造船與海洋工程概說-CH3船舶性能

一艘船舶是不是能夠從出發地將人員與貨物安全且有效的準時運送到目的地，有賴於船舶是否具備下列幾項基本性能：

•船要備有「浮揚性」方能浮在水面上，也是船的最基本特性，而船不會沉沒，其實來自水具有「浮力」的關係！

•浮力是指物體在水中時，水給予物體一個向上的作用力，這個作用力就稱為浮力。例如：在游泳池游泳時覺得身體變輕了許多！此時水中的浮力正在把你往上抬呢！所以如果你在水中去量體重的話，就會變得輕許多。

•船所以能載重航行於海上，只要是船所受的浮力，大於整艘船承載的油、水、貨物、裝備與人員等全部重量，在船舶設計上，船體浸水的體積與水比重相乘就是等於「浮力」，也就是排開同體積水的重量，一般稱為「排水量」，船舶水線上密閉空間的體積與水比重相乘就是等於「預備浮力」，預備浮力越大表示船舶可以承載的貨物就越多，或是船舶可以承受船艙泛水的能力就越大。

•除了上述能承載重量且浮在水面上的載具稱為船(vessel or ship)，但是尚有一種具有沉入水中，還可以再浮出水面的特種載具，也可稱為船，就是潛水艇。

•潛水艇能夠浮上來或沈下去，牽涉到密度問題。當載具的密度小於水的密度時，就會浮在水面上；相反地，當載具的密度大於水時，就會下沈，潛水艇的能夠浮浮沉沉，就是利用此原理來達成 。

俗話說「天有不測風雲」，航行在汪洋大海的船舶，遭遇狂風暴雨，是無法預期的事，所以要讓船舶在受到外力時，仍然能浮於水面，不會翻覆，就得考慮有足夠的「穩度」；不會破損斷裂，船身就需要有足夠的「強度」，才能讓船舶快樂出航，「安全」進港。

•穩度

•船舶在港內因裝載而過度橫傾於船的任何一邊或在惡劣海況下亦會翻覆，所以船舶皆須有足夠穩度，以保障使用之安全。

•船舶本身所具有抵抗傾側、翻覆以及受外力作用後回復到原來正浮位置之能力，謂之船舶的穩度。一般船舶左右搖擺傾斜後總是能像搖椅或不倒翁一樣，回到直立的位置，它之所以能回復成原本直立的位置，主要是由兩種不同方向的作用力所產生的扶正力矩而來的。這兩個作用力一個是船本身重量的總和，就是從重心（G）向下的重力，另一個是水的支持力，也就是從浮力中心（B）向上的浮力，其高度基準點（K），定傾值（GM）愈高，其穩度愈好 。

•強度

•在船的外形確定後，造船工程師，經過經驗的構思及精密計算，方能完成整體船舶骨架，建造一艘滿載貨物、遊客和船員且須經得起海浪衝擊及船體橫搖的水上載具，平安順利的完成運輸任務。

•船體結構猶如人體的骨架，而強度就像骨質一樣，有良好的骨質才能確保支撐身體各部位器官功能的正常運作。強度為結構抗拒負荷之能力，如船體本身的自重、裝載的貨物、燃油、壓艙負荷等及船體在靜水或波浪中之浮力及其他相關外力，為了達到足夠的結構強度，需經嚴謹的設計，而合於驗船協會法規對船體結構各部位的強度規定，造船廠方能施工建造。船體結構設計可以透過有限元素法加以應用分析。

船舶承載性是指船舶應具有裝載人員、貨物的特性，而承載的能量也就一般所謂的船舶噸位，而噸位又有容積噸及重量噸兩種，容積噸如總噸位、淨噸位等，係表示容積；重量噸如排水量、載重量噸等係表示重量；重量噸位中的載重量及登記噸位的大小，都是與船舶的營運能力有關，以下為噸位名詞的說明。

1.容積噸

•為使國際間船舶噸位丈量之計算統一，聯合國政府間海事諮詢組織（IMCO）於1969年通過國際船舶噸位丈量公約，該組織目前為聯合國政府間海事組織（IMO），由公式來計算總噸位及淨噸位，簡化了丈量手續，統一了全球之噸位法規。而噸位一般視為船舶繳交港口費、碼頭費、領航費、碇泊費、浮筒費及繫纜費等之基準，目前港務局則以總噸位為準，而大陸則以淨噸位為準。

•總噸位（Gross Tonnage, GT）：根據船舶噸位丈量公約規定，丈量所有封閉區間的總容積，並按一定的公式可算出船舶的總噸位。

•淨噸位（Net Tonnage, NT）：自總噸位中扣除如駕駛艙、船員居住艙、機艙等與營運無直接關係之艙間容積。

2.重量噸 　　

•排水量（Displacement）：船舶於比重為1.025的海水中，所排開同體積水之重量，也就是整艘船的重量。

•載重量噸（Deadweight Tonnage）：整艘船所容許吃水的排水量（依載重線標誌）扣除輕船重量，也就是全部貨物、油、水、糧食、人員及隨身裝備等之重量，顯現出船舶的營運能力。

•一般的貨品有長、寬、高、重量及特性等說明，來描述其規格功能，而船舶的則是用船全長、垂標間長、模吃水、模深、模寬、 總噸位、載重量、排水量、主機馬力及入級協會等為一般船型的主要 規格，而 標示 船 型 的承載大小，依其營運的性質不同，所標是 名稱亦不一樣

船最主要用途是運送旅客、載運貨物，以及從事海上貿易活動，所以必須具有「適航性」才能航行於水上；為了迅速且安全地將旅客及貨物送達目的地，必須先瞭解船的「阻力」與「推進」，以評估船速，更須具有靈活的「操縱性能」，方能按時且安全地將貨物送達客戶指定的港口。

船航行於水上，正如陸地上的車輛行駛時會有空氣與風阻、地面與輪胎摩擦而形成阻力一般，船於水面行進時，除了水面上的船舶構造會引起空氣風阻外，水面下的船型則因水的黏滯性與壓力作用而有摩擦阻力的產生，船側水面的波浪而產生興波阻力，及船體表面曲度變化及附屬品（如舟必龍骨、舵、螺槳等）而產生剩餘阻力。一般常見的肥大型商船，由於水線面的入水角較大，容易在船艏附近產生碎波，所以多會設計球型艏以抵消或減弱水中阻力，以增加船速，此為造船工程師努力的目標。

推進
船舶在汪洋大海中航行，必須仰賴主機（引擎）發揮能量，經由螺槳（Propeller）產生推力，以克服上述的阻力，船始得前進或後退；螺槳有著立體複雜的幾何形狀，像是風扇的外形，利用轉動時吸收主機轉矩轉換為推力使船前進，和螺絲釘轉動時前後移動的原理一樣。螺槳葉片切開的斷面像是機翼的翼形，當水流過上下不對稱翼面造成壓差產生升力，而升力的部份分力即為推力使船前進。配合不同的船型，螺槳會有不同的設計，像是葉片數、直徑大小、轉速 …… 等，都須要經過精確的計算才能將主機的馬力完全的發揮將船推進至需求的船速。

•操縱性能

•早期，船舶的操縱是用楫、櫓推進船舶和使船舶轉向。帆船時代，船賴風力推進。到19世紀初，蒸汽明輪問世，船舶正式進入機械推進時代。螺槳的發明，更進一步提高船舶的推進效率和倒車能力，舵的效能也隨之而增加。

•隨著船舶長度、航速增大，以及船型的發展，對船舶操縱技術的要求日益提高。相對應地也在造船技術上發展更好的控制手段。除了船體線型和舵型方面的改進外﹔部分大型客船及商船更於艏部裝置了艏側推進器（Bow Thruster）來能幫助船身的轉動。在工作船方面，又有能原地掉頭或橫移的無舵拖船，大大提高了操縱的效率。

•操縱船舶的主要手段是運用推進器和舵，以錨、纜、拖船的應用為輔助手段。運輸船舶的推進器一般為螺旋槳。舵安裝在螺旋槳後面，航行時舵面受航進水流和螺旋槳排出流兩者作用。舵受水流作用產生的舵力使船舶產生迴轉的動作。航行時，正舵時不產生舵力；轉舵使舵葉與水流有一攻衝角時，舵的兩面產生壓力差而構成舵力，對船舶重心產生迴轉力矩，使船艏向轉舵方面偏轉。

•在操縱裝置作用下，船舶保持或改變航向和航速的性能，是操縱船舶的依據。通常包括迴轉性、航向穩定性、應舵性和慣性衝程等。不同類型船舶的操縱特性是不同的，滿載船舶和空載船舶的操縱性能也有差異。船舶設計總是力求使船舶既有較好的航向穩定性，又有較高的操舵靈敏性；在緊急時並能發揮足夠的倒車能力，使船在較短距離內停住 。

•正如同其他的交通工具一樣，船舶在滿足了實用性的基本需求之後，也需要提升船上人員的居住環境，所以「舒適性」的要求也越來越高。目前可分兩方面考量：

•降低船舶在惡劣海象環境中的搖晃，減少船員的暈眩，必須提升船舶的「耐航性能」

•減低船上機械產生的「振動噪音」，改善居住的品質；以下是「耐航性能」、「振動噪音」的說明。

•耐航性能

•船舶不像汽車，可以在平坦的道路上奔馳；船舶航行在海洋中，隨時受到海風吹襲、水流推動、波浪拍擊等大自然力量的作用，導致航行中船舶運動及姿態會隨時改變，好像運動越野車在崎嶇不平的河床上起伏不定，在長時間航行過程中，就容易造成人員暈船嘔吐的現象，當遭遇惡劣氣候時，船舶姿態的大幅度變化，更將危及船上人員及器械設備的安全。

•一般而言，船舶運動姿態之穩定性，主要與船舶大小、航行速度、波浪方向等因素有關，如船艦尺寸較大者，其隨波搖晃程度較低、航速提高可降低船舶搖晃程度、由船側邊湧進的波浪會引起較大幅度的搖晃運動 。

•由於船舶運動姿勢的改變幅度，攸關船舶航行安全性，其中以橫向搖晃的影響最大，而目前常見的減搖裝置有：舟必龍骨(Bilge Keel)：為一長條行鐵板（如鋼船），大部份皆附著在船體的中間部位，且靠近船底處 ， 但不能超出船底及船殼； 當船舶橫搖時，舟必龍骨產生與橫搖方向相反的阻力，形成減搖力矩，減少船舶橫向搖動，屬於最簡單、有效、常見的減搖裝置 。

•穩定翼(fin stabilizer)：如同魚的魚鰭，船兩側所伸出的長形板，其剖面類似於舵板，經由翼面與水流相對角度的改變，產生不同大小不同方向的昇力，因而形成減搖力矩，抑制橫向搖動；船速越高，而穩定翼的減搖效果越好，故多用於高速船舶如海巡船艇，此種裝備大多安裝於舟必龍骨的後面 。

減搖水櫃(anti-heeling tank)：當船產生搖動時，櫃內的水位會隨之變化，抵消船的搖動。而此種減搖水櫃大多設置於客輪、貨船，以及觀光客輪等，需經精密計算，來確定位置及容積大小。

•振動及噪音對人體健康影響很大，因此越來越多的船東會要求船廠建造時，需符合國際標準組織的規範，以改善船員居住的品質。

•船舶最主要的振動噪音來源為引擎。而現在採取的隔振降噪的方法，一為隔絕主機振動，一為阻隔噪音傳遞途徑 。

•隔絕振動的方法，有點類似大家腳上的氣墊鞋或是你家中的彈簧床。以這些柔軟有彈性且具吸振效果的材質，安裝於船體結構與引擎之間，阻絕振動的傳遞路線，達到減振的效果。

•阻隔噪音傳遞途徑的方法，就可用吵雜的 KTV 包廂來比擬。將引擎室等區間，使用各式吸音材及隔音材貼滿四周，使其聲響不向外擴散 。體結構與引擎之間，阻絕振動的傳遞路線，達到減振的效果。