Podstawy teorii projektowania okrętów

Opis

Podstawy teorii projektowania okrętów

Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej

Michalski Jan P.

Słowa kluczowe: techniczno-prawne bezpieczeństwo statku, metody teorii projektowania okrętów, kryterium pływalności okrętu, typy funkcjonalne statków, techniczno-eksploatacyjne własności okrętu, parametryczne projektowanie okrętów, realizacja obliczeń projektowych

Opis:

W podręczniku przedstawiono genezę i ewolucję wiedzy o bezpieczeństwie techniczno-prawnym okrętu i o instytucjach zajmujących się tym aspektem okrętownictwa i żeglugi – w kontekście uwarunkowań społecznych, ekonomicznych, technicznych, prawnych, administracyjnych i klasyfikacyjnych. Opisano rozwój typów funkcjonalnych statków transportowych, formy organizacji uprawiania żeglugi, cechy funkcjonalne głównych typów statków transportowych, ich podstawowe parametry techniczne oraz przykłady rozwiązań projektowych. Następnie omówiono rozwój metod teorii projektowania okrętów, fazy projektowania wstępnego, modelowanie matematyczne zagadnień projektowych oraz uzasadniono potrzebę stosowania parametrycznych metod projektowania wstępnego. Zdefiniowano podstawowe właściwości techniczno-eksploatacyjne statków transportowych oraz parametry techniczne służące do ich opisu. Dalej omówiono zasady realizacji okrętowych obliczeń projektowych, aspekt strukturalności wzorów stosowanych w technice, a także źródła błędów numerycznych obliczeń technicznych. Na kanwie tej wiedzy przedstawiono metodykę parametrycznego projektowania okrętów w ujęciu modelu matematycznego, a w tym – zasady formułowania założeń projektowych statku, wymogów dotyczących doboru statku wzorcowego, listy statków podobnych i histogramów głównych parametrów projektowych. Następnie zaprezentowano i omówiono szereg metod projektowania służących do wyznaczania:

– wyporności projektowanego okrętu, jego mas składowych oraz głównych parametrów podwodzia kadłuba;

– pojemności podpokładowej statku i jego wysokości bocznej, co wieńczy metodykę wstępnego wyznaczania wymiarów głównych statku;

– stateczności okrętu na wstępnych etapach projektowania – w zakresie stateczności początkowej, statycznej oraz dynamicznej;

– oporu kadłuba i charakterystyk hydrodynamicznych śrub okrętowych;

– wymaganych parametrów silnika napędowego;

– prędkości kontraktowej statku oraz parametrów śruby z uwzględnieniem kryteriów kawitacyjnych;

– charakterystyk napędowych mocy i naporu układu napędowego;

– miar oceny rentowności budowy i eksploatacji projektowanego statku;

– optymalnej prędkości i nośności statku – w sensie wymaganej minimalnej stawki frachtowej.

Szereg przykładowych zadań z rozwiązaniami, które mogą stanowić inspirację do formułowania i rozwiązywania analogicznych zadań na zajęciach projektowych, dopełnia zawartość podręcznika wzbogaconego o trudno dostępne materiały projektowe w postaci przykładowego zbioru danych wzorcowych statków drobnicowych oraz wykresy hydrodynamicznych charakterystyk śrub serii B-Wageningen, przydatnych do wstępnego projektowania układu napędowego okrętu. Podręcznik może być pomocny dla studentów studiów inżynierskich pierwszego stopnia na kierunku Oceanotechnika prowadzonych na Politechnice Gdańskiej, Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie oraz Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni. Ponadto wybrane treści mogą się przydać inżynierom w biurach projektowych oraz studentom wydziałów kształcących morskie kadry oficerskie, gdyż podręcznik zawiera również wiedzę wymaganą na podstawie Rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie programów szkoleń i kwalifikacji zawodowych marynarzy, zgodnie z delegacją zawartą w Konwencji STCW 78/95.

SPIS TREŚCI
WYKAZ PRZYJĘTYCH OZNACZEŃ
PRZEDMOWA
WSTĘP
1. TECHNICZNO-PRAWNE BEZPIECZEŃSTWO STATKU
1.1. Geneza normowania bezpieczeństwa
1.2. Kryteria bezpieczeństwa technicznego
1.3. Kontrola bezpieczeństwa technicznego
1.4. Rejestr okrętowy i jurysdykcja państwa bandery
1.5. Międzynarodowa Organizacja Morska
1.6. Towarzystwa i instytucje klasyfikacyjne
1.7. Międzynarodowe Zrzeszenie Towarzystw Klasyfikacyjnych
1.8. Międzynarodowe prawo i konwencje morskie
1.8.1. Konwencja o bezpieczeństwie życia na morzu
1.8.2. Konwencja o liniach ładunkowych
1.8.3. Konwencja o zapobieganiu zanieczyszczaniu morza
1.8.4. Konwencja o jednolitym systemie pomierzania statków
1.8.5. Konwencje Międzynarodowej Organizacji Pracy
1.8.6. Rezolucje Międzynarodowej Organizacji Morskiej
1.8.7. Dyrektywy Unii Europejskiej
1.8.8. Jurysdykcja prawa lokalnego
1.9. Środki bezpieczeństwa technicznego
1.10. Nadzór nad bezpieczeństwem technicznym
1.11. Formy organizacji żeglugi
2. TYPY FUNKCJONALNE STATKÓW
2.1. Rozwój typów funkcjonalnych
2.2. Typy funkcjonalne statków transportowych
2.2.1. Statki do przewozu ładunków drobnicowych
2.2.2. Statki do przewozu kontenerów – kontenerowce
2.2.3. Statki poziomego ładowania – statki ro-ro
2.2.4. Statki do przewozu ładunków masowych – masowce
2.2.5. Statki do przewozu ładunków ciekłych – zbiornikowce
2.2.6. Statki do przewozu skroplonych gazów – gazowce
2.2.7. Statki do przewozu pasażerów – statki pasażerskie
3. METODY TEORII PROJEKTOWANIA OKRĘTÓW
3.1. Geneza metod projektowania
3.2. Ewolucja metod projektowania
3.3. Fazy projektowania wstępnego
3.4. Modelowanie matematyczne
3.5. Metody parametryczne projektowania wstępnego
4. TECHNICZNO-EKSPLOATACYJNE WŁASNOŚCI OKRĘTU
4.1. Funkcjonalizm okrętu
4.2. Opis kształtu kadłuba
4.3. Parametry geometryczne kadłuba
4.4. Parametry ruchu okrętu
4.5. Parametry funkcjonalne okrętu
4.5.1. Siła wyporu, wypór i wyporność
4.5.2. Siła ciężkości, ciężar i masa
4.5.3. Nośność, ładowność i zapasy
4.5.4. Pojemność ładowni i zbiorników ładunkowych
4.5.5. Tonaż rejestrowy
5. REALIZACJA OBLICZEŃ PROJEKTOWYCH
5.1. Wprowadzenie
5.2. Jednostki miar wielkości fizycznych
5.3. Strukturalność wzorów
5.4. Błędy obliczeń numerycznych
5.5. Błędy zaokrąglania liczb
5.6. Linearyzacja zależności nieliniowych
5.6.1. Przykład linearyzacji funkcji potęgowej
6. PARAMETRYCZNE PROJEKTOWANIE OKRĘTÓW
6.1. Identyfikacja parametrów istotnych
6.2. Struktura modelu parametrycznego
6.3. Główne założenia projektowe
6.4. Dobór statku wzorcowego
6.5. Lista statków podobnych
7. KRYTERIUM PŁYWALNOŚCI OKRĘTU
7.1. Konwencja oznaczeń
7.2. Wyznaczanie masy statku
7.3. Równanie pływalności
7.3.1. Współczynnik wykorzystania wyporności
7.3.2. Nieliniowe równanie pływalności
7.4. Metody wyznaczania wyporności
7.4.1. Metoda Bubnowa
7.4.2. Metoda Normanda
7.5. Wyznaczanie głównych parametrów podwodzia kadłuba
7.5.1. Długość i szerokość okrętu
7.5.2. Współczynniki pełnotliwości podwodzia kadłuba
7.5.3. Zanurzenie konstrukcyjne okrętu
7.6. Kryterium wolnej burty konwencyjnej
7.6.1. Wprowadzenie
7.6.2. Tabelaryczna wolna burta
7.6.3. Minimalna wolna burta
8. KRYTERIUM POJEMNOŚCI OKRĘTU
8.1. Równanie bilansu pojemności ładowni
8.2. Równanie bilansu pojemności podpokładowej
8.3. Wyznaczanie wysokości bocznej
8.3.1. Metoda uproszczona
8.4. Przestrzenny podział kadłuba
8.4.1. Szacowanie masy zapasów i objętości zbiorników
8.4.2. Zestawienie mas i objętości zapasów w zbiornikach
8.4.3. Położenie głównych zładów konstrukcji kadłuba
8.4.4. Dobór odstępu wręgowego
8.4.5. Wysokość dna podwójnego
Spis treści 5
8.4.6. Lokalizacja i długość siłowni
8.4.7. Liczba i położenie grodzi wodoszczelnych
8.4.8. Pokłady, luki ładowni, urządzenia ładunkowe
9. KRYTERIA STATECZNOŚCI OKRĘTU
9.1. Wprowadzenie
9.2. Ustalony stan pływania okrętu
9.3. Równanie kołysań poprzecznych
9.4. Równanie stateczności statycznej
9.5. Równanie stateczności dynamicznej
9.6. Moment sił prostujących okręt
9.7. Ramiona prostujące
9.8. Stateczność początkowa okrętu
9.8.1. Miara wysokości metacentrycznej
9.8.2. Skorygowana krzywa ramion prostujących
9.8.3. Wzdłużna wysokość metacentryczna
9.8.4. Ramię prostujące stateczności dynamicznej
9.8.5. Kąt przechyłu dynamicznego
9.9. Kryteria stateczności
9.10. Normowanie stateczności dynamicznej
9.11. Momenty przechylające okręt
9.11.1. Moment wywołany przemieszczeniem ładunku
9.11.2. Moment wywołany załadunkiem
9.11.3. Moment przechylający wywołany ładunkiem ciekłym
9.11.4. Moment przechylający wywołany ładunkiem podwieszonym
9.11.5. Moment przechylający wywołany naporem wiatru
9.11.6. Moment przechylający wywołany cyrkulacją okrętu
9.12. Przykłady wyznaczania stateczności początkowej
9.13. Wstępna ocena stateczności okrętu
9.13.1. Krytyczne wysokości środka ciężkości okrętu
9.13.2. Kryterium minimalnej wysokości metacentrycznej
9.13.3. Kryterium minimalnego okresu kołysań własnych
9.13.4. Kryterium przechyłu podczas cyrkulacji
9.13.5. Kryterium ramienia prostującego stateczności statycznej
9.13.6. Kryterium ramienia prostującego stateczności dynamicznej
9.13.7. Wyznaczanie krytycznych wysokości środków masy okrętu
9.13.8. Wpływ kształtu kadłuba na krzywą ramion prostujących
9.13.9. Pantokareny
9.13.10. Parametryczna metoda wyznaczania pantokaren
9.13.11. Założenia upraszczające prognozowanie stateczności
9.13.12. Całkowanie numeryczne ramion stateczności statycznej
9.13.13. Przechył wywołany dynamicznym naporem wiatru
10. KRYTERIUM PRĘDKOŚCI OKRĘTU
10.1. Wprowadzenie do metodyki projektowania układu napędowego
10.2. Sformułowanie problemu wstępnego projektowania napędu
10.3. Równanie ruchu postępowego okrętu
10.4. Opór kadłuba
10.5. Napór śruby okrętowej
10.6. Równania bilansowe napędu
10.7. Matematyczny model projektowania napędu
10.8. Etapy wstępnego projektowania napędu
10.9. Podobieństwo hydrodynamiczne śrub okrętowych
10.10. Podobieństwo hydrodynamiczne oporu kadłuba
10.10.1. Metoda Froude’a wyznaczania oporu kadłuba
10.10.2. Hipoteza Froude’a
10.10.3. Metoda ITTC-78 wyznaczania oporu kadłuba
10.11. Opór kadłuba w warunkach kontraktowych
10.12. Parametryczne metody prognozowania oporu kadłuba
10.12.1. Metoda Schneeklutha
10.12.2. Metoda Silverleafa-Dawsona
10.12.3. Metoda Watsona
10.12.4. Wyznaczanie oporu kadłuba okrętu w warunkach eksploatacji
10.12.5. Parametry okrętu zależne od stanu załadowania
10.13. Wstępne wyznaczanie parametrów silnika napędowego
10.13.1. Parametry tłokowego silnika spalinowego
10.13.2. Założenia metodyki wyznaczania parametrów silnika
10.13.3. Przykład metodyki wyznaczania parametrów silnika napędowego
10.13.4. Ocena wystąpienia kawitacji
10.13.5. Kryterium Burrilla
10.13.6. Kryterium Kellera
10.13.7. Kryterium Instytutu w Wageningen
10.14. Wyznaczanie parametrów pędnika i prognoza prędkości okrętu
10.14.1. Metodyka wyznaczania parametrów śruby i prognozowanie prędkości okrętu
10.14.2. Przykład algorytmu wyznaczania parametrów śruby i prędkości okrętu
10.15. Charakterystyki napędowe okrętu
10.15.1. Współpraca śruby z silnikiem napędowym
10.15.2. Założenia upraszczające
10.15.3. Charakterystyki napędowe mocy i siły napędzającej
11. KRYTERIUM RENTOWNOŚCI OKRĘTU
11.1. Inwestycje w okrętownictwie i żegludze
11.2. Zagadnienia eksploatacji statku
11.2.1. Fracht
11.2.2. Rodzaje żeglugi
11.2.3. Agent morski
11.2.4. Makler okrętowy – shipbroker
11.2.5. Ładunki okrętowe
11.3. Czasowa wartość kapitału
11.4. Miary ekonomiczne efektywności inwestycji
11.4.1. Przepływy finansowe Cash Flow – CF
11.4.2. Miara efektywności Net Present Value – NPV
11.4.3. Miara efektywności Internal Rate of Return – IRR
11.4.4. Miara efektywności Capital Recovery Factor – CRF
11.4.5. Miara efektywności Required Freight Rate – RFR
11.4.6. Miary rentowności z amortyzacją, podatkiem i inflacją
12. KRYTERIA OPTYMALIZACJI PARAMETRÓW OKRĘTU
12.1. Wprowadzenie
12.2. Struktura kosztów eksploatacyjnych
12.3. Przykład metody optymalizacji prędkości statku
12.3.1. Sformułowanie problemu i założenia
12.3.2. Koszty inwestycyjne
12.3.3. Roczna zdolność przewozowa statku – ACC
12.3.4. Roczne koszty eksploatacji statku – AOC
12.3.5. Zdyskontowane średnie koszty roczne – AAC
12.3.6. Prędkość minimalizująca wymaganą stawkę frachtową – RFR
12.3.7. Przykład zastosowania metody
12.4. Przykład metody optymalizacji nośności statku
12.4.1. Koszty inwestycyjne i operacyjne
12.4.2. Nośność minimalizująca wymaganą stawkę frachtową – RFR
12.4.3. Przykład zastosowania metody
13. ZAKOŃCZENIE
14. SPIS PRZYDATNEJ LITERATURY PRZEDMIOTU
ZAŁĄCZNIKI
Załącznik 1. Długość tras morskich z portów Gdyni i Gdańska
Załącznik 2. Lista wzorcowych statków drobnicowych, przydatna do ćwiczeń projektowych
Załącznik 3. Wykres charakterystyk hydrodynamicznych KT, KQ śrub serii B-Wageningen B4;
So/S = 0,4
Wykres charakterystyk hydrodynamicznych KT, KQ śrub serii B-Wageningen B4;
So/S = 0,6
Wykres charakterystyk hydrodynamicznych KT, KQ śrub serii B-Wageningen B4;
So/S = 0,8
Wykres BT śrub serii B-Wageningen B4; So/S = 0,4 (opracował Lesław Buczkowski)
Wykres BT śrub serii B-Wageningen B4; So/S = 0,6 (opracował Lesław Buczkowski)
Wykres BT śrub serii B-Wageningen B4; So/S = 0,8 (opracował Lesław Buczkowski)
Wykres BQ śrub serii B-Wageningen B4; So/S = 0,4 (opracował Lesław Buczkowski)
Wykres BQ śrub serii B-Wageningen B4; So/S = 0,6 (opracował Lesław Buczkowski)
Wykres BQ śrub serii B-Wageningen B4; So/S = 0,8 (opracował Lesław Buczkowski)