船舶“三心”讲稿

1、5 *1浅谈船舶的重心、浮心和稳心船舶为什么能漂浮在水上？答：因为水有浮力。那么，水为什么会产生浮力？一般说来，流体（气体和液体）在重力作用下会给浸没在其中的 物体一个浮力。就好比一个受到外敌入侵的群体一样，这个群体 会有抵抗情绪,不会轻易让出空间给异类。虽然上面这个回答缺乏说服力，但是很形象，也提到了非常关键 的因素重力作用。这里，我们用一杯水来作研讨模型。杯子里的 水是水分子的集合体，水分子在重力作用下都有下降的趋势。如 果可能的话，可以把这杯水分成若干层。由于重力作用，下层的水分 子总是受到上层水分子的压力，力是可以传递的，所以，越到最低层 水分子受到压力越大。我们可以把水杯模型放大到江

2、河湖海中去。 已经有前人研究过，水在深度h处的压强p=pgh,等号两边同时乘以 有效受力面积S ,有PS=pgSh , PS （即压强X面积）为压力（即浮力 F ）, Sh （即面积x高）为体积（即排水体积）,则船在水中受到浮 力 F=pgVo因此，我们可以准确地来回答水为什么会产生浮力了，是因为重 力作用形成的静水压力而产生浮力。一.船舶重心、浮心和稳心的定义船舶在任一装载情况下，漂浮于水面（或浸没于水中）一定位置1/91/91/9最新资料推荐时，是一个处于平衡状态的浮体。这时，作用在船上的力，有船舶本 身的重力（Gravity ）,有前述提及的浮力（Buoyancy 船体的重力包括船体构件

3、、机电设备、货物、人员、行李、武备、 弹药等重量形成的重力。船舶的重力W的作用点G成称为船舶的重 心。船体浸水表面的每一点都受到水的静压力，这些静压力都垂直于 船体表面，其大小随浸水深度增加而增加，如图1所示。可见，静水 压力的水平分量互相抵消，垂直方向形成一个垂直向上的合力，这个 合力就是浮力,它支撑船舶漂浮在一定位置。浮力的作用点B称 为船舶的浮心。图1重心和浮/口船舶在横倾p角后,水线由正浮时的WL变成倾斜后的WiLi ,2 / 92 / # /9 5 *1 浮心从原来的B沿某一曲线移动至Bi,这时浮力的作用线垂直于 WiLi,并与原正浮时的浮力作用线相交于M点（如图2所示X当（P 为小

4、角度时，曲线BBi可看作是圆弧的一段，M点为曲线BBi的圆心, BM = B1M为曲线BBi的半径。船舶在小角度倾斜过程中,可假定倾 斜前后的浮力作用线均通过M点，因此，M点称为横稳心（或初稳根据阿基米德原理，船舶在水中受到的浮力在数值上等于它的排 水量八。A=u）V式中：为船舶排水量（t）, 为船舶排水体积（m3）, 3为水 的重量密度（tf/m3）, 3为浮力（tf ,习惯上用质量单位t代替X所以，浮心B也是船舶排水体积的形心(几何中心)。综上所述，船舶处于平衡状态(浮态)的条件是：(1 )重力与浮力的大小相等而方向相反，即W=3V；(2 )重心G和浮心B在同一铅垂线上；(3 )船舶有正浮

5、、横倾、纵倾、任意浮态4种浮态；(4 )在各种浮态下，重心G在浮心B之上。船舶的重量、重心可根据总布置图和其他有关图纸及技术资料进 行分析计算，排水量、浮心依据型线图和型值表进行分析计算。具体 的计算方法匕瞰复杂，可以参考有关专业书籍，这里不作介绍。船舶在水上航行时，总是受到风浪等外力的干扰，使其倾斜一个 小角度，水线由正浮时的WL变成倾斜后的WiLi,船的重量在倾斜 前后没有变化，船的重心保持在原来位置，船的重力大小等于其受到 的浮力大小，数值上等于它的排水量,所以船的排水体积大小也没 有变化，但其水下体积形状发生了变化，故浮心的位置由原来的B 点移到了 Bi点。此时，浮心和重心不再位于同一

6、铅垂线上，浮力和 重力就形成一个力偶，促使船舶回复到原来的平衡位置，如图3 ( a ) 所示。自重心G作直线GZ ,垂直于通过B1的浮力作用线，则力偶 的矩等于AGZ ,称为复原力矩，通常用Mr表示，即Mr=AGZ ,式 中GZ为复原力臂。造成船舶离开原来平衡位置的是倾斜力矩，它产 生的原因3 / 93 / 93 /9有风浪作用、货物移动、旅客集中于一舷、船舶回转等。若复原力矩 与倾斜力矩的方向相反，则复原力矩起着抵抗倾斜力矩的作用，MR 为正值。此时，一旦外力消失复原力矩能使船舶回复到原来正浮的平 衡位置。若复原力矩与倾斜力矩的方向相同，则复原力矩反而促使船 舶继续倾斜，此时Mr为负值，如图

7、3 （ b ）所示。促使船舶回复到原来平衡位置的是复原力矩，其大小取决于排水量、重心和浮心的相对 位置等因素。因此在倾斜力矩和复原力矩这一对矛盾中，前者是影响 船舶稳性的外因，后者是内因。船舶稳性可分为初稳性（或称小倾角稳性）和大倾角稳性。初稳 性（或称小倾角稳性）一般指倾斜角度小于或上甲板边缘开 始入水前（取其小者）的稳性。大倾角稳性一般指倾斜角度大于10。 15。或上甲板边缘开始入水后的稳性。船舶的倾斜可分为横倾和纵 倾。由于船舶纵向尺度大，横向尺度小，船舶的纵倾一般都属于小角 度情况，大角度倾斜一般只在横向倾斜时产生。而且，纵稳性高与船 长为同一数量级，除浮吊等特种船舶外，一般不必考虑纵

8、向稳性问题。前面我们已经知道，船舶横倾某一小角度中时，如果船上的货物 没有移动，则重心位置G保持不变，而浮心则自B点移至Bi点，如 图4 ( a )所示。此时重力W的作用点G和浮力的作用点Bi不在 同一铅垂线上，因而产生了一个复原力矩Mr ,即MR=AGZ=AGMsin(p式(1 )式中：GZ为复原力臂,GM为横稳性高,也称初稳性高。当横倾角度较小时，sin(p«(p ,上式可写成Mr=AGM(p式(2 )式(1)或式(2 )称为初稳性公式。从复原力矩Mr和横倾方向(或从稳心M和重心G的相对位置) 之间的关系，可以判断船舶平衡状态的稳定性能：(1)重心G在稳心M之下，则复原力矩Mr的

9、方向与横倾方向 相反，当外力消失后，它能使船舶回复到原来的平衡状态，所以称为 稳定平衡(如图4 ( a ),此时,扁和Mr都为正值;(2 )重心G在稳心M之上，则复原力矩Mr的方向与横倾方向 相同，它使船舶继续倾斜而不再回复到原来的平衡状态，所以称为不 稳定平衡(如图4 ( b ),此时，品和Mr都为负值;(3 )重心G与稳心M重合，GM=O , Mr=O ,当外力消失后， 船不会回复到原来的位置，也不会继续倾斜，称为中性平衡或随遇平 衡(如图4(c)。2 / 92 / 97 /9圾新货科推荐图4重心和稳心的关系上面（2 1 （ 3）两种情况下船舶的稳性得不到保障，是不允许 出现的。从初稳性公

10、式式（1）和式（2 ）中可以看出：船舶在一定排水 量下产生小横倾时，横稳性高向越大，复原力矩Mr也越大，也就 是抵抗倾斜力矩的能力越强。因此，横稳性高血是衡量船舶初稳性 的主要指标。但是，横稳性高过大的船舶，其摇摆周期短，在遇到风 浪时会产生急剧的摇晃，故横稳性高的数值要选取适当。我国对不同 种类的船舶的横稳性高都有限制性规定，例如，干货船的横稳性高应 在 0.3-1.0mo综上所述，船舶初稳性中最重要的问题是,弄清楚浮心B、重心 G和稳心M的位置以及三者之间的关系，这里小结如下：初稳性高GM是衡量船舶初稳性的重要指标，可写成GM = KB + BM - KG 式（3）式中，K点为参考基点，K

11、B为浮高度，BM为初稳性半径，KG为重 5 *1 令BG二KGKB为浮心和重心之间的距离，则上式也可写成GM = BM-BG式(4)三、船舶“三心”的应用1 .保证船舶具有一定的储备浮力。船舶在水面的漂浮能力是由储备浮力来保证的。所谓储备浮力是 指满载水线以上主体水密部分的体积所能产生的浮力。船体损坏后， 水进入舱室必然导致浮力损失，吃水增加，浮心上移，当储备浮力无 法弥补浮力损失时，船就会沉没或搁浅。储备浮力根据船型、航区以 及货种而定，内河驳船的储备浮力约为其满载排水量的10%-15% , 海船约为50% ,军舰在100%以上。为此，我国规定了国际航行海 船、国内航行海船和河船的最小干舷、最小船首高度和载重线标志等 的要求。2 .在设计或航行时，保证船舶处于正浮状态或稍有尾倾。船舶处于正浮状态有利于船舶安全航行。只有船舶具有平稳性， 船上各种机械和电气设备才能正常运转，也能延长其使用寿命。更重 要的是，船舶处于正浮状态更能保证船舶稳性。如果船舶本身处于倾 斜状态，在受到倾斜力矩或者大舵角操作时，就会加剧船舶倾斜，可 能导致船舶倾覆。船舶适当尾倾可以提高螺旋桨推力的利用率，还可 以减小船首水阻力。3 ,货物配积载时应考虑船舶稳性。为避免船舶装载方案确定后出现稳性不足的情况，驾驶人员注意 合理配载货物，防止船舶重心过高，船舶初稳性高度过小，导致船舶 复原力矩减小，船舶横摇