第四章 船舶穩(wěn)性

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第四章船舶穩(wěn)性

第一節(jié)船舶穩(wěn)性的基本概念

（一）船舶平衡的3種狀態(tài)

1、穩(wěn)定平衡

>0

G點(diǎn)在M點(diǎn)之下，GM>0，M

R

2、隨遇平衡

G點(diǎn)與M點(diǎn)重合，GM=0，M

=0

R

3、別穩(wěn)定平衡

<0

G點(diǎn)在M點(diǎn)之上，GM<0，M

R

（二）穩(wěn)性的定義

船舶穩(wěn)性是指船舶受給定的外力作用后發(fā)生傾側(cè)而別致傾覆，當(dāng)外力消逝后仍能回復(fù)到原來(lái)的平衡位置的能力。

（三）穩(wěn)性分類

分類辦法:按傾歪方向、傾角大小、傾歪力矩性質(zhì)、船艙是否進(jìn)水

┏破艙穩(wěn)性

穩(wěn)性┫┏初穩(wěn)性(小傾角穩(wěn)性)

┃┏橫穩(wěn)性┫┏靜穩(wěn)性

┗完整穩(wěn)性┫┗大傾角穩(wěn)性┫

┗縱穩(wěn)性┗動(dòng)穩(wěn)性

其中，傾角小于等于10－15度稱為小傾角，否則稱為大傾角。傾歪力矩性質(zhì)指靜力或動(dòng)力，或者講有無(wú)角速度、角加速度。

第二節(jié)船舶初穩(wěn)性（1）

（一）船舶初穩(wěn)性的基本標(biāo)志

1．穩(wěn)心M與穩(wěn)心距基線高度KM

船舶小傾角橫傾前、后其浮力作用線交點(diǎn)稱為橫穩(wěn)心，簡(jiǎn)稱穩(wěn)心。

穩(wěn)心M距基線的垂向坐標(biāo)稱為穩(wěn)心距基線高度。

2．初穩(wěn)性的衡準(zhǔn)指標(biāo)

穩(wěn)心M至重心G的垂距稱為初穩(wěn)性高度GM。

初穩(wěn)性高度GM是衡準(zhǔn)船舶是否具有初穩(wěn)性的指標(biāo)。初穩(wěn)性高度大于零，即船舶重心在穩(wěn)心之下，船舶就有初穩(wěn)性。

3．初穩(wěn)性中的假設(shè)(關(guān)于任一給定的吃水或排水量)

（1）小傾角橫傾(微傾)；

（2）在微傾過程中穩(wěn)心M和重心G的位置固定別變；

（3）在微傾過程中浮心B的挪移軌跡是一段以穩(wěn)心為圓心的圓弧；

（4）在微傾過程中傾歪軸過漂心。

（二）初穩(wěn)性高度GM的表達(dá)式

GM=KB+BM-KG=KM-KG

第二節(jié)船舶初穩(wěn)性（2）

（三）初穩(wěn)性高度的求取

1、KM可在靜水力曲線圖、靜水力參數(shù)表或載重表中查取。

2、KG的計(jì)算

式中，Pi——組成船舶總分量（含空船分量等）的第i項(xiàng)載荷，t

Zi——載荷Pi的重心距基線高度，m

3、Zi確定

（1）艙容曲線圖表查取法

船舶資料中通常有各個(gè)貨艙和液艙的艙容曲線圖或數(shù)據(jù)表，利用艙容曲線圖表，可方便確定艙內(nèi)散貨或液貨的重心高度Zi，辦法如下：

i）關(guān)于勻質(zhì)散貨或液貨，已知貨堆表面距基線高度，在圖中左縱軸上對(duì)應(yīng)點(diǎn)做水平線交艙容中心距基線高度曲線得B點(diǎn)，過B點(diǎn)做垂線交上橫軸得C點(diǎn)，對(duì)應(yīng)值即為該艙物資重心距基線高度Zi。

ii）關(guān)于積載因素相近、合理積載的件雜貨，依照所裝物資的體積，在下橫軸找到相應(yīng)點(diǎn)向上做垂線，交艙容曲線得A點(diǎn)，過A點(diǎn)做水平線交艙容中心距基線高度曲線得B點(diǎn)，過B點(diǎn)向上做垂線交上橫軸得C點(diǎn)，對(duì)應(yīng)值即為該艙物資重心距基線高度Zi。

)

2.3()m(ZPKGi

i?

*∑

=

（2）艙容中心高度法

不管艙內(nèi)載荷勻質(zhì)與否和數(shù)量多少，均以該艙的幾何中心高度作為該艙載荷的重心距基線高度Zi。

該辦法的優(yōu)點(diǎn)有二：一是查取方便，船舶資料中通常有各個(gè)貨艙和液艙的艙容中心高度數(shù)據(jù)可查；二是結(jié)果高于實(shí)際值，偏于安全。缺點(diǎn)是當(dāng)艙內(nèi)物資較少時(shí)誤差較大。（四）自由液面對(duì)GM的妨礙1、自由液面（Freesurface)

船舶的液體艙柜中裝有液體但未滿艙時(shí)的液面。2、自由液面的妨礙結(jié)果

自由液面的存在使初穩(wěn)性高度GM恒減小。3、自由液面計(jì)算公式

ix－－自由液面對(duì)過液面中心傾歪軸的面積慣性矩（m4）。4、自由液面慣性矩ix的求?。?）查取船舶資料求取ix

“各液艙自由液面慣性矩ix表”，“各液艙自由液面對(duì)初穩(wěn)性高度修正值表”（2）利用公式法計(jì)算ix

自由液面的形狀為矩形、三角形

矩形：k=1/12；直角三角形：k=1/36；等腰三角形：k=1/48自由液面的形狀為梯形

直角梯形：k=1/36；等腰梯形：k=1/48

5、減小自由液面妨礙的措施

設(shè)置水密縱隔壁

減少甲板上浪和存水，及時(shí)排出積水

液體艙柜應(yīng)依照實(shí)際事情盡可能裝滿或排空

航行中，應(yīng)逐艙使用油水并盡可能減少并且存在自由液面的液艙數(shù)。

液體散貨船裝載物資時(shí)，盡可能少留部分裝載艙。部分裝載艙應(yīng)挑選艙室寬度較小的貨艙。保證液體艙柜內(nèi)的縱向水密隔壁的完整性

?

=

∑x

f

i

GM

ρδ)

(01ffGMKGKMGMGMGMδδ+-=-=3

bkix=)

)((2

22121bbbbkix++=

第三節(jié)載荷變動(dòng)對(duì)穩(wěn)性的妨礙

（一）載荷挪移

1、船內(nèi)重物水平挪移

2、船內(nèi)重物垂移

載荷下移，重心下移，Z取“+”，GM1增加；

載荷上移，重心上移，Z取“－”，GM1減小

（二）分量增減

1、分量大量增減

2、分量少量增減

假定條件：（1）載荷變動(dòng)時(shí)，穩(wěn)心距基線高度KM保持別變；

（2）載荷變動(dòng)時(shí)，自由液面對(duì)初穩(wěn)性的妨礙保持別變。（三）物資懸掛

懸掛重物對(duì)穩(wěn)性的妨礙：相當(dāng)于將其重心從實(shí)際位置上移到懸掛點(diǎn)。

GM1=GM--

(四)船舶傾歪試驗(yàn)

1、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

確定船舶的空船重心高度KG

0和空船初穩(wěn)性高度GM

。

2、試驗(yàn)條件

GM

Py

tg

??

=

θ

?

?

=

Z

P

GM

δGM

GM

GMδ

=

-

1

i

i

i

P

Z

P

KG

KG

∑

±

?

∑

±

??

=

1

1

1

1KG

KM

GM-

=

)4.3(

)

m

(

P

)

Z

KG

(

P

GM

GM

1

P

1

1

2+

?

-

*

+

=

?

?

=Z

P

GM

δ

GM

δ

新建船舶或經(jīng)重大改建的船舶在出場(chǎng)前應(yīng)舉行傾歪試驗(yàn)。

3、舉行傾歪試驗(yàn)的注意事項(xiàng)

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力別大于2級(jí)，水面平靜無(wú)流，無(wú)來(lái)往船只

船舶應(yīng)盡可能保持正浮空船狀態(tài)，并系牢可挪移物

盡可能減少自由液面的存在

船上多余分量或別腳分量關(guān)于空船排水量大于3000t的船舶，應(yīng)別大于0.5％Δ

L傾歪角θ普通為2?～4?，但別得小于1?

試驗(yàn)時(shí)纜繩應(yīng)處于別受力狀態(tài)

第四節(jié)船舶大傾角靜穩(wěn)性

（一）大傾角靜穩(wěn)性基本概念1、大傾角穩(wěn)性和初穩(wěn)性的區(qū)不

橫傾角的范圍別同

船舶在大傾角橫傾時(shí)，橫穩(wěn)心點(diǎn)M別再是定點(diǎn)。M點(diǎn)變?yōu)楦⌒腂的漸近線，隨橫傾角的變化而變化。

船舶大傾角橫傾時(shí)傾歪軸別再過初始水線面漂心F。

大傾角穩(wěn)性別能用GM作衡量標(biāo)志。2、大傾角靜穩(wěn)性的基本標(biāo)志

船舶在大傾角傾歪時(shí)穩(wěn)性力矩的計(jì)算公式為：GZ：靜穩(wěn)性力臂（復(fù)原力臂或扶正力臂）作為衡量大傾角靜穩(wěn)性的基本標(biāo)志（二）靜穩(wěn)性力臂的求算1、基點(diǎn)法

KN：形狀穩(wěn)性力臂KH：分量穩(wěn)性力臂2、假定重心法求取GZ3、穩(wěn)心點(diǎn)法

MS－－剩余穩(wěn)性力臂（三）靜穩(wěn)性曲線

1、定義：靜穩(wěn)性力矩MR或靜穩(wěn)性力臂GZ與船舶橫傾角θ的關(guān)系曲線圖。

MR～θ的關(guān)系曲線圖稱為靜穩(wěn)性力矩曲線

GZ～θ的關(guān)系曲線圖稱為靜穩(wěn)性力臂曲線2、繪制

依照公式GZ=KN-KGsinθ及KN曲線圖可得。

GZ

Ms??=θsinKGKNKHKNGZ-=-=θ

sinGMMSGZ+=

將經(jīng)自由液面對(duì)大傾角穩(wěn)性妨礙修正后的復(fù)原力臂GZ隨橫傾角變化關(guān)系畫成靜穩(wěn)性曲線如圖3－3所示。

3、靜穩(wěn)性曲線圖的要緊特征

靜平衡位置

靜平衡角(靜傾角)θS

甲板浸水角

甲

θ

曲線反曲點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度。甲板浸水后穩(wěn)性增長(zhǎng)減緩。該點(diǎn)的曲線歪率最大。

最大復(fù)原力臂GZmax

最大復(fù)原力矩MR.max

極限靜傾角θS.max

穩(wěn)性消逝角θv

0～θ

v

的范圍定義為船舶的穩(wěn)性范圍。曲線原點(diǎn)處的歪率等于初穩(wěn)性高度GM4、妨礙靜穩(wěn)性曲線的因素

（1）船寬B

（2）干舷F：對(duì)初穩(wěn)性沒有妨礙。

（3）重心高度KG

若排水量一定，則：

（4）排水量（吃水）：若KG相同，則：

（5）自由液面

↓

↓

↓

↑

↑

↑

v

s

GZ

KN

Bθ

θ

θ，

，

，

，

，

甲max

.

max

?

↓

↓

↓

↑

甲

，

，

，

，θ

θ

θ

v

s

GZ

KG

max

.

max

↓

↓

↓

↓

↑

?

v

s

GZθ

θ

θ，

，

，

，

甲max

.

max

自由液面的妨礙能夠看作船舶重心高度KG增大，因此妨礙結(jié)果同KG的妨礙。（6）初始橫傾（常定橫傾）：船舶重心偏離縱中剖面。

↓

↓↑vGZKGθ，，max

第五節(jié)船舶動(dòng)穩(wěn)性

（一）船舶動(dòng)平衡及動(dòng)傾角

1.船舶動(dòng)平衡：研究船舶橫傾過程中，功之間的平衡關(guān)系。

動(dòng)平衡條件：

2.動(dòng)傾角（動(dòng)平衡角）：船舶達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)的橫傾角

（二）船舶動(dòng)穩(wěn)性的基本標(biāo)志

船舶動(dòng)穩(wěn)性的大小取決于船舶復(fù)原力矩所作功M

d

（動(dòng)穩(wěn)性力矩）的大小。

動(dòng)穩(wěn)性力矩Md在數(shù)值上等于靜穩(wěn)性力矩MR曲線下的面積。

動(dòng)穩(wěn)性力臂ld在數(shù)值上等于靜穩(wěn)性力臂GZ曲線下的面積。

(三)最小傾覆力矩M

h.min

1定義

●船舶在動(dòng)平衡條件下可以承受的橫傾力矩的極限值。

●能使船舶傾覆的最小外力矩。

●船舶在動(dòng)平衡條件下，穩(wěn)性所允許的最大橫傾力矩。

2結(jié)論

●船舶在動(dòng)力作用下別致傾覆的條件：Mh≤Mh.min

●船舶在靜力作用下別致傾覆的條件：Mh≤MR.max

（四）動(dòng)穩(wěn)性曲線圖

1、定義

動(dòng)穩(wěn)性力矩曲線：WR～θ的關(guān)系曲線圖。

動(dòng)穩(wěn)性力臂曲線：ld～θ的關(guān)系曲線圖。

2、繪制

動(dòng)穩(wěn)性力矩曲線為MR曲線的積分曲線

動(dòng)穩(wěn)性力臂曲線為GZ曲線的積分曲線

Ws

W

h

3、動(dòng)穩(wěn)性曲線的特征

曲線過原點(diǎn)

曲線反曲點(diǎn)對(duì)應(yīng)角為極限動(dòng)傾角θ

d.max

曲線極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)角為穩(wěn)性消逝角θ

v4、動(dòng)穩(wěn)性曲線的用途

已知恒定外力矩M