横剖面(transverse section),是相对于纵剖面而言的,垂直于物体走向而切割后所得到的剖面形态。一般而言,对于细长的物体或三维形状,沿着较短的方向(或垂直较长的方向)进行切割得到的剖面就是横剖面。在
船舶工程中,横剖面中常用的剖面为中横剖面。
定义
以河流为例,水文学中常说的断面剖面就是指的横剖面,因此河流的横剖面是指垂直水流方向切割河流所得到的剖面。如图1所示,甲乙丙三个断面即为水文学中河流的横剖面。
在船舶工程中,横剖面是指:
1、以平行于中站面的平面剖切裸船体或船体所形成的剖面。
2、以测量厚度为目的包括所有纵向构件如甲板板、甲板纵骨和纵桁,舷侧和舱底、内底和纵舱壁。在横向结构的船舶中,横剖面包括相邻近的结构和横剖面的结构末端接头。也被称做腰带面(Girthbelt)。
3、平行于舯站面的平面剖切船体型表面而得的型线所围成的剖面。横剖面中面积最大者称最大横剖面,一般船舶的最大横剖面就是舯剖面。横剖面的形状按船型不同,可分为U型、V型、尖舭型、圆舭型和直壁舷剖面等。
中横剖面图
中横剖面图主要由主尺度栏和肋位剖面图两部分组成。
(1)主尺度栏
主尺度栏是全船性图样应包含的一项内容,用以标注船体主尺度和相应数据,应注写在图样的上方。中横剖面图的主尺度有:总长、
设计水线长、
垂线间长、
型宽、
型深、设计吃水、最大吃水、
梁拱和肋骨间距等数值。
(2)肋位剖面图
肋位剖面图是中横剖面图的主要组成部分,它表达了船体横向构件的结构形式、大小,表达了船体纵向构件的布置、剖面形状,同时又表达了各构件之间的相互连接形式。剖面位置通常选在船体中部范围内结构典型的肋位,如客船取行李舱和机舱处,货船取货舱和机舱处,拖船取船员舱和机舱处。小型船通常选2~3个,大型船则根据具体情况多选几个肋位剖面图。图2是150t冷藏船剖切位置示意图。
同一舱室中有时可能有两种以上横剖面结构,如果两横剖面只有局部结构不同,其他大部分都相同或相似,则只选其一画出整个剖面图,另一个横剖面结构采用局部结构表示法来表达不同的部分。中横剖面图中局部结构表示形式有两种:
①重叠画法。在全肋位剖面图中,将相邻的另一肋位剖面中不同的局部结构重叠地画在相应的位置上。其中:构件的可见轮廓用细双点划线表示;构件的不可见轮廓用细虚线表达。这种表达形式通常用于舷侧和甲板处不同结构的表达。
②局部结构图。单独绘制局部结构图来表示局部变化的结构,布置在全肋位剖面图相应的结构附近。这种表达形式主要用于底部不同结构的表达。
由于船体结构通常对称于中线面,所以肋位剖面图的图形一般只画出略多于一半的图形。
船体制图中规定船体的布置方向为船尾在左,船首在右,因此各肋位剖面图在图面上的布置形式应按照肋位编号顺序从左至右依次布置,即靠近船尾的剖面图布置在图纸的左面,靠近船首的剖面图布置在图纸的右面。
肋位剖面图中有两类尺寸标注:
①定位尺寸。以《金属船体构件理论线》为依据来度量构件的相对位置,部分构件也可用文字说明设置情况;定位的基准线通常是船体中线和基线。
②定形尺寸。根据板与型材的尺寸标注方法来具体标注各构件的外形尺寸。
有些中横剖面图还写有附注,说明船体结构设计的依据、设计时所考虑的一些特殊因素等,以文字的形式写于图纸的右方空白处。
中横图表达
①各横向构件以及支柱的大小、结构形式和相互连接的方式。
②各纵向构件的剖面尺寸、结构形式及其沿横向布置睛况。
③外板、内底板和甲板板的横向排列布置情况及其板厚。
④主机基座的结构形式、大小、数量以及尾轴中心线距基线的高度。
⑤上层建筑纵围壁的位置、板厚及扶强材的大小和结构形式。
⑥舱口的宽度以及舱口围板的大小和结构形式。
⑦双层底、船舱和各甲板间舱的高度以及甲板的梁拱值。
⑧舷樯、护舷材和舭龙骨的结构形式和尺寸。
图线及含义
中横剖面图中常用的图线及其表达含义如下:
(1)细实线
肋骨、横梁、肘板、开孑L的可见轮廓线、基线等。
(2)粗实线
船体外板、内底板、甲板板、上层建筑围壁等板材、纵桁、纵骨等纵向构件的剖面。
(3)细虚线
构件的不可见轮廓线。
(4)粗虚线
不可见板材和骨架的投影线。
(5)细点划线
船体中线、轴线等。
(6)细双点划线
不在所剖肋骨平面内构件的可见轮廓线。
系数
中横剖面系数是指中横剖面在水线(常指设计水线)以下的面积()与对应的水线宽(B)和型吃水(T)的乘积所表示的矩形面积之比。常用表示:
式中,表征船舶中部的肥瘦程度,并影响船的舭部升高和舭半径。如方形系数一定,增大中横剖面系数,可减小
棱形系数,使排水体积较均匀地沿船长分布。
系数特点
中横剖面系数比值较大,对加大装载量和减小吃水有利,但比值过大则阻力增大。木帆船较好的船型,中横剖面系数为0.8~0.88。圆弧杓型剖面系数较大,且利于减少阻力,折角的型剖面系数次之,梯型剖面系数较小,且对稳性不利。在船舶设计中,常通过改变中横剖面系数来调节船的棱形系数,从而控制船的排水体积沿船长的分布。
相关系数关系
对一定排水量和长度的船,棱形系数大者表示排水量平均分布于船的全长,所以船的两端较钝。棱形系数小者表示排水量集中于船的中央部分,所以其两端较尖。若船的排水量和长度不变,棱形系数对摩擦阻力的影响很小,但对剩余阻力的影响很大。图3(e)为泰洛船型在各种不同棱形系数时的剩余阻力曲线。在低速度时,约(约),虽棱形系数小者剩余阻力也小,但其影响微小。在中等速度时,约在0.60至1.0之间,棱形系数越小者剩余阻力越低。在高速度时,约(约),棱形系数大者剩余阻力常反小。其解释为在低速和中速时,兴波作用主要在船的两端,愈尖锐者兴波阻力愈小。设计时对棱形系数的选择应随速度的增加而减小,以免处于阻力增加过快之处,见图3(f)。在高速度时,整个船体都有兴波作用,所以船中央部分不宜过大,棱形系数反需略增。
由图3(a)、(b)、(c)和(d)可见,在时,对的影响远较排水量长度系数为大;其排水量长度系数自50变为250,最大最小相差5倍,而仅由0.5变至0.8。图4可提供此问题的解释。因在低速和中速时,由
横剖面面积曲线两端坡度决定的尖锐程度对兴波阻力起决定性作用,而其中段的肥瘦程度则较次要。虽曲线两端的坡度随排水量长度系数增加而增加,但较随所增加大为缓慢。又当增加时,排水量维持不变,而在排水量长度系数增加时,排水量也随之增加,所以因曲线两端坡度增加致增加的兴波阻力对单位排水量阻力而言的影响自当大为减弱。在高速度时,因全船都有兴波作用,排水量长度系数较为重要。
以低速长比运动的船主要是摩擦阻力,对一定排水量希望其湿面积较小,而在高速长比时则兴波阻力渐见重要。这样就形成在低时的短而丰满的船形,当增大时的长而瘦削的船形。图5为桑地给出的棱形系数和排水量长度系数的设计范围。
若船的排水量长度系数一定,则由泰洛标准组阻力曲线可见,对每一数值有一最佳值,其时船的剩余阻力为最低。一般说来,在1.0以下时,最佳值约在0.5至0.55之间;以后随而迅速增大,当时最佳值约为0.65,当时仍再略增。图6为贝脱给出的理论上最佳与实践上最佳的比较。在实践上一般的低速和中速度船属民用船。由于民用船的剩余阻力所占比重较小,所以就经济价值出发所用的较理论上最佳值为高,在高速军舰,因须照顾其在巡航速度时的经济性能,所以所用较最佳值常反低。
因速度较低的船的
中横剖面系数都无大差异,又方形系数为排水量与主尺度间的津梁,所以若选定即连带将选定。为便利计,一般民用船设计时,在决定长度后,其次即将选定。速长比不超过1.0时,速度越大,应越小。下列亚历山大公式为最常用的公式之一:
对于试航速度
对于服务速度
对一定的或,若速长比超过上式中相应的,则速度处于阻力增加过快之处,换句话说速度对此船形而言为“过快”,这相应的叫临界速长比。
若船的排水量、长度、和都维持不变,仅改变中横剖面系数并依相当比例改变其宽度和吃水以保持一定的中横剖面面积,这样可察验对阻力的影响。。
根据泰洛试验结果,虽在0.70至1.10很大的范围内变化,但其的差别很微。泰洛所试验的船模的,图7为其所试验的船模中两种极端中横截面形状。
基于上述泰洛的试验结果和其他类似的试验结果,可见对的影响很不重要。总之在普通船形,对阻力实际上几无影响。所以常用相当肥满的中横剖面,在一定的方形系数下可使船的两端较尖,以期降低兴波阻力。但对于速度较高也就是方形系数较小的船,用大的
中横剖面系数在绘制型线图时要使型线曲度变化缓和将感困难,因之小者其也需略小。图8为各方面提出的一般民用船的对的关系。
在高速度船,中横剖面系数则更小,例如速度极高()的驱逐舰的约为0.80。这是因为其小方形系数要求小使其棱形系数接近最佳值。所以其中横剖面具有相当大的舭部升高和舭部半径。在低速度船,常无舭部升高,其目的在获得尽可能大的
中横剖面系数。