De romp van een schip is de meest opmerkelijke structurele entiteit van het schip. Om de romp te definiëren, kan worden gezegd dat het de waterdichte omhulling van het schip is, die de lading, de machines en de verblijfsruimten van het schip beschermt tegen weersinvloeden, overstroming en structurele schade. Maar dit alleen voldoet niet aan onze eisen om alle aspecten van een scheepsromp te begrijpen.
In dit artikel zullen we zien hoe de romp van een schip wordt ontworpen voor verschillende factoren waarmee rekening wordt gehouden tijdens de gehele levensduur van het schip, en hoe het ontwerp van een scheepsromp de belangrijkste rol speelt in het gehele scheepsontwerp en scheepsbouwproject.
Hull Related Nomenclature
Figuur 1: Hull Nomenclature.
De bovenstaande figuur toont het schematische profiel van een conventionele scheepsromp. Inzicht in de betekenis en toepassingen van de bijbehorende nomenclaturen vormt de basis voor een goed begrip van scheepsontwerp en scheepsbouwtechnologie.
Boezem en achtersteven: De meest naar voren gelegen contour van de scheepsromp wordt de boeg genoemd, en de meest naar achteren gelegen contour de achtersteven. De voorsteven is het meest naar voren gelegen deel van de boeg.
Voorwaartse loodlijn: Als een loodlijn wordt getrokken op het punt waar de boeg de waterlijn snijdt, wordt deze denkbeeldige loodlijn de voorwaartse loodlijn genoemd. Voor de meeste hydrostatische berekeningen wordt de voorloodlijn gebruikt als de voorwaartse referentie van de romp.
Achterloodlijn: Afhankelijk van de ontwerper kan de achterloodlijn de loodlijn zijn, getrokken door de achterkant van de roerkoning of door de middellijn van de roerspintels. De achterloodlijn is de achterste referentielijn voor alle hydrostatische berekeningen.
Lengte tussen de loodlijnen: De lengte tussen de voor- en achterloodlijnen is de lengte tussen de loodlijnen. Het LBP is een zeer belangrijke parameter in alle stabiliteitsberekeningen, vandaar dat de berekening van het LBP bij verschillende diepgang een belangrijke stap wordt bij het uitvoeren van stabiliteitsanalyses.
Sheer: De opgaande kromming gevormd door het hoofddek ten opzichte van het niveau van het dek bij midscheeps, wordt sheer genoemd. Deze wordt gewoonlijk gegeven om de doorstroming van groen water van de voor- en achtereinden naar de midscheeps mogelijk te maken en afvoer naar de kimmen mogelijk te maken. De voorste zeeg is meestal groter dan de achterste zeeg om de voorste ankermachines tegen de golven te beschermen.
Zomerlastlijn: De zomerlastlijn is de waterlijn van het schip bij zeewater wanneer het zijn ontwerpgewicht en ballastcondities heeft. Het wordt ook wel de ontwerpdiepgang genoemd; dit vormt de referentie voor alle andere lastlijnen van het schip.
Lengte van Waterlijn: De lengte van de scheepsromp bij de zomerlastlijn is de lengte van de waterlijn van het schip. Deze lengte speelt een belangrijke rol bij de berekening van de hydrostatica van het schip, alsmede bij de berekeningen van het schroefontwerp.
Lengte over alles: De lengte tussen het voorste en het achterste punt van de scheepsromp is de totale lengte van het schip. Deze lengte speelt een belangrijke rol bij het ontwerpen van de plannen voor het aan- en afmeren van het schip. Op scheepswerven waar meerdere bouwdokken beschikbaar zijn, is de totale lengte, de breedte en de diepte van het schip een beslissende factor bij de keuze van een geschikte bouwsteen voor het schip.
Romplijnen en vorm
De eerste stap bij het ontwerpen van de romp van een schip is het ontwerpen van de vorm en de vorm. De vorm van de scheepsromp wordt geschat aan de hand van verschillende vormcoëfficiënten, die als volgt worden besproken:
Blokcoëfficiënt: De blokcoëfficiënt is de verhouding tussen het onderwatervolume van het schip en het volume van de denkbeeldige rechthoek die het onderwatergedeelte van de scheepsromp omsluit. Aangezien de lengte, breedte en hoogte van deze omsluitende rechthoek de lengte tussen de loodlijnen, de grootste breedte en de diepgang van het schip zijn, wordt de blokcoëfficiënt als volgt uitgedrukt:
De waarde van de blokcoëfficiënt is één voor een schip met de rechthoekige doorsnede. Voor een typische scheepsrompvorm zou deze dus minder dan één zijn. Hoe hoger de blokcoëfficiënt, hoe voller de rompvorm (b.v. olietankers, bulkcarriers). Fijnere rompvormen hebben lagere blokcoëfficiënten (b.v. containerschepen, oorlogsschepen).
Midscheepscoëfficiënt: De midscheepscoëfficiënt is de verhouding van het onderwateroppervlak van de midscheepssectie tot de omringende rechthoek. Hij wordt dus uitgedrukt als:
Er zijn nog een aantal andere vormcoëfficiënten zoals prismatische coëfficiënt, volumetrische coëfficiënt, enz. die in feite de parameters zijn die worden gebruikt om de volumetrische verdeling van de scheepsromp over de lengte te bepalen. Als deze coëfficiënten eenmaal zijn vastgesteld, op basis van statistische studies, worden de lijnen van de scheepsromp ontwikkeld.
Het lijnenplan van een scheepsromp bestaat uit drie aanzichten. Om het lijnenplan te begrijpen, moeten we eerst weten wat bil- en waterlijnen zijn.
Wanneer de romp van een schip in de lengterichting in meerdere secties wordt gesneden, dat wil zeggen, als je de scheepsromp om de twee meter doorsnijdt, beginnend van bakboord naar stuurboord, zou je om de twee meter lengtesecties produceren. De omtrek van elke langsdoorsnede wordt een billijn genoemd, en dit is precies wat in het profielplan wordt weergegeven, zoals hieronder is te zien. De referentielijnen voor het profielaanzicht zijn de stations (verticale rasterlijnen, die de longitudinale positie aangeven) en de waterlijnen (horizontale lijnen, die de verticale posities aangeven).
Figuur 2: Buttock Lines.
Als de scheepsromp langs elke waterlijn wordt doorgesneden, dan levert elke waterlijn een aparte kromme op. Aangezien de scheepsromp symmetrisch is om de middellijn, is het gebruikelijk dat de kromming aan weerszijden van de middellijn wordt getekend, en dit aanzicht wordt het rompplan of het halve breedteplan van het schip genoemd.
Figuur 3: Halfbreedteplan.
Belangrijke tip: De vorm van de waterlijnen (in het halve breedteplan) spelen een doorslaggevende rol in de vorm van het achterschip en het rendement van de schroef. In de bovenstaande figuur verwijderen de waterlijnen zich van de middellijn van het schip naarmate de hoogte boven de basislijn toeneemt. Dat wil zeggen dat de binnenste kromme de onderste waterlijn is. Merk op hoe de waterlijnen aan de achterzijde recht worden naarmate we vanaf de kiel omhoog gaan. Hieruit blijkt dat het schip een spiegelachtersteven heeft. Waarom heeft een spiegel de voorkeur? Het antwoord ligt in de vorm van de waterlijnen bij de achtersteven. De lengterichting van de waterlijnen bij het achterschip zorgt ervoor dat het water bij het achterschip in een richting stroomt die vrijwel loodrecht op de schroefas staat. Dit zorgt voor een minimale dwarsstroming bij de schroef en daardoor voor een maximaal schroefrendement.
Als de romp van het schip op elk punt in een doorsnede wordt gesneden, krijgen we het rompplan, zoals hieronder is afgebeeld. Het is gebruikelijk het rompplan te tekenen door alle halve doorsneden aan te geven (vanwege de symmetrie van de romp). De doorsneden voor midscheeps worden rechts van de middellijn getekend, en alle doorsneden van midscheeps tot de achtersteven worden links getekend.
Figuur 4: Rompplan.
Het rompplan is de meest bruikbare weergave van de romplijnen van het schip. De referentielijnen in het rompplan zijn de billen (verticale rasterlijnen), en de waterlijnen (horizontale rasterlijnen). Het rompplan kan, samen met de referentielijnen, op zichzelf voldoende worden gebruikt om het profielplan en het halfbreedteplan van het schip te ontwikkelen. Het is ook nuttig bij het ontwikkelen van de kromme van de doorsnede, en de bonjean krommen van het schip.
Het volledige lijnenplan van een schip wordt gerangschikt door het profielaanzicht bovenaan te plaatsen, met het halve breedteplan er vlak onder, en het lijnenplan rechts ervan, zoals hieronder is afgebeeld. Het lijnenplan vormt de basis voor de ontwikkeling van niet alleen het driedimensionale rompmodel, maar ook voor de ontwikkeling van de constructietekeningen per frame, de algemene indeling en de zoldertekeningen op de scheepswerf.
Figuur 5: Lijnenplan van een schip.
Hull Structure and Strength
Het structurele ontwerp van de romp van een schip bedraagt ongeveer 70 procent van het totale structurele ontwerp van het schip. De ontwerpfasen van de rompconstructie zijn als volgt:
Stap 1: Berekening van de belastingen op de romp: Hier komen de regels van het classificatiebureau om de hoek kijken. De voorschriftenboeken hebben speciale formules voor de berekening van golfbelastingen op de scheepsromp. Het stilstaand waterbuigmoment, het golfbuigmoment en de dwarskrachten moeten met deze formules worden berekend. Deze belastingswaarden fungeren als richtpunten in het gehele structurele ontwerpproces.
Stap 2: Schoorberekeningen voor midscheeps: De afmetingen van alle constructiedelen van het schip (platen, verstijvers, liggers, pijlers, enz.) worden tezamen scantlings genoemd. De belastingen berekend in stap 1 worden gebruikt om tot de schaallingen te komen, en dit wordt berekend voor constructiedelen op elk frame.
Step 3: Modulus midscheepssectie: De midscheepssectie constructietekening wordt gemaakt volgens de berekende scantlings. Daarna wordt de neutrale as van de midscheepssectie bepaald en wordt de weerstandsmoment van de midscheepssectie berekend. In dit stadium moet aan twee criteria worden voldaan:
- De verkregen midscheepse doorsnede moet gelijk zijn aan of groter zijn dan de minimumwaarde van het weerstandsmoment dat met de empirische formule in het handboek is verkregen.
- De buigspanningen bij het dek en de kiel worden berekend, en er wordt gecontroleerd of de spanningswaarden binnen de vereiste veiligheidsfactor liggen.
Figuur 6: Midscheepse doorsnedetekening van een passagiersschip.
In de bovenstaande midscheepse doorsnedetekening is de blauwe lijn (NA) de neutrale as van de doorsnede. De buigspanningsgrafiek wordt getekend met de neutrale as als referentie (oorsprong), en de bovenste en onderste uiteinden van de grafiek zouden de spanningswaarden bij respectievelijk het dek en de kiel aangeven, zoals in de onderstaande spanningsgrafiek is weergegeven.
Figuur 7: Buigspanningsdiagram van de midscheepssectie van een schip.
Waarom denk je dat het belangrijk is om de constructie van de midscheepssectie van het schip te ontwerpen vóór alle andere secties? Lees dit artikel om erachter te komen wat midscheeps structureel het belangrijkste gebied van het schip maakt.
Step 4: Frame-wise Scantling Calculation: Zodra de midscheepse doorsnedes aan de criteria voldoen, worden de doorsnedes voor constructiedelen op elk geraamte berekend, en de overeenkomstige geraamte-wijze constructietekeningen worden voorbereid. Speciale formules worden toegepast voor de voor- en achtersecties, en schotten, en tekeningen worden voor hetzelfde gemaakt.
Stap 5: Berekening van het staalgewicht: De verkregen scantlings worden de gebruikt om het staalgewicht van het schip te berekenen. Dit is waar de iteratie begint. Als het berekende staalgewicht buiten de empirisch en statistisch verkregen waarden ligt, zal de ontwerper wellicht moeten kijken naar het gebruik van lichter staal op geschikte plaatsen of andere beslissingen moeten nemen om het gewicht van het lichtschip binnen de perken te houden.
Stap 6: Ontwikkeling van 3D constructiemodel en FEA-analyses: Met de constructietekeningen van elk frame wordt een driedimensionaal constructiemodel gemaakt voor de gehele romp. Dit proces neemt de meeste tijd in beslag, omdat de nauwkeurigheid van dit model rechtstreeks van invloed is op de resultaten van de eindige-elementenanalyses die zullen volgen. Op het 3D-model worden driedimensionale meshing uitgevoerd, gevolgd door eindige-elementenanalyses voor verschillende omstandigheden. Het is op basis van de resultaten van deze analyses dat de classificatiebureaus tegenwoordig het constructief ontwerp van een schip goedkeuren, aangezien deze betrouwbaarder gegevens opleveren dan die welke door lineaire berekeningen worden geproduceerd.
Koersstabiliteit van de scheepsromp
Het andere belangrijke aspect van de scheepsromp is het richtingsvermogen of de koersvastheid van het schip op zee. Met andere woorden, de manoeuvreerbaarheid. Om de manoeuvreerbaarheid van de kale romp te beoordelen, evalueren wij de volgende aspecten:
- Rechte-lijnstabiliteit: Als een schip dat in een rechte lijn vaart, wordt onderworpen aan een externe verstoring, en het verandert van richting maar blijft in een rechte lijn langs de nieuwe richting bewegen, zonder de hulp van het roer, dan wordt gezegd dat de romp rechtlijnige stabiliteit heeft.
- Richtingstabiliteit: Als een schip dat zich in een rechte lijn voortbeweegt, wordt onderworpen aan een externe verstoring, en het blijft zich voortbewegen langs een nieuw pad dat evenwijdig is aan de aanvankelijke richting, dan wordt van het schip gezegd dat het richtingsstabiliteit bezit. Richtingvastheid is niet mogelijk zonder de hulp van een stuurvlak (b.v. roer), maar het hebben van rechtlijnige stabiliteit maakt het gemakkelijk om richtingvastheid te bereiken.
- Padstabiliteit: Als een schip dat in een rechte lijn vaart van buitenaf wordt verstoord, en het blijft (na een paar oscillaties) langs hetzelfde pad bewegen, wordt gezegd dat het padstabiliteit heeft. Padstabiliteit kan, net als richtingsstabiliteit, alleen worden bereikt als rechtlijnige stabiliteit wordt bereikt.
Figuur 8: Koersstabiliteit van een scheepsromp.
Het ontwerpdoel bij de ontwikkeling van een scheepsromp is dus het bereiken van de rechtuitstabiliteit. Voor deze verschillende tank worden proeven uitgevoerd op modelbassins en worden de hydrodynamische coëfficiënten gemeten voor de kale romp. Deze hydrodynamische coëfficiënten zijn de karakteristieke eigenschappen voor de koersvastheid van de romp, en bij ongewenste resultaten wordt besloten tot veranderingen in de vorm of de geometrie van de romp. Zo wordt in latere ontwerpstadia vaak een scheg aan de romp toegevoegd om de rechtuitstabiliteit te verbeteren, nadat de resultaten van de modelbassintest zijn verkregen.
Scheepsromp-bovenbouw interactie
Het is waargenomen dat de aanwezigheid van een bovenbouw op het hoofddek de buigspanning op het dek vermindert ten opzichte van de spanningswaarde die wordt voorspeld door de balkbuigtheorie. Dit komt door de interactie van de afschuifspanningen met de buigspanningen aan de uiteinden van de bovenbouw. Dit leidt echter tot vervormingen aan de uiteinden van de bovenbouw. Met andere woorden, als een bovenbouw een efficiënte bovenbouw is, moet hij een bepaald deel van de buigspanning aan het dek kunnen opnemen. De mate waarin de bovenbouw de buigspanning opneemt, bepaalt haar efficiëntie, die door ontwerpers liever bovenbouwefficiëntie wordt genoemd. Deze kan worden uitgedrukt als:
Het hangt van de ontwerper af of hij een bovenbouw ontwerpt die de buigspanning van de romp opneemt, of dat hij een bovenbouw ontwerpt die vrij is van enige interactie met de romp. Het ontwerpen van een 100% efficiënte bovenbouw zou mogelijk zijn, maar zou ten koste gaan van zware diepe schotten aan de uiteinden van de bovenbouw om ernstige vervormingen door afschuiving te voorkomen. Om de efficiëntie van de bovenbouw te vergroten, zijn de meeste schepen echter voorzien van bovenbouwen die met de romp zijn verbonden door middel van dwarsschotten onder het dek, en van spanten die doorlopend van de romp naar de bovenbouw lopen aan de voor- en achtereinden.
Andere aspecten van het ontwerp van een scheepsromp
Er zijn nog andere aspecten van een scheepsromp die een belangrijke rol spelen bij de prestaties van het schip op zee. De berekening van de weerstand van de romp is een belangrijke stap bij het bepalen van de energie-efficiëntie van de romp. Methoden om de weerstand van de romp te berekenen zijn in dit artikel uitvoerig besproken.
Een ander essentieel aspect van de scheepsromp is de waterdichtheid. Om dit te waarborgen, moet de ontwerper zorgen voor de onbeschadigde en beschadigde stabiliteit van het schip. Om meer te weten te komen over de stabiliteitsaspecten van een scheepsromp, wordt u geadviseerd de artikelen over intacte stabiliteit en beschadigde stabiliteit van een schip te lezen. In het artikel over de indeling van een scheepsromp wordt besproken hoe het aantal en de positie van waterdichte schotten worden bepaald tijdens het ontwerp van een scheepsromp.
Trillingen en dynamische respons van de scheepsromp is een factor die niet alleen bepalend is voor de prestaties van het schip, maar ook voor de levensduur van het schip op zee. Van alle verschillende trillingen op een schip is de trilling van de rompdrager van een schip een belangrijk punt van zorg. Een schip met ongewenste trillingsniveaus kan mogelijk al in de eerste jaren van zijn bestaan worden gesloopt. Lees dit artikel om meer te weten te komen over de soorten trillingen op de romp van een schip, de bronnen van excitatie, en ontwerpmaatregelen die zijn genomen om het niveau van romptrillingen aan boord te minimaliseren.
Disclaimer: De standpunten van de auteurs in dit artikel weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van Marine Insight. Gegevens en grafieken, indien gebruikt, in het artikel zijn afkomstig van beschikbare informatie en zijn niet geverifieerd door enige wettelijke autoriteit. De auteur en Marine Insight beweren niet dat deze accuraat zijn en aanvaarden geen enkele verantwoordelijkheid daarvoor. De standpunten vormen slechts de meningen en vormen geen richtlijnen of aanbevelingen over de te volgen handelwijze van de lezer.
Het artikel of de afbeeldingen mogen niet worden gereproduceerd, gekopieerd, gedeeld of gebruikt in welke vorm dan ook zonder toestemming van de auteur en Marine Insight.
Tags: scheepsromp scheepsromp ontwerp