Ship Design - Springer Link

0 downloads 0 Views 1MB Size Report
This book elaborates on theoretical approaches and practices of the preliminary design of ships. It is intended to support introductory courses to ship design as a.
Ship Design

Apostolos Papanikolaou

Ship Design Methodologies of Preliminary Design

1  3

Apostolos Papanikolaou School of Naval Architecture & Marine Engineering—Ship Design Laboratory National Technical University of Athens Zografou—Athens Attiki Greece

Originally published in the Greek language by SYMEON Publishers, Athens, Greece, as “­Papanikolaou, Apostolos”; Μελέτη Πλοίου—Μεθοδολογίες Προμελέτης—Τεύχος  1 & Τεύχος 2.

ISBN 978-94-017-8750-5    ISBN 978-94-017-8751-2 (eBook) DOI 10.1007/978-94-017-8751-2 Springer Dordrecht Heidelberg New York London Library of Congress Control Number: 2014947529 © Springer Science+Business Media Dordrecht 2014 This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. Exempted from this legal reservation are brief excerpts in connection with reviews or scholarly analysis or material supplied specifically for the purpose of being entered and executed on a computer system, for exclusive use by the purchaser of the work. Duplication of this publication or parts thereof is permitted only under the provisions of the Copyright Law of the Publisher’s location, in its current version, and permission for use must always be obtained from Springer. Permissions for use may be obtained through RightsLink at the Copyright Clearance Center. Violations are liable to prosecution under the respective Copyright Law. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. While the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication, neither the authors nor the editors nor the publisher can accept any legal responsibility for any errors or omissions that may be made. The publisher makes no warranty, express or implied, with respect to the material contained herein. Printed on acid-free paper Springer is part of Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Preface

This book elaborates on theoretical approaches and practices of the preliminary design of ships. It is intended to support introductory courses to ship design as a text book. In this respect, it may be useful to university or college students of naval architecture and related disciplines; it may also serve, more generally, as a reference book for naval architects, practicing engineers of related disciplines and ship officers, who like to enter the ship design field systematically or to use practical methodologies for the estimation of ship’s main dimensions and of other ship main properties and elements of ship design. The book is based on the author’s lecture notes, which were developed over the past two and a half decades (1985–2012) for the needs of teaching the undergraduate course on Ship Design and Outfitting I at the School of Naval Architecture and Marine Engineering of National Technical University of Athens (NTUA). For the understanding of the material presented in this book, the reader is assumed to have basic knowledge of certain fundamental disciplines of ship design, in particular, of “Hydrostatics & Stability of Ships”, “Ship Resistance and Propulsion” and “Ship Strength”, which are commonly taught in prerequisite courses in Schools of Naval Architecture and Marine Engineering, as at NTUA. The present book is a thoroughly updated and enhanced, new edition of a book published originally in Greek language by the author (Papanikolaou, A., Ship Design—Methodologies of Preliminary Ship Design, in Greek: Μελέτη Πλοίου— Μεθοδολογίες Προμελέτης Πλοίου, SYMEON Publisher, Athens, October 2009). The Greek version of the book is supplemented by a Handbook of Ship Design of the author (Volume II, SYMEON Publisher, Athens, 1989) and the Collection of Ship Design Supportive Materials (A. Papanikolaou, K. Anastassopoulos, NTUA publications, Athens, 2002), which cover specific elements, methods and examples of application of ship design and are being used by students of NTUA for the elaboration of the assigned Ship Design Project work. Elements of the detailed design of ships are presented in the author’s lecture notes on Ship Design and Outfitting II—General Arrangements, Accommodation, Outfitting and Design of Special Ship Types (A. Papanikolaou, NTUA publication, 2002), which supplement the teaching material of the Ship Design module of the School of Naval Architecture and Marine Engineering of NTUA. v

vi

Preface

The methodology adopted in the writing of this book has been greatly influenced by the teaching experience of the author and the curriculum of NTUA, particularly in view of the requirement for the elaboration of the “Ship Design project” by final year NTUA students of naval architecture. An inexperienced student needs to be introduced gradually to ship design, until he is capable of developing by himself (under certain guidance, in the preliminary design stage) the design of a ship, which is assigned to him by a hypothetical ship-owner, specifying a merchant ship’s main owner’s requirements (in terms of ship type, transport capacity and speed). The book consists of six (6) main chapters and five (5) appendices with supportive materials. Chapter 1 gives an introduction to maritime transport and to marine vehicles in general, defines the objectives and elaborates on the basic methods of ship design. Chapter 2 deals with the selection of ship’s main dimensions and elaborates on the preliminary calculation and approximation of the fundamental characteristics and properties of the ship. Chapter 3 covers the criteria of forming ship’s hull form and elaborates on the characteristics of alternative ship sectional forms, the form of ship’s bow and stern. Chapter 4 deals with methods of developing ship’s lines and also elaborates on the development of the other main drawing plans of ship design (general arrangements and capacity plan). Chapter 5 covers the criteria for selecting the engine installation, the propulsion plant and steering devices of the ship. Finally, Chapter 6 deals with the estimation of ship’s construction cost and related uncertainties. The book is complemented by a basic bibliography and five appendices with useful updated design charts for the selection of the main dimensions and other basic values of different types of ships (Appendix A), the determination of ship’s hull form from the data of systematic series (Appendix B), the detailed description of the relational method for the estimation of ship’s weight components and displacement from the data of similar/parent ships (Appendix C), a brief review of the historical evolution of shipbuilding from the prehistoric era to date (Appendix D) and finally a historical review of regulatory developments of ship’s damage stability to date (Appendix E). The author used in the development of the original form of this book material of classical ship design, as he was taught it in the early 70ties by the memorable Professor Erwin Strohbusch at the Technical University of Berlin. This material was later complemented by valuable elements from the lecture notes of Professors H. Schneekluth (Τechnische Hochschule Aachen) and H. Linde (Technical University of Berlin), who happened to be both also students and associates of the late Prof. Strohbusch, and A. Friis—P. Anderson—JJ Jensen (Technical University of Denmark). Also, the classical naval architectural books of the Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME) of USA, namely The Principles of Naval Architecture (EV Lewis, ed.) and Ship Design and Construction (R Taggart and T Lamb, eds.), were frequently used as references. However, the synthetic nature of the subject, the rapid developments of shipbuilding science and technology, the frequent amendment of relevant maritime safety regulations and the rapid development of modern design methods and tools, which to a large extent were coded in specialized computer software, as well as the peculiarity of educating students in a

Preface

vii

synthetic discipline like ship design demanded a thoroughly thought new structure/ presentation of the book’s material, apart from the continuous enrichment with contemporary design data. A major objective of this book and of the associated supportive material is to cover, as a self-contained information source, the necessary knowledge for students of naval architecture to approach satisfactorily a ship design project. To some extent, this applies also to young professionals of naval architecture and related disciplines, for whom the access to the necessary technical knowledge and required data for the study and design of a ship are often limited. Certainly, the rapid growth of internet in recent years has improved significantly the accessibility to a large amount of information relevant to the design of ships by search in the www. A useful State of the Art report on the status of the international marine design education can be found in the following reference: Papanikolaou, A., Kaklis, P., Andersen, P., Birmingham, R., Sortland, B., Wright, P., State of the Art Report on Marine Design Education, Proc. 9th International Marine Design ConferenceIMDC06, Ann Arbor-Michigan, May 2006. The author likes to thank SPRINGER for the efficient cooperation in publishing this work. He is also indebted to his associates MSc Dipl.-Eng. Naval Arch. & Marine Eng. Aimilia Alisafaki, MSc Dipl.-Eng. Naval Arch. & Marine Eng. George Papatzanakis, Dr.-Eng. Shukui Liu, Dr.-Eng Eleftheria Eliopoulou and Assoc. Prof. George Zaraphonitis for their help in the thorough update and translation of this book into English, and also in checking the final manuscript. June 2014

Apostolos Papanikolaou Professor of NTUA Director of Ship Design Laboratory http://www.naval.ntua.gr/sdl

Contents

1  General on Ship Design���������������������������������������������������������������������������     1 1.1 Conventional and Advanced Marine Vehicles����������������������������������    1 1.2 Maritime Transport—Innovative Design Concepts, Energy Efficiency and Environmental Impact����������������������������������������������    4 1.3 Introduction to Ship Design��������������������������������������������������������������    14 1.3.1 Main Approach to Ship Design���������������������������������������������    14 1.3.2 Main Phases of Ship Design�������������������������������������������������    16 1.3.3 Objectives of Preliminary Design�����������������������������������������    17 1.3.4 Design Procedure: Design Spiral������������������������������������������    19 1.3.5 Owner’s Requirements: Statement of Work��������������������������    27 1.3.6 Preliminary Ship Design Methods����������������������������������������    34 1.3.7 Basic Design Procedures for Main Ship Categories�������������    59 References��������������������������������������������������������������������������������������������������    66 2 Selection of Main Dimensions and Calculation of Basic Ship Design Values��������������������������������������������������������������������������������������������    69 2.1  Preliminary Estimation of Displacement������������������������������������������    69 2.2 Selection of the Main Dimensions and Form Coefficients���������������    73 2.3  Selection of Length���������������������������������������������������������������������������    76 2.3.1  Effect of Length on Resistance���������������������������������������������    77 2.3.2 Effect of Length on the Ship’s Strength and Structural Weight�������������������������������������������������������������������    90 2.3.3  Effect of Length on the Outfitting Weight����������������������������    98 2.3.4 Effect of Length on the Weight of Propulsion System and Fuel Consumption���������������������������������������������    98 2.3.5 Effect of Length on the Exploitation of Spaces and General Arrangement������������������������������������������������������������    99 2.3.6  Other Factors Affecting the Selection of Length������������������  100 2.3.7  Ship Length Estimation Using Empirical Formulas�������������  100 2.4  Slenderness Coefficient L/∇ 1/3���������������������������������������������������������  114 2.4.1  Influence on the Ship’s Resistance����������������������������������������  114 2.4.2  Effect on the Ship’s Structure�����������������������������������������������  115 2.4.3  Approximate Values��������������������������������������������������������������  115 ix

x

Contents

2.5  Selection of Other Main Dimensions������������������������������������������������  115 2.6  Selection of Beam�����������������������������������������������������������������������������  119 2.6.1  Effect of Beam on the Ship’s Stability����������������������������������  121 2.6.2  Effect of Beam on the Ship’s Resistance������������������������������  124 2.6.3  Effect of Beam on the Ship’s Structural Weight�������������������  127 2.6.4  Other Factors Affecting the Selection of the Beam��������������  129 2.7  Selection of the Side Depth���������������������������������������������������������������  132 2.7.1  Effect of Safety Regulations on Side Depth�������������������������  132 2.7.2  Effect of Side Depth on Hold Volume and Arrangement������  133 2.7.3  Effect of Side Depth on the Ship’s Stability�������������������������  133 2.7.4  Effect of Side Depth on the Ship’s Structural Weight�����������  134 2.8  Selection of the Draft������������������������������������������������������������������������  136 2.8.1  Effect of Draft on Resistance and Propulsion�����������������������  136 2.8.2  Effect of Draft on Stability����������������������������������������������������  136 2.8.3  Influence of Draft on Seakeeping and Maneuverability�������  137 2.8.4  Influence of Draft on Strength����������������������������������������������  138 2.8.5  Effect of Route Limits�����������������������������������������������������������  138 2.9  Selection of Hull Form Coefficients�������������������������������������������������  140 2.10 Selection of Block Coefficient CB and Prismatic Coefficient CP������  142 2.10.1  Effect of CP and CB on the Ship’s Resistance���������������������  144 2.10.2  Effect on the Seakeeping Performance�������������������������������  146 2.10.3  Effect on the Construction Cost������������������������������������������  147 2.10.4  Effect on the Exploitation of Spaces�����������������������������������  148 2.10.5  Effect on the Stability����������������������������������������������������������  149 2.10.6  Approximate/Semiempirical Formulas�������������������������������  150 2.11  Midship Section Coefficient CΜ�������������������������������������������������������  151 2.11.1  Effect on Resistance������������������������������������������������������������  152 2.11.2  Effect on Construction Cost������������������������������������������������  154 2.11.3  Effect on Space Exploitation�����������������������������������������������  155 2.11.4  Effect on Stability����������������������������������������������������������������  155 2.11.5  Effect on Seakeeping Performance�������������������������������������  156 2.11.6  Approximation Formulas�����������������������������������������������������  158 2.12  Waterplane Area Coefficient CWP������������������������������������������������������  160 2.12.1  Effect on Stability���������������������������������������������������������������  160 2.12.2 Effect on Resistance, Propulsion, and Seakeeping Performance������������������������������������������������������������������������  162 2.12.3  Approximation Formulas����������������������������������������������������  163 2.12.4 Conclusions�������������������������������������������������������������������������  164 2.13 Determination of the Main Dimensions Through the Ship Design Equation��������������������������������������������������������������������������������  164 2.14  Preliminary Estimation of Propulsive Power������������������������������������  165 2.15  Estimation of Ship Weights���������������������������������������������������������������  175 2.15.1  Definitions of Ship Weight Components����������������������������  175 2.15.2  Initial Estimation of Weights and Their Centroids��������������  177 2.15.3  Factors That Affect the Values of the Weight Coefficients������  178

Contents

xi

2.15.4  Structural Weight�����������������������������������������������������������������  185 2.15.5  Weight of Equipment and Outfit�����������������������������������������  214 2.15.6  Weight of Machinery Installation����������������������������������������  231 2.15.7  Analysis of Deadweight DWT��������������������������������������������  239 2.16  Verification of Displacement������������������������������������������������������������  245 2.17  Verification of Holds’ Capacity���������������������������������������������������������  246 2.17.1 Definitions���������������������������������������������������������������������������  246 2.17.2 Calculation of Hold Volume������������������������������������������������  251 2.18  Verification of Stability and Trim�����������������������������������������������������  255 2.18.1  Vertical Position of Buoyancy Center���������������������������������  256 2.18.2  Metacentric Radius�������������������������������������������������������������  257 2.18.3  Vertical Position of Metacenter�������������������������������������������  258 2.18.4  Approximation of Stability at Large Inclination Angles�����  259 2.18.5  Using the Hydrostatic Data of Similar Ships����������������������  260 2.18.6  Effect of Changing the Main Dimensions���������������������������  260 2.18.7  Typical Values of Metacentric Height���������������������������������  262 2.18.8  Verification of Stability�������������������������������������������������������  264 2.18.9  Verification of Trim and Bow Height����������������������������������  271 2.19  Freeboard and Sheer�������������������������������������������������������������������������  273 2.19.1  Factors Affecting the Freeboard������������������������������������������  273 2.19.2  Verification of Freeboard����������������������������������������������������  275 2.19.3 Sheer������������������������������������������������������������������������������������  280 2.19.4 ­Critical Review of the Load Line Regulations��������������������  289 References��������������������������������������������������������������������������������������������������  291 3  Ship’s Hull Form��������������������������������������������������������������������������������������  293 3.1 Distribution of Displacement������������������������������������������������������������  295 3.1.1 Shape of Sectional Area Curve���������������������������������������������  295 3.1.2 Longitudinal Centre of Buoyancy (LCB)�����������������������������  297 3.1.3 Parallel Body Length (LP  )����������������������������������������������������  301 3.1.4 Length of Entrance (LE) and Length of Run (LR) of the Sectional Area Curve�������������������������������������������������������  303 3.1.5 Angle of Entrance/Run of Sectional Area Curve������������������  305 3.2 Form of Waterlines����������������������������������������������������������������������������  307 3.3 Form of Sections�������������������������������������������������������������������������������  312 3.3.1 Types of Sections������������������������������������������������������������������  312 3.3.2 Midship Section Form�����������������������������������������������������������  312 3.3.3 Form of Bow and Stern Sections������������������������������������������  314 3.3.4 Bow Sections Below Waterline���������������������������������������������  316 3.3.5 Stern Sections Below Waterline��������������������������������������������  317 3.3.6 Form of Sections Above Waterline���������������������������������������  321 3.4 Form of Bow�������������������������������������������������������������������������������������  323 3.4.1 Types of Bow������������������������������������������������������������������������  323 3.4.2 Bulbous Bow ������������������������������������������������������������������������  331 3.4.3 Parabolic Bow�����������������������������������������������������������������������  345

xii

Contents

3.5 Form of Stern������������������������������������������������������������������������������������  347 3.5.1 Forms of Stern�����������������������������������������������������������������������  347 3.5.2 Elliptic or Elevated Stern������������������������������������������������������  349 3.5.3 Cruiser Stern�������������������������������������������������������������������������  349 3.5.4 Transom Stern�����������������������������������������������������������������������  353 References��������������������������������������������������������������������������������������������������  357 4  Naval Architectural Drawings and Plans����������������������������������������������  359 4.1 General����������������������������������������������������������������������������������������������  359 4.2 Ship Lines Plan���������������������������������������������������������������������������������  360 4.3 Introduction to the Development of Ship Lines Plan������������������������  370 4.4 Design Based on Data of Systematic Ship Hull Form Series�����������  377 4.5 General Arrangement Plan����������������������������������������������������������������  379 4.6 Capacity Plan������������������������������������������������������������������������������������  389 References��������������������������������������������������������������������������������������������������  391 5  Machinery Installation, Propulsion and Steering Devices�������������������  393 5.1 Selection of Main Machinery������������������������������������������������������������  393 5.2 Selection of Propeller������������������������������������������������������������������������  407 5.3 Selection of Rudder���������������������������������������������������������������������������  425 References��������������������������������������������������������������������������������������������������  437 6  Estimation of Building Cost��������������������������������������������������������������������  439 6.1 Statement of the Optimization Problem��������������������������������������������  439 6.2 Building Cost Analysis���������������������������������������������������������������������  440 6.3 Cost of Built/Processed Steel �����������������������������������������������������������  442 6.4 Cost of Machinery and Propulsive Installation���������������������������������  445 6.5 Accommodation/Equipment/Outfitting Cost������������������������������������  446 References��������������������������������������������������������������������������������������������������  447 Appendix���������������������������������������������������������������������������������������������������������  449 Appendix A: Diagrams of Regression Analysis of Basic Design Values for Merchant Ships�������������������������������������������������������������������������  449 Bulk Carriers�������������������������������������������������������������������������������������  450 OBO Carriers�������������������������������������������������������������������������������������  459 Containerships�����������������������������������������������������������������������������������  462 Tankers����������������������������������������������������������������������������������������������  472 Product Carriers��������������������������������������������������������������������������������  476 Chemical Carriers ����������������������������������������������������������������������������  482 General Cargo Carriers���������������������������������������������������������������������  485 RO–RO Cargo Ships�������������������������������������������������������������������������  488 RO–RO Passenger Ferries����������������������������������������������������������������  493 Single-Hull Fast Ferries��������������������������������������������������������������������  496 Car Carrying Catamarans �����������������������������������������������������������������  499

Contents

xiii

Reefer Ships��������������������������������������������������������������������������������������  501 Passenger/Cruise Ships���������������������������������������������������������������������  505 Offshore Tug/Supply Ships���������������������������������������������������������������  508 Fishing Vessels����������������������������������������������������������������������������������  511 References�����������������������������������������������������������������������������������������  516 Appendix B: Systematic Hull Form—Model Series���������������������������������  517 Wageningen-Lap Series��������������������������������������������������������������������  518 Series 60 Hull Form—Todd et al.�����������������������������������������������������  519 FORMDATA Series��������������������������������������������������������������������������  525 MARAD Series���������������������������������������������������������������������������������  547 References�����������������������������������������������������������������������������������������  560 Appendix C: Determination of Ship’s Displacement with the Relational Method of Normand�����������������������������������������������������������������  561 Equation of Displacement for Small Deviations�������������������������������  562 Displacement Equation for Larger Deviations����������������������������������  565 Normand’s Number���������������������������������������������������������������������������  575 Accuracy of the Displacement Equation�������������������������������������������  580 References�����������������������������������������������������������������������������������������  581 Appendix D: Historical Evolution of Shipbuilding�����������������������������������  582 Before Christ Era������������������������������������������������������������������������������  583 Middle Ages—Renaissance��������������������������������������������������������������  586 Industrial Revolution�������������������������������������������������������������������������  587 First Half of the Twentieth Century��������������������������������������������������  593 Second Half of the Twentieth Century����������������������������������������������  595 Contemporary Period������������������������������������������������������������������������  598 Appendix E: Subdivision and Damage Stability of Ships— Historical Developments and the Way Ahead��������������������������������������������  610 The Evolution of Deterministic Damage Stability Standards�����������  610 Present Status: Probabilistic Assessment������������������������������������������  613 Future Developments of International Regulations and Concepts: Risk and Goal based standards�����������������������������������������  616 Conclusions���������������������������������������������������������������������������������������  617 References�����������������������������������������������������������������������������������������  620 Index����������������������������������������������������������������������������������������������������������������  623