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大型运输船舶快速性能回归分析研究

2010年6月10日

摘要

基于450条大型运输船舶的船型子样及其快速性能试验数据，应用多元统计回归分析方

法，分段研究了大型运输船舶的阻力系数与自航因子的快速估算策略。通过不同船型自变量

方案组合的对比分析，得出了影响大型运输船舶快速性的主要船型参数，进而得出了两套阻

力系数与自航因子的统计回归表达式，并通过实例验证其正确性。研究成果可用于大型运输

船舶的航速快速预报，也为大型运输船舶的快速性能优化指明了方向。

关键词：船舶、舰船工程；船型；阻力；推进；回归分析

0引言

船舶快速性能主要取决于船舶的阻力和推进性能。预报船舶快速性能的方法主要有五

种。①船模试验法。对于新设计的船舶，一般都用船模试验的方法来预报实船快速性能，与

其他方法相比，这种方法最为精确，但费用相对昂贵，周期亦较长；②系列试验图谱估算。

系列试验图谱估算结果能反映出系列参数变化引起性能变化的规律。船型技术的不断发展使

老的系列船型试验图谱已不能满足现代船型设计的需要，系列试验图谱也须不断更新。但更

新系列试验图谱试验工作量大、周期长、耗资巨大；③母型船修正法。在新船型的方案或初

步设计阶段，可应用已知的母型船阻力，采用简单的经验公式或换算系数估算新设计船的阻

力和功率，使用该方法的前提是找到相应的母型船资料，掌握其性能数据和修正规则；④理

论计算法（采用CFD方法或兴波阻力理论）。理论计算方法可迅速、低消耗地提供多方案的

船舶性能和流场的宏、微观信息，在一定程度上能为船舶改型和优化提供方向，但研究方形

系数变化对船舶性能的影响，需要通过大量的计算来掌握其规律；⑤统计和回归资料估算法。

统计和回归资料估算是对大量的模型与实船试验资料进行回归分析，找出影响阻力及推进性

能的船型参数，进而得出估算船舶性能的经验公式、图谱或回归表达式，该方法在船舶初始

设计阶段非常实用，能快速地预报其航行性能，并可为船型设计师改型提供参考。

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本文依托船舶技术性能数据库，通过整理大量的船型快速性性能资料，进行了多方案的

回归分析计算，找出了对船舶阻力、推进性能影响较大的船型参数，进而得出了两套阻力系

数与自航因子的统计回归表达式，为快速、可靠预报航速奠定了基础，为船舶设计师设计新

船提供了依据，为船舶改型优化指明方向。

1基本原理及方法

1.1船舶技术性能数据库简介

中国船舶科学研究中心建立的船舶技术性能数据库，收集了大型油船、货船、集装箱船、

LPG船、LNG船、滚装船等当代国内外优秀船型的主要数据，包括船体主尺度、船型系数、

型线、推进器与附体的布局和几何资料以及阻力、敞水、自航因子、耐波性、操纵性、船尾

伴流场及实船试验等数据。该数据库可为新船设计及其船型生成、性能预报提供母型；为船

舶性能评估提供比较对象；是建立性能预报数学模型和估算公式的数据源。

1.2船型分类与换算方法

船型对船舶总体性能起统领作用。对于一般排水型水面船舶，可按傅汝德数分为低速船

（Fn<0.2），中速船（0.2<Fn<0.3），高速船（Fn>0.3），各类船舶的速度范围不同，因而它

们的主要阻力成分也不同。对于低速船，方形系数较大，航速较低，兴波阻力成分很小，摩

擦阻力构成总阻力的主要成分；对于中高速船，方形系数相对较小，兴波阻力所占总阻力的

成分增大，摩擦阻力所占成分减小。

上世纪50～60年代甚至更早些年代，船模与实船间的换算关系都是采用二因次法，即将

船舶阻力划分为摩擦阻力与剩余阻力两部分，换算到实船时再加上粗糙度补贴。这对早期的

军船、小型船舶及方形系数不大的船舶是可行的，但随着船越造越大，方形系数也大大增加，

再将服从雷诺定律的粘性阻力、漩涡阻力以及其他一些阻力分量都归入剩余阻力中是不适宜

的，甚至会出现实船比模型还光滑的谬论，于是就出现了三因次换算法。对于方形系数较大

的低速船，进行模型和实船阻力换算时通常采用三因次换算法；对于中高速船，进行模型和

实船阻力换算时通常采用二因次换算方法。

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船舶技术性能数据库收集的船为民用船舶，傅汝德数均在0.3以下，根据傅汝德数和方

形系数的相对关系将船舶按方形系数分成三大类，中等方形系数中高速船CB（0.58～0.73），

大中等方形系数中低速船CB（0.71～0.79），大方形系数低速船CB（0.77～0.86）。分别对不

同方形系数的船进行归类整理回归计算，并依照不同分类采用不同的模型和实船阻力换算方

法，得到初步计算和精细计算两套适用于单桨船的阻力自航回归计算表达式。

1.3统计回归分析方法

采用统计回归分析计算方法，回归依自变量多少而定，有三元、四元、七元、十四元等，

四元的回归模型如下