舶需求，又能夠使長寬比、寬深比、肥大系數（方型系數）等符合穩性、快速性等要求。

在確定了以上初步參數后，即可以著手進行船體型線的設計。船舶除平行中體外，由不規則的三維曲面構成，從船艏到船艉，大致可以歸納為尖艏、肥舯、方艉。型線設計的過程中，在目標方形系數的范圍內，使船體外殼盡可能光順、協調。在型線的設計過程中，可以利用總體性能軟件的型線光順模塊或其他相應軟件檢查船型表面的光順情況，針對型線可使用曲率半徑、梯形分布等方法，實時查看線型的光順度；而對于曲面，則可以使用表面曲率、高斯曲率和曲面光譜等方法，進行實時的校驗和調整。

光順后的船型表面可直接輸入總體性能軟件的相關模塊（其他CFD軟件），以計算船舶的阻力。通過軟件的模擬，得到船舶在靜水、波浪條件下，不同浮態、不同航速下的阻力曲線。通過相關數值和曲線的分析，并結合主機、軸的輸出功率、效率，找到最佳的能效數值，得到最佳推進功率。

以推進功率為基礎，結合相關廠商的標準，通過計算螺旋槳效率、主軸傳動效率以及主機的輸出功率等數據，進而確定主機、軸、艉密封、螺旋槳等的參數，以及軸連接、軸承、艉密封等主要附件的規格。

在完成船體線型的設計并光順完成后，可以進一步完成后續的設計工作：

? 計算并輸出船舶的靜水力曲線、靜水力數據表、邦戎曲線等。

? 根據規范要求，確定主要的船舶的主要分隔艙壁和區域，如艏防撞艙壁的位置通常決定了艏樓的位置和艏尖艙、錨鏈艙的位置、位于艏防撞艙壁和機艙前壁的區域通常為貨艙區域（艉樓型船舶）、機艙后壁即為艉防撞艙壁、位于艉防撞艙壁后的是舵機艙、艉尖艙等。

? 按照需要的船體位置，可以剖切出船體的縱剖面、水線和橫剖面，從而得到不同位置的空間形狀和大小，從而可以進行總體布置，即對機器設備、艙室等，按照功能、規范要求等，將不同的艙室、設備擺放到適當的位置。

? 在確定了總體布置的基礎上，進一步對貨艙、液艙、隔離空艙等進行劃分，此時除需要對艙室的艙容要求外，還需要考慮不同艙室的功能以及相關的規范要求，如防撞要求、防污染要求等，有效劃分不同功能的艙室并布置合適的隔離空艙、儲備浮力艙等。

? 完成艙室的劃分后，根據軟件生成的模型，可以較為容易的得到各個艙室的艙容曲線和全船的艙容數據，相應的計算出各液艙在不同液面高度時的自由液面數據，為進一步進行穩性等核算提供基礎數據。

在完成總體布置和艙室劃分后，即可以對船舶的總縱強度要求進行核算，在總縱強度數據的基礎上，結構專業可以設計出船舶的基本結構和典型結構形式，進而輸出船體的結構重量分布。總體設計師在根據其它專業的設備、舾裝件等預估數據，繪制出船舶的重量分布曲線，并計算船舶的重量重心。

這時可以將所有數據輸入總體設計和性能校核軟件，得到較為完善的船舶模型。通過靜水力，輸入的載重量（含貨物、人員、補給等）、環境載荷等參數，對不同的工況進行核算，分析不同工況下，船舶的完整穩性、破艙穩性以及其它需要計算和校驗的參數（如干舷、載重線、總噸、凈噸等）、衡準（如船舶駕駛視線、橫穩性、縱穩性等），匯總并輸出船舶的初步穩性手冊、裝載（施工）手冊等。

至此，完成總體設計的一整套流程，即得到初步的船舶模型。

8.3 總體設計的特性和計算機輔助的必要性

船舶的總體設計，輸入條件和參數復雜繁多，簡單的列舉如下：

? 船舶主尺度的限制和要求：船東的對船舶主尺度的偏好和選擇、船舶所屬港口以及其將要停靠的港口、航道的水深、需要通過的橋高等對船舶的主尺度的要求，這些要求使得在設計時，船長、型寬、型深、吃水、船舶總高等，有無數種可能的組合；

? 裝載貨物類型及質地的區別：雖然不同的類型的船舶相對來說貨物是固定的，比如集裝箱船主要裝載集裝箱或少量甲板貨物，散貨船主要運輸谷物、煤碳等固體物質，油船主要運輸原油或成品油等。但即使是同一類型的船舶，其貨物形式也不盡相同，如集裝箱船裝載的可能是標準集裝箱，也有可能是超大、超長或超重的非標準集裝箱；散貨船裝載的貨物的比重、流動性等也不盡相同。裝載的貨物類型及物質種類的不同，決定了總體設計時，需要考慮的裝載工況、校核數據輸入多且復雜。

? 環境載荷的變化因素，根據船舶的航區的不同，可能是經過淡水環境，也可通是在海水中航行，而風和浪的等級更是時刻變化的，是否經過冰區及冰的厚度（冰區等級）也需要相應的考慮；另外，水面以下礁石的分布導致了船舶經受撞擊的概率不同，河床、海床的高度分布會對擱淺的概率造成影響，等等。而總體設計需要考慮到各種可能性，并核算相應環境下船舶的適航性、穩性、總縱強度等。

除了繁雜的輸入條件，在進行總體設計時，需要校核的參數、衡準、要求等也是多且復雜的，下面進行簡單的列舉：

? 靜水力和艙容數據：需要列出船舶在不同浮態下，吃水或液位變化對應的各種數據。而由于船體形狀的不規則（同時也決定了與外板相連的艙室是不規則的），使得液位幾乎在任意不同位置，對應的靜水力數據和艙容數據的值都不一樣。而靜水力數據的組成又包括排水量、方形系數、菱形系數、濕表面積、水線面積、浮心位置、漂心位置、橫穩性高、縱穩性高、慣性矩、每厘米吃水對應的排水量等等；艙容數據需要包括不同液面位置時的艙容、重心位置、慣性短、自由液面矩等。除了船舶的水平狀態外，還需要計算在不同的縱傾、橫傾狀態下，每個液面位置的所有數據。實際設計中，為節約時間和紙張等原因，在不影響整體效果的前提下，靜穩性、艙容數據在輸出時均會盡可能的進行簡化，即使如此，靜水力數值和艙容數值也需要消耗上百頁甚至數百頁紙張，數據量非常巨大。

? 各種衡準的校核和要求的滿足：上文已提到，對于船舶處于不同工況、不同環境參數下的狀態，需要對船舶的完整穩性、破艙穩性以及其它必要參數（如干舷、載重線、總噸、凈噸等）、衡準（如船舶駕駛視線、橫穩性、縱穩性等）進行計算和校驗。對于一組輸入條件，計算和校核并不復雜，計算量也不大。但船舶在營運、航行過程中所遇到的情況是千變萬化的，這就決定了總體設計不可能只面對一組或幾數參數的輸入，而是數千數萬種輸入條件的組合，在實際的船舶設計時，一些裝載工況復雜或特殊功能的船舶，需要計算分析和校核的工況，可能超過1000種，比如運載大型平臺的半潛船、平臺供應船等。由此可見，船舶總體設計的計算量和校驗量，面對的是十分龐大的數據處理工作。

以上列舉了船舶總體設計時，輸入、輸出工作的巨大計算量、數據量，對于確定的船型和已固化的參數來說，尚且可以通過手工計算的方式完成。然而，實際設計工作中，新造船可能并無母型船，參數的選擇也可能需要經過反復計算后，方可確定是否可用、可靠。

對于船舶總體設計來說，可謂牽一發而動全身，任何一個參數的變化，會導致所有輸出數據變得不再可用、校核過的衡準需要推倒重來，所有演算必須重新進行。更何況，在未確定船型之前，任何一個參數都可能發生變化，任何一個參數都可能有優化的潛力，只有經過不斷的優化、調整、迭代、趨近，方可得到相對滿意的結果。盡管如此，也幾乎永遠不可能得到絕對完美的船型。

在不考慮計算機算法、軟件性能的前提下，僅就計算量、數據量本身而言，在船舶的現代化的設計過程中，計算機輔助總體設計已是必須的選擇。而優秀的計算機硬件、軟件對船舶總體設計的結果，也起到促進作用，每多一次的演算，每多一個參數組合的試驗，都將可能使結果更趨完美。而強大的計算機系統能更快速的進行計算和輸出，使設計周期縮減，無論對設計人工成本、船舶的建造總成本，都大有裨益。

8.4 船舶總體設計過程中用到的計算機輔助設計方法和工具

在船舶總體設計的不同技術方向，或不同的設計過程中，用到的計算輔助方法和工具不盡相同。不同的方法或工具，都有著特定的功能和優秀表現。本節詳細闡述在船舶設計過程中可以用到的計算機輔助設計方法和工具。

船體線型設計

船體外殼從一定程度上看，是非常不規則的三維曲面，但結合船舶本身的參數，通過型線設計工具，則可以發現從任一剖面看，都是平滑變化的光順曲線。船體線形的設計時，設計者需要對船舶的方型系數有較強的概念和三維想象力，對目標船舶的邦戎曲線有一定的預規劃，先設計出站線。

在早期沒有計算輔助時，設計師通常先按照按照高度值、半寬值，按一定的比例換算后，在紙上標示出各站的一系列點，再用曲線板將這些點，以光順的曲線連進來形成站線。手工設計時，一旦設計出來的站線不能夠滿足要求，則此站線需要重新繪制；在引入計算機輔助設計后，站線的設計變得簡單，只需要將某個站位上的高度值和半寬值輸入，計算機可以自動用樣條曲線連接這些點，構成光順的曲線，而且直接得出該站線的邦戎曲線。以同樣的方式，設計全船的所有站線，則得到全船的邦戎曲線。如果某個站位不理想，可以隨時對該站的曲線、甚至是曲線上的某個點進行調整，以優化該線、該點對整個船舶的作用。

在完成站線的設計后，船體的外形即已成形。但僅有站線，并不能得到完善的船體外殼（模型），站線只代表特定的縱向位置的船體橫剖面形狀，無法構成面（三維曲面）。這時，需要繪制如甲板邊線、折角線、切線等控制線，以使船體外殼形成一個封閉的曲面域——通過計算機的輔助設計功能，通常較為容易從船體站線及相關的參數，得到這些控制線。

基于船體站線、控制線得到的三維封閉曲面后，需要更進一步對船體外殼的線型進行光順，這個時候計算的輔助功能更彰顯其先進性：要使整個船體的外殼光順、協調，需要不斷增加站與站之間的橫剖面線，并通過縱剖線、水線、斜切線等對所增加的橫剖面線進行光順度檢查，隨時增刪或調整線與線的交點，使船體曲面從各方向進行剖切都能得到平順的曲線，而不會產生凸起或凹陷。

計算機輔助船體線型設計，除設計師本身的技術和經驗儲備外，還需要計算具備較強的圖形處理能力，并為設計師提供線形光順時的各種校驗參考方法，如不同方向上的曲率線、梯形分布等，便于設計師對較小的線形突兀都能輕易識別。而在生成曲面的過程，計算的圖形功能更能夠幫助到設計師對面、線、點的調整。就目前情況來說，凡是具備船體線型設計的軟件系統，均對設計師提供非常強大的支持功能；除支持功能外，能從很大程度上免去設計師調整的工作，最大限度節約設計師的時間，更免除手工工作過程中可能發生的忽略、疏漏等差錯。

在完成船殼的線型設計和光順，得到船殼曲面后，計算機軟件能夠全自動或通過少量的人工干預，生成并輸出相關的圖型、數據，如型線圖、肋骨線型圖、邦戎曲線圖、靜水力表等，有了計算機的輔助，大量的工作得已自動完成，大大減輕設計人員的工作量，同時，計算機輔助設計的程序化處理，能夠完全避免人們手動工作時主動或被動的差錯。

船舶的推進、阻力、快速性

由于船體曲面的復雜性，同時水具有的粘性、流動性等特點，船舶的阻力是很難計算的。人們為了在船舶建造前，得到較為有效的阻力和推進功率數據，通常是做水池試驗，即按一定的比例制造船舶的外殼木制模型，對表面進行處理后，通過拖曳裝置在模擬水池中進行試驗。通過調整船舶模型在水中的姿態、速度，取得拖曳力的數據，再按照比例計算出實船的阻力，進而得到一系列的船舶阻力曲線，綜合分析后，得到船舶航行所需要的推進功率。

船舶水池拖曳試驗一般耗時較長，因為首先需要按照船舶線型進行木制模型的制造，并對模型表面進行一系列的處理，以確保模型和實船盡可能接近。在木制模型準備好后，還需要按照不同的吃水深度、不同的傾斜狀態，一遍一遍地進行拖曳試驗，以使試驗數據盡可能的豐富，試驗報告盡可能反應實船航行的狀態。一般情況下，船舶的水池拖曳試驗，所需時長短則數周，長則數月，期間需要消耗大量的人工工時、物料以及能源，成本較高。

隨著計算硬件技術的提高，軟件模擬技術也取得了突破性的進展，同時，人們所積累的經驗數據、計算方法也不斷的得到充實，目前已能夠對大部分船舶進行模擬和分析計算。由于流體的復雜性，船舶姿態的多樣性等，船舶的阻力和推進模擬，通常需要產生大量的數據，特別是過程中的數據，因此，進行相關的計算不僅需要軟件的精妙設計，同時需要計算機硬件具備大容量存儲、大數據吞吐等能力。但無論如何，相對于水池試驗，用計算機進行計算不僅節約船舶模型的制造材料，大量人工，更使試驗的周期大為縮短——效率往往意味著效益。

當然，就當前情況下，計算模擬還不能完全取代船舶水池試驗，特別是新概念的船型，特殊的船體形狀等，人們尚沒有足夠的經驗數據積累，并且，人們對于流體的掌握程度，還遠未達到完善。因此，對于普通船型、常規的航速、傳統推進方式，均可以通過計算模擬得到相關數據；但對于新型船舶、超高航速、創新的推進方法，以及服務于研究項目的試驗等等，還是需要依托船舶模型的水池拖曳試驗。

分艙調整和艙容數據優化

總體設計時，艙室的劃分是非常細致的工作，原因是船舶所需要的艙室種類很多，且規范、法規出于安全、環保等原因，對各種艙室均有相應的嚴格要求。一般的船舶，除大型貨艙和居住艙室、工作艙室外，還有諸如燃油儲存艙、滑油儲存艙、燃油沉淀艙、燃油日用艙、滑油循環艙、淡水艙、壓載水艙、隔離空艙、海水沉淀船、浮力儲備艙等等艙室。

船舶的每種艙室都有不同的功能和特定用途，對布置位置、大小均有相應的要求。以燃油儲存艙為例，其艙容大小，既跟主機功率有關，也是續航力的保證，從這個角度上看，燃油艙越大越好，但船上空間畢竟有限，而且裝載的燃油越多，船舶能裝載的貨物就越少，因此，需要選擇合適的燃油艙大小；在布置方面，首先要考慮離主機較近，因為越近所需要的輸送管路越少，越容易布置，而出于環境保護的考慮，國際海事組織要求大于30立方米的燃油艙必須有雙殼保護，且對于不同噸位的船舶，對雙殼的距離都規定嚴格的要求；另外，還需要考慮燃油艙不得與水艙共用艙壁——這個很好理解，如果燃油滲透污染了船上的淡水，則船員的生命安全將受到極大的威脅。

再以船員生活艙室為例，需要從人員的舒適性、安全性出發，首先船員生活在船上，居住艙室必須得到一定的保證，不能讓船員蜷縮在狹小的空間里。而如果層高過小，船員會非常壓抑，長時間的海上航行，會對船員的身體、心理造成損害。為避免類似的情況發生，國際海事勞工公約（MLC）對不同船舶的船員臥室面積、層高等作出了明確要求。如小于3000總噸的一般用途船舶，最多允許2人共用一個居住艙室，且面積不得小于7平方米，凈層高不得低于203cm，等等。

綜上所述，局限于船舶的有限空間，且必須兼顧各種用途，更要使船舶的效能最大化，艙室的劃分和布置，并不是一件簡單的工作。更進一步，對于船上的液艙，我們上面已經談到過，還需要考慮艙容曲線、自由液面矩等等，會對船舶的穩性產生直接影響，如不謹慎考慮，有可能導致前期的所有設計工作歸于失敗。在沒有計算機的時代，設計師們只能通過反復的繪制、計算、修改各種艙室，可以想像是多么費工費時的一件事情。

當計算機輔助設計引入后，艙室的劃分和布置，就顯得簡單起來。比如液艙的艙容和自由液面矩，在確定了該艙室的邊界后，計算機能即時的給出艙容曲線以及不同液面位置的自由液面矩數據，甚至可以直接跳到最后，核對對船舶最終穩性的影響，這在手工設計時是不可以想象的。隨著計算機技術的發展，硬件條件已足夠支持相關的工作，而軟件的設計也更趨完善，目前的總體設計軟件基本都集成了規范要求、數據，在艙室劃分時，軟件會及時提示無效的設計，比如油艙雙殼之間的距離不夠、住艙面積太小等，都可以在設計的同時進行校核并及時提示，這樣將大大減少設計師的復核工作量，使設計一次成型，一次到位。

計算輔助設計對于船舶艙室的劃分，還體現在數據的輸出方面，如前面所述，當一個艙室劃分確定后，就如凈水力數據一樣，計算機已為設計師準備好了艙容曲線、自由液面矩曲線、慣性矩曲線，以及大量的相關數據報表。這樣，一方面節省了大量的人工計算和核算工作量，二是完全避免了人工設計過程中的任何失誤或差錯，效率和準確性等各方面都能夠大幅度得到提高。

船舶裝載和穩性

船舶本身是一種工具，是用來服務于人類的，現代化的船舶種類多種多樣，功能各異。盡管如此，從裝載的目的來看，可以簡單的分為三類，即運人的客運船舶、運貨的普通商船、輔助施工用的工程船舶。無論裝載的最終是哪一類事物，對于所有船舶本身而言，裝載便是目的。

關于穩性，以一個簡單的例子來說明：將一根干圓木拋入水中，從長度方向上看，其沒入水中的深度大致相同——這相當于船舶的吃水。在圓木的一端敲擊一下，這時圓木會在長度方向發生振蕩，但除非敲擊非常重，圓木不會在長度方向上調個兒，而且最終會恢復至平浮時的狀態——這對應了船舶的縱穩性；將敲擊換成一小塊磚，放在圓木的一端，會圓木兩端浸入水的深度發生改變，放磚的一端沒入得更多，而另一端則翹起——這就相當于船舶的縱傾，首尾振蕩就是船舶的縱搖；而在圓木靜止時，從中間轉動一下，圓木會在水中滾動起來，但如果不是圓木，而是一塊扁平的木條，則不會翻滾，而是會恢復到厚度方向垂直于水面的狀態——這是船舶的橫穩性，木條的橫向振蕩就是船舶的橫搖。我們還可以通過木頭做更多的試驗，來觀察木頭狀態以了解船舶在水中的姿態和運動，以解釋船舶相關的名詞、意義，限于篇幅，這里不再贅述。

船舶從某種意義來說，就是放在水中的一塊木頭，只是形狀更為復雜、重量更重，并且船舶是可以自己推著跑的，沿航線還可能經歷風、浪、涌、冰等各種環境狀況。船舶穩性要解決的問題，就是船舶在任何條件下，不但不能發生沉沒、傾覆，也不能劇烈的發生縱搖、橫搖。同樣，船舶形狀雖然復雜，但并不是扁平的木頭，船舶穩性需要解決保持始終朝上的問題，即需要了解在什么條件下，船舶可以自行恢復正浮態，而超過這些條件，船舶可能發生翻覆。如此等等，船舶穩性涉及到的船舶狀態和需要解決的問題有：靜水力、浮態、靜穩性、動穩性、自由液面修正、進水角、風壓傾斜力、甲板邊緣浸沒、橫搖角度和橫搖周期、縱搖角度和縱搖周期、總縱彎矩、剪切應力、螺旋槳浸沒、駕駛視線等等。

從上面的敘述中，可知船舶穩性需要解決的問題多且復雜。這時，我們再回到圓木在水中的例子，我們在圓木的某個位置放一塊磚，首先會改變的，是圓木總的會往下沉一點點——吃水增加，而所放的位置，對兩端的浸沒深度也是會有影響的。對于圓木和磚塊，我們可能通過簡單的稱重、測量、計算來得到磚塊在圓木上不同位置時，圓木在水中的姿態數據。但是對于船舶，我們知道其形狀是不規則的，裝載的貨物狀態也是千變萬化的，同時，由于燃油、淡水等也是時時刻刻在消耗的，也就是說，再加上無數的輸入條件和參數，以及各種穩準校核，可想而知船舶穩性的工作量是何等的巨大。

考慮船舶穩性，最終是為了裝載服務，就如我們知道磚塊的重量、在圓木上放置的位置會影響圓木在水中的姿態一樣，我們也需要知道船舶的不同裝載工況，對于船舶的影響。除了預測船舶浮態，我們還需要知道不同的裝載工況，是否會影響船舶的結構強度，是否會使船舶發生傾覆，引發船舶斷裂，以及如何通過控制裝載，避免發生任何事故。

從前面的敘述中，我們還難明晰計算輔助對于船舶裝載和穩性的重要性，我們可以再舉一個典型的例子，就是集裝箱船，可以對裝載有一個更深刻的印象和概念。目前市場上，已經交付的集裝箱船，裝箱能力已經達到23000箱，這是什么概念，如果要手工去計算和控制船舶裝箱，光是統計箱子的數量這一項，就會花費大量的人力工時，一旦發現某一批箱子的位置不對，或數量過多，所有的核算又得重新來一遍，這還不考慮人工計算出錯的問題。

以上，我們知道了船舶裝載和穩性所需要的大量數據、計算，也就不難理解計算機輔助在這個方面的重要性了。但對于船舶的總體設計來說，計算機輔助設計并不僅僅是按公式進行計算、處理大量的數據這么簡單，目前的船舶總體設計軟件，基本都整合了如國際海事組織、船級社等相關的法規、規范，以及船舶裝載、穩性相關的衡準，同時，對于不同的船型，也有針對性的計算模塊。還是以集裝箱船為例，在結束基本的輸入后，計算機會進行大量的計算，自動對各種工況條件下的船舶狀態進行模擬，包括裝箱量的多少、消耗物資的數量、壓載水的調節等等。在模擬和計算的過程中，計算機會自動對設定的工況進行各種衡準的校核，對于不滿足要求的工況，及時給出判定和錯誤提示。

除了判斷船舶狀態是否滿足規范、穩準的要求，還能夠提供貨物的裝載順序，裝載量等數據。比如集裝箱船，很顯然我們不能按順序從船的一端依次進行箱子的堆放，否則船可能翹起、觸底甚至折斷。計算面輔助軟件，會根據計算，給出每一步在船的什么部位堆放多少數量的箱子，是否需要調整壓載水量、如何調整等等；卸貨時，則反過來，先從哪兒開始看卸載，卸多少，如何調整壓載水的艙位，這些都是有嚴格的計算和控制的。

船舶的破損穩性

在船舶總體設計時，需要特殊考慮的是，當船舶發生局部破裂時，船舶是否還能夠保持其穩定性——即船舶的破損穩性。基于人們無數的經驗、教訓，積累過很多的數據和條件，這些數據和條件，都指導著船舶的設計，船舶的破損也是如此。但破損畢竟是概率性的問題，設計中更多要考慮的是如何預防，以及萬一破損的情況下，如何使船舶不至于沉沒、損毀。船舶的破損穩性計算分為兩種：確定破損和概率破損。

其中，確定破損是指船舶在發生事故后，船體的部分受損產生破壞，水進入相關艙室后，需要計算船舶是否能夠保證一定的浮態且不發生二次損壞。確定破損計算相對簡單，一定程度上，只是增加船舶的若干種工總，并進行穩性計算。通過計算結果，做相應的優化，如對結構進行加強，或者如前面提到的，油艙部分增加一定厚度的雙殼等。

船舶的概率破損是基于經驗數據，歸納出各類型船舶在生命周期內，可能被撞擊的部位，以及撞擊后產生的破壞程度。概率破損并不是按照船舶的物理區分，而是根據船舶的所有可能的進水點以及水密分隔的情況，通過假定邊界，將船體劃分成數量眾多的空間（數百個或數千個），并對這些空間進行逐一的分析，并歸納出每一個空間、或一組空間受損后，船舶的生存概率。在分析結果的基礎上，確定船舶是否滿足基本生存概率的要求。如果不滿足，需要采取什么樣的有效措施以提高船舶的生存概率。比如增加水密艙壁，以使進水量控制在可承受的范圍；或對可能因破壞而導致的進水點增加預防措施：如在管子的適當部位增加遙控閥門、電纜穿艙件改用水密型填料等等。

船舶的概率破損計算，大致類似于結構的有限元分析，就如有限元計算是計算機輔助后的新生方法一樣，概率破損計算也離不開計算機的輔助，否則人工根本無法應付如此大量的計算和分析。

船舶的裝載和穩性，是船舶設計和建造、營運的目的所在，其重要意義不言而喻，而計算機輔助設計使其更加高效，計算的范圍更廣，從而設計出來的船舶更安全、高效。

總縱強度校核和典型橫剖面設計

嚴格意義上說，強度和典型橫剖面是結構專業的范圍，但結構專業解決的問題是強度的本身，即解決已知邊界條件和載荷的情況下，通過計算和分析，確定所設計的結構是否能夠保持有效，這里所指的已知邊界條件和載荷，是結構設計和分析的輸入條件，而這些條件中的一部分，就來自于總體設計的輸出。

船舶是漂浮于水上的物體，可以簡單的形容為“薄壁空心梁”，如果對漂浮于水面的船舶進行極限簡化，最終，我們會發現船舶類似于一段帶節的竹子：竹節是船舶的橫艙壁，竹莖部分是船體的外殼板，由于竹子是空腔，類似于船舶的艙室。當我們彎折相同長度的多段竹子時，會發現，如果用同樣的力，有無竹節對彎曲程度并無影響，但竹子的粗細直接決定了彎曲程度，甚至是能否彎得動的問題。不難發現，越粗的竹子，越難彎曲；相同粗細的竹子，筒壁越厚的越難彎曲，歸根結底，竹子的空心部分橫截面的有效面積，決定了其抵抗彎曲力的能力——這就是我們在船舶設計時，需要考慮的典型橫剖面。

船體不僅有外殼，還有縱橫構件，因為這些構件可以對板狀構架有加強的作用，具體的作用形式和效果，可以參考結構力學。我們在總體設計時，所要關心的總縱強度，也就是上面提到的典型橫剖面的截面積，也就是說，在任意位置進行剖切，所能得到的最小截面積——有無竹節，對相同力的作用下竹子的彎曲程度是沒有影響的——如果有連續的縱向構架，其截面積，也是計入典型橫剖面面積的。

在以上的章節中，我們談到過船舶長、寬、高等主尺度的設計方法，當這些主要參數確定時，其橫截面的輪廓尺寸也就確定了，這就相當于確定了一段竹子的長度和粗細。設計時，需要考慮的，是改變竹子內部的形狀，以及竹子筒壁的厚度，既要使竹子不被折斷，又能使里面的有效空腔更大。對于船舶來說，更小的橫截面積，就意味著很少的鋼材投入量，會使船舶的建行成本更低；而更大的內部空間，意味著更多的運貨能力，營運效益將會更顯著。

由于船舶在水中航行時，除受到水的浮力支撐外，還需要考慮所裝載的貨物重量、貨物裝載的位置對船體受力產生的影響。同時，船舶在實際使用過程中，并不一直在靜水中航行，還可能遭遇到大風大浪，而波浪又需要考慮波長、波高等，并且，船舶前進方向與波浪前進方向差異（夾角），也會影響到船舶的受力狀況，船舶的總縱強度，需要考慮到所有這些情況，并且確保船體在所允許的任何條件下強度是足夠的。

以上的介紹，可以歸納成兩點：

? 船舶的總縱強度要足夠的強：船體輪廓確定的前提下橫截面積要足夠的大

? 船舶的建造成本要低，同時運行效率要高：船體橫截面積要盡可能的小

這是矛盾的兩個方面，設計師必須找到最佳平衡點，很顯然，除了大量的計算，不斷的對各種輸入輸出進行枚舉，才能趨近更理想的結果。計算機的應用，為我們提供了可能性，在設定的前提條件下，可以要求計算機，以步進的方式，對不同工況、不同輸出結果進行模擬，從而得到更為優化的結果。而無論多么強大的計算機，幾乎永遠無法得到最終的完美結果，原因是，任意一個工況，得到的總縱強度輸入條件，可以對應無數個典型橫剖面的解決方案，反之亦然，很顯然，窮舉是不可能的。

從以上的分析中，可以很清晰的看到，計算機輔助總縱強度的計算和典型橫剖面，所得到的結果是人工計算所無法達到的，雖然其也不可能完美，但可以無限的趨近理想結果。

實船的數字化和逆向工程

在船舶歷史中，有很多船型成為經典，有的造型別致，有的性能優秀，有的歷史內涵豐富，但這些經典的船舶，可能并沒有留下有效的技術資料，更別說如今廣泛應用的三維模型了。國內所造的大部分船舶，直至上世紀90年代開始，才逐漸有電子檔的船舶圖紙，而三維模型的歷史則更短。一些經典的船型在營運壽命到期后，面臨拆解，但由于沒有圖紙資料存檔，只有一些照片，是非常令人遺憾的。

值得欣慰的是，計算機技術的發展，不僅僅是常規使用的電腦及程序軟件，周邊的產品也極大地豐富了船舶建造的技術手段。無論是二維圖紙還是三維模型，均可以有效地進行數字化，進而通過逆向工程的方式，得到電子格式的圖紙和三維模型。船型數字化的意義，不僅僅是得到易于保存的圖紙或模型數據，更實際的意義在于，可以有效利用經典的設計：比如可以重新建造以使經典再現，或者在經典船型的基礎上，通過現代化的設計手段，對局部進行改良、優化，使經典船型更加優秀，更好地服務于人類的生產、生活。

二維圖紙的數字化，通過對船上的紙質圖紙進行拍照或掃描，制作成圖片后，再進行一定的技術處理，使圖紙的比例、清晰度等達到最佳。根據圖紙的重要程度或需求，可制作成不可編輯的版本，以進行永久存檔；如有必要，對已電子化的圖紙，進行描圖和二次設繪，這樣，可以對圖紙進行再編輯，優化和用于新造船產品。

船舶的三維模型數字化，工作量相對會更大些，先是通過三維掃描設備，對船舶內外進行掃描，掃描得到的數據經過處理后，形成船舶的虛擬化模型（點云）。此時即已得到船舶的三維模型，瀏覽和作為設計背景用是完全沒有問題的，這種模型通常用于船舶的改裝設計。如需要對船舶進行二次三維化，則可以通過特定的計算機軟件，采用計算機處理和人工逆向相結合的方式，對船舶進行二次建模。建模時，除掃描得到的點云模型外，還需要參照原船的圖紙，畢竟掃描得到的模型，只是形狀和輪廓尺寸，機械、管路等的內部無法獲取，通過對照圖紙，則可以精確還原船舶的模型。在還原的船舶模型基礎上，無論是改裝，還是重新布置、設計，都將是非常簡單和方便的。實船的數字化過程中，會產生大量的中間數據，這使所采用的計算系統必須具備較大的存儲能力，同時，對數據的處理能力也需要十分的強大。

實船的數字化，對保留經典船型、營運船舶的改造等，具有非常重要的實際意義，不但能夠大最的節省人工，由于數字化后的精度非常高，再建造或改裝時，較高的預制率對使得再建造或改裝的效率得到極大的提高，并且更有效的節省材料和建造人工的投入。

圖紙設繪

計算機輔助圖紙設繪，事實上已經不僅僅是船舶設計所需要，而是已廣泛應用于社會生產生活的各方各面。而對于船舶總體設計來說，計算機輔助繪圖，對效率、圖紙質量的提高，是極為顯著而不可取代的。

在介紹船舶靜水力、艙容、穩性時，已提到計算機軟件可以輸出并打印大量的數據，而這些數據幾乎無法由人工代替輸出。有兩個原因：

一是所有的數據，需要計算得出，而這些計算，往往是機械性的重復一個公式或一組公式，但計算量非常大。如果采用人工計算，只能盡可能的增加參數遞進的間距以減少計算工作量，但后期使用時，需要進行插值計算以獲取所需的數據，這樣，不僅效率低，還容易出錯。而計算機系統可以無限的縮小參數遞進間距，原則上可以隨心所欲的獲取想要的數據，且不會出錯。

二是因為人們計算時，難免因疏忽、疲勞等原因，出現計算錯誤，特別是需要進行海量的運算時，即使很小的出錯率，也可能導致結果的千差萬別。而計算機系統程序是嚴格按照步驟，嚴格按照輸入反饋輸出結果，幾乎不會產生任何錯誤。

除了數據文本的輸出，計算機輔助繪圖還體現在總布置圖、艙容圖等圖紙的設繪方面。如總布置圖中，可能有數十把椅子，或者上千個扶手，在手工設繪時期，繪圖員只能一筆一筆的全部畫出來。但計算機繪圖時，只需要畫一個，然后做成塊，在任意需要的位置放置已定義好的塊，即高效，又準確，還能夠隨時修改、增刪。而艙容圖幾乎可以由計算全自動生成，省去所有的人工，也消除了任何人為原因可能產生的錯誤。

盡管計算機繪圖的應用已經非常成熟，且應用廣泛，但在實際設計的過程中，需要不斷的進行探索，以期盡可能的提高圖紙的設繪效率，降低設繪時人工干預時可能產生的差錯。同時，對于使用計算機系統的設計師來說，需要不斷的進行學習，以掌握更優秀的設計軟件，提高應用水平。

8.5 小結

對于大部分的總體設計師來說，只是計算機軟硬件系統等工具的應用者，隨著計算機技術的不斷發展，總體設計將會越來越簡單輕松，并且越來越容易設計出更完美的船舶。但如同其它的工具一樣，計算機系統特別是軟件系統也是多樣且復雜的，設計師除了需要懂得總體設計本身的原理和應用方法外，對于計算機系統，也應具備更多的知識，以應對各種需求。同時，由于各種設計軟件有著不同的優缺點，優秀的設計師如果掌握盡可能多的軟件工具，其在設計過程中，將能夠更充分發揮計算機輔助設計的功能，使設計成果更加的實用、可靠、優秀。

從另外的角度，計算機軟件系統的設計者，兼備了船舶總體的知識，同時又是軟件設計大師，這樣的人才更加的難能可貴。因此，如果兼備兩個專業的知識，有目的的進行深入研究，將更能促進船舶工業的發展。這并非要設計出整體的解決方案，編寫出總體設計軟件，即使只是某一個算法的優化，某一種功能的再開發，只要能比現有的往前進一小步，都將是了不起的成就。