船舶原理课件

1、第三章 初稳性 本章要点：本章要点： 1 1、初稳性概念，初稳性高度，初稳性公式、初稳性概念，初稳性高度，初稳性公式、 船舶稳性指标及判断方法。船舶稳性指标及判断方法。 2 2、静水力曲线计算及绘图。、静水力曲线计算及绘图。 3 3、载荷的移动和装卸，自由液面等对船舶、载荷的移动和装卸，自由液面等对船舶 浮态及初稳性跟影响。浮态及初稳性跟影响。 4 4、船舶倾斜试验目的及原理。、船舶倾斜试验目的及原理。 3-1 3-1 稳性概述稳性概述 一、稳性概念 1、定义：船舶在外力作用下偏离其平衡位置而倾斜，当外力消失后， 能自行回复到原来平衡位置的能力。 （a)图中复原力距，倾斜力矩方向相反，起到抵抗

2、倾斜力矩的作用， MR定为正值 （b)图中复原力距，倾斜力矩方向相同，倾斜力矩增加， MR定为负值 二、稳性的分类 （1） 按作用力矩性质分静稳性和动稳性。 静稳性静稳性：船舶在倾斜过程中不计及角加速度和惯性矩的稳性，它 研究倾斜力矩和稳性力矩所作功之间的动平衡问题。 动稳性动稳性：船舶在倾斜过程中计及角速度和惯性矩的稳性，它研究 倾斜力矩所做的功和稳性力矩所做功之间的动平衡问题。 （2） 按倾斜方向 纵稳性纵稳性：指船舶绕横向轴（Y轴）纵倾时的稳性 横稳性横稳性：指船舶绕纵向轴（X轴）横倾时的稳性 （3） 按倾斜角度 初稳性初稳性（或称小倾角稳性指倾斜角度小于10度15度和上甲板边缘 开始入

3、水前的稳性； 大倾角稳性大倾角稳性一般指倾角大于10度15度或上甲极边缘开始入水后的 稳性。 划分原因：小倾角稳性可引入某些假定，既使浮态计算被简化，又能较 明确地获得影响初稳性的各种因素之间的规律。 所有纵稳性问题都属于小倾角范畴，因为纵稳性力矩大于横稳 性力矩，所以不可能因纵稳性不足而导致倾覆 。 3-3 三、倾斜力矩、复原力矩 1、倾斜力矩的来源 （1）风浪的作用； （2）船上货物的移动； （3）旅客集中于某一船舷。 （4）拖船的急牵，火箭的发射 2、复原力矩 复原力矩大小取决于排水量、重心高度、浮心移动的距离等 因素。 3-4 3-2，浮心的移动，稳心及稳心半径 讨论稳性问题讨论稳性问

4、题 （1）需要确定倾斜水线的位置。）需要确定倾斜水线的位置。 （在利用符拉索夫曲线进行计算在纵倾状态、横倾状（在利用符拉索夫曲线进行计算在纵倾状态、横倾状 态下排水体积和浮心坐标时，倾斜水线也是满足一定态下排水体积和浮心坐标时，倾斜水线也是满足一定 条件下才得以计算的。）条件下才得以计算的。） （2）其次找出浮力作用线的位置。）其次找出浮力作用线的位置。 （3）确定复原力矩的大小及方向。）确定复原力矩的大小及方向。 3-5 一、等体积倾斜水线 船舶受倾斜力矩（风力）作用发生倾斜，排水体积保持不变，船舶受倾斜力矩（风力）作用发生倾斜，排水体积保持不变， W W1 1L L1 1是等体积倾斜水线是

5、等体积倾斜水线。 结论：两等体积水线面的交线结论：两等体积水线面的交线0000必须通过原水线面必须通过原水线面WLWL的漂心。的漂心。 该结论同样适合船舶发生纵倾的情况该结论同样适合船舶发生纵倾的情况 dxydxy dxytgV dxytgdxtgyV dxtgydVdx tgyLOL L L L L L L L L L L 2 2 2/ 2/ 2 1 2/ 2/ 2 2 2/ 2/ 2 2 1 2/ 2/ 2 1 2/ 2/ 1 2 11 2 11 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 因为等体积倾斜 同理：出水楔形体积为 整个入水楔形体积 一小段，其体积沿船长取 的面积三

6、角形 的静矩两侧的面积对轴线在轴线 分别表示水线面以及 OOOO WLdxydxy L L L L 2 2 2/ 2/ 2 1 2/ 2/ 2 1 2 1 二、浮心的移动 1、重心移动原理 2、浮心的移动 W ggW GG 211 1 221 1 Vgg BB 3、楔形计算、楔形计算 221 1 Vgg BB 121 /BBgg 21 VV 2121 2 1 gggog o 1 11 2 V ogBB 2/ 2/ 3 2/ 2/ 11 3 1 3 2 2 1 L L L L dxytgydxytgyogV dxyogV L L 3 2/ 2/ 11 3 2 2 x IogV 11 2 x I

7、BB 1 2 2 3 3 2 L L x dxyI 三、稳心及稳心半径 l x I BMr BMBBBB 11 x I BB1 3-9横稳性半径 r rl x I BB1 为什么? 关键关键：惯性矩 x I x I 水线面对x轴的惯性矩 x 2 2 3 3 2 L L x dxyI y dx dy dxdyyddI x 2 dxydxdyydI y y x 32 3 2 O 四、纵稳性 2 2 2 L L yo ydxxI L I 2 FL AWXII yf L I BMR 3-10 2 fWyoyf xAII x y dx x ydxxdI yo 2 F o 3-3 初稳性公式 一、物体的平

8、衡状态一、物体的平衡状态 1 1、稳定平衡状态、稳定平衡状态 不倒翁的重心很低、当它倾斜时，不倒翁的重力与桌面反作不倒翁的重心很低、当它倾斜时，不倒翁的重力与桌面反作 用组成力偶。使不倒翁恢复到原来的站立位置，说明不倒翁具有用组成力偶。使不倒翁恢复到原来的站立位置，说明不倒翁具有 良好的稳性。良好的稳性。 2 2、中性平衡、中性平衡 皮球是一个球体，重心经于其中心由于桌面反作用力总是通皮球是一个球体，重心经于其中心由于桌面反作用力总是通 过皮球重心周围。皮球在受外力滚动后，滚到哪里就停在哪里。过皮球重心周围。皮球在受外力滚动后，滚到哪里就停在哪里。 即皮球不能恢复到原来的位置。即皮球不能恢复到

9、原来的位置。 3 3、不稳定平衡状态、不稳定平衡状态 铅笔的重心较高，其重力与桌面的反作用力组成力偶，使铅铅笔的重心较高，其重力与桌面的反作用力组成力偶，使铅 笔继续倾斜，直到倾倒，说明铅笔的稳性不好。笔继续倾斜，直到倾倒，说明铅笔的稳性不好。 3-11 二、船舶的平衡状态 1、 稳定平衡(a图) 重心G在稳心M之下 2、不稳定平衡 (b图) 重心G在稳心M之上 3、 随遇平衡 (c图) 重心G与稳心M重合 SinMGM R 0GM 0GM 3-12 0GM 三、初稳性公式 （1）初稳性公式的用途）初稳性公式的用途 判别水面船舶能否稳定平衡，其衡准条件是判别水面船舶能否稳定平衡，其衡准条件是

10、； 船舶在营运过程中，应用初稳性方程式处理船内重物移动以及船舶在营运过程中，应用初稳性方程式处理船内重物移动以及 装卸重物后，调整船舶的浮态，确定新的初稳性高。装卸重物后，调整船舶的浮态，确定新的初稳性高。 （2）初稳性公式的局限性）初稳性公式的局限性 对于水面船舶，当它满足稳定平衡时，仅能说明船舶在倾斜力对于水面船舶，当它满足稳定平衡时，仅能说明船舶在倾斜力 矩消失后，具有能自行从微倾状态恢复到初始平衡位置的能力，矩消失后，具有能自行从微倾状态恢复到初始平衡位置的能力， 并不标志着船舶同时满足不至倾覆的条件；并不标志着船舶同时满足不至倾覆的条件； 只能应用于小倾角稳性的研究，对于大倾角稳性不

11、适用。只能应用于小倾角稳性的研究，对于大倾角稳性不适用。 0GM SinMGM R 3-13 四、稳性高公式 初稳性高公式 纵稳性高公式 KGBMKBGM KGBMKBGM LL 3-14 关于初稳性高度的讨论 初稳性高度是衡量初稳性的重要指标 的大小决定了复原力矩的大小 初稳性高度的三种情况 在纵中剖面上的三个点的位置关系 稳心M 重心G 浮心B 稳性系数 0GM0GM0GM GM GM 3-15 思考题： 正三角形截面的实心船舶，其密度为1, 在密度为2的液体中航行，问：1与 2满足什么条件，此船舶保持稳定平衡？ 2 1 3-16 3-4 船舶静水力曲线 一、曲线内容一、曲线内容 1、静水

12、力曲线图全面表达了船舶在静止正浮状态下浮性和稳性要、静水力曲线图全面表达了船舶在静止正浮状态下浮性和稳性要 素随吃水变化的规律。素随吃水变化的规律。 2、15条曲线内容条曲线内容 二、船舶静水力曲线图 3-5重量移动对 船舶浮态及初稳性的影响 当船舶上的重量移动时，船舶的排水量虽然保持不变，但其浮态当船舶上的重量移动时，船舶的排水量虽然保持不变，但其浮态 和初稳性是变化的。和初稳性是变化的。 研究思路：先将船舶上的重量移动分为垂向、横向以及纵向移研究思路：先将船舶上的重量移动分为垂向、横向以及纵向移 动，最后研究任意位置的移动。动，最后研究任意位置的移动。 一、垂向移动 同理： 结论：结论：

13、重量垂直向上移动，提高船的重心，初稳性高减小，对稳性不利。重量垂直向上移动，提高船的重心，初稳性高减小，对稳性不利。 重量垂直向下移动，隆低船的垂心，初稳性高增加，对稳性有利。重量垂直向下移动，隆低船的垂心，初稳性高增加，对稳性有利。 所以，隆低船的重心是提高船舶稳性的有效措施之一所以，隆低船的重心是提高船舶稳性的有效措施之一。 12 1 ZZP GMGM LL GMMG 1 二、横向移动 结论：重量的横向移动，不改变横稳性高，但是使船舶产生了一 个横倾角，从而减少了甲板进水角的 ，对船舶稳性是不利的。 GM yyP GM GG tg 121 三、纵向移动 L 12 GM xxp tg 3-2

14、3 四、任意位置的移动 36装卸载荷对船舶 浮态及初稳性的影响 一、装卸小量载荷（一、装卸小量载荷（P10%排水量）的影响排水量）的影响 船舶任意位置装卸载荷，会使船的吃水发生变化，并产生横船舶任意位置装卸载荷，会使船的吃水发生变化，并产生横 倾和纵倾。倾和纵倾。 分两个步骤：分两个步骤： 假定载菏装载的位置在水线面漂假定载菏装载的位置在水线面漂 心的垂直线上，只改变船舶心的垂直线上，只改变船舶 的平均吃水和稳性高，而不产生横倾和纵倾；的平均吃水和稳性高，而不产生横倾和纵倾； 移动到指定位置，发生横倾或纵倾。移动到指定位置，发生横倾或纵倾。 二、装卸小量载荷新的初稳性计算 1、 初稳性高 2

15、11 GMZ d d P P MGMG W A P d sin)( 11M GPM R sinsinCAPGMM R 3-25 GM d d 2 中和面 2、复原力矩 sin). 2 (sin.sin.)( 11 d dZPGMMGP 三、装卸大量载荷 船上增加或卸除大量的载菏（超过排水量的 10%）上面公式对船舶稳性及浮态的影响就不 够准确了，这是因为船舶吃水变化较大，新水 线与原水线面面积漂心经置等差别较大。 要根据静水力曲线图 研究 排水量曲线 浮心坐标xb及zb曲线 漂心纵向坐标xf曲线 横稳性半径BM曲线 每厘米的倾力矩MTC 曲线 3-27 作业：P63 一、2、3、4、7、16

16、二、5、9 p1 装载后的排水量 p pzz z p pxx x g g g g 1 1 装载后的重心位置 1 dp得）从静水力曲线图上求根据（ 等数值及、，从相关曲线上量得：然后，根据 111111 MTCxKBzxd fbb 1 1111 )(GMp py tg zBMKBGM g 1 11 100 )( MTC M txxpM T bgT 则： L t x L dd L t x L dd fA fF ) 2 ( ) 2 ( 1 1 则： 3-7自由液面对船舶初稳性的影响 一、自由液面 结论：自由液面的存在对船舶初稳性不利。 sin 111 amVaaVMh 力矩：自由液体所增加的横倾 x

17、1 1 iW MGMG Sin i GMSiniSinGMM x xR 1 1 1 V i am x 而： sinsin 1111 xh iamVaaVM所以： 二、减小自由液面对稳性高的影响 自由液面面积越大，自由液面面积越大，i ix x亦很大，为了减小自由液面对初稳性的不亦很大，为了减小自由液面对初稳性的不 利影响，使自由液面的面积惯性矩利影响，使自由液面的面积惯性矩i ix x尽量小，所以在船内设置纵尽量小，所以在船内设置纵 向舱壁。向舱壁。 如设置一道纵舱壁如设置一道纵舱壁 结论： 降低了船的初稳性减小船的初稳性高, 1 x i GMMG 4 1 124 1 212 1 2 2 1

18、3 3 3 的不利影响可减小至 等分后自由液面对稳性 分成两部分 lbb li lbi x x 2 1 1 n nn 影响将减小到原来的 等分），道舱壁（设置 3-8悬挂重量对稳性高的影响 sin)(sinsin 1 pl MGplGMM R pl GMMG 1 3-9 船舶倾斜试验 一、试验的目的一、试验的目的 确定船舶的重量及重心位置确定船舶的重量及重心位置 二、试验的原理以及方法二、试验的原理以及方法 KGBMKBGM 由静水力曲线图中得出 可求出测量出横倾角 横向移动已知移动重量 初稳性高可写成由 BMZ GM lP tg Pl GM GM pl tg B, , 三、试验步骤 测量横倾

19、角度 BL PPPP 4 3 %21 32 42 00 4321 ，移动的距离）移动总重量为（ 个摆锤首、中央、尾设摆捶来测量 为形成足够的倾斜力矩 四、注意事项 1 1、风力不大于、风力不大于2 2级，晴天，地点应选在静水的遮蔽处所，尽可能级，晴天，地点应选在静水的遮蔽处所，尽可能 使船首正对风向和水流方向，最好在坞内；使船首正对风向和水流方向，最好在坞内； 2 2、不妨碍船的横倾，系泊缆绳全部松开。、不妨碍船的横倾，系泊缆绳全部松开。 3 3、自行移动的物体应设法固定，机器停止运转，试验无关的人、自行移动的物体应设法固定，机器停止运转，试验无关的人 员均应离船，在船上的人员都应固定，不能随

20、意走动。员均应离船，在船上的人员都应固定，不能随意走动。 4 4、船上的液体舱柜抽空或者注满，消除自由液面的影响。、船上的液体舱柜抽空或者注满，消除自由液面的影响。 试验结果修正到空载状态 3-33 3-10 船舶在各种载况下的浮态及 初稳性计算 船舶的装载情况是随时变化的 典型排水量 计算内容: 1、各种载况下的排水量及重心计算 2、各种载况下的浮态及初稳性计算 3、各种载况下的浮态及稳性计算综合表 排水量及重心位置计算（满载出港）：排水量及重心位置计算（满载出港）： 力臂(m)力矩(tm)力臂(m)力矩(tm)力臂(m)力矩(tm) 1空船56678.6348906.23.9422328.0 2人员1015.25152.517.69176.9 3粮食810.785.615.09120