改变的话）、管系以及其他可变成本。不可变的成本是指对所有设计方案都相同的成本，例如通信导航设备、船员生活处所及设备的成本、船上的起重设备、甚至船舶电站等。可变与不变成本的区分视方案论证的范围而定。如果在比较大的范围内论证设计方案，那么建造成本很可能具有不连续性。例如在满足航速的最低要求下，在某一尺度范围内，可选用同一功率的主机，而另一个尺度范围内需选用另一功率的主机，那么与主机相关的造价就成为两个不变的成本。即使象船体钢料也存在与尺度关系不连续的情况。区分可变与不可变成本有利于避免和减少经济性分析中的虚假结果。在针对主尺度设计方案的经济性分析中，如果造价以相同的空船重量单价（或分为船体钢料、舾装、机电单价）来估算，而空船重量也仅由主尺度来估算，这种方法忽略了不变成本的影响，分析结果很可能夸大了主尺度对造价的影响程度。事实上，在主尺度的最优点附近较小的偏离对经济性一般不会有大的影响（除非该点正好是成本不连续性点）。
由于在主尺度分析时设计尚未深入，可变与不可变成本可能难以确定，此时可用近期建造的同型船舶的造价资料统计分析确定。这种建立在统计方法上的造价估算方法相对来说比较符合实际情况，其中也包括了不变成本的影响。下面根据文献［1］的介绍，给出几个造价粗估的统计公式。
① 统计回归式
对同型船舶的建造成本（C）可用以下关系式通过多元回归确定造价估算式：
?PSC?a1LW?a2???1000????????a3?1000???bc （5.4.11）
式中：LW为空船重量，指数b、c反映了功率（PS）和排水量（Δ）对造价变动的影响程度。
当不同设计方案的LW和PS及Δ有少量变动时，造价的变动率为：
?CC??LWLW?b?PSPS?c??? （5.4.12）
根据80年代国际船舶的建造成本统计，式（5.4.11）和（5.4.12）中的指数b，对于低速主机为0.60，中速主机为0.56，指数c值见表5.4.1。
表5.4.1 指数c值
船舶类型 C 杂货船 0.86 集装箱船 0.76 散货船 0.85 原油船 (5~20万t) 0.81 成品油船 (2~5万t) 0.86
② 同型船以空船重量（LW）为参数，造价与空船重量的关系大致为：
C?K?LW0.87 （5.4.13）
式中K为系数，用同型船舶的造价换算。
（2）营运成本
153
营运成本S可用下式计算：
S=（S1+S2+S3+S4)/CS （5.4.14）
式中各成本费用为：
① 人员费用S1 ：包括船员工资和津贴及加班费、伙食费、社会福利费。一般可按船员人数和人平均费用计算。
② 机器燃料和滑油费用S2 ：包括主机、副机、锅炉等消耗量。这些机器的燃料和滑油费用按年平均使用时间乘单位时间消耗量和单价来计算。主副机使用的燃油品质不同时，应分别计算。滑油费用的估算也可取主、副机燃料费的某一百分数来确定，如对于海船可取7~10％。年平均使用时间可根据航运部门的统计资料确定，也可以根据典型航线的营运情况确定每航次营运天数和年航次数，然后对每航次分航行工况、装卸货工况及停航工况详细计算燃料的消耗量。
③ 与造价有关的费用S3 ：这部分费用所包括的内容与经济性测算中对费用的分类有关。如果年度成本中包括了投资的年度偿还金，则与造价有关的费用有：投资（即造价）的当年偿还金（利息及部分本金）、维修费、保险费。如果投资偿还金单列，则营运成本中与造价有关的费用主要是维修费和保险费。维修费和保险费通常以造价的某一百分数来计算。
④ 与载货量和吨位有关的费用S4 ：与载货量有关的费用有装卸费、代理费、税金等。费用可按年货运量为参数来计算。与吨位有关的费用有港口费、引航费、拖船费、运河费、以及代理费等，年费用可按总吨位和年航次数来计算。
⑤ 其他费用系数CS ：包括企业的一般管理费、物料费（油漆、清洁剂、附加设备等）以及各种杂项开支。这些费用可按总成本的某一百分数计，即总的年营运费用为前四项费用之和除以CS。例如其他费用占总营运成本的12％，则CS=0.88。
（3）营运收入
营运收入的估算实际上是很困难的，因为受市场和竞争干扰的因素很大。运输市场常有大起大落的情况，它受整个国民经济和世界经济变化的影响很大，预测很困难。作为设计方案的经济性分析通常只能在假定的货源、航线和运价的情况下进行。
对于假定的典型航线，年营运收入按下式计算：
年收入＝年货运量×平均货运单价
年货运量QC为：
QC?2?C?WC?n （5.4.15）
式中：WC──船舶载货量（t）；
αC──每航次载货量平均利用率，对于单向货源情况（如专用的运煤船、矿砂
船、原油船）为0.5，其它船舶可根据航运部门统计值确定。
n──年航次数（往返算一次）。
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年航次数根据航运部门的经验或统计数据确定。详细计算为：
n=Z/t （5.4.16）
式中：Z──年营运天数，按365天扣除年平均修船停航时间以及避台风和封冻期时间， 一般由航运部门根据统计确定。
t──每航次所需天数，包括航行天数（航程（/VS·24））、进出港时间（减速航行）、
停泊时间（装卸货和候泊等时间）以及辅助作业时间（补充油水和物料、开闭舱口盖、油船拆装油管等时间）。停泊时间和辅助作业时间一般也以航运部门的统计数据来确定。
思考与练习
5.1 就一般情况而言，船舶总体设计方案构思主要应考虑哪些方面的问题？ 5.2 为什么一般散货船的货舱区都设有顶边水舱和底边水舱？它们有何用处？
5.3 设计集装箱船时，稳性问题要给予特别关注，解决好稳性问题也是集装箱船总体设计
中至关重要的工作。请问为什么集装箱船的稳性问题特别突出和重要？ 5.4 多用途货船有些什么特点？
5.5 主尺度的合理选择是新船设计中一项极为重要的工作，它涉及到新船设计的各个方
面。请问新船设计方案构思时，如何考虑主尺度的选择范围？
5.6 方案构思中，分析新船的主要技术性能时，以下问题该怎样来考虑？其基本思路是怎
样的？
①如何把握快速性？ ②如何保证完整稳性？
③如何改善船舶的横摇性能和纵摇及升沉运动性能？ ④如何保证操纵性能？
5.7 船舶设计中，为什么对初稳性高（GM）的控制要从上、下限两方面来考虑？ 5.8 船舶设计要满足法规的规定，从总体设计方面来说，哪些法规与主尺度选择直接有关？ 5.9 舶主尺度的选择要考虑许多因素，但在初始设计阶段，不能不分主次地考虑各种因素。
请问，对于载重型运输船舶，船长（L）、船宽（B）、型深（D）的选择主要应考虑哪些因素？对于布置地位型船舶又该主要考虑哪些因素？
5.10 船舶设计吃水（d）的选择，主要考虑哪些因素？对于载重型船舶，从满足浮力的要
求来考虑，适当增加吃水而减小其它尺度（如CB或B或L）,对快速性和减轻空船重量很可能是有利。为什么？试作分析说明。
5.11 有些船舶设计时采用两种吃水，即设计吃水和结构吃水，请问为什么要考虑两种吃
155
水？在两种吃水情况下，执行法规和规范时，应该取哪个吃水？
5.12 实船设计中，在选择方形系数CB时，经常面临浮力和阻力性能的矛盾，选择大一些
的CB，可减小L和B，在同样满足载重量要求情况下，能减轻空船重量，但对快速性不利。请问，一般情况下上述矛盾该如何处理为好？
5.13 尺度比（L/B、L/D、B/d）的大小与船舶的性能、强度等有直接关系。如果新船选择
的L/B较小，对阻力性能有何影响？B/d大对哪些性能有什么影响？L/D的大小主要对什么有影响，为什么？
5.14 如果你接受了一项新船的设计任务，在考虑选择主尺度时，你该从何处入手开展此
项工作？采用什么样的步骤来进行？
5.15 新设计一艘载重量为45000t的散货船，要求服务航速不小于14.0kn。假设没有其它
限制条件。试估算该船的主尺度LPP、B、D、d、CB，并以所选择的主尺度，估算该船所需的主机功率CSR、满载初稳性高GM和横摇周期（用式（5.3.49））。（用母型船的载重量系数粗估LW，粗步平衡重力与浮力，不必进行舱容的平衡。） （参考的母型船主要要素为：LPP×B×D×d×CB=180×31.0×16.6×10.5×0.82；DW＝40000t；常用主机功率CSR＝7182kW；螺旋桨转速N＝123rpm；服务航速VS＝14.5kn；满载重心高度KG＝10m。）
5.16 新船设计中，选择了满足约束条件的主尺度后，为什么还应该进行主尺度的优化？ 5.17 船舶经济性指标中的净现值NPV、内部收益率IRR、和最小货运费率RFR分别表示
什么意义，如果它们的指标值大则分别表示什么意思？ 5.18 船舶的营运成本是怎样计算的？
5.19 某航运公司建造一艘集装箱船，交船后尚欠船厂1000万元，商定5年内分期偿还，
约定第一年未偿还400万元，余款由后4年均匀偿还。年利率为10％，求后4年的每年偿还额。
5.20 某散货船的造价为15000万元（一次投资），设年货运量为120万吨，年营运成本中，
燃油和滑油费用为1450万元，维修、保险等与造价有关的费用为1000万元，港口、代理等与吨位或载重量有关的费用为750万元，其他的费用为总成本的12％。取船舶营运年限为15年，船舶的残值取造价的10％。求净现值NPV（取贴现率为10％）、内部收益率IRR和最小货运费率RFR。
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第五章 方案构思与主尺度选择
5.1 总体设计方案构思
总体设计方案构思是新船设计过程中的一个重要环节，是一项基础性的工作。它对设计工作顺利进行和保证新船设计质量有重要意义。总体设计方案构思的任务是：
① 分析各项设计要求，明确设计任务；
② 分析同类型船的资料，采用适当的估算方法和各种可用的技术手段，设立一个初步的新船总体设计方案，分析和确定各个设计参数可能的选择范围，研究新船设计中可能存在的主要矛盾；
③ 分析新船的主要技术性能和经济性指标，考虑所要采取的主要措施以及进一步开展设计工作的设想。
总体设计方案构思的特点是综合性强，涉及面广。该项工作涉及到总体设计所有方面的内容，需要考虑的因素很多，要在各种错综复杂的关系中理出头绪，寻找解决问题的办法。针对具体的设计任务，由于设计技术任务书规定的要求和明确程度不同，方案构思工作的难易程度也不同。例如常规船型的设计，如果任务书的要求详细又具体，那么方案构思相对比较简单；如果船型较特殊，要求上比较笼统、原则，设计方案选择的范围又广，那么方案构思就比较复杂。就一般情况而言，船舶总体设计方案构思主要包括以下几个方面的内容：
① 船型特征和总布置设想； ② 考虑和初步选择主尺度； ③ 主要技术性能的估算与分析；
④ 其他重要方面的考虑（如船舶的主要装备、法规和规范的要求等）。
以上这些方面的内容，在实船设计工作过程中，不是分割开来单独逐一进行，而必须将有关内容综合起来统一考虑。
下面对方案构思中有关方面的内容作一介绍。
5.1.1 船型特征和总布置设想
这里所说的船型特征是指某一类型船舶总体的基本特征。根据设计技术任务书的要求，新船的类型已经给定，通常吨位（载重量或总吨位）的大小也有基本要求，在此基础上进行总体设计方案的构思，需要对新船的特征和总布置有一个基本的设想。通过这项工作，可以对新船的概况有一个明确的概念，对如何满足新船的各项要求可以进行具
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体的考虑，可以将设计工作的各个方面直接联系起来，也便于暴露存在的主要矛盾。
船型特征和总布置设想的主要内容有：主船体特征、机舱部位、甲板层数、货舱形式、上层建筑的大小和位置、船体结构特点等。这些设想必须从新船的使用要求和客观情况出发，参考相近的优良实船资料和使用经验才能合理作出。每种类型的船舶，经过长期的使用和不断地改进，都已形成了各自的特征和特点。设计新船时对这些实践证明合理、有效的特征和特点应予以借鉴，并结合新船的具体要求有所改进和创新。
船舶的类型很多，就运输船舶而言，就有散货船、集装箱船、多用途船、滚装船、冷藏船、运木船、油船、化学品船、液化气体船、客船、车客渡船等各种船舶，它们有各自的特点。设计不同类型的船舶，总体方案的构思有所不同，对船型的特征和总布置的构思差别很大。限于篇幅，本书仅对散货船、集装箱船、多用途船这三种船舶的特点作一简要说明，其他类型船舶的特点可参阅有关文献。
1. 散货船
散货船以运输大宗货物为主，主要有：煤、谷物、矿砂等，也可以装运木材、钢材、纸浆、重货等。设计时一般以其中的一、二种货物为主来考虑。散货船的载重量一般都在万吨以上，大型散货船为13万吨~17万吨（好望角型），6~8万吨级为巴拿马型（型宽限制约为32.2m），4~5万吨级的称为灵便型。3.5万吨级以下的散货船有不少是吃水受限制的宽浅吃水船。国内沿海也有5千吨级左右的小型散货船。图5.1.1是一艘载重量为27000t的散货船。
图5.1.1 DW=27000t散货船
载运大宗货物的散货船都是低速船，所以船体都比较丰满，大多为单桨推进，宽浅吃水型船也有采用双桨。现代散货船一般都设置具有整流作用，并能兼顾压载航行工况的球首。
散货船的总布置有以下特点：
① 现代散货船都采用尾机型（机舱设在尾部）。这样中部方整的部位都可以用于货舱，有利于货舱口的布置和提高舱容利用率，也有利于结构的连续性，提高总纵强度。机舱的长度在机舱布置许可的情况下应尽量缩短。方案构思时可用第四章4.1.3节介绍的
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方法估算机舱长度。首尖舱的长度约0.05~0.07LPP，尾尖舱的长度约0.035~0.045LPP。
② 散货船的货舱通常设有顶边水舱和底边水舱，如图5.1.2（a）所示。这种货舱形状的好处是：减少了卸货时的清舱工作量；可以将散货装满，减少平舱工作量；顶边舱和底边舱用于装载压载水，增加了压载量，提高了压载重心，可增加压载航行的首尾吃水和改善压载状态的横摇性能。顶边舱和底边舱的形状参数详见第七章的图7.2.2。图5.1.2（b）的货舱形状是在（a）的基础上增设了舷侧的内侧板，从而形成了一个完整的双壳体结构，增加了船体的强度和刚度，对破舱稳性也有利，但对货舱舱容有一定的损失，也增加了一些船体钢料。图5.1.2（c）是矿砂船的货舱形状，因矿砂密度大，所需舱容小，所以双层底高度和边舱尺寸都很大，这样可避免货物重心过低，初稳性过高，横摇周期过短。散货船货舱的数量根据船的大小、装卸设备的配备以及破舱稳性的要求确定，每舱长度一般不超过30m。
图5.1.2 散货船货舱剖面形状
③ 散货船一般都为单甲板（仅有一层连续露天甲板）。大型散货船大多仅设甲板室，无首楼和尾楼，也有些仅设首楼，无尾楼；中小型船一般都设有首楼，并根据需要也有设置尾楼。驾驶室以及船员生活舱室等都设置在船尾。甲板室的层数和高度根据所需的布置地位以及驾驶盲区的要求确定。
④ 散货船大多设有甲板起重机，主要用于卸货。对于主要用于定线运输煤、矿砂等散货的船，如码头有装卸设备，则船上可以不设起重机。现代散货船根据需要也有采用自动卸货设备，称为自卸散货船，常用重力喂料、皮带输运方式。这种设备一般由料斗、斗门、舱底输送带、横向输送带、提升带以及悬臂输运带等组成。自卸船的造价比较昂贵。
2．集装箱船
集装箱船的大小通常以20ft标准集装箱（TEU）数量来表示。一般来说载箱数超过2500TEU为大型船，载箱数在500TEU以下的为小型船。目前，巴拿马型集装箱船的载箱数在2500TEU~4400TEU，超巴拿马型的集装箱船都在4000TEU以上。图5.1.3是一艘小型集装箱船的布置概况。
110
图5.1.3 365TEU集装箱船
集装箱船的航速一般较高，大多为中速船（Fn大多在0.22~0.26），现代集装箱船有向更高航速发展的趋势。集装箱船为了快速离靠码头，除了小型船以外，大多设有首侧推装置。
集装箱船的总布置有以下特点：
① 集装箱船的机舱部位，对于中小型船大多采用尾机型，大型船也有采用中尾机型（即机舱后面还设一个货舱）。由于集装箱船航速较高，方形系数较小，所以船尾部比较削瘦，采用尾机型机舱需要较大的长度，而中尾机型船的机舱长度相对可减小。
② 集装箱船的货舱形状由于大开口的要求，绝大多数采用双壳体结构。为了提高甲板大开口船的抗弯、抗扭强度，双壳体的上部都设有平台，形成箱形抗扭结构，如图5.1.4所示。由于货舱盖上要堆装多层集装箱（一般在4层以上），所以舱盖要有足够的强度。吊装式舱口盖（集装箱船绝大多数采用这种形式的舱盖）因每块盖板的重量要控制在起货设备的起吊能向布置三个货舱口的集装箱船货舱形式。
关于集装箱的布置详见第四章4.4.2节。
无舱盖集装箱船是近年来发展起来的船型。它的优点是没有甲板上需要绑扎的集装箱，无需开启和关闭舱口盖，因此可大大缩短停港时间。无舱盖集装箱船设计中必须考虑货舱进水的问题，对此规范有专门的规定。为了防止甲板上浪时货舱的大量进水，无舱盖集装箱船的型深都特别大。设计中对货舱上浪进水量的考虑一般需要通过船模试验
111
图5.1.4 集装箱船货舱形式
力范围内，所以舱盖的大小、布置和支撑形式与货舱的设计也有密切关系。图5.1.4是横
确定，此外船舶还需配备较强的舱底水排放系统。
③ 集装箱船的上层建筑具有长度短，层数多的特点。长度短是为了节省甲板面积；层数多是驾驶室高度的需要，目的是为了解决驾驶盲区的问题。IMO规定集装箱船驾驶盲区不应大于2倍船长。有些集装箱船为了解决驾驶盲区的问题，将驾驶室和整个居住舱室设于首部，以求有大的载箱数，但造价会有所增加，且机舱人员工作不便。集装箱船因航速较高，船首容易上浪，所以一般都设有首楼，并在首楼上设置一定高度、具有足够强度的挡浪板，以便保护首部甲板上集装箱免受波浪的正面冲击。
④ 大中型集装箱船通常不设起货设备。小型集装箱船为适应小型港口的需要，常设置甲板起重机。为了减少设置起重机对集装箱布置的影响，有些船将起重机布置在舷侧。
⑤ 集装箱船由于重心很高，为解决稳性问题，满载情况也常需要用压载水来降低重心高度，所以双层底舱几乎全部用作压载水舱。此外，首尾尖舱、两舷双壳体内一般也用作压载水舱。为了平衡装卸集装箱时的横倾，两舷边舱中的左右一对压载水舱通常各装50％压载水，用作调整横倾。集装箱船在装卸舱内集装箱时横倾不能超过5°，以免集装箱被导轨卡住。
3．多用途船
多用途船一般是指多用途干货船，其用途不包括装载液体货。多用途船是从杂货船演变而来的。由于集装箱运输的迅速发展，一般包装杂货（如百货、五金、一般机械设备等）几乎都采用集装箱运输，普通件杂货的货源已很少，因此以往的杂货船已经淘汰，取而代之的是多用途船。多用途船可以看成是杂货船、集装箱船、散货船几种船型的混合型船。由于不同货物性质上的差别，多用途船不可能对各种货物都有最高的运输效率。设计多用途船通常以某一类货物为主，兼顾其他货物，例如以集装箱为主的多用途船，或以散货为主的多用途船等。
多用途船的优点是灵活，在货源不稳定的情况下，具有适应性强的特点，特别适
应中短途的货物运输。对于长航线的运输，多用途船显然没有大型专用船舶效率高。所以多用途船的吨位一般都不大，载重量大多在25000t级以下，大于25000t级的多用途船大多以散货为主。
多用途船的航速一般介于同吨位的散货船和集装箱船之间。不同吨位的多用途船
经济航速约为表5.1.1所列之值。船东从提高揽货能力考虑，常希望服务航速比经济航速再提高1节左右，特别是以集装箱为主的多用途船。
多用途船的建筑特征与散货船或中小型集装箱船相似，一般都采用尾机型，
表5.1.1 多用途船经济航速
DW(t) 5000~8000 8000~10000 13000~15000 18000~22000 25000以上（散货多用途船） V(kn) 12~13 13~14 14~15 15~16 14.5~15 112
的规律性，即能够知道新船的主尺度与空船重量、舱容、航速、稳性等的统计规律，并且这种规律能用比较可靠的数学模型来表达；对于约束条件可以建立等式或不等式关系；能够给出选优的标准。在这种条件下，可以选用合适的数学优化方法，对主尺度进行选优。其做法是将数学模型、约束条件和优化方法编制成计算机程序并进行运算，就可以得到所谓的最优方案，或按选优标准排序输出后再作分析、判断和选优。这种方法也称为一般寻优方法。关于这种方法，可参见本书的第八章8.2节的有关介绍。在选择型船资料建立数学模型时，应注意不同时期法规和公约要求不同而产生的差异。例如油船以往没有双底双壳和专用压载舱的要求，其同等载重量的船与现在的船相比，主尺度要小些。
另一种情况是新船具有某些特殊性的新船型，或者有较强的布置地位特征导致设计变量的不连续性，或者某些重要因素难以建立起确切的数学模型，等等。这种情况下，选优的一般做法是先突破一点，再扩展寻优。即先做出一个可行方案，在此基础上，根据需要与可能，改变基础方案的设计变量，得出若干可行方案，综合相关因素的考虑，分析选出最佳的方案。
关于新船设计方案中主尺度的优化问题，已经有许多人做了大量的工作，探索了不少的方法，有许多文献资料可供参考。但是实践证明，建立在数学模型基础上的一般寻优方法，尽管在优化理论上是严密、合理的，但如果缺乏仔细全面的、切合实际的基础性工作，所建立的数学模型不够正确，或者不能体现新船的特点，那么结果是不可靠的，得到的所谓最优解也没有多大的意义。此外，根据统计规律建立的数学模型，其代表的只是平均水平，统计样本越多，其水平越一般，所以优化的结果只是相对于平均水平的结果。如果对设计方案的关键性技术进行深入的研究，并能有所突破，那么其收益很可能是巨大的。新船设计方案的优化应提倡这种创新的精神，不应停留在原有水平上进行重复设计。
3．关于约束条件和选优的目标及衡准
在主尺度以及设计方案的优化中，经常遇到约束条件和选优衡准如何确定的问题。在约束条件中，有些是设计技术任务书要求的，例如最低的航速、积载因素、载重量等，还有些是从法规和使用要求中间接确定的，例如初稳性高的下限、最小横摇周期等。在用一般寻优方法进行主尺度优化时，还常常给出尺度比参数的搜索范围。这些约束条件如果给得太宽松，由于简化的数学模型还存在一定的误差，那么所得的可行方案中就可能存在实际上不可行的方案。如果约束条件太严，寻优的结果往往是处于边界上的方案，此时，如适当放松约束，就会出现更优的方案。因此，在设计方案寻优中，合理确定约束条件也是一件关系重大的工作。不必要的苛刻条件很可能将优秀的方案扼杀掉。
优化设计方案的另一个重要问题是选优的目标与衡准，即标准是什么。从评价方案的指标来看，可以分为技术性指标和经济性指标两大类。这两种属性的指标在评价方案的优劣时也经常是有矛盾的。从原则上说，选优衡准应根据新船的使用任务而定。对于
148
一般运输货船通常以经济性指标为主，同时注意技术性指标；其他特殊用途的船舶，如工程船、海洋调查船等，为保证特定的使用要求，应将重要的技术性指标放在首要地位来考虑，兼顾经济性。
技术性指标有单项指标，也有综合性指标。单项指标如航速、稳性、操纵性、风浪中的失速和摇摆等等。对运输货船的综合性技术指标有载重量系数、海军系数、舱容利用率以及耗油率等（详见本节5.4.2的介绍）。对于经济性的评价，侧重点不同，指标也不同。从航运公司的角度出发，目标通常是最大的收益和最小的货运费率，前者包括了投资的效益和营运中的利润；后者表示低的运输成本，更有利于运输市场的竞争。从造船厂的角度出发，优化设计方案的目标比较简单，即最小的生产成本。也就是说根据任务书的规定，在技术上满足船东要求的前提下，选择低的建造成本的设计方案为优。
由此可见，由于对设计方案选优的侧重点和重要性看法不一致，对经济性指标存在不同的观点，加上某些技术性能和使用效能对经济性的影响难以用直接的关系准确表达，所以选优的衡准也是一个常引起争论的问题。
关于船舶经济性指标，根据我国国家计划委员会《建议项目经济评价方法和参数》
［52］
的要求，作为必须进行的盈利能力分析指标是内部收益率IRR和净现值NPV。本节5.4.2中对这两个指标的计算作了介绍，此外还介绍了对于航运公司比较感兴趣的最小货运费率RFR指标的计算方法。
5.4.2 技术与经济性的评价指标
评价一艘运输船舶的优劣通常从技术性和经济性两个方面来考虑。为了使评价建立在合理的基础上，必须有科学的评价指标。
1. 技术性指标
单项的船舶技术性能指标有装载能力、快速性、稳性（包括破舱稳性）、耐波性、操纵性以及强度、振动等。其中稳性、强度、振动方面的指标通常以满足法规和规范及使用要求为前提，对于耐波性和操纵性，虽然有关这方面的研究也已有一些定量衡准的指标，但由于决定这些指标的影响因素（如环境条件，船舶的运动响应以及衡准要素等）比较复杂，所以除了对耐波性或操纵性有特殊要求的船舶以外，一般运输货船在综合评价指标中不将其列入，而以满足航行和操纵使用的要求为前提。作为评价运输货船（主要是载重型船舶）的综合性指标主要有以下几个：
① 载重量系数：DW/Δ或者DW/（LPP·B·D）。该指标反映了空船重量越轻越好的原则。
② 海军系数：Δ功率能多装快跑。
③ 舱容利用率：VC /LPP·B·D。该指标要求船上非赢利的处所尽量少，用于赢利的载
149
2/3
·VS/PCSR或DW
32/3
·VS/PCSR 。该指标要求船舶以较小的主机
3
货容积VC所占比例越大越好。
④ 单位油耗FC/（DW·VS×24）。该指标主要反映了节能的要求。
以上各式中，VS为服务航速（kn）；PCSR为服务航速下的主机连续功率（kW）；VC为货舱容积（m3）；FC为主机日耗油量（t/d）。
在应用以上评价指标进行比较时，不同的设计方案其载重量应基本相当，否则大船总是优于小船。
对于集装箱船，应用以上指标时，可将载重量DW改为载箱数或实箱数（载箱数中扣除空箱数，每标准箱重量相同）。
2．经济性指标
船舶由于使用期长，投资大，所以经济性核算中与资金的时间价值──利率关系重大。资金的时间价值可用现值因数（PW）或终值因数（CA）来计算。现值因数是将未来某时刻发生的资金按复利的关系换算成现值的乘数，终值因数是把现在发生的资金（现值）按复利关系换算成将来某一时刻的资金（未来值）所用的乘数。
对于一次支付的情况，现值因数PW为：
PW??1?i??n （5.4.1）
式中：i──利率（或贴现率），一般用年利率； n──期数，一般用年数。 终值因数CA为PW的倒数，即：
CA?1/PW??1?i? （5.4.2）
n例如，本金（投资额）为P，按复利关系，n年后本金加利息为F，则F与P之间的关系为：
F?P?CA?P(1?i)n 或 P?F?PW?F(1?i)?n
在船舶经济性计算中，由于在船舶使用期内资金（营运成本和收入）是每年都发生的，造船投资（造价）一般也是分期偿还的。对于一次支付，分期（如每年）等额偿还的情况，则有以下关系：
P?A?1?i??1?A?1?i??2????A?1?i??n
?A?PW1?PW2????PWn?
（5.4.3）
式中：P── 一次支付的金额； A── 分期等额偿还金额；
按等比级数求和公式可得：
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式中：
P?A?SPW
SPW??1?i?n?1 （5.4.4） n?1?i??i上式SPW称为系列现值因数，即将今后一系列等额资金换算成现值的乘数。SPW的倒数称为资金回收因数CR，其含义是把资金的现值总数换算成分期等额偿还金额所用的乘数，即：
A?P?CR
式中：
CR?1?1?i?n?i （5.4.5） SPW?n?1?i??1系列现值因数SPW和资金回收因数CR在船舶经济性指标计算中经常使用。 完整意义上的船舶工程项目的经济性评价要考虑的因素和指标很多，应按国家有关部门制定的评价方法和指标进行。在这里我们仅介绍作为不同设计方案评估中对经济性考虑时经常使用的几个指标。
（1）净现值NPV
净现值NPV是指船舶在整个营运年限（n年）内，各年度收入的现值减去成本现值后所剩余的差额，如考虑船舶的残值则再加上残值的现值。成本包括营运成本和投资成本。
各年度收入和成本不等时，NPV按下式计算：
NPV???PWi??当年收入?－PWi??当年营运成本i?1n?－PWi??当年投资偿还??
＋PWn??船舶残值? （5.4.6）
?－造价＋PWn??残值如果各年的收入和营运成本相同，且造价为一次投资，则净现值计算可简化为：
NPV?SPW??年收入－年营运成本? （5.4.7）
以上两式中，PW和SPW分别用式（5.4.1）和式（5.4.4）计算，计算中贴现率i为企业预期的投资收益率。
显然，NPV≥0表示该船经济效益达到或超过了预期的投资收益率。NPV＜0则表示该船达不到预期的投资收益率。
NPV是船舶盈利能力分析中的一个重要指标。但是由于n年内贴现率的实际发生难以确定，所以用于单个方案确定性分析实际上是困难的，用于多方案比较时可以看出盈利能力的差别。
（2）内部收益率IRR
内部收益率IRR是指净现值为零情况下的贴现率i，如果忽略船舶残值，则IRR就是投资额（造价）等于各年收入扣除成本后现值总和的贴现率。当投资为贷款时，贴现率与贷款利率有一定的关系，当IRR大于贷款利率时，表示投资有利可图。IRR可以用NPV
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（不计残值）的计算式用内插法近似求得，即：
IRR?iL?(iH?iL)NPVNPVHLL?NPV （5.4.8）
式中iL为低的贴现率，iH为高的贴现率，要求以iL和iH计算所得的NPVL和NPVH一个为正值，另一个为负值，这样内插即可求得IRR。
IRR在成本效益分析中应用较广泛，用于不同方案比较时，对于投资额相近的不同方案，比较其IRR值，可判断获利能力的高低。
（3）最小货运费率RFR
最小货运费率RFR可以理解为在预定的贴现率情况下，每吨货物所需的最小运费。 各年度成本不同时，RFR用下式计算：
?nRFR????PWi??当年营运成本?i?1?＋PWi??当年投资偿还??－PWn??船舶残值????年货运量 (5.4.9)
当各年度支出相同，且造价为一次投资时，RFR可用下式计算：
RFR??年营运成本＋CR?造价－PWn?残值??年货运量 （5.4.10）
式中CR用式（5.4.5）计算。
由于计算RFR不涉及到收入，所以当收益不能确定或难以衡量时可用RFR来比较不同的设计方案。RFR小表示该方案运输成本低，在运价方面具有竞争优势。
（4）其他经济指标
船舶的经济性指标除了以上几种以外，还有许多种，例如投资回收期PBP、费用现值PC等。投资回收期PBP是指以投资（即造价）除以年平均收益，表示以收益抵偿投资所需的时间（年数）。用PBP指标比较方案时，难以反映回收期以后的获利能力，一般作为一种参考指标。
在选用经济性指标时，由于不同的指标则重点不同，在比较设计方案时，采用的指标不同其评价结果很可能是不一致的，所以应分析选用，或者同时考虑几种指标，比较其结果再结合实际情况来分析选优。
3．关于成本和收入
船舶的成本包括建造成本和营运成本。 （1）建造成本（造价）
船厂建造一艘船舶所化费的成本可分为二类。一类是船厂自有资源的生产成本，包括人工费、材料费、各种生产系统的折旧费和修理费及租金、税金、管理费以及各种杂项费用。另一类是外部资源的成本，包括外购的各种船用设备、材料、物品及相关的服务费用。
从多方案的经济性分析角度看，建造成本应分为可变与不可变二类。可变部分的建造成本随方案的不同而改变，例如船体建造成本、主机及推进装置成本（如设计方案中
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集装箱船（Nc<2500）：
Lpp?47?0.16N?0.725Nc2?10?4?0.135Nc3?10?7 （5.3.7）
以上各式中：Vs──服务航速 （kn）；
Nc──20英尺标准集装箱数量。
2．估算船宽B和吃水d的近似公式
估算B和d的近似公式在实船设计中使用得不是很多。这是因为在选择主尺度时，如果对新船的L/B和B/d已有所考虑，那么初步选择了船长以后，B和d的大致尺度也就被确定了，此外，B和d有时有限制（特别是吃水d），此时B和d更多地通过分析来初步选择。由于决定B和d的特殊因素较多，统计结果的相关性也较差。所以在实用上估算B和d的近似公式有较多的局限性。当限制因素不大时，可以用近似公式估算B和d，然后再对其估算结果以及由此而确定的尺度比参数进行分析后选择。 （1）用型船资料估算
对于载重型船舶，B和d可用排水量或载重量来换算。
B?Bo(?d?do(??o)1/3 （5.3.8） （5.3.9）
?o)1/3或者： B?C1?DW d?C2?DW1/3 （5.3.10） （5.3.11）
1/3以上各式中，下标“o”表示母型；C1、C2由母型船资料确定。 （2）经验公式
B?LPP10?kbd?LPP20?kd （5.3.12） （5.3.13）
式中：kb──对于L<150m的船，一般可取5~7m，小船取小的值；集装箱船以及吃水有限制的船可取更大些的值。
kd── 一般可取1~2m，小船取小的值。
集装箱船或多用途船以甲板上集装箱列数来确定船宽时：
B?bc?rD?(rD?1)Cc （5.3.14）
式中： bc──集装箱宽度，通常取标准箱宽8ft（2.438m）； rD──甲板上集装箱列数；
Cc──集装箱列与列之间的间隙，通常为0.025m，或0.038m或0.080m（集装箱
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紧固件操作的标准间距，视紧固件型式而定）。 集装箱船的吃水（不受限制时）：
d?0.36DW1/3 （5.3.15）
在选取吃水时，一个比较重要的考虑因素是能够保证螺旋桨有一个适宜的直径。从这个因素出发，根据功率和螺旋桨转速，可用以下近似公式估算所需的吃水：
d?K(P0.2/N0.6) （5.3.16）
式中：P──单桨收到功率（kw）； N──螺旋桨转速（r/min）；
K──系数，单桨船为29~30，双桨船为32~36。 （3）统计公式 散货船（DW>10000t）
B?0.0734?L1.1371.051 （5.3.17） （5.3.18）
d?0.0441?L 多用途船（DW>10000t）
B?9.905(DW/1000)0.2913 （5.3.19） （5.3.20）
6740.2334d?3.992(DW/1000)0.2924或者： B?5.644(DW/1000)0.2d?2.038(DW/1000)0.2687Vs （5.3.21）
Vs0.2791 （5.3.22）
3．型深D的估算公式
由于型深主要是根据相关因素（舱容、布置地位等）的校核结果来确定，所以估算D的近似公式仅在初始选择型深时使用。 （1）用型船换算
载重型船舶从货舱容积考虑，如果新船的货船长度占船长的比例和货舱部位及结构形式与母型船差别不大时，可用下式换算：
D?DOLOBOLBWC?CWCO?CO （5.3.23）
式中：μC——积载因数；
WC——载货量，如载货量未知，也可用载重量DW来近似替代； 下标“o”为母型船。
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如果从干舷考虑，D可用下式换算
D?Doddo （5.3.24）
集装箱船的型深由舱内箱的布置确定时，可按下式估算：
D?C?hD?tH?hC?hH?Ca
（5.3.25）
式中：C──舱内最上层箱顶与舱盖之间的空隙，约为0.25~0.3m； hD──货舱双层底高度，hD的选择可参见第七章7.2.1节的内容； tH──舱内集装箱层数；
hC──集装箱高度，常用8.5ft（2.591m）
hH──舱口围板在中心线处的高度；如考虑甲板上两舷集装箱下面人员通行时，
hH约为1.5m左右；
Ca──甲板梁拱高度，一般为B/50~B/80。
（2）统计公式
多用途船（1000t D?5.46(DW/1000)0.2916 （5.3.26） 油船（15000t D?1.29DW0.25?2.5 （5.3.27） 4．方形系数CB的估算 CB的选择通常首先是考虑在阻力性能上与傅汝德数Fn的有利配合。如果选择CB时偏重于新船造价方面的考虑（加大CB减小其他尺度），方形系数的确定也应顾及到不使阻力性能严重恶化。有关方形系数和阻力性能关系的研究很多，这方面已积累了丰富的经验，有不少的经验公式可供估算CB时使用。方形系数的估算公式一般都表示为CB =f（Fn）。这种估算式对兴波阻力的“峰”、“谷”情况都不能反映，使用中应予以注意。有关兴波阻力“峰”、“谷”的估算详见船舶原理（阻力部分）。 （1）亚力山大公式（适用于Fn≤0.30） CB?C?1.68Fn （5.3.28） 式中：C──系数，一般可取1.08；航速较高的船（Fn>0.22）可取1.06左右，大型低速船（如大型油船，散货船，Fn=0.15~0.17）可取1.14~1.10。对于兴波阻力位于“峰”区的船，C应适当取小（如减小0.02左右）。 近期设计的低速货船方形系数取值有比亚力山大公式估算结果更大的趋势。 （2）其他经验公式 从快速性方面考虑，CB与Fn的关系还有许多经验公式，图5.3.1以曲线形式给出了几种估算资料。 140 （3）统计公式 方形系数的统计公式表示的是某种船型CB取值的大致规律，一般为大宗货运输船，这类船数量较多，容易得出规律。 散货船： CB?1.0911L?0.17020.15870.0612?0.0317 图5.3.1 CB与Fn的关系 BdVs （5.3.29） 多用途船： CB?1.261?2.49Fn （5.3.30） 油船： 上限中值下限CB?0.912?0.487Fn??CB?0.907?0.555Fn?CB?0.915?0.723Fn??(5.3.31) 5.3.2 主要性能的估算方法 1．快速性估算方法 新船快速性的估算在不同的设计阶段可采用不同的方法。在方案构思阶段，一般采用简便、粗略的方法。当船型参数（包括主尺度、船型系数、浮心位置等）已经确定，推进系数可以估算时，可以用比较详细的方法来估算快速性。预报快速性最可靠的方法是通过船模试验。有关船舶阻力和推进的知识在船舶原理书中已有详细的介绍，在这里我们仅介绍快速性粗估的方法，对比较详细的估算方法作一些说明。 （1）粗略估算方法 ① 海军系数法 海军系数为： C??2/33VP （5.3.32） 式中：Δ──排水量（t）； V──航速（kn）； P──主机功率（kw）。 根据母型船的排水量，航速和主机功率可算得海军系数C值，假定新船的C值与母型船相等，则可根据新船的排水量和航速估算所需的主机功率或者根据新船的排水量和主机功率估算新船能达到的航速。 应用海军系数法的前提是，两船的主尺度、排水量、航速和形状（指水下形状）相 141 近，推进效率也相近。对于低速船（指总阻力中摩擦阻力占主要成分）可用航速相近的海军系数。如果航速较高则宜采用相同的傅汝德数（Fn）处的海军系数。对于高速船用海军系数法估算误差可能很大。 海军系数法的应用也可以根据实际情况灵活处理，例如当两船推进效率相差较大时，可用式（5.3.32）估算有效功率（式中P改为PE），而推进效率用其他方法估算。 ② 按排水量换算 当两船水下形状相近时，可用母型船有效功率曲线（PEo~Vo曲线）上相应速度处的PEo按排水量换算新船的有效功率PE，如假定推进效率也相当，则可用母型船的推进效率换算得新船的主机功率。具体方法是：首先根据新船的航速按排水量关系计算对应母型船的船速点： VO?V(?O/?)1/6 （5.3.33） 根据VO在母型船的PEO~VO曲线上查得PEO后，则新船的有效功率PE为： PE?PEO(?/?O)7/6 （5.3.34） 如假定两船推进效率相等（PEO / PO= PE /P），则 P?PE(PO/PEO) （5.3.35） ③ 统计回归公式 中小型船舶可采用下列回归多项式估算航速： V?2.42Lpp0.17273B?0.22589d?0.06644CB?0.41631(P/0.736)0.205N?0.01033 （5.3.36） 式中：P──螺旋桨收到功率（kW）； N──螺旋桨转速（r/min）； （2）比较详细的估算方法 比较详细的估算方法，常用的是采用相近的船模试验资料来估算新船的阻力，并根据新船的主机功率和螺旋桨转速等已知条件，计算推进效率，进而求得新船的航速。相近的船模试验资料主要有两种，一种是相近的母型船船模试验资料，另一种是相近的系列船模试验资料。推进效率可用近似方法估算，或者直接用螺旋桨设计方法求得。 ① 应用母型船的船模试验资料估算阻力 应用母型船的船模试验资料，通常是指利用母型船的剩余阻力系数进行必要的换算后得到新船的剩余阻力系数，而新船的摩擦阻力和推进效率另行用详细方法计算。剩余阻力系数CR的换算公式是： CR?kCRo （5.3.37） 1/3 式中k为剩余阻力换算系数，包括对Cp（或者CB）、L/Δ （或者L/B）和B/T的修正， 142 即： k?k1k1O?k2k2O?k3k3O 1/3 式中k1~k3和k1O~k3O分别为新船和母型船关于Cp（或者CB）、L/Δ算可查阅文献[1]。 ② 应用系列船模试验资料估算阻力 （或者L/B）和B/T 的参数，这些参数可以利用系列船型的试验资料经分析总结而得出。有关k值的具体计 应用系列船模试验资料估算阻力是设计中较常采用的一种方法。系列船型的试验资料很多，表5.3.1列出了常用的几种。系列船型的试验资料一般以图谱形式给出，现多数已回归成数学计算公式，编制成简单程序后计算很方便。有关资料从文献和手册中都能找到，这里不再详述。应用时应选择与新船相近的系列船型，并注意其适用范围。 表5.3.1 几种系列船型阻力估算图谱 系列名称 扩展的泰勒系列 Cp=0.5~0.8 60系列 CB=0.6~0.8 BSRA系列 CB=0.55~0.85 SSPA系列 CB=0.525~0.75 日本肥大型船系列 （CB=0.78~0.84） 浅吃水肥大型船系列 （CB=0.79~0.85） 适用范围 适用于双桨高速瘦削船型 适用于尺度较大，航速较高的单桨商船，首、尾横剖面呈U型 适用于V/L?0.6~0.85计算结果 裸船体有效功率，计算的阻力一般偏低 裸船体有效功率，计算的阻力值略低 裸船体有效功率，计算的数值略低于实船 裸船体有效功率，对船长大于150m的船，其数值略高 裸船体有效功率，数值比60系列略高 裸船体有效功率 的中速单桨海船，尾横剖面呈U型 适用于中、高速单桨中小型运输船，首横剖面呈V形，低速船呈U形 适用于低速肥大型船，横剖面呈U形 适用于低速单桨浅吃水运输船，有球首和球尾，含不同装载情况 ③ 推进效率的估算 螺旋桨推进效率为 PC??0??h??r??s （5.3.38） 式中η0、ηh、ηr、ηs分为螺旋桨敞水效率、船身效率、相对旋转效率和轴系传动效率。 对于直径不受限制的螺旋桨敞水效率可用设计图谱的最佳效率曲线的回归公式估算。盘面比0.4~0.55 的4叶B系列螺旋桨敞水最佳效率可按下式近似估算 ?0?(75.88?0.845Bp?0.827Bp?102?2?0.325Bp?103?4)/100 （5.3.39） 式中：Bp?N(P/0.7457)Va2.51/2， 其中：P——螺旋桨收到功率（kW）； N——螺旋桨转速（r/min）； VA=V（1-w），式中V为航速（kn），w为伴流分数。 143 船身效率为： ?h?(1?t)(1?w) （5.3.40） 式中：w和t分别为伴流分数和推力减额分数，可用表5.3.2所给的近似公式估算。 相对旋转效率ηr一般在0.98~1.02，粗估时可近似取1.0。 轴系传动效率ηs根据减速齿轮箱效率和轴系长度（与轴承数量有关）来决定，粗估时，一般无减速齿轮箱时可取0.98，有减速齿轮箱时可取0.95~0.96。 表5.3.2 伴流分数和推力减额分数的部分近似估算公式 伴流分数 泰勒（D.W.Taylor）： w?0.5CB?0.05 w?0.55CB?0.20 海克休（Heckscher）： w?0.70Cp?0.18 w?0.70Cp?0.30 推力减额分数 桑海（K.Schoenherr）： t?(0.5~0.7)w（流线型舵） t?0.25w?0.14（采用轴包架） t?0.70w?0.06（采用轴支架） 适用情况 单桨船 ??双桨船 ? 单桨船 双桨船 海克休： t?0.50Cp?0.12 t?0.50Cp?0.18 哈瓦尔特（S.A.Harvald）数据的回归公式： w?1.007?3.68CB?3.38CB?1.5B/L 2哈瓦尔特数据的回归公式： t?0.727?2.36CB?2CB2?1.1B/L 单桨船 2.初稳性的估算方法 完整稳性的估算方法中，比较成熟和简单的是初稳性的估算方法。也有一些大倾角稳性的估算方法，但因大倾角稳性涉及因素较多，在方案构思和主尺度选择阶段许多因素尚未决定，故应用较少。初稳性高可按以下方法估算。 根据船舶静力学，初稳性高GM为： GM?KB?BM?KG （5.3.41） 式中各参数与主尺度的关系为：浮心高度KB∝d，横稳心半径BM?B2/d，重心高度KG∝D。所以有： GM?a1d?a2Bd2?a3D （5.3.42） 如果有相近的母型船资料时，系数a1、a2和a3均可按母型船资料换算。缺少母型船资料时，a1和a2系数可用表5.3.3给出的近似公式估算，公式中用到的水线面系数CW近似可用式（5.3.43）估算，也可按6.3.1节介绍的方法确定。 CW?(1?2CB)/3 （5.3.43） 144 表5.3.3 a1和a2的近似估算公式 a1 13(2.5?CWCW?CWCBCW) 适用情况 型线为中等UV度横剖面 1a2 CW2适用情况 211.4CB普通形状的水线 型线为较U型横剖面 CW(0.17CW?0.13)CB 水线面较丰满 估算非满载设计吃水（d′）状态下的初稳性高时，可先按以下公式估算出对应d′时的方形系数CB′和水线面系数CW′，然后再按式（5.3.42）式估算初稳性高。 CB'?CB(d')dCw'?Cw(d')dCWCB?1 （5.3.44） （5.3.45） CWCB?1已知非满载的排水量Δ′时，其对应的吃水d′可用下式估算： d'?d(?')?CB/CW （5.3.46） 3．横摇周期的估算 横摇周期的计算公式为： T??2?Ix?Ax?gGMIx'?gGM （5.3.47） ?2?式中Ix和Ax分别为船体和附连水质量惯性矩（t?m2），Δ为排水量（t）。GM为初稳性高（m）。由于Ix和Ax都不易计算，习惯上将两者合二为一，即Ix'?Ix?Ax。Ix′可用试验或经验的方法确定。 近似计算时，可取 T??CB/GM （5.3.48） 式中：C——系数，对于货船一般为0.73~0.81（满载状态取较大值）。 我国法规的完整稳性规则（非国际航行船舶）中，横摇周期按下式估算： T??0.58fB2?4KGGM02 （5.3.49） 式中：f为B/d>2.5时的修正系数，在法规的规定中f以表列数据给出，近似关系式为 f?1?0.07(B/d?2.5)，B/d<2.5时，f取1.0；GM0为未计及自由液面修正的初稳性高。 国际海事组织（IMO）的完整稳性规则中，横摇周期按下式估算： 145 T??2CB/GM （5.3.50） 式中C?0.373?0.023B/d?0.43LWL?10?3，其中LWL为水线间长。 加藤根据实船测量结果得到如下无因次横摇惯性半径的经验公式： (Kx'B)2?f[CBCu?1.10Cu(1?CB)(D1d?2.20)?(D1B)] 2 （5.3.51） 式中：Kx′──惯性半径，即Ix′=Δ K?2X； f ──系数，一般干货船、客船和客货船取0.125，油船取0.133，渔船取0.2； Cu ──上甲板面积系数； D1 ──有效型深，D1?D?1L??(上层建筑和甲板室的侧面积）。 由式（5.3.51）可计算出不同吃水下的惯性半径Kx′，得到Kx′与d的关系曲线，进而也可求出不同吃水下的横摇周期。实船应用中，还可以根据新船完工后横摇周期实测结果对计算结果进行修正。方法是非实测点的修正量取实测点相同的修正比例。从而可以得到一根比较符合实船情况的对应不同吃水的惯性半径曲线。如果掌握了实船在不同装载情况下的横摇周期与初稳性高之间的关系，这对于船舶的安全使用是很有价值的。 国际海事组织完整稳性规则中对于船长70m以内的常规沿海船舶（除油船以外），在一定条件下可采用横摇周期试验作为大致确定初稳性高度的一种方法，或作为稳性资料的补充。规则中根据横摇周期T φ 表5.3.4 式（5.3.5）的f系数 载况 空船或压载 舱内液体占总载荷的20％ 满载 舱内液体占总载荷的10％ 舱内液体占总载荷的5％ f 0.88 0.78 0.75 0.73 计算初稳性高的公式为： GM?(fB/T?)2 （5.3.52） 式中f为横摇系数，按表5.3.4选取。 5.4 设计方案的优化与技术经济性评估 5.4.1 设计方案的优化 船舶设计方案的优化，从大的方面来说，它是运输系统优化中的一个部分，船舶的优化也涉及整个运输系统的优化问题。如果是针对某运输任务所需船舶的优化，则涉及船队的优化问题。但是，对于一个航运公司来说，在市场经济下，很少遇到一个运输系统或建造一个船队的任务，通常只是添加或更新一艘或几艘新船来改善船队的质量。这 146 种情况下的船型优化问题常常需要考虑航运公司的实际情况，也就是优化中存在一些特定的边界条件。 从航运公司方面来考虑，新建船舶的船型、艘数、吨位大小、航速等关系到公司整个船队的运输能力，优化的目标是整个公司的经济效率。从新建船舶的单船经济效益来说，船的大小（如载重量）和航速是最为重要的。通常，大船的经济效益总是比小船好，但主尺度常常受到约束条件的限制。有些船设计成宽浅吃水或者取大的船长（目的是提高载重量），尽管在船体钢料上有所吃亏，但由于提高了载重量，经济性方面仍然是有利的。航速的优化比较复杂。在无竞争的情况下，单船货源不受影响，航速的差异对营运收入的影响不大。由于低速航行主机功率小得多，燃料费开支小，营运成本就下降。所以在这种情况下，经济性最优的航速往往具有下限值的特点。在有竞争的情况下，船舶的航速因涉及到占领运输市场的因素，尽管对不同航速的船货运价格可能相同，船东仍然希望新船有较高的航速。以上这些载重量、航速等变量的优化通常是在制订设计技术任务书时进行。 按设计技术任务书的要求优化设计方案时，以上这些因素通常为不变量，例如运输船舶的载重吨位已基本给定，航速也至少给出了最低要求，甚至已确定了主机功率。在这种情况下，设计方案优化的变量主要是主尺度等设计参数。优化的目标包括技术和经济性的指标。但是，就设计方案的优化而言，优化的内容仍然很多，例如主尺度选择的优化、总布置方案的优化、型线的优化、主要设备的优选等等，这些设计的优化有些较难采用简化的数学模型来优化计算，通常是用分析比较的方法来优选或者改进。 下面我们主要就主尺度选择的优化问题作一介绍。 1. 可行方案 在船舶设计中，船东的要求和法规及规范的规定，往往是不等式的约束条件，例如航速、舱容不小于一个最低要求值，吃水不大于限制值，稳性、干舷不得小于某项规定等等。设计者在设计中通常有一定的选择余地。也就是说，在满足任务书的要求和法规及规范规定的前提下，会有多种设计方案。就主尺度而言，不同的主尺度组合可以形成许多种主尺度方案，在这些尺度方案中，有些不能满足约束条件，有些则可以。我们称能满足约束条件的方案为可行方案，所有的可行方案称为可行域。在可行域内，不同的可行方案所对应的技术和经济性指标是不同的。例如有些方案船长大些，CB小些，航速高些，但造价大些等等。当然，如果约束条件很多很严，甚至没有选择的余地，那么也就不存在优化的问题。 2．主尺度的优化 实施一个优化过程的前提条件是对所有可行方案的全面了解。要做到这一点，针对不同的情况，需要采用不同的方法。 一种情况是新船属于常规的船型，这种船的实船数量多，资料齐全，同类船有较强 147