引言我國境內(nèi)河流流域面積在100km2以上的河流有50000條，1000km2以上的河流有1500條[1]。公務艇（OfficialCraft），指主要用于海上執(zhí)法（如海岸警衛(wèi)隊、海關(guān)）、保安（如軍隊）等其他管理機構(gòu)用艇，是維護國家主權(quán)和海洋主權(quán)的重要執(zhí)法力量。按公務艇職能的不同可將其分為海關(guān)緝私船、水上公安船、水上消防船、檢疫船、監(jiān)督船、公務接待艇等，主要用于交通、水利、行政、邊防、海關(guān)、公安、環(huán)保等部門[2]。根據(jù)近些年統(tǒng)計結(jié)果表明，伴隨著中國海洋形勢的發(fā)展變化、海洋戰(zhàn)略的實施推進，海警海事相關(guān)部門正在加速建造行政執(zhí)法船舶計劃的實施進度。由公務艇多樣化的任務目標需求看出，對公務艇進行初步設計工作具有相當重要的意義。因此，針對目前我國公務艇的配備、擔負的任務等現(xiàn)狀，分析其性能及功能需要，進而提出公務艇的船型設計意見。為在舒適的辦公環(huán)境下承擔公務接待、執(zhí)行公務、巡邏執(zhí)法等任務，同時達到降低設計、建造成本乃至營運、維護費用，提高工作、作戰(zhàn)效率等目的。本次設計能夠充分綜合運用船舶與海洋工程專業(yè)的所學知識，了解并熟悉艇型設計的內(nèi)容，從主尺度、型線設計、總布置設計等方面著手，完成一艘兼具功能與外形的公務艇初步設計。

1設計技術(shù)任務書1.1航區(qū)及用途a）航區(qū)：本艇可運行于沿海航區(qū)及遮蔽航區(qū)。在該海域內(nèi)島嶼之間、島嶼與海岸之間距離不超過10nmile；或在距岸不超過10nmile的海域（臺灣海峽及類似水域距岸不超過5nmile）。b）用途：本艇是配合海警部門進行護航、執(zhí)法、海上安保作業(yè)及承擔公務接待任務的高速公務艇，噸位小，機動靈活。要求設計中綜合考慮快速性和舒適性。1.2艇型本船的船型為深V滑行艇。材質(zhì)根據(jù)具體情況選擇纖維增強塑料。1.3船級本船為中國船級社入級船舶，按中國船級社《沿海小船入級與建造規(guī)范》進行設計建造，并遵守《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則》。 1.4性能要求 1.4.1主要參數(shù) 1）總長約12.8米；2）吃水不大于0.8米；3）航速不小于28節(jié)；4）續(xù)航力不小于280海里；5）設定人員不小于8人。1.4.2穩(wěn)性 滿足中國船級社頒布的《沿海小速船入級與建造規(guī)范》等相關(guān)要求。1.5母型船基本資料母型船的型線圖見圖1-1～圖1-3，主要參數(shù)見表1-1：表1-1主要參數(shù)表項目尺寸總長14.080m水線長12.910m總寬3.058m型深2.187m吃水0.492m乘員33人圖1-1母型船的橫剖面圖船艉部分縱剖線圖b）船艏部分縱剖線圖圖1-2母型船的縱剖面圖船艉部分縱剖線圖b）船艏部分水線面圖圖1-3母型船的水線面圖1.5基本設計思路本次設計船艇為公務艇，隨著現(xiàn)代化科技的進步，船舶逐漸向性能多元化的方向發(fā)展，速度快且體積小的艇可以實現(xiàn)良好的機動性與適應性，被市場大眾所認可，并得到了廣泛的應用。人們在執(zhí)行公務的同時越來越傾向于營造舒適安逸的辦公環(huán)境，以提高工作時的積極性和主動性。由不同的設計師所設計出的不同船艇的主要設計流程可能不盡相同，在設計船艇時不一定要嚴格按照某一種設計流程來進行，可以根據(jù)船東要求與設計需求等來對設計階段進行靈活調(diào)整。

2船舶主要參數(shù)的分析及選擇普通船艇的主尺度和艇體參數(shù)的選擇通常需要重點考慮如何獲得最佳性能、最大有效載荷及最好經(jīng)濟效益等。公務艇的主尺度及重要艇體參數(shù)的確定雖然也與性能密切相關(guān)，但同時也應該將其功能實用程度及建造成本等納入?yún)⒖挤秶?。本次公務船型設計可根據(jù)在網(wǎng)絡上查找相關(guān)公務艇型資料，將其列為母型船的參考，這樣設計出來的船型能較好地滿足設計需要，滿足執(zhí)勤和公務接待的要求。在計算船舶主尺度的時候，有諸多應被列入考慮范圍的因素。本次設計的船型為公務艇，主尺度的選擇方式與載重型船舶的主尺度選擇方式存在較大的不同，故應多參考母型船資料并主要從布置地位和船舶性能出發(fā)，進行主尺度的分析與選取。2.1主要設計參數(shù)的確定2.1.1船長的選取設計中首要確定的尺度是總長Loa，艇體的布置和造價等因素多由船長決定。通過參考其他船型及母型船資料，初定艇體總長Loa為12.8m。設計水線長Lwl和舭部側(cè)投影線長Lp可由公式（2-1）計算：L=0.90～0.98Loa（2-1）式（2-1）中Lwl=0.90Loa，Lp=0.95Loa。計算得結(jié)果Lwl=11.520m，Lp=12.16m。2.1.2總寬的選取船艇的寬度主要影響船艇的穩(wěn)性，寬度較大的船在中高速航行時由于底部展舷比加大對阻力反而有利。設計任務書內(nèi)對總寬選取沒有特別規(guī)定，選取總寬時可以根據(jù)一些統(tǒng)計信息先求得長寬比Loa/Boa，再粗略估算出總寬Boa。統(tǒng)計信息包括中小型單體船艇Loa/Boa的統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖，如圖2-1,或長寬比公式(2-2)：Loa/Boa=0.0771Loa+2.135(10m≤Loa≤24m)(2-2)由公式計算可得該艇Loa/Boa=3.1206。應綜合考慮母型船的長寬比。該艇母型船的長寬比為Loa/Boa=4.6083，兼顧兩者的大小，綜合考量后將本公務艇的長寬比取為3.87。確定長寬比之后就能反推出本艇的總寬Boa=3.31。圖2-1中小型單體船艇的Loa/Boa的統(tǒng)計數(shù)據(jù)在確定了總寬的數(shù)值后，本公務艇的設計水線寬Bwl和舭部最大寬度Bpx就可以根據(jù)式（2-3）計算：Bwl=0.82～0.95Boa（2-3）此處Bwl=0.85Boa，Bpx=0.87Boa。計算結(jié)果得Bwl=2.815m，Bpx=2.881m。2.1.3型深的選取通常由內(nèi)部空間凈高與設計艇的外形相匹配來決定艇體的型深。在艙內(nèi)高度允許的情況下要使型深的高度盡量小，以此減小艇的排水量來降低艇的重心。經(jīng)綜合考慮，本公務艇將型深定為Dh=1.8m。2.1.4吃水的選取航道、碼頭水深等因素限制常影響艇的吃水。因為沒有確切的規(guī)律可循，故可參考母型船資料。本設計艇的吃水定為d=0.74m。2.2重量的初步估算1）公務艇的空船排水量ΔL由于母型船資料的缺乏，無法根據(jù)母型船估算空船重量，且艇的功能用途各有不同，排水量會因艇體差距相差較大。故用近似公式（2-4）[3]估算結(jié)果：ΔL=2500K（Loa-10）（2-4）按艇的類型需要有修正系數(shù)K對艇體排水量進行修正。由于艇的類型和速度存在差異，K要據(jù)此進行調(diào)整，對于中型中速、中高速艇，K可選在0.9～1.1范圍內(nèi)。此處K取1.1進行計算，得ΔL為8050kg。當前設計狀態(tài)為初步設計階段，故將設計裕度取8%左右，則：ΔL=8050×（1+0.08）=8694kg。2）載重量該艇的載重量大致包含乘客及行李重量、燃油重量以及淡水重量。計算過程如下：（1）乘客及行李重量W1預計乘員8人，每人平均體重為75kg，攜帶35kg/人的行李，則W1=8×(75+35)=880kg。（2）燃油重量W2假定船的主機為D683ZLCA8B，查詢獲得主要參數(shù)如表2-1，其中主機功率為234.5kW，燃油耗油率約為0.213kg/(kW·h)[4]。表2-1D683ZLCA8B主機主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值單位品牌上柴型號D683ZLCA8B缸徑114×135mm功率234.5kW燃油消耗率213g/(kW·h)根據(jù)《船舶設計原理》[6]的公式（2-5）進行近似計算：WF=g0P1t·k·10-3（2-5）式中一切燃油裝置耗油率g0可近似取主機耗油率的1.17倍，風浪影響船舶航行的系數(shù)k取1.1。則W2=1.17×0.213×234.5×2×（280÷28）×1.1≈1285.6744kg。（3）淡水重量W3根據(jù)《船舶設計原理》[6]所學的近似計算公式（2-6）：總儲備量=自持力（d）×人員數(shù)×定量（kg/（d*人））（2-6）按每人每天150kg淡水的標準，則：W3=280÷（28×24）×8×150=500kg。該艇的載重量為各項重量和：DW=W1+W2+W3=880+1285.67+500=2665.6744kg。（4）滿載排水量Δ滿載排水量的計算結(jié)果等于輕載排水量和載重量之和，即：Δ=ΔL+DW=8694+2665.6744=11359.6744kg。則滿載排水量Δ為11359.6744kg。2.3重要的艇體參數(shù)1）面積載荷系數(shù)（Ap/▽2/3）艇的阻力主要取決于面積載荷系數(shù)，面積載荷系數(shù)在5.0～7.0之間，該系數(shù)越小，阻力越大。因此面積載荷系數(shù)最好比5.5大，否則最大阻力太大，有可能會造成船艇的動態(tài)不穩(wěn)定。舭部折角線和艉板線所圍的水平投影面積Ap=（80％～86％）LpBp之間。取Ap=85％LpBp。計算得Ap=29.7805m2。面積載荷系數(shù)計算得5.9911。2）體積佛氏數(shù)Fv計算體積佛氏數(shù)公式如式（2-7）：F（2-7）根據(jù)公式計算得Fv≈4.0，圖2-2為艇型設計參考圖，在設計水線和速度的劃分下，設計公務艇屬于滑行艇。根據(jù)資料和統(tǒng)計數(shù)據(jù)再次確定本次設計的公務艇屬于滑行艇（3.0＜Fv≤4.5）?；型У闹匦奈恢脜^(qū)域為（35%～43%）Lwl。則本艇的重心相對最佳位置定在42％Lwl處。圖2-2艇型設計參考圖2.4設計參數(shù)總結(jié)主尺度和艇體參數(shù)對性能的影響是存在互相關(guān)聯(lián)的關(guān)系的，常是“牽一發(fā)而動全身”。所以各參數(shù)之間一定要綜合考量。綜上，本設計艇的主要參數(shù)選擇總結(jié)如表2-2。表2-2主要參數(shù)選擇總結(jié)參數(shù)結(jié)果單位總長設計水線長舭部長總寬舭部寬吃水型深輕載排水量滿載排水量設計航速面積載荷系數(shù)體積佛氏數(shù)12.811.5212.163.3122.88120.741.8869411359.6744服務航速28，最大航速355.99114.08，屬于滑行艇mmmmmmmkgkgkn3型線設計在現(xiàn)代船艇設計中，主尺度和艇型參數(shù)等變量雖然重要，但無法精確描繪出設計艇的具體形狀。實際上所設計出的艇的形狀對性能的影響更大。有時艇的性能可能在兩條艇的形狀、尺度、系數(shù)都相同但型線不同的情況下也有較大的差異。3.1型線設計原則艇型主要包括圓舭型、尖舭型和混合型。圓舭型艇的定義是連接艇底和艇邊的舭部形狀為圓弧的艇。橫剖面如圖3-1。圖3-1典型的圓舭型艇剖面形狀2）尖舭型艇的特點是，艇底和艇邊間有明顯的尖舭貫穿整個艇體，使水流能在尖舭處有效分離。橫剖面形狀如圖3-2。圖3-2典型的尖舭型艇剖面形狀就靜水阻力來看，當艇中速以上航行時，阻力較小的為尖舭型艇；艇中低速航行時，若艇的尺度相同，阻力較小的為圓舭型艇。就淹濕性來說，尖舭型艇總是優(yōu)于圓舭型艇。當中高速航行時，尖舭型艇的超載能力、動態(tài)穩(wěn)定性、航向穩(wěn)定性等都優(yōu)于圓舭型艇。艇型選擇沒有固定的標準，兩種艇型的選擇參考在表3-1[7]。表3-1兩種艇型的選擇參考性能考慮選擇靜水阻力FL≤0.40.4＜FL≤1.1FL＞1.1圓舭型艇兩者均可尖舭型艇適航性兩者均可淹濕性尖舭型艇超載能力尖舭型艇動態(tài)穩(wěn)定性尖舭型艇航向穩(wěn)定性尖舭型艇運送效率EtFV≤1.8FV＞1.8圓舭型艇尖舭型艇3.2本船的型線設計由于本艇的長度佛氏數(shù)FL＞1.1，考慮靜水阻力時尖舭型艇更佳，且本艇體積佛氏數(shù)Fv＞1.8，考慮運輸效率時更適合選用尖舭型艇。另外，在淹濕性、超載能力、動態(tài)穩(wěn)定性、航向穩(wěn)定性方面尖舭型艇都是較優(yōu)的選擇，故本艇適合采用尖舭型。且深V船型的快艇具有良好的總體性能。本艇的型線繪制主要是依據(jù)母型船的型線圖。根據(jù)《船體制圖》的要求[5]進行修改。將母型船型線按一定的比例進行縮放，主要步驟如下：（1）基于母型橫剖線圖，按對應比例y1、z1進行Y、Z方向的縮放，得到新船的Y、Z值；x1、y1、z1為新船對應主尺度與母型的比值，即x1=Lwl/Lwl0，y1=Boa/Boa0，z1=d/d0；（2）繪制新船縱剖線圖，按新船與母型長度方向比例值x1，畫出新船站線，基于第一步的結(jié)果，描出各站Z值；新船站號基于母型船進行X方向的縮放，即站距l(xiāng)=x1×l0；（3）繪制新船水線圖，按新船與母型長度方向比例值x1，畫出新船站線，基于第一步步結(jié)果，描出各站Y值；（4）繪制新船橫剖線圖，根據(jù)（2）、（3）步獲得的新船的縱剖圖和水線圖，按標準重新分站，獲得各新站的Z值、Y值，反推新船橫剖線圖。（5）檢查三視圖的一致性，長對正、高平齊、寬相等，完成新船型線圖繪制。最終測算出本艇最終確定的主尺度，生成橫剖面、縱剖面、水線面，如圖3-3、3-4、3-5所示。圖3-3設計艇的橫剖面圖a）船艉部分縱剖線圖b）船艏部分縱剖線圖圖3-4設計艇的縱剖面圖船艉部分水線面圖b）船艏部分水線面圖圖3-5設計艇的水線面圖

4總布置設計總體布局是設計艇體過程中非常重要的內(nèi)容之一，多數(shù)客戶在第一次見到艇時不會先關(guān)注到它性能功用等方面的因素，常常第一眼注意到的就是其外形與內(nèi)裝。因此在本次設計公務艇時不僅要從艇的建造角度考慮，還要利用人體工程學的辦法來衡量設計的可行性。根據(jù)《船艇美學與內(nèi)裝設計》[8],在設計過程中應充分考慮乘員是否能在相對狹小的空間高效工作，實現(xiàn)各項設備所具備的功能；能否較舒適地工作、生活，做到“麻雀雖小，五臟俱全”，這就是人體工程學在船舶設計中的應用。