JPWO2015079710A1 - 内方傾斜船首形状、内方傾斜船首形状を有した船舶、及び内方傾斜船首形状の設計方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、船首部のフレームライン形状が、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の位置で内方に傾斜した内方傾斜形状２０を有することで、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ことができる内方傾斜船首形状、内方傾斜船首形状を有した船舶、及び内方傾斜船首形状の設計方法を提供する。

Description

本発明は、内方傾斜船首形状、内方傾斜船首形状を有した船舶、及び内方傾斜船首形状の設計方法に関する。

従来の肥大船について図５を用いて説明する。
図５（ａ）は同肥大船の船首部を示す要部平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線断面における正面図である。なお、図５（ｂ）は船体の半分を示している。
図５では、船体中心線１００、上甲板１０１、船体の静止水線１０２、及び錨１０３を示している。
肥大船は、静止水線１０２での形状が船体の外側に凸形状であるため、効果的に波浪中抵抗増加を減少させる三角形形状１０４への変更が難しい。
また、上甲板１０１は、係船装置等の設置のために一定の面積が必要であり、錨１０３を降下又は収納するためには、少なくとも静止水線１０２又は水面下の最大半幅より外側に張り出す必要がある。
ところで、特許文献１では、波浪中での船体抵抗を減少するために、船首部の肋骨線を船体の内側に凹ます形状を提案している（特に図１及び段落番号（００１０））。
また、特許文献２では、波浪中抵抗増加を減少するために、オリジナルの船体をえぐり取って船体幅を細くし、船体をえぐり取ってステムラインを後退させることを提案している（特に図３及び段落番号（００１４））。
また、特許文献３では、波浪による抵抗を減少するために、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を提案している。
また、特許文献４では、波浪中抵抗増加を減少するために、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することを提案している。

特開平７−３３０７１号公報 特開２００６−２２４８１１号公報 特開２０１１−１７８３３４号公報 特開２００７−２３７８９５号公報

特許文献１では、満載喫水線より上を凹ましており、静的水位上昇位置を考慮していないばかりか、この凹みは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、特許文献２についても、えぐり取った箇所は静的水位上昇位置よりも下方となっており、平水中走行性能を損なうことがある。
また、特許文献３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４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。

そこで、本発明は、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静的水位上昇位置から上方の位置で内方に傾斜した内方傾斜形状を有することで、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ことができる内方傾斜船首形状、内方傾斜船首形状を有した船舶、及び内方傾斜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記載の本発明に対応した内方傾斜船首形状においては、船舶の船首部の船首形状であって、船首部のフレームライン形状が、船舶の航行時に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の位置で内方に傾斜した内方傾斜形状を有することを特徴とする。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ことができる。

請求項２記載の本発明は、船首部を前方から後方視したときの内方傾斜形状の始点を連ねる包絡線が船体中心線から外側に向かって一旦上がった後に下がる形状であることを特徴とする。請求項２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形状を形成できる。

請求項３記載の本発明は、船首部を側方視したときの内方傾斜形状の始点を連ねる包絡線が船首部の前方から後方に向かって一旦上がった後に下がる形状であることを特徴とする。請求項３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形状を形成できる。

請求項４記載の本発明は、内方傾斜形状を、船首部の前方から静的水位上昇位置が静止水線以下になる点までの間に形成したことを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、静止水線以下には内方傾斜形状を形成しないことで、船速の低いときの平水中走行性能を損なうことがない。

請求項５記載の本発明は、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を、上方に向かって直立した形状としたことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、上甲板に係船装置等の設置が必要ない場合には、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を上方に向かって直立した形状とすることにより、波浪の大きいときの抵抗増加を低減することができる。

請求項６記載の本発明は、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を、上方に向かって内方に傾斜した形状としたことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、上甲板に係船装置等の設置が必要ない場合には、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を上方に向かって内方に傾斜した形状とすることにより、波浪の大きいときの抵抗増加を低減することができる。

請求項７記載の本発明は、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を、上方に向かって広がるフレア形状と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、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面をフレア形状とすることで、上甲板に係船装置等を設置することができる。

請求項８記載の本発明は、平面視で、船体中心線と船首部の先端との交点から船首垂線の後方の垂線間長の１％の位置における両舷に至る開き角が１００度を越えない三角形形状内に、内方傾斜形状が収まることを特徴とする。請求項８に記載の本発明によれば、波浪中抵抗増加を効果的に減少させることができる。

請求項９記載の本発明は、船首部の船首形状が、ステムラインが後方に傾斜しない形状であることを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、ホエールバック船型以外の肥大船に適用できる。

請求項１０記載の本発明に対応した内方傾斜船首形状を有した船舶は、内方傾斜形状は、静的水位上昇位置のピーク部での傾斜度をピーク部以外の傾斜度よりも大きく設定したことを特徴とする。請求項１０に記載の本発明によれば、波浪に対し効果的に抵抗低減を図るとともに、抵抗増加を極力抑えることができる。

請求項１１記載の本発明に対応した内方傾斜船首形状を有した船舶は、内方傾斜船首形状を船首部に有したことを特徴とする。請求項１１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船舶を提供できる。

請求項１２記載の本発明は、船首部の水線面形状が凸形状であることを特徴とする。請求項１２に記載の本発明によれば、船倉等を大きく確保した上で、波浪中抵抗増加を効果的に減少させることが困難な肥大船に適用できる。

請求項１３記載の本発明に対応した内方傾斜船首形状の設計方法は、平水中抵抗を最適化した後に、波浪中抵抗増加を減少するための静的水位上昇位置の上方の位置におけるフレームライン形状を最適化したことを特徴とする。請求項１３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設計方法を提供できる。

請求項１４記載の本発明は、フレームライン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１４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。

本発明の内方傾斜船首形状によれば、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ことができる。

また、船首部を前方から後方視したときの内方傾斜形状の始点を連ねる包絡線が船体中心線から外側に向かって一旦上がった後に下がる形状である場合には、静的水位上昇位置に沿って内方傾斜形状を形成できる。

また、船首部を側方視したときの内方傾斜形状の始点を連ねる包絡線が船首部の前方から後方に向かって一旦上がった後に下がる形状である場合には、静的水位上昇位置に沿って内方傾斜形状を形成できる。

また、内方傾斜形状を、船首部の前方から静的水位上昇位置が静止水線以下になる点までの間に形成した場合には、静止水線以下には内方傾斜形状を形成しないことで、船速の低いときの平水中走行性能を損なうことがない。

また、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を、上方に向かって直立した形状とした場合には、上甲板に係船装置等の設置が必要ない場合に、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を上方に向かって直立した形状とすることにより、波浪の大きいときの抵抗増加を低減することができる。

また、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を、上方に向かって内方に傾斜した形状とした場合には、上甲板に係船装置等の設置が必要ない場合に、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を上方に向かって内方に傾斜した形状とすることにより、波浪の大きいときの抵抗増加を低減することができる。

また、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を、上方に向かって広がるフレア形状とした場合には、内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面をフレア形状とすることで、上甲板に係船装置等を設置することができる。

また、平面視で、船体中心線と船首部の先端との交点から船首垂線の後方の垂線間長の１％の位置における両舷に至る開き角が１００度を越えない三角形形状内に、内方傾斜形状が収まる場合には、波浪中抵抗増加を効果的に減少させることができる。

また、船首部の船首形状が、ステムラインが後方に傾斜しない形状である場合には、ホエールバック船型以外の肥大船に適用できる。

また、内方傾斜形状を、静的水位上昇位置のピーク部での傾斜度をピーク部以外の傾斜度よりも大きく設定した場合には、波浪に対し効果的に抵抗低減を図るとともに、抵抗増加を極力抑えることができる。

本発明の内方傾斜船首形状を有した船舶によれば、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船舶を提供できる。

また、船首部の水線面形状が凸形状である場合には、船倉等を大きく確保した上で、波浪中抵抗増加を効果的に減少させることが困難な肥大船に適用できる。

本発明の内方傾斜船首形状の設計方法によれば、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設計方法を提供できる。

また、フレームライン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船首形状を有した船舶の概略図 本発明の他の実施形態による内方傾斜船首形状を有した船舶の概略図 本発明の更に他の実施形態による内方傾斜船首形状を有した船舶の概略図 本発明の実施形態に対応した内方傾斜船首形状の設計方法の説明図 従来の肥大船の概略図

本発明の一実施形態による内方傾斜船首形状を有した船舶について図１を用いて説明する。
図１（ａ）は同船舶の船首部を示す要部側面図、図１（ｂ）は同船舶の船首部船体正面図、図１（ｃ）は同船舶の船首部を示す要部平面図である。なお、図１（ｂ）は船体の半分を示している。
図１には、船体中心線１０、上甲板１１、船体の静止水線１２、及び静的水位上昇線１３を示している。
本実施形態による船舶は、肥大船であり、船首部の水線面形状が凸形状である。また、船首部の船首形状は、ステムライン１４が後方に傾斜しない形状である。なお、図１（ａ）では、ステムライン１１０が後方に傾斜しているホエールバック船型を点線で示している。本実施形態による船舶は、ホエールバック船型以外の肥大船に適用できる。

本実施形態による船舶は、船首部のフレームライン形状に内方傾斜形状２０を有する。
図１（ｂ）において、点線で示す内方傾斜形状２０は、始点２１から終点２２に至る形状であり、始点２１から終点２２まで内方に傾斜している。内方傾斜形状２０における始点２１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静的水位上昇線１３の位置以上に静的水位上昇線１３に沿って形成してあり、内方傾斜形状２０は、静的水位上昇線１３よりも上方の近傍に位置する。船首部の水線面形状が凸形状である肥大船の場合、内方傾斜形状２０を静的水位上昇線１３よりも上方に位置させることにより、船倉等を大きく確保した上で、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、内方傾斜形状２０の始点２１の位置は静的水位上昇線１３のやや下方であってもよいが、静的水位上昇線１３の満載時における積荷量のばらつきや船体のトリムによる影響を考慮して平水中を走行する時には内方傾斜形状２０に水がかからないようにやや上方であることが好ましい。また、静的水位上昇位置は満載状態での設計船速時を想定しているが、内方傾斜形状設計後に船主要求、試運転結果等で喫水線変更、船速変更はあり得る点からも、内方傾斜形状２０は静的水位上昇線１３よりも略上方に位置することも許容するものとする。略上方とは好ましくは、船首喫水の２０％以下、より好ましくは、船首喫水の１５％以下をいう。
本実施形態によるフレームライン形状は、点線で示すように内方傾斜形状２０よりさらに上部を、上方に向かって広がるフレア形状３１としている。すなわち、フレア形状３１は、内方傾斜形状２０の終点２２から上甲板１１に至る間に形成される。内方傾斜形状２０よりさらに上部をフレア形状３１とすることで、上甲板１１に係船装置等を設置することができる。
なお、図１（ｂ）において、静止水線１２から上方に示す実線は、原形フレームライン１１１を示している。図１（ｂ）から明らかなように内方傾斜とは、原形フレームライン１１１よりも始点２１から終点２２に向かうラインが船体中心線１０方向（内側）に傾いていることをいう。
図１（ｂ）から明らかなように、実線で示す原形フレームライン１１１と点線で示す内方傾斜形状２０は、静的水位上昇位置のピーク部に近い部分での傾斜度を、ピーク部以外の部分での傾斜度よりも大きく設定し、特に外側に向かって傾斜度を徐々に小さくして原形フレームライン１１１に収束するように形成されている。この形状により波浪に対し効果的に抵抗低減を図るとともに、抵抗増加を極力抑えることができる。

内方傾斜形状２０の始点２１を連ねる包絡線は、船首部を側方視したときには、図１（ａ）に示す静的水位上昇線１３に沿って、船首部の前方から後方に向かって一旦上がった後に下がる形状としている。
また、内方傾斜形状２０の始点２１を連ねる包絡線は、船首部を前方から後方視したときには、図１（ｂ）に示す静的水位上昇線１３に沿って、船体中心線１０から外側に向かって一旦上がって下がる形状としている。
このように、静的水位上昇線１３の位置に沿って内方傾斜形状２０を形成することで、船首部の水線面形状は内方傾斜形状を設けない場合に対して船体中心線側に近づき細くなるため、波浪中抵抗増加を生じる船首部での船体前方へ反射する波を減少させることができる。また、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。

内方傾斜形状２０は、船首部の先端Ｘ（船首垂線位置）から静的水位上昇線１３の位置が静止水線１２以下になる点Ｙまでの間に形成する。静止水線１２以下には内方傾斜形状２０を形成しないことで、船速の低いときの平水中走行性能を損なうことがない。
なお、内方傾斜形状２０における始点２１は、主要部が静的水位上昇線１３に沿えばよく、例えば静的水位上昇線１３は先端Ｘから一旦上がった後に下がるが、先端Ｘでの一旦上がる部分を省略することもできる。この場合、内方傾斜形状２０の始点２１を連ねる包絡線は、船首部を前方から後方視したときに、船体中心線１０から外側に向かって下がる形状となり、また船首部を側方視したときに、船首部の前方から後方に向かって下がる形状となる。
この省略した形状の場合、内方傾斜形状が単純化でき、製作が容易となる。

図１（ｃ）では、平面視で、船体中心線１０と船首部の先端Ｘ（船首垂線位置）との交点から船首垂線の後方の垂線間長Ｌの１％の位置Ｚまでの両舷に至る開き角θが１００度を越えない三角形形状１５を図示している。
内方傾斜形状２０は、三角形形状１５内に収まるように形成している。内方傾斜形状２０を三角形形状１５内に収まるように形成することで、波浪中抵抗増加を更に減少させることができる。

図２に本発明の他の実施形態による内方傾斜船首形状を有した船舶を示す。
図２は同船舶の船首部を示す正面図であり、図１（ｂ）の相当図である。上記実施形態と同一構成については、説明を省略する。
本実施形態によるフレームライン形状は、内方傾斜形状２０よりさらに上部の全部を、上方に向かって直立した形状３２としている。すなわち、直立した形状３２は、内方傾斜形状２０の終点２２から上甲板１１に至る間に形成される。上甲板１１に係船装置等の設置が必要ない場合には、内方傾斜形状２０よりさらに上部を上方に向かって直立した形状３２とすることができる。内方傾斜形状２０よりさらに上部を、上方に向かって直立した形状３２とすることにより、想定を越えて波浪が大きいときに抵抗増加を低減することができる。
なお、フレームライン形状の内方傾斜形状２０よりさらに上部の上方に向かって直立した形状３２は、フレームライン形状の一部において採用し、他の部分をフレア形状としたり、内方に傾斜した形状とすることもできる。

図３に本発明の更に他の実施形態による内方傾斜船首形状を有した船舶を示す。
図３は同船舶の船首部を示す正面図であり、図１（ｂ）の相当図である。上記実施形態と同一構成については、説明を省略する。
本実施形態によるフレームライン形状は、内方傾斜形状２０よりさらに上部の全部を、上方に向かって内方に傾斜した形状３３としている。すなわち、内方に傾斜した形状３３は、内方傾斜形状２０の終点２２から上甲板１１に至る間に形成される。上甲板１１に係船装置等の設置が必要ない場合には、内方傾斜形状２０よりさらに上部を内方に傾斜した形状３３とすることができる。内方傾斜形状２０よりさらに上部を、上方に向かって内方に傾斜した形状３３とすることにより、想定を越えて波浪が大きいときに抵抗増加を低減することができる。
なお、フレームライン形状の内方傾斜形状２０よりさらに上部の内方に傾斜した形状３３は、フレームライン形状の一部において採用し、他の部分をフレア形状としたり、直立した形状とすることもできる。

以下に、上記実施形態に対応した内方傾斜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静的水位上昇位置の上方の位置におけるフレームライン形状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静的水位上昇位置の上方の位置におけるフレームライン形状を最適化する設計をするとき、静的水位上昇線１２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β_w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。

１２ 静止水線
１３ 静的水位上昇線
１４ ステムライン
２０ 内方傾斜形状
２１ 始点
２２ 終点
３１ フレア形状
３２ 直立した形状
３３ 内方に傾斜した形状
Ｌ 垂線間長
Ｘ 先端
Ｙ 点
Ｚ 垂線間長の１％の位置

Claims (14)

1. 船舶の船首部の船首形状であって、前記船首部のフレームライン形状が、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の位置で内方に傾斜した内方傾斜形状を有することを特徴とする内方傾斜船首形状。
2. 前記船首部を前方から後方視したときの前記内方傾斜形状の始点を連ねる包絡線が船体中心線から外側に向かって一旦上がった後に下がる形状であることを特徴とする請求項１に記載の内方傾斜船首形状。
3. 前記船首部を側方視したときの前記内方傾斜形状の始点を連ねる包絡線が前記船首部の前方から後方に向かって一旦上がった後に下がる形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内方傾斜船首形状。
4. 前記内方傾斜形状を、前記船首部の前方から前記静的水位上昇位置が静止水線以下になる点までの間に形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１項に記載の内方傾斜船首形状。
5. 前記内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を、上方に向かって直立した形状としたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の内方傾斜船首形状。
6. 前記内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を、上方に向かって内方に傾斜した形状としたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の内方傾斜船首形状。
7. 前記内方傾斜形状よりさらに上部の一部もしくは全部の断面を、上方に向かって広がるフレア形状としたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の内方傾斜船首形状。
8. 平面視で、船体中心線と前記船首部の先端との交点から船首垂線の後方の垂線間長の１％の位置における両舷に至る開き角が１００度を越えない三角形形状内に、前記内方傾斜形状が収まることを特徴とする請求項１から請求項７のうちの１項に記載の内方傾斜船首形状。
9. 前記船首部の前記船首形状が、ステムラインが後方に傾斜しない形状であることを特徴とする請求項１から請求項７のうちの１項に記載の内方傾斜船首形状。
10. 前記内方傾斜形状は、前記静的水位上昇位置のピーク部での傾斜度を前記ピーク部以外の傾斜度よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１から請求項９のうちの１項に記載の内方傾斜船首形状。
11. 請求項１から請求項１０のうちの１項に記載の内方傾斜船首形状を前記船首部に有したことを特徴とする内方傾斜船首形状を有した船舶。
12. 前記船首部の水線面形状が凸形状であることを特徴とする請求項１１に記載の内方傾斜船首形状を有した船舶。
13. 請求項１から請求項１０のうちの１項に記載の内方傾斜船首形状の設計方法であって、平水中抵抗を最適化した後に、波浪中抵抗増加を減少するための前記静的水位上昇位置の上方の前記位置における前記フレームライン形状を最適化したことを特徴とする内方傾斜船首形状の設計方法。
14. 前記フレームライン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１３に記載の内方傾斜船首形状の設計方法。