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1600.造船碩士

慈 航 方 舟(全文图表)----
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蘭石碩士論文(指導教授:陳重盛 ~輯錄阿張蘭石,1994.6: 台大造船及海洋工程學碩士論文

淺海域用漁船之研究(淺吃水船之設計研究)
 A Design of the Shallow Draft Boat

▅▅致▅▅謝▅▅
自由之愛已昨日,九年晦隱船海所;
第一志願印眾心,真名相應這方舟。
恩海諸名誰能謝,茲表文中蒼生謝!

感謝陳重盛老師耐心地教授深廣的造船學。這戰戰兢兢的實務工作,因為老師及 技工們,學生才能參予、承擔、盡微薄力。連富良師傅、李繼賢師傅是實驗工作 的最大奉獻者﹔許照旺先生、楊文光先生的模型、儀器製作亦是論文的基石。 茲代表能因這船而稍免於悲劇的苦命漁民,謝謝你們!

 

ABSTRACT:
After on-the-spot investigations, fishing rafts were selected to be studied, And a shallow draft boat was designed. Design considerations included lines,general arrangement,structure and propulsion. Hydrostatic curves,cross curve,floodable length curve and BHP-V curve were caculated. For confirming feasibility of this new ship form, a series of experimental investigations was performed by resistance test,Paint Test, oblique towing test and "rudder effect test" .

內容:
第一章、前言
第二章、現況調查
 2.1 文獻調查
 2.2 實地調查
第三章、改良對象筏的選擇與設計方針之研擬
 3.1 改良對象筏之選擇
 3.2 設計方針之研擬
   3.2.1 管筏之優點
   3.2.2 管筏之缺點
   3.2.3 設計方針
第四章、極淺吃水船之設計
 4.1 設計之邏輯
 4.2 設計之流程
 4.3 設計船與考慮要項
   4.3.1 主要尺寸
   4.3.2 線圖
   4.3.3 一般佈置圖
   4.3.4 結構圖
   4.3.5 螺槳設計
 
   4.3.6 其他計算

第五章、設計船之性能探討
 5.1 阻力
   5.1.1 設計船之阻力推估
   5.1.2 制式船模阻力試驗
   5.1.3 阻力之討論與比較
   5.1.4 馬力估算
   5.1.5 筏改良船形之油墨試驗
 5.2 航向穩定性
 5.3 操縱性
   5.3.1 舵力之船形干擾
   5.3.2 舵效與船形干擾實驗
 5.4 波擊──多褶船形SLAMMING初步研究
   5.4.1 概要分析
   5.4.2 波擊問題上船形設計之考慮
 5.5 破損時之浮揚性
第六章、結論
參考資料
致謝
附錄目錄
另發表:
Chen , C.S. & Chang, Namsat " A Design of the Shallow Draft Boat", The seventh National Conference on the Society of Naval Architecture and Marine Engineering, P. 147~157, 1994.
研討會論文:
陳重盛、張蘭石,〝淺海域用漁船之設計研究〞,第七屆中國告船暨輪機工程研討會, 1994。
專書、技術報告:
陳重盛、張蘭石,”淺海域用漁船之研究”,NTU-NAOE-Tech. Report 458, 1994。


在中國造船工程師學會會刊上
  「管筏改良多褶型船」的設計發表

在中國造船工程師學會會刊上
  「管筏改良多褶型船」的設計發表

摘要
本省大量漁民在使用高危險的塑膠管筏,本文經實地調查,利用「演化逼近法」
設計出了一艘「多摺」形的淺吃水船,以期逐步取代落後的管筏。
設計包括了線圖、一般佈置圖、結構等考慮;亦進行靜水性能表、穩定性、可浸
長度曲線、推進與螺槳等之計算與繪圖。
此外,以制式船模阻力試驗、制式斜航試驗,以及設計兩組舵效試驗,配合文獻
之探討,評估這個新船型之推進、直航穩定、操縱與波擊等性能。
ABSTRACT
After on-the-spot investigations, fishing rafts were selected to be studied,
 And a  shallow draft boat was designed.
Design considerations included lines,general arrangement,structure and
propulsion. Hydrostatic curves,cross curve,floodable length curve and
BHP-V curve were caculated.
For confirming feasibility of this new ship form, a series of  experimental
investigations was performed by resistance test,Paint Test, oblique towing
test and "rudder effect test" .


一、前言
台灣西部沙岸多淺灘,不適於一般船隻作業,漁民皆以塑膠管筏從事漁撈、運輸
、養殖、海釣之工作。其大者達二十公尺,裝置數百匹馬力之引擊者為數不少。

世界上與本省西部類似之淺水沙岸應該不少,但觀察所有先進國家並無以管筏從
事各種漁業、交通或遊樂活動者。雖說管筏亦有其諸多優點,但終究是開發中國
家過渡時期現象,不應該永遠任其大量存在。尤其管筏為落後之運輸工具,海難
頻傳,安全堪虞,浪費能源,破壞國家形象,宜依照造船之原理原則設計為船,
以保障人命安全,節約能源消耗,並維護國家形象。在我國逐漸步入已開發國家
之林同時,也是吾人發展真正之船,逐步取代塑膠管筏之時。有鑑於此,本文研
究一適合本省西部淺海域作業之船,作為以船代筏推展工作的第一步。
二、現況調查
世界先進國家雖也有適用於淺海域作業之船,但無法直接引進國內使用,因國內
漁民有其特殊之作業習慣。究竟何種船舶能為漁民接受?漁民使用管筏之習慣如
何?適合本省淺海域作業之船舶宜使用何種船型,皆有待深入調查、探討。本文
之調查分兩部分:一為文獻調查,一為實地調查。
文獻方面,只有農委會漁業特刊第17號[17]中對管筏之調查,第20號中對漁筏海
難問題之探討;以及成功大學造船系以迴流水槽所作之管筏阻力試驗[1]。而法規
上頒布有"台灣區塑膠管筏管理規則"[17]。
另外本設計從世界上各種淺吃水船舶著手,搜集各種文獻上發表之淺吃水船實船
資料數十艘、以及研究報告數十篇加以研討,從中尋找適合國內淺海域用船之靈
感,資料太多此處無法一一列舉。
為深入瞭解現有管筏之狀況,以及漁民看法與作業習慣,吾人先後至台南安平、
嘉義東石與蘇澳等作實地調查。
三、改良對象筏之選擇與設計方針之研擬
塑膠管筏數量龐大,種類繁多,規模互異,用途紛歧。而對於應以何種船型來代
替塑膠筏,卻未聞有研究者!而管筏可資參考之資料亦少,應如何把握塑膠管筏
之特性,在保留其優點之條件下,設計符合西部淺海域用船,實為相當大挑戰。
為求實際可行,吾人擬先設定一艘典型之較小型塑膠管筏為對象,將其轉換為船
。若能尋得願意建造之船東,由實船証實淺吃水船可如塑膠管筏一般用於淺海域
後,可據此進一步發展較大型或較為高速之淺吃水船,逐步取代管筏。
故以下述之塑膠管筏為對象,進行轉換為船之設計研究工作。
型  式:雙層管筏;可升降舵,螺槳
動  力:船內機
主機馬力:100 hp 左右
全  長: 12 米
筏  寬: 4 米
吃  水: 0.5-0.8米


在設計方針研擬前,簡要陳述管筏之優點:
1.船體材料取得容易(台塑等公司闢有專門生產線生產管筏用管,且可事先填充發
泡材,並予以彎曲)。
2.不需有特定之廠房只要場地足夠大,可以運搬至海邊下水。
3.施工容易
4.彈性極大可隨意組合。
5.修補容易
6.橫向初穩度佳
7.可坐於淺灘
8.破損時安全性高
9.法令之要求較低
10.價格便宜
管筏之缺點亦陳述如下:
1.由膠管排成故船型受到限制,不如FRP自由
2.容易破損
3.壽命短
4.阻力大耗油且船速無法提高。主機於甲板上螺槳傾角大,且需使用萬向接頭,
推進效率低。
5.螺槳與船殼之介面問題多(螺槳軸穿過"甲板與筏體"伸入水中,船體必須空出一
段,造成阻力增加、推進效率降低、結構不連續、甲板不好使用等問題)。
6.大傾角穩度差
7.甲板容易濺濕
8.大型管筏價格高
9.方向穩定差
在儘量保持管筏優點、改善缺點的目地下,研討搜集到之各種淺海域用船隻之資
料,基於造船原理擬定設計方針如下:
1.線形應考慮使施工容易,以降低成本。
2.船型尺寸更改自由度需大,使用同一模具可以變化不同之尺寸。
3.儘量保持傳統管筏之甲板形狀為一般佈置。
4.吃水淺可用於淺海域,需能坐於淺灘上。
5.增強方向穩定性。
6.維持適當之操縱性。
7.儘可能避免過大之船底波擊。
8.保持適當之乾舷。
9.維持船破損或甲板進水時之浮揚性
10.改善船之阻力與推進效率
四、極淺吃水船之設計
在確定前章所定之改良對象筏後,將其逐步轉換為設計船,而在轉換之過程中固
定一些重要參數(如排水量、船長、甲板空間等),視需要改變部分參數(如船深,
線形等),此外亦逐漸增加並深化考慮之參數。
以下為本文在船型上所用之"演化逼近法":

1.將改良對象筏轉化為簡易FRP平板筏(如民間船廠之以FRP包覆,請參見附錄A。
),為保持足夠之甲板面積,船長與船寬不變,配合排水量,由吃水及乾舷得到船
深。見【圖4-1】。
【圖4-1】管筏改良為船的第一步:






2.考慮螺槳及船體運動(波擊),船舯以後改雙胴、船艏底部改成如【圖4-2】,
稍具橫斜角,固定船長、船寬與排水量,增加船深。
【圖4-2】管筏改良為船的第二步:







3.為改善船體運動與阻力推進性能,船艏寬度削小,船舯以後雙胴之船底向後向
上傾斜。在固定排水量之情況時,吃水可能稍微增加,乾舷相對減小。
【圖4-3】管筏改良為船的第三步:




4.為進一步改善船體運動與阻力推進性能,船體修改成順滑之線形,並加上舷牆
。同樣,吃水與乾舷會有稍許變化。見【圖4-4】。

5.為改善船體運動性能,尤其是船艏船底波擊、船艏改成三胴,另為增加吃水提
高方向穩定、船艉雙胴亦改成尖底。船體線形至此大致確定,以後只有局部之修
改。見【圖4-5】。

【圖4-4】管筏改良為船的第四步:




【圖4-5】管筏改良為船的第五步:





【圖   】流程圖:
五、設計結果
線形(見【圖4-7】)之完成如前所述,此處進一步說明考慮之因素。線圖為整個設
計之靈魂在,其繪製與修改貫穿整個設計之過程,其考慮之因素特別多,為方
便起見,以條列方式逐次說明如下:
a.主要尺寸、一般佈置等之配合
在固定船長與船寬下,船深、吃水、乾舷、排水量、縱向浮心位置等必須互相配
合。船艏的形狀,由甲板寬度與水線下基於波擊與阻力之考慮而決定之三胴形狀
等決定。船艉形狀則由螺槳之收納,及基於方向穩定性與操縱性之平衡而定之雙
胴形狀等決定。
b.施工及模具之柔軟性
為獲得船東之青睞、降低成本為最重要之考慮要素,尤其是第一艘必定是使用簡
易模具。一般FRP船建造係採用化妝合板,因此線形上力求簡單,儘可能使用平板
,避免反曲點或雙向彎曲。同樣為使同一模具可以建造不同尺寸之船,船形設計
已加入可將船尺寸加大之考慮。加大之方式可採用下頁【圖4-8】之方法。需注意
者為船深沒有配合增加的情況下,加大船體,必須設法降低船之重量,避免乾舷
降低。
c.船體結構之配合
雖是寬淺吃水船,但因船小且是多摺船型,縱向強度不會有問題。船艏艉雖有波
擊之虞但因無船體過重之顧慮,只要局部補強,線形上不須考慮波擊對結構之影
響。必須考慮的是船坐底時之集中負荷,因此各胴船底線形不能太尖,而需有適
當的寬度。
波擊對於結構雖不致構成威脅,但卻會使乘船人員無法忍受,因此包含波擊等船
之波浪中運動性能,以及阻力,推進、方向穩定性、操縱性等為本船線形設計上
考慮之重要因素,這些問題將於第五章再深入討論。

線圖之決定過程,當然需隨時同步進行各項計算。見4.3.6節。
【圖4-7】設計船的線圖:




【圖4-8】FRP母模的變形方式:

 一般佈置圖
因船小設備少,佈置上問題少。考慮之因素,甲板作業面積之確保,在主要尺寸
與線圖繪製階段已考慮及;較重要的為主機與螺槳、軸系,以及舵之佈置。與管
筏之置於甲板以上不同,本船之主機如一般船舶儘可能降低底座高度,以減小軸
系傾斜角,提高推進效率。
軸系可有兩種版本:一為穿過船體後直接連結於螺槳之固定式,此種方式適合作
業於吃水較深之水域、且不須坐於淺難之船,需配合的措施是螺槳前面須有足夠
深之艉鰭(skeg)以保護螺槳;另一版本為軸系穿過船體後,如一般管筏般透過萬
向接頭接至螺槳軸,藉由連桿齒輪組等機構,使螺槳與軸可同步升降,以配合不
同吃水海域之需要。
配合三胴之船形,配置左右二面縱向水密隔艙壁;配合機艙位置配置前尖艙壁及
機艙前後二橫向水密隔艙,如此劃分使得船體具有10個艙區。各個艙區除比較完
整容易作為他用之部分,皆以發泡材填充,如此使得船萬一破損時仍具有相當之
浮力。油櫃採用獨立式置於機艙前面之艙區甲板下面,使甲板有較為寬敞之空間
。
本船的佈置圖見文後之附錄B。
 結構圖
本結構設計例係採用FRP單板構造(但實際建造船廠可依自己之習慣設計,例如甲
板或隔艙壁等改為三明治構造),船體採用縱向助骨系統,甲板採用橫助骨系統
。
本船雖是寬深比極小之船,但因船小且船形本身多摺,又因佈置上之需要設有二
縱向隔艙壁,縱強度不是問題,船體採用縱助骨系統是依船形其施工較易。在橫
向結構,則除前述之橫隔艙壁外,適度配置橫向大助骨構成構向強度並據以支撐
縱向助材。
甲板為經得起靠船靠岸時之負荷,採用橫助骨系,並於每根橫樑位置設置舷牆支
桿(bulwark stay)。
結構設計依交通部領行之"FRP質船船體構造規範草案",計算、決定構件尺寸。繪
製各截面之結構圖,見文後之附錄B。
 螺槳設計
在此由阻力之推估(容後一章討論),設定一主機型式作螺槳設計計算例。
船速暫以7節為目標。由於本船船形特殊其推進因子、跡流係數w、推減係數 t、
螺槳效率比(Relative Rotative Eff.ηr)等皆無資料可循,且萬向接頭及螺槳升
降支桿之影響如何亦無從知悉,因此本船之阻力推進計算,螺槳設計可能會有較
大之誤差。但比起一般管筏完全無相關之計算,本船螺槳設計計算例,若能為設
計建造者之範例,據以比照設計,選用螺槳,其效率當可提升。
計算流程見附錄B。
 其他計算
除以上考慮諸因素,本文作如下之計算與繪圖,附於文後。
靜水性能曲線
穩度交叉曲線
可浸長度曲線
俯仰穩度計算
重量重心估算
舵之計算
六、結 論
本文經過廣泛的調查,整理出國內塑膠管筏之一般特性,選定一12m長、4m寬管筏
作為改良船之對象,據此設計一適合於西部淺吃水海域作業之船。希望能為政府
機構或漁民採用,經過實船驗証本文預估之性能,進而繼續改良其缺點,以後並
能據此開發更多種不同大小、型式、速率及適合不同作業需求之船,逐步推廣以
船代筏。

經由本文之研究與設計已獲得如下之成積:
a.在設計方法上,本文採用〝逼進法〞,將管筏化成簡單平板筏後再逐步轉換成
最後之三胴船。

b.在線圖之考慮,本船已將改良船之擴充性、及施工性考慮在內,可以一副簡易
模具作不同尺寸之船。

c.為配合b之需要及本文設計計算之方便,本文在電腦程式上適當擴充Auto ship模
具變形、計算變形後靜水性能之功能;連結AutoCad處理其3D顯示,以助設計工作
;並連結阿基米德程式完成穩度、可浸長度曲線計算。

d.在阻力推進性能之探討上,本文製作一1/4木製模型,作阻力試驗,將其結果與
成大之管筏試驗、FRP改良型近海漁船、駁船與V型雙胴艇(經驗式)作比較,發現
本船阻力,介於傳統管筏與FRP改良型近海漁船之間。此外並作油墨試驗觀察船體
表面流線情況,由以上之試驗發現改良船碎波阻力頗大,且可看出碎波阻力之發
生機構。本文並以一中速柴油引擎作螺槳設計例,由計算結果得在57hp下船速約
為7.8節。

e.改良船型之船舯後作成雙胴除為可以座底以外,並藉以增進方向穩定性。本文
並以阻力用模型作拘束模型之斜航試驗。

f.為瞭解雙胴對操舵效能的影響,本文並以二個不同大小之舵作拘束模型之舵效
試驗。本文亦定義「船形干擾」Cγ,據以判斷在與船身交互作用下舵效損失率
。由試驗結果知:1.在本船船形一定下,舵弦愈長者Cγ愈大。2.舵角20度左右
時Cγ值最大。3.因舵與船身的交互作用,本船之舵軸負荷較大。

g.儘量減少改良船波浪中之波擊為設計重點之一,經由文獻之研討,船形設計上
船艏使用三個深V型之船體(三胴)。船艉底板於螺槳處後向下傾斜成艉楔形。

h.為獲得破損後之浮揚性,改良船於難以利用之空間,皆填充發泡材,於甲板部
分破損或甲板進水狀態下亦不致立刻沉沒。而任一艙區浸水,亦不會使吃水超過
甲板邊緣線。

11.本文依交通部頒佈之〝玻纖強化塑膠船船體構造規範草案〞,作結構設計例,
並繪製一套結構圖。

本改良船設計,在佈置、結構、螺槳計算、重量估算等只能算是一個設計計算例
,若有幸獲得採用,尚得依船東實際需要,以及船廠之施工慣例等,重新作更為
確實之計算檢核。

參考資料:

[1]. 方銘川等,"A Study on the Improvement of the Fishing Raft",CWC Symposium,
Taipei,R.O.C.
[2]. 陳重盛、吳聰能、扶正,"二艘FRP近海漁船之阻力試驗",第五屆中國造船
暨輪機工程研討會,民國81年。
[3]. 大隅三彥,"V型雙胴艇推進性能一推定法",『船的科學』。
[4]. 張達禮,『應用造船工程學』。
[5].  SNAME RESISTANCE DATA SHEET No133、No161.
[6]. Kuniji KOSE等,"Study on the Unusual Maneuvering Characteristics
of Full Ship",西部造船會報第54回,昭和52年5月。
[7].井上正裕等,"On the course stability of a barge",西部造船會報第54
回,昭和52年5月。
[8].James L. Moss and Corning Townsend,"Design considerations and the
Resistance of Large Towed Seagoing Barges", SNAME Technical and Reserach
Bulletin I-29 May 1959,Reprint '69 & 72.

淺吃水域用漁船之性能研究
一、阻力性能
本文由制式船模阻力試驗結果得知(設若解析與比較可採用ITTC之摩擦阻力式)
:
(A).本船之初俯仰角對阻力之影響:
由【圖1】可以看出,大致上當速度在3節以上,無論輕載與滿載兩種吃水,Even
Keel與正負2度的俯仰狀態所造成的阻力變化還不大,都在20%以下,尤其經濟船
速(約7 節)附近,阻力隨俯仰角之變化更小。

(B).航行時俯仰角之變化:
由【圖2】(a)(b)可以看出,不論滿載輕載,三種不同的初俯仰角之船況大致都是?
隨速度增大先艏俯,而後艏俯漸小,甚至轉而變成艉俯。尤其以輕載初俯仰角為
艉俯船況者,在 6節以後,艉俯變化量最大。
滿載時,初俯仰角0度,+2度之船況,在 8節以前皆是艏俯。但仍可看出艏俯漸小
。初俯仰角為艏俯2度的船況,其於7節左右艏俯已達0.4度的艏俯變化量(因顧慮
船模進水,故速度沒有繼續作上去)。加上初俯仰角已達2.4度。
本船航行時俯仰變化情形與一般船類似,先艏俯而於速度達某一程度時艏俯減小
,回復初俯仰狀態,在轉變成艉俯。但本船試驗結果顯示,在設計速度範圍仍然
呈艏俯狀態。就船之性能而言艏俯並非好現象,本船航行船頭抬起較慢,其可能
原因之一是因本船考慮倒車時空氣侵入、及艉波擊的狀況,在艉部最後端向下設
計為有一斜角,有如WEDGE 形狀。故螺槳、舵附近之凹處後方部位,便可能產生
如同WEDGE般影響俯仰角的作用,亦即會隨速度增大,使船傾向艏俯的力矩亦變大
。

(C).航行時船身起伏之變化:
由【圖3】(a)(b)可以知道,整個試驗速度範圍內,六種船況於阻力計位置(設計
滿載平浮時之浮心位置)船身都是向下沉。

(D).與單層管筏阻力試驗數據的比較:
由【圖4】,以及【圖5】,表面上似乎顯現了相矛盾的現象,在【圖4】似乎管筏
阻力較小,由【圖5】卻顯示管筏阻力較大。
因為文獻[1]的1m長之管筏模型試驗結果(亦即【圖4】上之raft曲線)原圖乃是
以Fn為速度參數,故為了做比較,今需將本船亦轉為1m船長的船;但因原圖以C
t為阻力參數,而管筏之浸水面積W.S.明顯較一般船大,故以Ct(W.S.在分母)作
為阻力參數並不恰當,參照前述阻力比較原則C項,應以(R/△)/(V^2/L)為宜。

故【圖5】似較適於當作比較基準。

(E).與其他相關船隻阻力數據的比較:
文獻[3]中有適用於V型雙胴艇的推進性能推定法,因本船船艉亦類似雙胴,故計
算之,作為比較。即【圖6】(a)。
又若以下頁之【圖6】(b)來觀察,本改良船的阻力,在相同排水量下、設計速度
附近,大概介於本省改良型 FRP漁船,與傳統管筏之間,與本例中的駁船相近而
較小。

【圖6】與V型雙胴艇推進性能推定法所估之值的比較





【圖7】FRP近海漁船、本改良船、SNAME 阻力資料NO.133、NO.161. 排水量均推
為16.05噸,顯示其裸船EHP對速度的關係。





(F).馬力估算
由模型試驗所得之阻力,加上附屬物阻力、航海餘裕(S.M.)之考慮,即可資為螺
槳設計所需,並據以作馬力與速率關係之估算。
【圖8】BHP-V預估
二、 筏改良船形之油墨試驗
(一)、試驗目地
油墨試驗的用處是觀察流體中物體的表面流線,本船形在此設計階段,藉此實驗
以觀測:
A、「多摺」船形是否產生渦流(vortex)、流離:
本船形因是特別的「多摺」船形,故須將船殼表面流線可視化,來觀察、研討流
線是否順著摺稜線;是否有例如數條流線交會一起的現象?如果是,可能便是發
生了渦流!發生在那些部位?是否有流離現象?
B.、「漸變成雙胴」形態之艉部的入流:
藉由此實驗大致了解船艉的船殼表面流線,是否平順而無交會(若交會,可能表
示發生流離)?在何處流離?
(二)、試驗方法
A、油膜材料:
臘油:碳粉(質量比)=3:1,酌加油酸。
可調出兩種不同濃度的油膜,以分別塗抹船殼的兩邊,因各部位流速不一,如此
兩邊便可互相比較、互補不足,以更完整地讀得流線。
B、拖車速度:Vm=2m/s,Fn=0.37 ,約設計速度附近。
C、船    況:滿載平浮、輕載平浮。
D、水    溫:攝氏19度。
(三)、試驗結果:
將滿載船況試驗結果繪成流線圖【圖9】【圖10】,另外,將滿載、半載船況的照
片擇例顯示於後。
【圖9】Streamlines Observation 1





【圖10】Streamlines Observation 2

以下對流線試驗結果作一分析:
A、流離、渦流:
因流線與摺線的交角很小,流線大致平順,並無明顯會聚、流離的跡象,本船形
之摺線應無造成太大的渦流。滿載平浮、輕載平浮兩種船況亦大致相似。
B、雙胴的寬狹:
由流線與摺線的小交角,來研討本船雙胴的設計,若單獨考慮阻力而言,船肩至
舯部可再加寬(設計上,摺線與流線儘可能一致)。因為,觀察流線和雙胴摺稜
的交角,在船肩部是向外、舯部以後至螺槳位置則明顯向內。
C、碎波:
本船之船艏為了諸種考慮而成三摺稜形,又因須維持甲板寬大,造成在左右兩胴
間產生碎波,此將會增加阻力。由油膜流線照片可以看到,船艏破開的碎波流線
呈幅射狀散開,而成蝶翼般圖案──此應為碎波阻力的形成機構。
觀察雙胴之間的流線,顯示雙胴拘束其間的流線使之下壓。
D、船殼凹處:
螺槳位置上方之船殼凹處,流線消失,可能有流離。但這部位在螺槳存在且作動
的情況下應會改善。
E、艉斜角:
艉最後端有一如同艉契形狀般的向下斜角部份,而這凹處後方部位的流線恰好恢
復相當平順,故確如上節(b)所提及,可能確於此區形成艉契的作用。
三、  操縱性
本船設計將舵置於兩胴之間,因顧慮此特殊設計之操舵性能,實際的(三維)流
場交互影響程度究竟如何,故而對本船控制面效應作以下研究。
3.1  舵力之船形干擾____解說____
首先,本文乃是將本船之「船身─舵面」交涉的合成,分解看作:
(A).槽壁效應中的舵。加上
(B).受舵影響的船身。
如此(A)的部分便可以以二維分析來作定性上的預測,由文獻[10]知「槽壁效應」
結果將使得舵上的力增大、壓力中心後移。這兩點意謂著操舵所須的舵機馬力─
─在本船可能是人力──的負擔增大。這是尚未考慮END EFFECT所作的定性上的
預測。而(B)部分,至今尚未見理論或數值上的研究,因END EFFECT及邊界層等等
不可忽略複雜因素,故只能以實驗來求其趨勢。
舵與船形間形成的相互關係,嘗試以下圖說明:
當有一舵居兩槽壁中,槽壁上的壓力是正是負?若由產生舵升力之環流方向來考
慮,則舵之吸力面(suction side)上方的槽壁上流速,應該大於壓力面上方的槽
壁!故吸力面壁上的壓力小於壓力面上的槽壁,船身兩胴所受的合力是和舵
升力反向的。是以預測(B)與(A)的效果是相反的。
即舵之升力增加;但船的操縱性並未相對的增加。
【圖11】總受力圖
右圖為未受到船形干擾的舵的受力圖;右圖顯現受到船形干擾的舵受力,為左圖
的L,再加上槽壁效應[10]所增之升力l;但同時在船身(類似槽壁)亦有一力,且
依上文之推測,應為與升力方向相反。






3.2 舵效與船形干擾實驗

本文係以不同大小兩平板舵,做拘束船模之變化舵角實驗。模型平板舵的舵展19
.5cm,舵弦有15cm(初設計尺寸)與19.5cm(為了作比較而加大尺寸)兩種。舵上
緣距底板0.5cm。
舵軸位置為距離船模之浮心128cm處。以上詳見於【圖12】(a)。
A.實驗裝置:
使用臺大造船及海洋工程研究所制式斜航試驗儀,見【圖12】(b)。
設計滿載縱平浮。速度1.6m/s,相當實船的設計速度附近。
依文獻[10]知,在速度1,2,3,4 m/s範圍舵翼之壓力分佈、以及升力係數CL變化
很小,故Rn對壓力分佈之效應在此略而不談。
變化舵角量取:
No:由裝設於浮心O點處的Force Gauge 所量得之轉矩。可視為操舵總效。
Yo:船之側向力。
Yr:由裝設於舵軸處的Force Gauge所量得之舵之升力。
B.實驗結果:
原始資料見附錄J。
實驗結果以及分析曲線,都一併繪於【圖13】【圖14】:

【圖12】舵效試驗之模型(a)與裝置(b):
舵軸上銜接舵力計,量測舵之升力。

【圖13】第一組舵效試驗之結果及分析圖





【圖14】第二組舵效試驗之結果及分析圖
本文定義「船形干擾係數」為
  Cγ= (Yr*Xr-No)/Yr*Xr
茲解說其中參數:
船形干擾:因舵與船形間流場交互影響,使舵效減少的幅度。
     即兩胴『槽壁』加上船底,對舵造成的干擾。
Xr:舵之壓力中心與船模浮心之距。
  Xr≒1.28+Xa
Xa:由經驗式所略估之舵壓力中心至舵導緣距離。
 (Joessel式) Xa/B=0.195+0.305sinδ
          B:弦長
(本船之舵處於三面槽壁中,因邊界層以及End Effect機構的差異,故流場的狀
況應略不同於平板舵式之假設,故Xa將稍有誤差,但在此暫略。)

C.實驗結果分析:

分析實驗所得之【圖13】【圖14】之曲線,可以看出四點特點:
  A、舵之側向力Yr,比方形平板舵經驗式之值Yp大。
    方形平板舵經驗式:Fn=58.8AV^2sinδ
     Fn:舵面上之正向力 δ:舵角 A :面積 V:流速

  B、Yr/Yp 由舵角零度漸增大,至20度左右最大。
      20度後Yr/Yp 隨著舵角愈大而愈小。

  C、「船形干擾」Cγ隨著舵角愈大而愈小。

  D、舵弦較大者,Yr/Yp之比例較大。

本文嘗試解釋以上現象如下:
特點A
因本船形之舵上緣接近船殼底板,故較諸Open Water平板舵,上緣的 END EFFECT較
小,故有效展弦比增大,此乃本船Yr較Yp大的原因之一。除此之外,因為船體
兩胴對舵產生類似文獻[7]中的槽壁效應(見4.3.1節),亦可能使使Yr增大。
特點B
當舵角在零度附近時,因舵面兩面壓差尚微,故END EFFECT尚小;隨角度增大END
EFFECT逐漸顯現,Yr/Yp曲線由零度逐漸增高。
在20度左右以後Yr/Yp隨著舵角愈大而愈小,其原因,推測可能是因為當舵角
打到20度或更大時,流經舵面的流線受到兩胴壁影響,使得三維機構中的舵上部
環流減小,這種三維的效應使得舵效減小。
此處之推測看起來與前述(特點A)槽壁效應可能使Yr增大之說法相矛盾,事實上
不然,吾人認為在小舵角時舵周圍流場接近二維,適於文獻[10]之狀況,而在大
舵角時流場變成三維狀況,使得因槽壁效應而增加之舵力降低。
特點C:
本實驗結果,較特別的是發現「船形干擾」隨著舵角愈大而愈小。
此現象原因複雜,因為是三維的問題。吾人認為可能的理由是:
隨著舵角增大,舵的上部的環流減小,舵上升力的縱向分佈向下移,而本船之舵
只有上方處於槽間,故受槽壁之影響(船形干擾)便減小。
特點C亦呼應於特點B所得之『隨著舵角增大,舵的槽內部份舵效降低,舵升力
的縱向分佈,比起小舵角時向下移』的說法。
特點D:
依文獻[10]知,「槽壁效應」隨舵弦/槽寬增大而增大。這正與本實驗的兩個試
驗舵的試驗結果趨勢相同──舵弦/胴寬 較大之舵,其 Yr/Yp確實較大。
此處亦可回頭對照特點A的解釋,特點A若只解釋為End Effect,則隨第二試驗
舵之弦加大(舵展不變),END EFFECT應該會愈大。Yr/Yp應同樣變小,則將
與實驗結果不符。


由以上之探討,吾人認為設計上應注意以下二點:

a.處於類似槽壁的兩胴間,船形干擾對舵效之影響確已相當大。

b.因受End Effect減小及船形干擾的影響,舵之升力增加,壓力中心後移,如此
造成舵軸的彎曲力矩增大,於兩胴間之舵,其舵、舵軸與舵機(如採用油壓舵)必
須考慮及此。

四、波擊問題上船形設計之考慮:
A.  船重/波擊面:
若爰用落下試驗的波擊實測值,來作此設計之參考時,不得不注意到落下試驗之
模型重量/波擊面積  這變數,這一點已由探討關於落下試驗的楔形體模型重量
與實驗結果之相關的文獻[15]提出。同理,當 重量/波擊面 不同時相對的波擊的
大小、持續時間亦不同(除非重量到達相當值之後..),詳見文獻[15]。
依該文探究模型重量較小時波擊壓較小的原因,乃在於慣性重量小時,入水過程
中拍擊速度已漸減。而在有Trapped Air 情形下,則因壓縮空氣壓力有緩衝作用
,船體所受壓力較小,故減小量更大,故吾人知,本船筏因較一般船形的 慣量/
波擊面 小得多了,故在波擊過程中將有很大的速度減緩。

B. 橫斜角Deadrise:
本船設計為類似三胴的多摺船形,一來使得吃水較管筏及前幾版的改良設計為大
;二來使每一褶胴(ridge)的寬度減小,使褶稜的橫斜角增大。二者皆使最大波擊
壓減小,有益於波擊問題。
理由是:
Ⅰ.吃水增加除減少船身出水的次數外,亦期能使波擊過程時間加長,使速度降下
,使瞬間Cp max與A max皆減小。
Ⅱ.由橫斜角v.s Cp 之實驗圖表吾人研判,欲減小「前半波擊過程」之Cp,須將
傳統管筏近乎平面(橫斜角=0)的拍擊面改為有橫斜角的斜面。
本船採用多摺船形,橫斜角大約30度.
比較傳統管筏、民間改良筏(近平底)與多褶筏改良船三者,以多褶設計之橫斜
角最小。
總之,根據上圖可知橫斜角對波擊壓的關係是:在 3~20度的範圍內波擊壓大,
大於20度後便明顯減小,而小於3度後,則因Traped Air的氣墊效果(述於後),
而使波擊壓降下。

C. 氣墊效果Air-cushion Effect[12]:
根據文獻[13][14], 氣墊效果發生時波擊壓即驟降,此結論在3D實驗結論亦頗吻
合[11]。
故於本船之多褶設計構想,亦應用此原理。艉部舵螺槳附近設計成向上凹也是期
望受波擊時能產生氣墊效果。

結論:本船對於波擊的考量,因應的措施是:a.多褶的船形;b.艉部舵螺槳附近
底部船殼(因類似大片平板)設計為向上凹起。而其是否有效,尚得以實驗證明,
只好留待以後再繼續探討。
六、 破損時之浮揚性
管筏除非整個被浪打散,否則,因各管乃為獨立,故破損幾根對管筏之安全尚不
致構成立即威脅,此為管筏優點之一。今改為船亦必須能保持此一特性。
小船一般將無用空間(void space)灌以發泡材,使浸水時仍有足夠的浮力,本
船設計亦將破損或甲板浸水時之浮力當作佈置上考慮重點之一。本船填充發泡材
如佈置圖(見附錄 )所示,由破損計算可知,因單單發泡材之體積即已8.39立
方公尺,故當整條船全部浸水(每一未填發泡材的部份,包括每一艙間以及甲板
上亦是), 因發泡材加上結構材的浮力即可到達輕船重量,故本船仍有如同管筏
般的浮揚性。

隔艙壁的設置,乃是考慮單一船艙外殼破損時,吃水亦能在甲板線上(亦即以甲
板線為邊界線)。各艙水密,相當於管筏之各膠管獨立。
 結 論
本文經過廣泛的調查,整理出國內塑膠管筏之一般特性,選定一12m長、4m寬管筏
作為改良船之對象,據此設計一適合於西部淺吃水海域作業之船。希望能為政府
機構或漁民採用,經過實船驗証本文預估之性能,進而繼續改良其缺點,以後並
能據此開發更多種不同大小、型式、速率及適合不同作業需求之船,逐步推廣以
船代筏。

經由本文之研究與設計已獲得如下之成積:
a.在設計方法上,本文採用〝逼進法〞,將管筏化成簡單平板筏後再逐步轉換成
最後之三胴船。

b.在線圖之考慮,本船已將改良船之擴充性、及施工性考慮在內,可以一副簡易
模具作不同尺寸之船。

c.為配合b之需要及本文設計計算之方便,本文在電腦程式上適當擴充Auto ship模
具變形、計算變形後靜水性能之功能;連結AutoCad處理其3D顯示,以助設計工作
;並連結阿基米德程式完成穩度、可浸長度曲線計算。

d.在阻力推進性能之探討上,本文製作一1/4木製模型,作阻力試驗,將其結果與
成大之管筏試驗、FRP改良型近海漁船、駁船與V型雙胴艇(經驗式)作比較,發現
本船阻力,介於傳統管筏與FRP改良型近海漁船之間。此外並作油墨試驗觀察船體
表面流線情況,由以上之試驗發現改良船碎波阻力頗大,且可看出碎波阻力之發
生機構。本文並以一中速柴油引擎作螺槳設計例,由計算結果得在 hp下船速約
為 節。

e.改良船型之船舯後作成雙胴除為可以座底以外,並藉以增進方向穩定性。本文
並以阻力用模型作拘束模型之斜航試驗。

f.為瞭解雙胴對操舵效能的影響,本文並以二個不同大小之舵作拘束模型之舵效
試驗。本文亦定義「船形干擾」Cγ,據以判斷在與船身交互作用下舵效損失率
。由試驗結果知:1.在本船船形一定下,舵弦愈長者Cγ愈大。2.舵角20度左右
時Cγ值最大。3.因舵與船身的交互作用,本船之舵軸負荷較大。

g.儘量減少改良船波浪中之波擊為設計重點之一,經由文獻之研討,船形設計上
船艏使用三個深V型之船體(三胴)。船艉底板於螺槳處後向下傾斜成艉楔形。

h.為獲得破損後之浮揚性,改良船於難以利用之空間,皆填充發泡材,於甲板部
分破損或甲板進水狀態下亦不致立刻沉沒。而任一艙區浸水,亦不會使吃水超過
甲板邊緣線。

11.本文依交通部頒佈之〝玻纖強化塑膠船船體構造規範草案〞,作結構設計例,
並繪製一套結構圖。

由於時間、人力及設計者之學識所限,本文設計研究尚留有下述問題有待進一步
探討:
a.塑膠管筏數量龐大,型式、大小不一,本文只針對其中一型作改良船設計,為
此類研究之開始,以後應有更多、更深入的研究。
b.雖說三胴船之採用是經過多方探討,但其是否為適於淺海域使用之最佳船型或
唯一船型有待進一步探討。
c.推進上理應全盤考慮阻力與推進效率等因素,但本船未作自推試驗,螺槳單獨
試驗,因此無從知道本船之推進因子。

d.由於未作Rotating Arm test或以PMM作純平擺運動及純橫移運動試驗,本文未
能獲得直航穩定性指數。

e.運動性能尤其是波擊,為決定船舶耐海性之主要因素,改良船之運動性能有待
進一步探討。

f.本改良船設計雖然考慮各種不同需求,而可以有各種版本,如變化長、寬等尺
寸;固定式或可伸降式螺槳與舵;雙胴上流線艉鰭("FLOW LINE" SKEGS)的設計。
可惜因時間、人力等因素無法一一探討其性能。



參考資料:

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Taipei,R.O.C.
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造船會報,昭和45年5月。
[14]. 莊生侖,"Experiments on Slamming of Wedge-Shaped Bodies",JOURNAL
OF SHIP RESEARCH, SEPTEMBER 1967.
[15]. 莊生侖等,"模型重量對波擊壓力之影響",NTU-INA-Tech,Rept.106.
[16]. 大坪英臣等,"Structural Response of Ships due to Stern Flare Slamming"
,日本造船學會報,昭和61年11月.


    ╴╴ 致  謝 ╴╴



  碩士論文致謝偈:
 自由之愛已昨日,九年晦隱船海所;
 第一志願印眾心,真名相應這方舟。
 恩海諸名誰能謝,茲表文中蒼生謝!

感謝陳重盛老師耐心地教授深廣的造船學。這戰戰兢兢的實務工作,因為老師及
技工們,學生才能參予、承擔、盡微薄力。連富良師傅、李繼賢師傅是實驗工作
的最大奉獻者﹔許照旺先生、楊文光先生的模型、儀器製作亦是論文的基石。
茲代表能因這船而稍免於悲劇的苦命漁民,謝謝你們!

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