高速船与游艇设计稳性.ppt

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1、课题四,船舶性能预报,船舶稳性,船舶稳性（stability）是指船舶受到外力的作用而偏离原平衡位置发生倾侧，当外力消除后能自行恢复到原来平衡位置的能力。,根据船舶倾斜角度的大小，船舶的稳性可分为两类：,1）初稳性（或称小倾角稳性），指船舶倾斜角小于，或上甲板边缘开始入水前的稳性。,2）大倾角稳性，指船舶倾斜角大于，或上甲板边缘开始入水后的稳性。,船舶稳性,B1,Z,二、大倾角稳性（倾角大于1015）,M,横稳性,船舶的倾斜分为横向倾侧和纵向倾侧，因此，船舶必须具有横稳性和纵稳性。,三、纵稳性,B1,G,W1,L1,ML,W,L,1、船舶的平衡状态,船舶正浮于水面上时，船舶所受到重力即船重W与

2、浮力N是一对平衡力。重心和浮心位置分别为G和B。当船舶发生倾斜时，由于排水体积形状的改变，导致浮心移动到了B1点，重力和浮力不再是一对平衡力，而形成了一对力偶。,G B,B1,Z,M,当外力矩消失后，船舶在上述力偶所产生的力矩作用下恢复到初始位置。此力矩称为复原力矩。当船舶处于稳定平衡状态时，称船舶具有稳性。如果船舶的重心过高，或船宽较窄，当船舶受外力矩作用横倾时，由于船宽较窄的船舶浮心横移的距离较小，因而重力和浮力组成的力偶所产生的力矩，反而使船舶继续倾斜，以至于倾覆，此力矩称为倾覆力矩，如图所示。当船舶处于不稳定平衡状态时，称船舶没有稳性。,从上述两种情况可以看出：在图中，M点（船舶倾斜后

3、新的浮力作用线与船舶中心线的交点）是在重心G点之上，船舶具有稳性，M点叫做稳心。若M点是在G点之下，船舶不具有稳性。经分析研究，船舶是否具有稳性以及稳性好坏，决定于G点与M点的相对位置和G和M间距离的大小，即GM值是衡量船舶稳性好坏的标准，称GM值为初稳性高度。它与稳性的关系是：,当M点在G点之上时，GM0，船舶具有稳性，GM值越大，稳性越好，但船舶摇摆就会加剧；当M点在G点之下时，GM0，船舶不具有稳性，一旦受到外力矩作用很容易使船倾覆；当M点和G点重合一点时，GM=0，船舶也不具有稳性，因为一旦受到外力矩作用，船舶处于随遇平衡状态，对船舶也极不安全。,船的稳性对其安全性和使用性都有重要影响

4、，是一项重要的航海性能。船舶在海上倾覆时，其过程是十分迅速的，以致乘员来不及逃生，所以各国都有规范对船舶稳性作了具体的规定。国际海协也有相应的船舶完整稳性的规定。我国船舶检验局也颁布了海船稳性规范和内河船舶稳性规范，以保证船舶的安全性。对于稳性，在确定主尺度和船型系数时，就必须慎重对待，即使船舶的稳性计算已符合规范要求，船长仍应注意船舶的装载、气象、海况等情况，谨慎驾驶，以保证船舶的安全。,1）船舶的稳定平衡,当船舶受外力作用而横向倾侧至角时，若船舶的重心G较低，在稳心M之下，重力W与浮力N形成力偶矩与船舶横倾的方向相反，使船舶向原来位置复原，我们称此力矩为复原力矩。,复原力矩,2、船舶的中性

5、平衡,当船舶重G与稳心M两点重合，船舶倾侧后重力W与浮力N恰好作用于同一铅垂线上，力矩为零。船舶将保持在其倾斜位置，但不具备复原能力。,G,B1,Z,M,3、船舶的不稳定平衡,当船舶受外力作用而横向倾侧到角时，若船舶重心G较高，在稳心M之上，致使重力W与浮力N形成的力偶矩与船舶横倾的方向相同，这时它使船舶继续倾斜直至倾覆。这个力矩称为倾覆力矩。,倾覆力矩,一、初稳性及其估算(一)衡准方法及其实用数据 衡准一艘船的初稳性好坏的指标是(h)值。我国海船稳性规范对各类船舶的GM面值提出的要求是：对于客船、货船、油船等 GM0.15m 对于渔船，GM0.30m 对于运木船，GM 0 上述数值是对GM的

6、最低要求，实际船舶的GM值要大得多。,设计中对初稳性值GM 的大小，一般从其下限值和上限值两方面来考虑。1初稳性的下限值Gmmin 下限值是保证船的安全和使用要求所需的最低初稳性值。从安全角度看，船的大倾角稳性和初稳性有一定的联系；从使用要求看，也需保证一定的初稳性值。实践证明，除客船外，现行规范对GM值下限的要求，一般不难满足。所以在设计时，着重从设计船的使用要求，来确定适宜的初稳性下限值。,2初稳性的上限值GMmax 初稳性上限值是从横摇缓和性上考虑的，若船在波浪中的摇摆周期短、摆幅大，则不仅影响船舶的安全性，船上作业也很困难，货物会移动受损，乘员会晕船或感到不舒服。因此设计时，在保证初稳

7、性下限的前提下，应力求使船的横摇缓和些。,船在波浪中的横摇周期T，与初稳性高GM直接有关，从下面近似估算公式可以看出，它们之间的关系。,式中，C依船的具体特征而变的系数，在0.750.85之间选取。我国沿海常见的大的波浪，波长=6070m，波浪周期Tw=0.8，为避免谐摇，则希望 T 1.3 Tw，则T应大于89s；远洋航区波长 150160m，则T以大于13s为宜。这是习惯用的标准，井非绝对的，,3各种典型船舶的GM值的选取 船在不同载况时稳性值是变化的，设计时应对各典型载况的稳性作通盘考虑。(1)干货船这类船在满载到港时稳性最差，对于船宽B12m的船舶，如果取满载出港时的GMB为0.040

8、.05，一般即可保证满载到港时仍有必要的初稳性值(GM在0.25m以上)，且不需在中途加压载水。对于中小型船舶，则需取更大的GM/B的值，如0.050.07。如果考虑在中途加压载水，则满载出港时的GM/B相对可取低些。还应该注意的是，干舷低的船，若GM过小，则常不能满足稳性规范对稳性曲线消失角的要求。对于集装箱船，为防止因剧烈横摇而造成货物及绑扎设备的损坏，出港时可采用稍低的GM值，航行中及装卸货时再根据需要加压载水。对于矿砂船，则应注意控制GM不必过大。,(2)客船及客货船 这类船的GM主要根据规范对完整稳性、分舱和破舱稳性的要求决定。对于大、中型客船，海损稳性是主要矛盾，通常GMB在0.0

9、450.055范围；对于小型客船，尤其是载客数目相对较多者，其主要矛盾通常是旅客移动时横倾角的限制，且因短途客船不宜在中途加压载水，故满载出港时的GMB值应取得更大。(3)油船 布格氏认为，修正自由液面影响后的GM值大于0.1 即可。一般而言，只是对小油船才需进行这种核算；中型油船的初稳性易于保证；对于大型油船，从横摇角度看，则常嫌初稳性值过大。,(4)拖船 从论述拖轮初稳性的许多文献中，列举几种衡准方法于表4-2中，以供比较。港作拖轮的GMB值通常大些，国内这类船的GMB在0.120.13范围。设计拖船时最好参照相近母型船选取GMB或GM值，一般GM值应在0.600.70m以上。,(5)军舰

10、 军舰的初稳性下限值，主要根据保证火炮能以正常射速射击所允许的横倾角(一般为1012)、全速回转时所允许的横倾角(1012以下)及保证海损稳性等因素决定。依舰种不同，GMB大体在0.060.10的范围。,(二)初稳性估算及影响因素分析,1、初稳性值的估算 由船舶静力学知，初稳性高 可由初稳性方程计算：,在非设计载况时，因船舶吃水及相应于吃水的船宽、方形系数和水线面系数均发生了变化，因此不宜采用式(410)估算其GM。而需采用如下的关系式：,2、影响初稳性值的因素分析 从式(430)可知，船的主尺度B、T、D和船形系数Cw等决定着初稳性高度 的大小，下面作简要的分析:(1)型宽B及BT:从式(4

11、10)可知，初稳性高度GM随B及B/T 的加大而迅速增加，特别是加大B对增加GM值的效果更好。(2)水线面系数Cw:Cw是对GM影响最大的因素之一，加大Cw，对提高zb 和r都有好处，但Cw是受型线特征制约的，Cw的加大是有限的。当GM需少量加大时，改变Cw是有效的措施之一。(3)型深D:减小D可降低重心高度，对增加 有好处。但D值是受主体容积的需要来选取的。,(三)初稳性值的核算 在设计深入开展，完成型线图、总布置图、结构图等及技术文件后，要核算船具有的初稳性精确值，往往是与核算浮态一起进行的。根据规范对基本核算载况的规定，按设计船的使用特点，选取核算载况。然后进行各载况的排水量与重心位置的

12、计算，按表格核算船的浮态与初稳性。各典型载况的浮心位置xb、稳心垂向坐标zM 等取自静水力曲线图。在设计阶段，如发生初稳性或浮态不合要求的情况，可适当增加压载水的数量，或调整各舱内的装载重量，或者调整总布置，以求得适宜的浮态与初稳性值。,二、大倾角稳性 大倾角稳性是指船在外力作用(如较大的风和浪作用)下，横倾角超过100150时的稳性，它涉及到船在航行中能抗多大风浪或横倾力矩而不倾覆。在保证初稳性的条件下，从满足大倾角稳性的要求来考虑，主要是注意重心高度、B、fT和受风面积等因素的影响。对大倾角稳性的要求，大型船舶一般不难满足，而中小型船舶则常有困难。因此，在中小型船舶设计时，要注意参考相近母

13、型船，取适当大的B和fT值，并力求降低重心高度和受风面积，有时需用设计手册中的有关近似方法对大倾角稳性及时加以估算。,在大倾角情况下，表征船抵抗外力作用能力的，是静稳性曲线(它所包围的面积及形状特征)。一般民用船舶的稳性，根据规范进行核算。我国对内河船、海船分别订有规范。下面结合海船稳性规范介绍核算的方法和步骤。(一)规范主要内容 规范以大倾角稳性作为船舶稳性的基本衡准，并依船舶的使用任务特点对最小初稳性和需要核算的使用情况作了规定。船舶在其所核算的各种装载情况下，稳性衡准数K应符合下式要求：,（1）lq的确定 应用计及船舶横摇影响后的动稳性曲线或静稳性曲线来确定。规范是应用动稳性曲线。如图4

14、1所示：线段BC为最小倾复力臂lq。,（2）风压倾侧力矩Mf、风压倾侧力臂lf的计算,(二)核算步骤 对任一载况来说，此时排水量、初稳性高度GM、吃水T、重心高度zg均已知，故可根据这些数据按下列顺序计算：(1)根据排水量从稳性横截曲线中找出各倾角处对假定重心的复原力臂，修正重心高度的差别后就可算出实际复原力臂。绘出静稳性曲线，检验静稳性曲线各要素是否符合要求。绘制动稳性曲线。(2)由T、GM、zg、B计算自摇周期T，进而计算出横摇角。,(3)用作图法找出最小倾覆力臂或最小倾覆力矩。(4)由总布置图的侧视图计算受风面积Af及其形心距水面高度z;(5)由z及船的航区查出计算风压p;(6)计算风压

15、倾侧力臂或风压倾侧力矩;(7)计算稳性衡准数K是否大于1.0。,提高船舶稳性的措施：,稳性是与船舶安全密切相关的一项重要性能。有关规范规定了各类船舶应具备的稳性标准，所有船舶必须达到规定的指标要求。为使船舶具有良好的稳性，可采取措施降低船舶的重心，减小上层建筑受风面积等措施。船舶初稳性为船舶倾斜角小于1015度，或上甲板边缘开始入水前的稳性，又称小倾角稳性。船舶大倾角稳性为船舶倾斜角大于1015度，或上甲板边缘开始入水后的稳性。,由复原力矩公式我们可以知道，复原力矩的大小是与成正比的，通常认为 值越大稳定性就越好。但是事实上并不是值越大越好，如果值过大，则船舶的复原能力很强，稍有倾侧，很快复原，这样就使的船舶左右摇摆频繁，即横摇的周期短，这在客船中更是要不得，剧烈的摇摆会使乘客感觉很不舒服。,提高船舶稳性的几条措施,1）降低船舶重心是改善稳性的根本措施；,2）提高横稳心M点的高度，使值增大；,3）尽量减小上层建筑的受风面积，即减少倾覆力矩。,