1.本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种船艏结构及船舶。


背景技术：

2.现代船舶，特别是油船、集装箱船等大型船舶基本都具备球鼻艏，球鼻艏能够起到消波整流的作用，从而减小船舶航行的阻力，改善船舶的航行特性。
3.在船舶设计过程中，球鼻艏是基于设计航速下的设计吃水状态进行的结构线型设计，即其在设计吃水的航行工况下具有最佳的消波整流特性。然而，在船舶实际航行过程中，实际航行工况通常与设计航行工况具有较大差异，如实际航行工况可能是设计状态，也可能是压载航行状态或满载航行状态等，且各种航行状态也会交替出现，从而导致球鼻艏达不到减阻的最佳效果。尤其是在压载航行状态下，压载吃水深度相对设计吃水深度小，导致球鼻艏与水面距离减小甚至凸出水面，反而可能出现球鼻艏增大航行阻力的问题。
4.因此，亟需一种船艏结构及船舶，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供一种船艏结构，以提高球鼻艏在不同航行工况下的适用性，改善船舶的航行特性。
6.本发明的另一个目的在于提供一种船舶，以降低船舶在多种航行工况下的航行阻力，改善船舶的航行特性，减小船舶能耗。
7.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
8.一种船艏结构，包括球鼻艏和竖直的艏柱，所述球鼻艏位于设计水线下方并位于所述艏柱竖直延长线的后侧，在船舶中纵剖面上，所述球鼻艏纵剖轮廓线的上端与所述艏柱下端相切连接，所述球鼻艏纵剖轮廓线的下端沿弧线光滑向后延伸至船底处；在以球鼻艏前端为起点的设定纵长的范围内，在所述船艏结构的纵剖型线图上，所述球鼻艏在每一站位处的横向最大宽度点的连线向后倾斜向下延伸，且所述连线与水平线的夹角为0～20
°
。
9.作为一种船艏结构的可选技术方案，所述连线与水平线的夹角为0～12
°
。
10.作为一种船艏结构的可选技术方案，所述球鼻艏在所述中纵剖面上的丰满度因子为0.7～0.8。
11.作为一种船艏结构的可选技术方案，在所述设定纵长的范围内，所述球鼻艏在每一站位处的球鼻艏横剖轮廓线在对应所述球鼻艏横剖轮廓线的最大宽度点处的切线竖直设置。
12.作为一种船艏结构的可选技术方案，所述球鼻艏在有最大横向宽度bm时的纵长为lm且高度为hm，所述lm＝(2.5％～3％)lpp，所述hm＝(0.5～0.6)td，其中，所述lpp为船舶的艏艉垂线间长度，所述td为设计水线高度。
13.作为一种船艏结构的可选技术方案，所述bm＝(0.05～0.10)b，所述b为型宽。
14.作为一种船艏结构的可选技术方案，所述设定纵长为lm。
15.一种船舶，包括如上所述的船艏结构。
16.作为一种船舶的可选技术方案，所述船舶在设计航速下的傅汝德数fr＝0.18～0.26；和，所述船舶的方形系数cb＝0.57～0.68。
17.作为一种船舶的可选技术方案，在以艏垂线为起点的设定船体纵长范围内，所述船舶的设计水线轮廓线和结构水线轮廓线均为直线，且所述设计水线轮廓线与所述结构水线轮廓线的半进角相等。
18.作为一种船舶的可选技术方案，所述半进角为25
°
～35
°
。
19.作为一种船舶的可选技术方案，在所述设定船体纵长范围内，所述船舶在每一站位处的横剖线在与设计水线的相交点处的切线竖直设置，且所述船舶在每一站位处的横剖线在结构水线相交点处的切线竖直设置。
20.作为一种船舶的可选技术方案，所述船舶的设计航速为vs，所述船舶的进流段长度为le，所述le≥0.257vs2，所述设定船体纵长范围为0～lb，所述lb＝(25％～35％)le。
21.本发明的有益效果在于：
22.本发明提供的船艏结构，可以使得相对于传统球鼻艏船，结构水线附近的船艏中心线延伸至船舶的最前端，减小了方形系数，同时船艏的水线面入射角变小，改善了流线形状，从而减小了航行阻力；而且首波波峰相对于传统球鼻艏船略微后移，波峰高度明显降低，有效改善了在重载航行状态下的减阻效果；同时，在相同航速下，采用垂直型船艏相对于传统的球鼻艏船，可减小5.6％～8.2％的主机功率，能够在保证航行效率的前提下，有效节省船舶的能耗；再者，将球鼻艏在每一站位处的最大横向宽度点的连线与水平线之间的夹角α设置为0～20
°
，可以使得形成的球鼻艏能够保证船舶在重载航行工况和设计航行工况下，球鼻艏的整流减阻效果基本均能够保持在较佳效果，且在船舶的常规航行工况下，球鼻艏也能够保持较好的减阻效果，从而使得球鼻艏能够适用于多种航行状态下的减阻。
23.本发明提供的船舶，通过采用上述的船艏结构，能够有效保证球鼻艏在多种航行状态下的减阻效果，提高球鼻艏的效用，改善船舶的航行特性。
附图说明
24.图1是本发明实施例一提供的船舶的半宽横剖线型图；
25.图2是本发明实施例一提供的船舶在20至19站位处的横剖线图；
26.图3是本发明实施例一提供的纵剖线型图在船艏处的示意图；
27.图4是本发明实施例一提供的球鼻艏在中纵剖面处的部分示意图；
28.图5是本发明实施例二提供的船舶的纵剖线型图；
29.图6是本发明实施例二提供的水线线型图。
30.图中标记如下：
31.1、艏柱；2、球鼻艏；21、球鼻艏横剖轮廓线；22、球鼻艏纵剖轮廓线；3、船底；4、连线。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描
述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
33.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
35.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
36.实施例一
37.如图1
‑
图3所示，本实施例提供了一种船艏结构，其可应用于中低速船舶中，降低船舶航行时的兴波阻力，且提高球鼻艏2结构在多种航行工况下的适用性。
38.本实施例提供的船艏结构，主要适用于傅汝德数fr＝0.18～0.26及方形系数cb＝0.57～0.68的船舶，尤其适用于该种设计参数下的集装箱船。
39.为方便对船舶参数进行介绍，定义船舶的设计航速为vs，艏艉垂线间长度为lpp，船舶型宽为b，设计水线高度为td(见图2位于下方的虚线)，结构水线高度为ts(见图2位于上方的虚线)。
40.将船舶沿船长方向由船艉至船艏等分为20个站位，其中艉垂线为第0站位，艏垂线为20站位，即每一站位长度为0.05lpp。图2示出19站位和20站位之间的船舶纵剖线型图。由于船艏处线型变化较快，靠近船艏处的相邻两个站位之间相隔0.5站位或0.25站位增设站位。在本实施例中，在19站位和20站位之间，每隔0.25站位在增设一个站位，即图2中的19.25站位、19.5站位及19.75站位。
41.图1示出船舶在各个站位处的半横剖线图，其中，左半侧为0～10站位对应的半横剖线图，右半侧为11～20站位的半横剖线图。
42.如图2和图3所示，具体地，船艏结构包括艏柱1和球鼻艏2，艏柱1竖直设置，球鼻艏2位于船舶设计水线td下方并整体位于艏柱1竖直延长线的后侧；在船舶的中纵剖面上，艏柱1轮廓线竖直设置，球鼻艏横剖轮廓线21的上端与艏柱1轮廓线下端相切连接，球鼻艏横剖轮廓线21的下端向后光顺延伸至与船底3轮廓线相连；在以球鼻艏2前端为起点的设定纵长范围内，在船舶纵剖型线图上，球鼻艏2在每一站位处的最大横向宽度点的连线4由前至后倾斜向下延伸并与水平线之间的夹角α为0
°
～20
°
。
43.本实施例提供的船艏结构，通过设置竖直的艏柱1和位于艏柱1延长线后侧的球鼻
艏2，使得船艏结构的前端在设计水线td以上呈垂直，在设计水线以下具有侧向外凸的类似撞角形结构的球鼻艏2，从而使得球鼻艏2与垂直型船艏相结合，能够有效兼顾船舶在不同吃水状态下的水动力平衡性的问题，减小航行阻力。
44.即本实施例提供的船艏结构，可以使得相对于传统球鼻艏船，结构水线ts附近的船艏中心线延伸至船舶的最前端，减小了方形系数，同时船艏的水线面入射角变小，改善了流线形状，从而减小了航行阻力；而且首波波峰相对于传统球鼻艏船略微后移，波峰高度明显降低，有效改善了在重载航行状态下的减阻效果；同时，在相同航速下，采用垂直型船艏相对于传统的球鼻艏船，可减小5.6％～8.2％的主机功率，能够在保证航行效率的前提下，有效节省船舶的能耗；再者，将球鼻艏2在每一站位处的最大横向宽度点的连线4与水平线之间的夹角α设置为0～20
°
，可以使得形成的球鼻艏2能够保证船舶在重载航行工况和设计航行工况下，球鼻艏的整流减阻效果基本均能够保持在较佳效果，且在船舶的常规航行工况下，球鼻艏2也能够保持较好的减阻效果，从而使得球鼻艏2能够适用于多种航行状态下的减阻。
45.上述以及下文中，每一站位中的站位不仅仅是19站位、20站位等整数站位，还包括19.25站位、19.5站位及19.75站位等非整数站位，即站位指形成有对应横剖线图的位置。
46.值得说明的是，球鼻艏2在每一站位处的最大横向宽度点是指：球鼻艏2在该站位的球鼻艏横剖轮廓线21的最大宽度位置点在船舶中纵剖面上的投影点。
47.优选地，在纵剖型线图上，球鼻艏2在每一站位处的最大横向宽度点的连线4与水平线之间的夹角α为0～12
°
，在该范围内，能够保证船舶在重载航行工况和设计航行工况下，球鼻艏2的整流减阻效果基本能够保持在设计最佳效果，且在船舶的常规航行工况下，球鼻艏2也能够保持较好的减阻效果。
48.如图3和图4所示，在中纵剖面上，定义艏柱1轮廓线与球鼻艏纵剖轮廓线22的交点为pe，且pe同时为艏柱1的轮廓线与连线4的交点，定位球鼻艏横剖轮廓线21与船底3的廓落线的交点为ps，艏柱1延伸线与船底3水线的交点为o，则球鼻艏2在中纵剖面上的丰满度因子fullness＝阴影部分面积/|peo|*|pso|。即在中纵剖面上，球鼻艏横剖路廓线21的形状由ps点坐标、pe点坐标及丰满度因子确定。
49.在本实施例中，优选地，pe＝0.50～0.68td，点ps处在lb和lm之间，丰满度因子为0.7～0.8。其中，lb为船舶的特征长度，且lb在实际中球鼻艏2实际与船体连接处的长度，即球鼻艏2的最大纵长，lb＝(3.45％～8.75％)lpp。该种设计，能够提高球鼻艏2与船体过渡的光顺性，从而提高船舶外形的光顺性，进而减小船舶航行时的阻力。
50.为进一步增强球鼻艏2的减阻效果，球鼻艏2在纵长为lm且高度为hm位置处具有最大横向宽度bm，lm＝(2.5％～3％)lpp，hm＝(0.5～0.6)td，bm＝(0.05～0.1)b，其中，b为船宽，lm以球鼻艏2的最前端为起点，hm以船底水线为起点的高度。
51.进一步地，设定纵长指纵长为lm，即在球鼻艏2纵长为lm的范围内，上述定义的连线为由前至后向下倾斜延伸的直线。更为优选地，在纵长为lm的范围内，球鼻艏2每一处最大横向宽度点均在该连线上。
52.本实施例还提供了一种船舶，包括上述的船艏结构。
53.实施例二
54.如图5和图6所示，本实施例提供了一种船舶，且本实施例提供的船舶是基于实施
例一中的船舶的进一步改进，本实施例不再对与实施例一相同的结构进行赘述。
55.在本实施例中，船舶的进流段长度为le，le≥0.257vs2，以避免前肩波系干扰。
56.进一步地，在以艏垂线为起点的设定船体纵长范围内，船舶的设计水线轮廓线和结构水线轮廓线均为直线，且设计水线轮廓线与结构水线轮廓线的半进角相等。
57.在设定船体纵长范围内，设计水线水线轮廓线与结构水线线的半进角相等，表明在设计水线和结构水线的水线形状在设定船体纵长范围一致。在实际的满载航行状态中，船舶经常呈艏倾状态，即船舶艉部吃水深，艏部吃水浅，在艏倾状态下，结构水线的形状设计对减阻的作用有限，主要靠结构水线的水线形状进行减阻，因此，本实施例的设计水线和结构水线之间的水线形状的设计，能够较大范围内的减少阻力。
58.优选地，在设定船体船长范围内，设计水线廓落线和结构水线轮廓线的半径角均为35
°
～25
°
。
59.进一步地，在设定船体纵长范围内，船舶在每一站位处的横剖线在与设计水线的相交点处的切线竖直设置，且船舶在每一站位处的横剖线在结构水线相交点处的切线竖直设置。
60.在本实施例中，该设定船体纵长范围为0～lb，其中，lb＝(25％～35％)le，即等效于lb＝(3.45％～8.75％)lpp。
61.进一步地，在结构水线ts以上，每一站位处的横剖线均光滑过渡，保持线型平缓变化，以减小船舶航行时的风阻。
62.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。