109 專技高考高等考試 驗船師 造船原理(包括1船型與噸位2浮力與穩度3破損穩度及艙區劃分4駐塢及下水5結構及強度6阻力與推進7運動與操縱) 考古題詳解

核心觀念

上方的縱形曲線是縱向剖面面積曲線（sectional area curve）：橫軸表示船長方向的肋位，縱軸表示各肋位水下橫剖面積相對於最大橫剖面積 $A_m$ 的比例。曲線能提供各肋位的目標面積，但不能單獨決定該肋位的剖面形狀；同一面積可以由不同的型線構成。

圖示主要尺度為型寬 $B=30\,\mathrm{m}$、設計吃水 $T=11.55\,\mathrm{m}$，並列有 $C_m=0.995$、$C_p=0.815$。最大橫剖面積可由下式求得：

因此，曲線上某肋位若讀得 $A/A_m=0.50$，該肋位的設計吃水下橫剖面積目標為：

解題方法

1. 定出肋位與尺度 依縱形曲線的橫軸，在垂線間長範圍內標出各肋位；本圖主要尺度列出垂線間長 $190\,\mathrm{m}$。設定橫剖面圖的基線、中線、設計吃水線及各水線高度。

2. 讀取各肋位的目標面積 在縱形曲線上逐一讀取各肋位的縱座標 $r_i=A_i/A_m$，換算為實際橫剖面積：

曲線縱座標越大，該肋位的水下橫剖面積越大；艏、艉端的面積逐漸趨近於零。

核心觀念

本題考查如何由船舶型線圖的幾何資料，逐一計算不同吃水下的排水量與穩度資料，再以吃水為共同縱軸，繪成靜水性能曲線。橫剖面線圖提供各站的水下剖面形狀；其中各站在不同水線下的剖面面積，也可整理成「邦讓曲線」（Bonjean curves），供後續計算使用。

解題方法

一、由橫剖面線圖求各站的水下剖面面積

先按船長方向選定各站，並依各水線高度讀取該站的半寬。對每一站，以水線高度方向的半寬值作縱向積分，可求出吃水 $T$ 以下的剖面面積 $A_i(T)$。常用辛普森法計算：

其中 $h$ 為水線間距，$y$ 為各水線處的半寬。各站面積隨吃水的變化，即為邦讓曲線資料。

二、沿船長積分求排水量與浮心位置

對選定的每一吃水，取各站水下剖面面積，按站距作縱向積分，得到排水體積：

等距站位可用辛普森法；若站距不等，應採用相應的數值積分方式。排水量為：

其中 $\rho$ 為水的密度；海水計算常取約 $1.025\ \text{t/m}^3$，實際仍依題目或規範指定。

各站剖面面積乘以站位 $x_i$，再沿船長積分，可得浮心縱向位置：

各站剖面面積的垂向一階矩，除以排水體積，則得浮心高度 $KB$：

三、由水線面半寬求水線面性質

在吃水 $T$ 的水線上，讀取各站半寬 $y_i$，沿船長積分可得水線面積及其形心位置 $LCF$。再由水線面計算橫向及縱向二次矩：

• 水線面對船體中線的二次矩 $I_T$，用於求橫向初穩心高。
• 水線面對通過 $LCF$ 之橫向軸的二次矩 $I_L$，用於求縱向初穩心高及縱傾力矩。

例如水線面的橫向二次矩可表示為：

縱向二次矩則為：

核心觀念

本題考核造船工程中「阻力與推進（Resistance and Propulsion）」之水槽模型試驗核心技術——自航試驗（Self-propulsion Test）。 解答本題需掌握以下核心定義與公式：

1. 尺度效應與摩擦扣除力（Skin Friction Correction / Friction Deduction Force, $F_D$）： 船模試驗依據福祿數（Froude number, $Fn$）相似律進行，但雷諾數（Reynolds number, $Rn$）無法同時滿足，致使船模摩擦阻力係數大於實船（$C_{FM} > C_{FS}$）。為使安裝於船模之螺槳能在等同實船負荷的工況下運轉，必須在船模上施加一輔助向前的拉力，即摩擦扣除力 $F_D$： $F_D = \frac{1}{2}\rho_M S_M V_M^2 \left( C_{FM} - C_{FS} - \Delta C_F \right)$ 式中 $\rho_M$ 為水槽水密度，$S_M$ 為船模浸水表面積，$V_M$ 為船模速度，$C_{FM}$ 與 $C_{FS}$ 分別為船模與實船的摩擦阻力係數，$\Delta C_F$ 為粗糙度與關聯修正係數。

2. 船體與螺槳交互作用係數（Hull-Propeller Interaction Coefficients）：

• 伴流分數（Wake Fraction, $w$ 或 $w_T$）：船模航速 $V_M$ 與螺槳進速 $V_A$ 的差值比例，由推力同一法（Thrust identity）或扭矩同一法求得： $w_T = \frac{V_M - V_A}{V_M} = 1 - \frac{V_A}{V_M}$
• 推力減損分數（Thrust Deduction Fraction, $t$）：因螺槳加速吸水導致船尾壓力下降增加之後退阻力： $t = \frac{T - (R_T - F_D)}{T}$
• 船體效率（Hull Efficiency, $\eta_H$）： $\eta_H = \frac{1-t}{1-w_T}$
• 相對旋轉效率（Relative Rotative Efficiency, $\eta_R$）：螺槳在船後非均勻伴流場與在敞水均勻流場（Open Water）中產生相同推力時之扭矩比值： $\eta_R = \frac{Q_0}{Q_M}$

3. 推進效率與馬力換算：

• 準推進效率（Quasi-Propulsive Efficiency, $\eta_D$）： $\eta_D = \eta_0 \cdot \eta_H \cdot \eta_R$ 其中 $\eta_0$ 為螺槳敞水效率（Propeller open water efficiency）。
• 送達馬力（Delivered Power, $P_D$）與有效馬力（Effective Power, $P_E$）之關係： $P_D = \frac{P_E}{\eta_D} = \frac{R_{TS} \cdot V_S}{\eta_D}$

解題方法

本題為申論題，評分標準在於觀念之「精確度」與架構之「完整性」：

1. 第一小題（定義）：切入點不可僅停留在「裝設螺槳讓船模自己跑」，必須從試驗配置（硬體與環境）、受力平衡與尺度效應修正（外加拉力 $F_D$）、以及試驗中量測之物理量三個層次展開，突顯專業性。
2. 第二小題（目的）：切入點採用邏輯遞進架構：

• 先求出船體與螺槳之三項交互作用係數（$w_T, t, \eta_R$）。
• 再配合螺槳敞水試驗（Open water test）與阻力試驗（Resistance test）數據，外推預估實船推進性能（送達馬力 $P_D$、主機轉速 $n_S$）。
• 評估設計優劣（伴流場品質、螺槳負載與推進效率 $\eta_D$）。

選項分析（名詞與試驗方法比較分析）

本題非選擇題，此處針對水槽三大基礎試驗之定位與自航試驗之方法學進行深度辨析：

1. 拖航水槽三大基礎試驗之分工：

• 裸船阻力試驗（Resistance Test）：測定船模全阻力 $R_{TM}$，提供預估實船有效馬力 $P_E$ 所需之剩餘阻力係數 $C_R$。
• 螺槳敞水試驗（Propeller Open Water Test, POW）：測定螺槳在無船體干擾之均勻水流中的推力係數 $K_T$、扭矩係數 $K_Q$ 與敞水效率 $\eta_0$ 特性曲線。
• 自航試驗（Self-propulsion Test）：將兩者結合，專門測定「船體與螺槳彼此干擾」的動態效應，是三者中唯一能直接取得交互作用係數與預測實船軸馬力工況的試驗。

2. 自航試驗負載方式分析：

• 歐洲大陸法（Continental Method / Load Variation Test）：在單一速度下改變多組外加拉力（施加不同之卸載力），使螺槳在超載、額定、輕載等狀態運

核心觀念

船舶在真實海況（波浪與風）中航行時，其前進航速相較於平靜水面（Calm water）在相同油門或主機輸出功率下，必定會發生顯著下降。在造船原理與耐海性（Seakeeping）理論中，航速降低之原因可嚴格劃分為兩大機制：

1. 非自願性減速（自然失速，Involuntary Speed Loss）：主機油門與功率設定維持不變時，因外在流體動力阻力增加、推進系統效率劣化及主機轉矩特性限制，導致推力與阻力平衡點向低速端移動所產生的必然減速現象。
2. 自願性減速（人為減速，Voluntary Speed Loss）：船長或駕駛人員基於航行安全考量，為避免過度劇烈的船體運動、結構受損或危及貨物與乘員安全，主動操舵或收俥（降轉速）所造成的人為減速。

其流體力學與推進平衡基礎為船舶推力平衡方程式： $T(1 - t) = R_T(V) + \Delta R$ 其中 $T$ 為螺旋槳推力，$t$ 為推力減損分率（Thrust Deduction Fraction），$R_T(V)$ 為靜水總阻力，$\Delta R$ 為外在環境引致之總附加阻力。波浪會改變此方程式兩端的各項參數。

解題方法

本題為經典耐海性與推進整合申論題。解題切入點應採「非自願性減速」與「自願性減速」之二分架構，逐層剖析流體阻力、推進器效率、船機匹配，以及船舶耐海性安全界限。

一、非自願性減速（Involuntary Speed Loss / 自然失速）

在主機維持相同出力指令下，船速因以下物理機制自然衰減：

1. 波浪附加阻力（Added Resistance in Waves, $\Delta R_{AW}$）

• 船體運動引起的輻射阻力（Motion-induced / Radiation Resistance）：當遭遇波長與船長接近（$\lambda / L \approx 1.0 \sim 1.5$）時，船舶產生共振級的縱搖（Pitching）與起伏（Heaving）運動。船體週期性劇烈運動向周圍流體排擠作功，向外輻射出發散波，消耗船舶能量，構成波浪附加阻力的主要成分。
• 波浪繞射與反射阻力（Diffraction / Reflection Resistance）：在較短波長（$\lambda / L < 0.5$）或船首形狀較肥鈍（如散裝船、油輪）之情況下，入射波撞擊船首後被反射與繞射，形成局部高壓區，產生直接阻礙前進之壓差阻力。
• 橫搖、偏航與操舵附加阻力（Yawing, Swaying & Steering Resistance）：波浪在斜浪或橫浪中會誘發偏航（Yawing）與橫移（Swaying）。為維持既定航向，自動舵或操舵手必須頻繁使用舵角修正，水流流經轉向舵產生誘導阻力，且船體呈現微小斜航角（Drift angle）亦會顯著增加形狀阻力。
• 伴隨之風附加阻力（Added Wind Resistance）：海上波浪多由強風生成，伴隨之海風作用於船艛、甲板貨物（如貨櫃）及乾舷上方受風面積，產生空氣動態阻力。

2. 推進系統效率劣化（Propulsive Efficiency Degradation）

• 伴流場紊亂與不均勻度劇增：劇烈縱向運動破壞船尾流場，伴流分率 $w$ 與推力減損分率 $t$ 偏離最佳設計值，船身效率 $\eta_H = \frac{1 - t}{1 - w}$ 下降。
• 進速比降低與螺旋槳負載加重：船速 $V$ 下降導致螺旋槳進速 $V_A = V(1 - w)$ 隨之降低，進速比 $J = \frac{V_A}{n D}$ 變小，使螺旋槳運轉落入重負載區，開水效率（Open Water Efficiency, $\eta_O$）大幅衰退。
• 螺旋槳出水與通氣現象（Propeller Emergence & Ventilation）：當船尾隨波浪上揚，螺旋槳葉片部分暴露於水面外，將空氣捲入葉背形成空穴（Ventilation/Aeration），導致推力瞬間崩潰、推進效率驟降。
• 空蝕現象（Cavitation）惡化：進速流場攻角劇烈週期性變動，加劇葉面空蝕，引起推力瓦解（Thrust breakdown）。

3. 船機匹配與主機扭矩限制（Engine Operating & Torque Limits）

• 船用柴油主機具有最大轉矩限制線（Torque/BMEP Limit）。當阻力大增、螺旋槳變重時，主機若欲維持額定轉速，會因熱負荷過高而觸發燃油油門限制或調速器保護，導致轉速被迫下降，無法全額輸出原本設定之額定功率（MCR）。

核心觀念

本題旨在測驗考生對「船舶設計整體架構與約束條件（Ship Design Requirements & Constraints）」的宏觀掌握能力。船舶為高度資本密集且需在嚴苛海洋環境中長期營運的工程載體，其設計過程遵循「設計螺旋（Design Spiral）」理念，必須同時滿足多維度的要求與限制。

本題涉及的核心觀念、法源與規範依據如下（法規部分以命題當年民國 109 年為準）：

1. 船東營運與任務要求（Mission & Commercial Requirements）：載重噸（Deadweight, DWT）、貨艙容積、服務航速、續航力、營運航線及港口通航尺寸限制。
2. 造船流體力學與工程性能要求（Naval Architectural Performance）：浮力、完整穩度與破損穩度（Intact & Damage Stability）、結構強度（Global & Local Strength）、阻力推進匹配、耐海性（Seakeeping）與操縱性（Manoeuvrability）。
3. 強制性國際海事公約與法規（Statutory Requirements）：

• 《海上人命安全國際公約》（SOLAS 1974 及其修正案）：結構、艙區劃分、防火與救生。
• 《國際載重線公約》（ICLL 1966/1988）：最小乾舷、水密與耐候閉鎖裝置。
• 《防止船舶污染國際公約》（MARPOL 73/78 及其修正案）：防油污、防污水、能效設計指數（EEDI）及低硫排放規範（民國 109 年正值 IMO 2020 0.5% 硫上限實施）。
• 《海事勞工公約》（MLC 2006）：船員住艙環境、噪音與振動限值。
• 《1969 年國際船舶噸位丈量公約》（ITC 1969）：總噸位（GT）與淨噸位（NT）。

4. 船級社規範（Classification Society Rules）：各認可船級社（如 CR、DNV、ABS、LR 等）關於船體結構尺寸（Scantlings）、輪機系統、電機自動化之入級規範。
5. 建造工藝與經濟性限制（Constructability & Economy）：船廠船塢與船台容量、吊裝載荷限制、模組化建造可行性、資本支出（CAPEX）與營運支出（OPEX）之最佳化平衡。

解題方法

本題為經典的造船原理申論題。解題時切忌雜亂無章地條列零件或設備，應採用「系統化階層架構法」展開，由外而內、由技術到底線法規層層剖析，展現專業驗船師具備的系統工程思維：

1. 以四大維度為骨架：將設計要求歸納為「船東與任務要求」、「技術力學與航海性能要求」、「法規公約與船級要求」、「施工製造與生命週期經濟性要求」。
2. 切入點論證：

• 先說明「任務與用途」決定了船型尺度與主要幾何特徵；
• 繼而說明「流體力學與結構力學」確保船舶航行性能與物理安全；
• 再強調「國際海事公約與船級社」是保障人命、環境與獲准航行的法定底線；
• 最後補充「船廠建造與商業營運」使船舶具備工程可行性與經濟效益。

選項分析

本題為「申論題（非選擇題）」，無特定選項。以下針對評分閱卷時的核心構面與各要點深入剖析，說明各項要求在設計上的實質意涵：

1. 營運任務與商務要求：

• 載貨量與容積：決定船舶載重噸 $DWT$、貨艙容積（Bale / Grain Capacity）及甲板載荷。
• 航速與續航力：依航線排程決定服務航速 $V_s$ 與主機功率 $MCR$，由航程距離決定燃油艙、淡水艙之儲備容量。
• 航道與水文限制：受限於特定運河與港口吃水（如巴拿馬運河 Panamax、蘇伊士運河 Suezmax、麻六甲海峽 Malaccamax）、橋下淨空（Air Draft）與船長、船寬限制。

2. 船舶流體力學與工程性能要求：

• 浮力與吃水平衡：依據阿基米德原理，排水量等於全船總重，即 $\Delta = W$；且在各裝載工況下均須具備適當之縱傾（Trim）與橫傾（Heel）。
• 穩度與艙區劃分：在完整狀態下須具備充足的初復原力矩與大傾角復原力臂（$GZ$ 曲線）；破損浸水時須符合機率艙區劃分（Probabilistic Subdivision）與水密艙壁配置要求。
• 阻力與推進：線型設計必須將摩擦阻力、剩餘阻力（興波阻力）最小化，螺槳設計需兼顧推進效率並避免空蝕（Cavitation）。
• 結構強度：船體樑必須具備足夠的縱向彎曲強度（縱向總縱彎矩 $M_{sw} + M_{wv}$）與抗剪強度，局部結構（外板、骨架）須能承受水動力打擊、貨物壓力與疲勞載荷。
• 耐海性與操縱性：在波浪中運動平穩，避免過度拍擊（Slamming）與甲板上綠水（Green Water）；符合 IMO 轉舵迴轉直徑、航向穩定性與停船距標準。

3. 法規公約、安全與環保要求：

• 人命安全與乾舷：符合 ICLL 之幾何乾舷計算與水密關閉裝置；符合 SOLAS 之救生艇筏定員配置、結構防火與逃生動線。
• 環境保護：符合 MARPOL 雙重船殼防油污、壓載水管理公約（BWM Convention），以及能效設計指數 $EEDI \le Required\ EEDI$ 之減碳要求。
• 勞工環境：符合 MLC 之住艙採光、通風、隔音降噪及居住設施規範。

4. 建造與維護性要求：

• 建造可行性（Constructability）：分段重量不得超過船廠船台吊車極限；結構幾何利於自動化切割與焊接。
• 維護與檢驗性（Maintainability）：壓載艙、雙重底需預留充足之人員檢驗與測厚通道（PMA, Permanent Means of Access）。

解題技巧

1. 記憶口訣與心法：

• 牢記「任、技、法、造」四字訣：
• 任（任務與商務營運：航速、載重、容積、航線）