JP7093983B2 - 船首形状、船舶、及び船首形状の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、船首形状、船舶、及び船首形状の設計方法に関する。

図６は、内方傾斜船首形状を有しない従来の肥大船２００の船首部を示す要部平面図である。
図６では、船体中心線２１０、上甲板２２０、静止水線２３０、錨２４０を示している。肥大船２００は、静止水線２３０での形状が船体の外側に凸形状であるため、波浪中抵抗増加を効果的に減少させる三角形形状２５０への変更が難しい。
ここで、特許文献１では、波浪中での船体抵抗を減少させるために、船首部の肋骨線を船体の内側に凹ます形状が提案されている（特に図１及び段落番号（００１０））。
また、特許文献２では、軽荷状態での波浪による抵抗を減少させるために、船底部を略Ｖ字状とし、船首部の側面部に凸部を形成することが提案されている。
また、特許文献３では、波浪中抵抗増加を減少させるために、最大喫水よりも上方に船体中心線側にくびれた凹部を形成し、凹部の中心の高さを、水頭の０．５倍以上３．０倍以下の範囲内の高さとすることが提案されている。
また、特許文献４では、航行時の抵抗を低減するために、船首の載荷水線よりも上の部分が従来と比較して内側に凹んだ船舶が提案されている。
また、特許文献５では、波浪抵抗及び風圧抵抗の影響を同時に低減させるために、喫水線より下方の領域で最先端部を有する下部船首プロファイルと、船尾部の方向に後傾する上部船首プロファイルとを備え、喫水線より上方又は下方の領域で内側に傾斜した負のフレア角を有する船首形状が提案されている。
また、特許文献６では、平水中走行性能を損なうことなく波浪中抵抗増加を減少させるために、船首部のフレームライン形状が、静的上昇位置から上方の位置で内方に傾斜した内方傾斜船首形状を有する内方傾斜船首形状が提案されている。

特開平７－３３０７１号公報 特開２０１１－１７８３３４号公報 特開２００７－２３７８９５号公報 米国特許第３４４３５４４号明細書 特開２０１２－１７０８９号公報 国際公開第２０１５／０７９７１０号

しかし、特許文献１では、満載喫水線の近傍から上を凹ましており、静的水位上昇位置を考慮していないばかりか、この凹みの上面部よりも上方が静的水位上昇位置よりも下方に位置することもあるため、平水中走行性能を損なうことがある。また、凹みのさらに上方のフレームラインの水線面形状を変更することによって凹みによる波浪中抵抗増加低減効果を大きくしようとする思想はない。
また、特許文献２では、凸部の形成によって、凸部の上方に若干の凹みが生じているが、この凹みは静的上昇位置（図中のＤＷＬ’のライン）より下方に位置しているため、静的上昇位置より上方は、外方へ傾斜している。従って、この凹みによっては、波浪中抵抗増加を減少させることはできない。
また、特許文献３では、凹部の中心の高さは静的水位上昇位置を考慮したものではないため、凹部が必ずしも静的水位上昇位置に沿った形状とはなっておらず、平水中走行性能が変化するとともに、波浪中抵抗増加の減少効果も限られたものである。また、凹部のさらに上方のフレームラインの水線面形状を変更することによって凹部による波浪中抵抗増加低減効果を大きくしようとする思想はない。
また、特許文献４では、載荷水線よりも上の部分が内側に凹んでおり、静的水位上昇位置を考慮していない。また、凹みのさらに上方のフレームラインの水線面形状を変更することによって凹みによる波浪中抵抗増加低減効果を大きくしようとする思想はない。
また、特許文献５では、喫水線より上方又は下方の領域に負のフレア角をもたせるものであり、静的水位上昇位置を考慮していない。
また、特許文献６では、静的水位上昇位置を考慮して内方傾斜船首形状を設けることが開示されているが、内方傾斜船首形状のさらに上方のフレームラインの水線面形状を変更することによって内方傾斜船首形状による波浪中抵抗増加低減効果を大きくしようとする思想はない。

そこで本発明は、平水中走行性能を損なうことなく波浪中抵抗増加を減少させるという内方傾斜船首形状による波浪中抵抗増加低減効果をさらに大きくする船首形状、船舶、及び船首形状の設計方法を提供することを目的とする。

請求項１記載に対応した船首形状においては、船舶の船体の船首形状であって、船体の船首部のフレームラインの形状が、船舶の航行時に船首部に生じる船舶毎の代表的な速度として設計時に設定されている航海速力によって波のない状態である平水中を走行する時に生じる水面の盛り上がり位置である静的水位上昇位置から上方で内方に傾斜した内方傾斜船首形状を有し、内方傾斜船首形状の上部のフレームラインの水線面形状が、船体を平面視した場合に船体中心線と船首部の前端との交点を頂点として船首部から後方に広がる直線的形状を有し、船舶の前方正面から到来した波が後方へ撥ね返されて推力成分となる形状であるとともに、内方傾斜船首形状の前部のフレームラインの形状を２段階に形成し、内方傾斜船首形状の後部のフレームラインの形状を１段階に形成し、前部における２段階の内方傾斜船首形状のうちの１段目である上面部の内方傾斜船首形状のフレームラインの形状を起点Ｓから、水平面から測った角度が第１の角度を有する直線的形状とし、２段目の内方傾斜船首形状のフレームラインの形状を、水平面から測った角度が第２の角度を有する直線的形状とし、上面部である１段目の第１の角度を有する直線的形状と、２段目の第２の角度を有する直線的形状とが交点Ｐで接合されており、後部における１段階の内方傾斜船首形状のフレームラインの形状を、船首部から後方に広がる直線的形状となるように、水平面から測った角度が第２の角度を有する直線的形状としたことを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、平水中走行性能を損なうことなく波浪中抵抗増加を効果的に減少させるという内方傾斜船首形状による波浪中抵抗増加低減効果をさらに大きくして船舶の燃費を向上できる。すなわち、内方傾斜船首形状の上部に直線的形状を有することにより、内方傾斜船首形状の上部にまで到達した波が後方に撥ね返され、抵抗成分を減少して推力成分を増加させ、波浪中抵抗増加低減効果を増すことができる。また、内方傾斜船首形状の前部のフレームラインの形状を２段階に形成することで、内方傾斜船首形状の入れ込み量を小さくすることができ、船首形状を設計する際の自由度が向上する。また、内方傾斜船首形状の上面部を流れる波をより船首側で落とすことが可能となる。また、内方傾斜船首形状の前部のフレームラインの形状を直線的形状とすることで、内方傾斜船首形状を直線的に形成することができる。

請求項２記載の本発明は、第１の角度よりも第２の角度の方が大きいことを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、内方傾斜船首形状の上部に達する波をより落としやすくなる。

請求項３記載の本発明は、２段階の内方傾斜船首形状と１段階の内方傾斜船首形状の範囲を船体の全長に対して１０％までの範囲に設定したことを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、内方傾斜船首形状による波浪中抵抗増加低減効果をさらに大きくできる。

請求項４記載の本発明は、２段階の内方傾斜船首形状の、１段目のフレームラインの形状と２段目のフレームラインの形状の接合部である交点Ｐを連ねる線が、船体を側面視した状態で斜目に形成されていることを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、内方傾斜船首形状の上面部を流れる波をより船首側で落とすことができる。

請求項５記載の本発明は、内方傾斜船首形状の起点Ｓを連ねる包絡線が静的水位上昇位置に沿ったものであることを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、静的水位上昇位置に沿って内方傾斜船首形状を形成できる。

請求項６記載の本発明に対応した船舶は、上記の船首形状を船体に備えたことを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、船首形状による波浪中抵抗増加低減効果が大きく、燃費の良い船舶を提供できる。

請求項７記載の本発明に対応した船首形状の設計方法は、船体の平水中抵抗を最適化した後に、船体の波浪中抵抗増加を低減するための内方傾斜船首形状の上部の船首部から後方に広がる直線的形状を最適化したことを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、波浪中抵抗増加低減効果が大きい船首形状の設計方法を提供できる。

請求項８記載の本発明は、船首部から後方に広がる直線的形状の最適化に当ってはブラントネス係数を用いたことを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、水切り角による船首部の端部形状だけでなく、水線面形状全体で船首形状を評価するため、内方傾斜船首形状を有した船舶に対して最適設計を行うことができる。

本発明の船首形状によれば、平水中走行性能を損なうことなく波浪中抵抗増加を効果的に減少させるという内方傾斜船首形状による波浪中抵抗増加低減効果をさらに大きくして船舶の燃費を向上できる。すなわち、内方傾斜船首形状の上部に直線的形状を有することにより、内方傾斜船首形状の上部にまで到達した波が後方に撥ね返され、抵抗成分を減少して推力成分を増加させ、波浪中抵抗増加低減効果を増すことができる。また、内方傾斜船首形状の前部のフレームラインの形状を２段階に形成することで、内方傾斜船首形状の入れ込み量を小さくすることができ、船首形状を設計する際の自由度が向上する。また、内方傾斜船首形状の上面部を流れる波をより船首側で落とすことが可能となる。また、内方傾斜船首形状の前部のフレームラインの形状を直線的形状とすることで、内方傾斜船首形状を直線的に形成することができる。

また、第１の角度よりも第２の角度の方が大きい場合には、内方傾斜船首形状の上部に達する波をより落としやすくなる。

また、２段階の内方傾斜船首形状と１段階の内方傾斜船首形状の範囲を船体の全長に対して１０％までの範囲に設定した場合には、内方傾斜船首形状による波浪中抵抗増加低減効果をさらに大きくできる。

また、２段階の内方傾斜船首形状の、１段目のフレームラインの形状と２段目のフレームラインの形状の接合部である交点Ｐを連ねる線が、船体を側面視した状態で斜目に形成されている場合には、内方傾斜船首形状の上面部を流れる波をより船首側で落とすことができる。

また、内方傾斜船首形状の起点Ｓを連ねる包絡線が静的水位上昇位置に沿ったものである場合には、静的水位上昇位置に沿って内方傾斜船首形状を形成できる。

本発明の船首形状を備えた船舶によれば、船首形状による波浪中抵抗増加低減効果が大きく、燃費の良い船舶を提供できる。

本発明の船首形状の設計方法によれば、波浪中抵抗増加低減効果が大きい船首形状の設計方法を提供できる。

また、船首部から後方に広がる直線的形状の最適化に当ってはブラントネス係数を用いた場合には、水切り角による船首部の端部形状だけでなく、水線面形状全体で船首形状を評価するため、内方傾斜船首形状を有した船舶に対して最適設計を行うことができる。

本発明の一実施形態による内方傾斜上方船首形状を有した船舶の船首部を示す要部平面図 同内方傾斜上方船首形状を有した船舶の概略図 同船舶の内方傾斜船首形状部分の波の流れを示す図 本発明の実施形態に対応した内方傾斜上方船首形状の設計方法の説明図 従来の内方傾斜上方船首形状を有した船舶の船首部を示す要部平面図 内方傾斜船首形状を有しない従来の肥大船の船首部を示す要部平面図

本発明の一実施形態による内方傾斜上方船首形状、及び内方傾斜上方船首形状を備えた船舶について説明する。
図１は本発明の一実施形態による内方傾斜上方船首形状を有した船舶の船首部を示す要部平面図、図２は同内方傾斜上方船首形状を有した船舶の概略図、図３は同船舶の内方傾斜船首形状による波の流れを示す図、図５は従来の内方傾斜上方船首形状を有した船舶の船首部を示す要部平面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による船舶は、船体１０の船首部のフレームライン形状が、静的水位上昇位置から上方で内方に傾斜した内方傾斜船首形状２０を有する。ここで「静的水位上昇位置」とは、船舶の航行時に船首部に生じる船舶毎の代表的な速度として設計時に設定されている航海速力によって波のない状態である平水中を走行する時に生じる水面の盛り上がり位置である。図２（ａ）に、静的水位上昇線４０を一点鎖線で示している。静的水位上昇位置から上方で内方に傾斜した内方傾斜船首形状２０を有することにより、平水中走行性能を損なうことなく、波浪中抵抗増加を効果的に減少させることができる。
なお、内方傾斜船首形状２０の起点を連ねる包絡線が静的水位上昇位置に沿ったものとしてもよい。この場合、静的水位上昇位置に沿って内方傾斜船首形状２０を形成できる。

図１及び図５においては、船舶の船体１０、１１０に到来する波の流れを矢印で示している。前方から到来した波は、船舶の船体１０、１１０によって後方へ撥ね返された流れが推力成分となり、前方へ撥ね返された流れが抵抗成分となる。
従来の船舶の場合、船体１１０の船首形状は、図５に示すように、内方傾斜船首形状１２０の上方のフレームラインの水線面形状ＷＬ１が、船体１１０を平面視した場合に船体中心線１３０と船首部の前端との交点を頂点として船首部から後方に広がる曲線的形状となっている。このような曲線的形状の場合、特に船首部の前側では衝突した波が前方へ撥ね返されやすく抵抗成分が多くなる。
一方、本実施形態による船舶の場合、船体１０の船首形状は、図１に示すように、内方傾斜船首形状２０のさらに上方のフレームラインの水線面形状ＷＬ２が、船体１０を平面視した場合に船体中心線３０と船首部の前端との交点を頂点として船首部から後方に広がる直線的形状１１を有する。なお、図１には、比較のため従来の船舶の水線面形状ＷＬ１を破線で示している。直線的形状１１を有することにより、船首部の後側に衝突した波のみならず前側に衝突した波も後方に撥ね返されることが多くなるため、抵抗成分が減少して推力成分が増加する。これにより、波浪中抵抗増加を低減して船舶の燃費を向上させることができる。

なお、船首部の後側は前側に比べて水線面形状ＷＬ２の曲がりが緩やかであるため、船首部の前端から所定の範囲Ｌに直線的形状１１を形成することで上記効果が高くなる。この場合は、所定の範囲Ｌより後方の水線面形状ＷＬ２は曲線的形状に形成してよい。
所定の範囲Ｌは、船体１０の全長に対して１０％以下とすることが好ましく、５％以上１０％以下とすることがさらに好ましい。

次に、本実施形態による内方傾斜船首形状２０について詳細に説明する。
図２（ａ）は本実施形態による内方傾斜上方船首形状を有した船舶の側面図、図２（ｂ）は同平面図、図２（ｃ）は同Ｂ－Ｂ線断面における正面図、図２（ｄ）は同Ａ－Ａ線断面における正面図である。なお、図２（ｃ）及び（ｄ）では船体の一部を示しており、符号４１は静止水線である。
また、図３は本実施形態による船舶の内方傾斜船首形状部分の波の流れを示す図であり、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は平面図である。本実施形態による船舶の内方傾斜船首形状２０部分の波の流れを破線矢印で示し、従来の船舶の内方傾斜船首形状部分の波の流れを点線矢印で示している。

本実施形態では、内方傾斜船首形状２０の前部である前部内方傾斜船首形状２１のフレームラインの形状を１段目２１Ａと２段目２１Ｂにより２段階に形成し、内方傾斜船首形状２０の後部である後部内方傾斜船首形状２２のフレームラインの形状を１段階に形成している。図２において、「Ｓ」は内方傾斜船首形状２０の上面部の起点、「Ｐ」は２段目２１Ｂと内方傾斜船首形状２０の上面部（１段目２１Ａ）の交点、「Ｑ」は内方傾斜船首形状２０の最深部を示している。
船体１０の前後方向をＸ軸にとると、座標Ｘ１はＰ＝Ｑとなる座標であり、座標Ｘ３は内方傾斜船首形状２０と元のフレームラインが一致する座標である。また、座標Ｘ２はＰ＝ＳとなるＸ座標であり、前部内方傾斜船首形状２１と後部内方傾斜船首形状２２との境目である。従って、座標Ｘ１～座標Ｘ２が前部内方傾斜船首形状２１、座標Ｘ２～座標Ｘ３が後部内方傾斜船首形状２２である。この場合は、ＰとＳが一致している。座標Ｘ１において内方傾斜船首形状２０は、静的水位上昇の最高点４０ａよりも上方にある。なお、座標Ｘ１は船首部の前端より前であってもよい。
前部内方傾斜船首形状２１のフレームラインの形状を２段階とすることにより、内方傾斜船首形状２０の内方への入れ込み量を小さくすることができ、船首形状を設計する際の自由度が向上する。また、図３に示すように、内方傾斜船首形状２０の上面部を流れる波をより船首側で落とすことが可能となり、波浪中抵抗増加低減効果を確保することができる。

図２（ｃ）に示すように、１段階の後部内方傾斜船首形状２２のフレームラインの形状は、水平面から測った角度が第２の角度θ２を有する直線的形状としている。
また、図２（ｄ）に示すように、２段階の前部内方傾斜船首形状２１のうち、１段目２１Ａのフレームラインの形状は、水平面から測った角度が第１の角度θ１を有する直線的形状とし、２段目２１Ｂのフレームラインの形状は、水平面から測った角度が第２の角度θ２を有する直線的形状としている。また、第１の角度θ１よりも第２の角度θ２の方を大きくし、第２の角度θ２を９０度よりも小さくしている。すなわち、θ１＜θ２＜９０度としている。これにより、内方傾斜船首形状２０のさらに上方に達する波をより落としやすくなる。
また、２段階に形成された前部内方傾斜船首形状２１と１段階の後部内方傾斜船首形状２２の範囲は、船首部の前端から船体１０の全長に対して１０％までの範囲Ｍに設定されている。これにより、内方傾斜船首形状２０による波浪中抵抗増加低減効果をさらに大きくできる。
また、前部内方傾斜船首形状２１の、１段目２１Ａのフレームラインの形状と２段目２１Ｂのフレームラインの形状の接合部２１Ｃは、図２（ａ）に示すように船体１０を側面視した状態で斜目に形成している。これにより、内方傾斜船首形状２０の上面部を流れる波をより船首側で落とすことができる。

次に、図４を用いて上記実施形態に対応した内方傾斜上方船首形状の設計方法について説明する。
まず、平水中抵抗を最適化する設計をし、その後に、波浪中抵抗増加を減少するための内方傾斜船首形状２０のさらに上方のフレームライン形状の直線的形状１１を最適化する設計をする。
平水中抵抗を最適化する設計をするとき、設計速度で航走するときの平水中抵抗をＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）により計算する。平水中の抵抗は、例えばナビエーストークス（Navier-Stokes）ソルバーである流体解析ソフト（NEPTUNE，SURF）（海上技術安全研究所）を用いることができる。最適化手法には、遺伝的アルゴリズムを用いることができる。
波浪中抵抗増加を減少するための内方傾斜船首形状２０のさらに上方のフレームライン形状の直線的形状１１を最適化する設計をするとき、静的水位上昇線４０より上部の形状で求まるブラントネス係数を用いる。
ブラントネス係数は、内方傾斜船首形状２０の水線面形状に沿って取った線素ｄｌと船体中心線からの開き角βwと、入射波の波向きαから決まる。ブラントネス係数は、以下の式により算出される。IとIIは図４に示す積分範囲である。

フレームライン形状の直線的形状１１を最適化する設計をするに当ってブラントネス係数を用いた場合には、水切り角による船首部の端部形状だけでなく水線面形状全体で船首形状を評価するため、水線面形状を効果的に波浪中抵抗増加を減少させる三角形形状もしくはそれに近い形状とすることで、肥大船を含む内方傾斜上方船首形状を有した船舶に対して最適な設計を行うことができる。

本発明は、平水中走行性能を損なうことなく波浪中抵抗増加を効果的に減少させる船首形状、船舶、及び設計方法に広く適用することができる。

１０ 船体
１１ 直線的形状
２０ 内方傾斜船首形状
２１ 前部
２１Ａ １段目
２１Ｂ ２段目
２１Ｃ 接合部
２２ 後部
θ１ 第１の角度
θ２ 第２の角度
Ｌ 直線的形状の範囲
Ｍ ２段階と１段階の内方傾斜船首形状の範囲
ＷＬ２ 内方傾斜船首形状のさらに上方のフレームラインの水線面形状

Claims (8)

1. 船舶の船体の船首形状であって、前記船体の船首部のフレームラインの形状が、前記船舶の航行時に前記船首部に生じる前記船舶毎の代表的な速度として設計時に設定されている航海速力によって波のない状態である平水中を走行する時に生じる水面の盛り上がり位置である静的水位上昇位置から上方で内方に傾斜した内方傾斜船首形状を有し、前記内方傾斜船首形状の上部の前記フレームラインの水線面形状が、前記船体を平面視した場合に船体中心線と前記船首部の前端との交点を頂点として前記船首部から後方に広がる直線的形状を有し、前記船舶の前方正面から到来した波が後方へ撥ね返されて推力成分となる形状であるとともに、
   前記内方傾斜船首形状の前部の前記フレームラインの形状を２段階に形成し、前記内方傾斜船首形状の後部の前記フレームラインの形状を１段階に形成し、
   前記前部における前記２段階の前記内方傾斜船首形状のうちの１段目である上面部の前記内方傾斜船首形状の前記フレームラインの形状を起点Ｓから、水平面から測った角度が第１の角度を有する直線的形状とし、２段目の前記内方傾斜船首形状の前記フレームラインの形状を、水平面から測った角度が第２の角度を有する直線的形状とし、
   前記上面部である前記１段目の前記第１の角度を有する直線的形状と、前記２段目の前記第２の角度を有する直線的形状とが交点Ｐで接合されており、
   前記後部における前記１段階の前記内方傾斜船首形状の前記フレームラインの形状を、前記船首部から後方に広がる直線的形状となるように、水平面から測った角度が前記第２の角度を有する直線的形状としたことを特徴とする船首形状。
2. 前記第１の角度よりも前記第２の角度の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載の船首形状。
3. 前記２段階の前記内方傾斜船首形状と前記１段階の前記内方傾斜船首形状の範囲を前記船体の全長に対して１０％までの範囲に設定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の船首形状。
4. 前記２段階の前記内方傾斜船首形状の、前記１段目のフレームラインの形状と前記２段目のフレームラインの形状の接合部である前記交点Ｐを連ねる線が、前記船体を側面視した状態で斜目に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１項に記載の船首形状。
5. 前記内方傾斜船首形状の前記起点Ｓを連ねる包絡線が前記静的水位上昇位置に沿ったものであることを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の船首形状。
6. 請求項１から請求項５のうちの１項に記載の船首形状を前記船体に備えたことを特徴とする船舶。
7. 請求項１から請求項５のうちの１項に記載の船首形状の設計方法であって、前記船体の平水中抵抗を最適化した後に、前記船体の波浪中抵抗増加を低減するための前記内方傾斜船首形状の前記上部の前記船首部から後方に広がる直線的形状を最適化したことを特徴とする船首形状の設計方法。
8. 前記船首部から後方に広がる直線的形状の最適化に当ってはブラントネス係数を用いたことを特徴とする請求項７に記載の船首形状の設計方法。

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