船舶原理章课程

船舶原理章课程第1页/共155页

船舶原理船舶原理介绍以下六种航海性能船舶原理定义——研究船舶平衡和运动规律的一门科学。其理论基础是理论力学和流体力学。船舶原理是流体力学的一个分支，因此也称为船舶流体力学。船舶静力学船舶动力学浮性快速性(船阻力、桨推力）稳性摇荡性（又名：适航性、摇摆性）抗沉性操纵性（航向稳定性、回转性

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第2页/共155页课程教学说明本课程共36学时，全部为理论教学，采用自学和课堂教学相结合的教学方法。考试要求：平时成绩占30%，理论考试成绩占70%，总评60分及格。平时成绩：作业+考勤+课堂表现主教材选用：上海交通大学出版社出版的《船舶原理》，刘红编。辅助教材选用：《造船大意》、《船舶原理》（蒋维清著）、《船舶管理》（轮机专业试题库）。第3页/共155页船舶原理本课程性质：《船舶原理》是轮机工程专业的专业基础课之一。它是研究船舶平衡和运动规律的一门科学，是专业课程“船舶安全与管理”和“船舶动力装置管理”的重要基础。本课程特点：内容杂内容广内容散第4页/共155页第一章船舶类型§1-1船舶发展概况

（船、作用、历史、三大革命）§1-2六种航海性能

浮性（包括正浮条件下的浮性和纵倾条件下的浮性，简称为浮性和吃水差）

稳性抗沉性快速性（船舶阻力、推进器推力）摇荡性

操纵性（航向稳定性、回转性）§1-3船舶分类

第5页/共155页§1-1船舶发展概况船舶——已有3000多年发展史。经历了以下几个不同的阶段⑴造船材料方面：①木船时代；②铁船时代；③钢船时代。⑵造船技术工艺方面：二战前为铆接，二十世纪五十年代后均采用焊接，再到采用模块化造船。⑶推进装置方面：由往复式蒸汽机、蒸汽轮机到柴油机，最近发展到电力推进。现代所有船舶的推进器均采用螺旋桨。运输船舶的发展趋势可归纳为：大型化、高速化、专业化、自动化、节能与环保化。船舶发展的突出特点——专业化、大型化、自动化。船舶大型化是提高经济效益，降低单位运输成本，单位造价的结果。船舶大型化受到以下条件限制：⑴航道、港口条件的限制；⑵航程要长；⑶货源要充沛；⑷码头作业效率要高。第6页/共155页

§1-1船舶发展概况船舶大型化的优点——可降低造价，增加载重量，降低运输成本（1980年的最大油轮为DW=56.3吨）。最大船型的惊人发展—是战后油船发展的最大特点。高速化是就整个船舶总的发展而言。对具体的某艘船舶来说，快的船不一定是好的船，船舶营运的经济性对航速影响很大。随着船舶自动化程度的不断提高，近年来国外提出了“智能化船舶”，是一种全自动化、全电脑化的船舶，其操纵和管理系统将由中心计算机统一指挥。（机舱管理全自动化）智能化船舶是以轮机、导航、装卸、船体运动监控、船舶航运和管理等全面实行自动化为目标。其主要特点是：可靠性高，船上设施高标准，减少船员，优化运输。第7页/共155页

§1-1船舶发展概况最早的专业化运输船舶——主要是运输散装石油的油船。从航运市场的角度来分析，开展专业化运输有利于以密集型技术取代昂贵的劳动力，增加收入，提高效率。从造船角度看，造价高的专用船型可在一定程度上弥补产量的不足。这就是常规船型向专业化发展的市场吸引力。船舶的节能措施大体包括以下几方面的内容：①提高动力装置的热效率；②采用低阻力的优秀线型，改善首、尾线型（采用球首、球尾等）；③提高螺旋桨效率，采用超低速大直径螺旋桨、风帆助航等。随着人们对环境污染的日益重视……，出现了“绿色船舶”的概念。第8页/共155页

§1-2六种航海性能船舶原理定义——研究船舶平衡和运动规律的一门科学。其理论基础是理论力学和流体力学。船舶原理是流体力学的一个分支，因此也称为船舶流体力学。船舶静力学船舶动力学浮性快速性(船阻力、桨推力）稳性摇荡性（又名：适航性、摇摆性）抗沉性操纵性（航向稳定性、回转性

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§1-3船舶分类第10页/共155页多数船舶是按用途分类称呼的。客船、客货船、渡船普通货船（杂货船）集装箱船、滚装船、载驳船散货船、煤船、矿石船兼用船（矿石／油船、矿石／散货船／油船）特种货船（包括运木船、冷藏船、汽车运输船）油船、液化气体船、液体化学品船尾机型船——主要适用于油船。中机型船——主要适用于客船。中尾机型船——主要适用于高速定期杂货船、高速集装箱船。

运输船（商船）按机舱位置分类第11页/共155页第二章船舶尺度及布置

§2-1船舶外形的一般特征船体外形，特别是它的水下部分，对其航海性能有很大影响。船体形状指船体的外形、大小、肥瘦和表面的光顺程度。船体的几何形状是一个瘦长呈多向变化的复杂几何曲面。船舶整体左右对称于船体中心线，船中前部分和中后部分不对称于船长中点。船体主甲板将船舶分成上层建筑和主船体两个部分。第12页/共155页船舶主要部件名称第13页/共155页§2-1船舶外形的一般特征主船体又被载重水线分成水上部分和水下部分。水下部分的尺度和形状直接影响到船舶各项航海性能的优劣。水上部分的尺度和形状不仅影响各个舱室所需的容积，还与抗沉性和大倾角稳性有关。整个主船体的尺度和形状与船体的总纵强度有关。从使用的目的出发，在主船体内部用内底、甲板、平台、水密横舱壁和水密纵舱壁将其分割成若干个空间，并根据使用要求，布置成各种不同用途的舱室，如首尖舱、货舱、隔离舱、深舱、机舱、尾尖舱等。第14页/共155页甲板线分为直线和有舷弧两种。海船的甲板线一般是一根自船中首尾两端升高的曲线。舷弧是沿船长各处的甲板边线高度与船中甲板边线高度的差值。在首垂线处的差值为首舷弧，在尾垂线处的差值为尾舷弧舷弧——甲板边线自船中向首尾逐渐升高，也称舷弧线（或甲板边线）的纵向曲度。其作用是减少甲板上浪，保持船首甲板干燥以便于水手操作和保证安全。梁拱——指甲板中线与甲板边线的高度差值。其作用是可迅速排泄甲板积水，还可以增强甲板的刚性。第15页/共155页30，000

吨多用途船第16页/共155页第二章船舶尺度及布置§2-2船舶型线图船体外形的表示方法：主尺度、主尺度比、船体系数、型线图、数学船型。型线图——用不包括船壳板和甲板板厚度在内的船体表面来表示船体几何形状的图（钢船）。型表面——不包括外板（或船壳板）、甲板板厚度和附体在内的船体表面。即肋骨以外船壳板以内、横梁以上甲板板以下的船体表面。型尺度——从型表面上量得的尺度。第17页/共155页§2-2船舶型线图仅有主尺度、主尺度比和船型系数仍不能准确而完整地表达船体的几何形状，由于船体表面形状复杂，目前均采用作图法（型线图）来表达。作图法：以中纵剖面，中横剖面和设计水线面作为基准，分别作出与上述三个剖面平行的一系列彼此等距离的纵向平面、横向平面和水线面，这些平面与船体型表面相交的曲线相应称为纵剖线、横剖线和水线。这三组曲线分别投影到中纵剖面、中横剖面和设计水线面上，就相应得到纵剖线图、横剖线图和半宽水线图。第18页/共155页§2-2船舶型线图船舶型线图是在三个相互垂直的投影面上，以船体型表面的截交线、投影线和轮廓线表示船体（主船体）外形的图样。船体型线图上还绘有上甲板边线（上甲板和船体型表面的交线）。纵剖线、横剖线和水线虽然是分别画在三个投影面上，但它们的位置却都是相互对应的，即在任何投影面上的任何一点，都应能在另两个投影面上找到它的相对应点。完整的型线图还包括主尺度及主要参数和型值表。第19页/共155页3、三种主要型线：纵剖线、横剖线、水线第20页/共155页山的表示方法

第21页/共155页山的形状

第22页/共155页§2-2船舶型线图观看:一座山的描述方法。船舶的坐标系统第23页/共155页§2-3船舶型线图1、三个基准面中线面XOZ平面——它将船体分为左右舷两个对称部分的纵向垂直平面，是量度船体横向尺度的基准面。基平面XOY平面——过龙骨线与中站面的交点O，并平行于设计水线面的平面,

是量度船体垂直方向尺度的基准面。中站面YOZ平面——在船长中点处垂直于中线面和基平面的横向平面，是量度船舶首尾方向尺度的基准面。第24页/共155页§2-3船舶型线图

基准面和基线第25页/共155页§2-2船舶型线图2、三个主要剖面：中纵剖面，中横剖面，设计水线面中纵剖面——是中线面与船体相截所得的船体剖面。其形状反映出甲板、船底、首尾端的侧视轮廓，对船舶操纵性、航速性、耐波性等有着一定的影响。中横剖面——是中站面与船体相截所得的船体剖面。其形状反映出中横剖面系数、舭部升高和舭部半径的大小，船舶阻力、横摇、舱容的大小、排泄舱底水等有重要的影响。设计水线面——是设计夏季载重吃水处的水平面与船体相截所得的船体剖面。其形状及平行中体的长度船舶阻力、稳性、船舶布置有着重要的影响。第26页/共155页§2-2船舶型线图2、三个主要剖面：中纵剖面，中横剖面，设计水线面第27页/共155页3、三种主要型线：纵剖线、横剖线、水线纵剖线——在船宽方向上，将船体的半宽分成4～6等分，过每一个等分点作平行于中线面的平面，该平面与船体型表面的交线称为纵剖线。横剖线——在船长方向上，将垂线间长分成10或20等分（简称站），过每一个站作平行于中站面的平面，该平面与船体型表面相截所得的交线称横剖线。水线——在船深方向上，将船体的设计吃水分成7～11等分，过每一个等分点作平行于基平面的平面，该平面与船体型表面的交线称为水线。第28页/共155页3、三种主要型线：纵剖线、横剖线、水线第29页/共155页4、型线图的组成(三个视图和一张表)：（1）横剖线图：图中的横剖线是曲线，表示的是各分站处船体横剖面的真实形状；而纵剖线和水线则是直线。（2）纵剖线图：图中的纵剖线是曲线，表示的是各纵剖面处船体真实形状；而横剖线和水线则是直线。（3）半宽水线图：图中的水线是曲线，表示的是各水线剖面的船体真实形状。而横剖线和纵剖线则是直线。（4）型值表：船体型表面的准确尺寸，都是从型线图上量取的，由型表面上量取的尺寸称为型值。由型值编成的表称“型值表”

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第30页/共155页龙骨线——中线面与船体型表面底部的交线。一般运输船舶和军舰的龙骨线为水平的直线，其优点是便于建造，进坞时易于安放在墩木上。但功率大而吃水浅的小船（如拖轮、渔船等）为能安装大直径螺旋桨增加船舶的推力，采用向尾倾斜的龙骨线。有的帆船和快艇采用曲线或折线型龙骨线（又称阶梯形），使船在高速航行时产生水动力将船升举而在水面滑行。首垂线——通过首柱的前缘和时间水线的交点所作的垂线。尾垂线——沿着首柱的后缘或舵杆中心线所作的垂线。平行中体——在船中前后这段横剖面形状和中横剖面相同的船体。中横剖面之前的船体称为前体，之后称为后体。

第31页/共155页龙骨线——中线面与船体型表面底部的交线。

第32页/共155页船首形状——指在中纵剖面上船首轮廓线的形状。

⑴直立型——甲板易上浪，外形不美观，现今很少见到。⑵前倾型——适航性好，外形美观，制造简单，较多采用。⑶飞剪型——船首外飘，首部甲板面积大，适航性好，外形美观，但制造费工，现代客船、旅游船和游览船多采用。⑷球鼻型——作用是可以减少兴波阻力，对于肥大型船舶还可以减少形状阻力，提高航速。但它不利于船舶靠离码头和收放锚的操作，制造工艺比较复杂，现代大型商船，特别是肥大型船多采用。⑸破冰型——可利用向前倾斜的首柱冲上冰层压碎航行。第33页/共155页船首形状——指在中纵剖面上船首轮廓线的形状。

第34页/共155页船尾形状——指在中纵剖面上船尾轮廓线的形状。

⑴椭圆型——尾轮廓线在水上有一折角线形状，故甲板的面积较宽广，制造工艺简单，但外形不美观，船尾对桨和舵的保护作用差，尾悬体不能压住桨旋转时上升更的水流，不能提高推进效率，老式船上采用。⑵巡洋舰型——尾轮廓线呈一勺形曲线的形状，设计水线向尾垂线后延伸得较长，增加了船体的浸水长度，可降低船舶阻力，能压住桨的尾流不使上升，提高推进效率，建造也不困难。现代船舶大多采用。⑶方型——尾端呈一平面并略向后倾斜，尾轮廓线在水线下有一个大的折角，能改善快速性，制造工艺简单，但倒车时阻力大且航向稳定性差，多用于舰艇和渔船。第35页/共155页船尾形状——指在中纵剖面上船尾轮廓线的形状。

第36页/共155页船底形状：⑴平底型——龙骨线沿水平方向左右延伸，整个船底是水平的。

⑵尖底型——龙骨线沿一定坡度向两舷延伸，船底是倾斜的。舭部升高和舭部半径增大：⑴优点：使船形瘦削，船舶阻力小，航速高，航向稳定性好，有利于迅速排除舱底积水；⑵缺点：但减少了舱容，影响载重量，适用于高速船。第37页/共155页第二章船体形状§2-3主尺度船舶主尺度——指型长、型宽、型深、型吃水和干舷等,它们是船舶大小的直线量度。海船的主尺度——根据《钢质海船入级与建造规范》的定义从型表面上量度的尺度。船舶主尺度的用途：计算船舶各项性能的参数，衡量船舶大小，收取各种费用，检查船舶能否通过船闸、运河等限制航道的依据。船舶主尺度可分为三类：型尺度、最大尺度和登记尺度。第38页/共155页第二章船体形状⑴型尺度——是在主船体的型表面上量取的尺度。型表面是船体钢板的内表面，即去掉钢板厚度量取的尺度。主要用于船舶设计及性能计算。⑵最大尺度——是包括船体构件及固定在船上的附属突出物在内所丈量得到的尺度。用于检验船舶在建造和营运时考虑受到外界条件限制的依据。⑶登记尺度——是根据《船舶丈量规范》的规定进行丈量所得到的尺度。是船舶登记、吨位计算及交纳费用的依据。第39页/共155页第二章船体形状船舶主尺度：常用垂线间长×型宽×型深×型吃水或L×B×D×d

这四个尺度来来表示。1、船长（L）（1）型长:主要有总长LOA、垂线间长Lpp、设计水线长LwL。通常所称的船长是指垂线间长。（2）最大长度——一般认为船体总长也是船体的最大长度。（3）登记长度——是船舶上甲板上的首柱前缘到尾柱后缘（或舵杆中心线）的水平距离。第40页/共155页§2-3主尺度2、船宽（1）型宽（B）——一般指设计水线面的最大宽度。或指在船体最宽处，由一舷肋骨外缘量至另一舷肋骨外缘的水平距离。（2）最大宽度——是包括舷侧板厚度和护舷木在内的最大宽度。（3）登记宽度——为船体最大宽度处的水平距离（不包括固定突出物）。3、船深第41页/共155页§2-3主尺度（1）型深（D）:指在船长中点处，沿船舷由龙骨上缘量至上层连续甲板横梁上缘的垂直距离。（2）最大高度——是自空载水线沿垂线量到船舶最高点的距离。（3）登记深度——为登记长度的中点处，从上甲板上缘量至龙骨板上缘的垂直距离。4、型吃水（d）——是船舶浸沉深度的一个度量。指在船长中点处，沿船舷由平板龙骨上缘量至夏季载重水线的垂直距离。吃水一词，是指船舶在水面以下的深度。第42页/共155页§2-2主尺度根据量度位置的不同，吃水主要分为：型吃水、实际吃水、设计吃水（或满载吃水）、压载吃水、空船吃水、首吃水、尾吃水和平均吃水等。在船舶设计中，各种性能的计算均用型吃水。对于具有设计尾倾的船舶，其型吃水是首尾吃水的平均值。吃水差t——指首尾吃水的差值。当首吃水＞尾吃水或t＞0时：船舶处于首倾状态。当首吃水＜尾吃水或t＜0时：船舶处于尾倾状态。当首吃水=尾吃水时：船舶平吃水处于正浮状态。第43页/共155页§2-2主尺度

平均吃水dcp;首吃水df;尾吃水da；吃水差t。平均吃水dcp=df+da∕2

吃水差

t=df-da5、干舷（F）——是船体型深中未浸入水中的那部分高度，即船体中部从设计水线到上甲板上表面的垂直距离。F=D–d+t；t(甲板边板厚)6、基线——是一条与设计水线相平行的水平直线。

在船舶设计及建造过程中，基线是很重要的基准线。第44页/共155页§2-2主尺度

基准面——在船底与龙骨上缘相切的水平面。

基线横向基线——基准面与中横剖面的交线。

纵向基线——基准面与中纵剖面的交线。通过上述船舶的主尺度，可以表达出船体的绝对大小。第45页/共155页§2-3主尺度Ddm水线船甲板dfdA设计水线长LwL垂线间长LPP总长LOA首垂线尾垂线第46页/共155页第二章船体形状船舷横梁线船底线舭部水线吃水d型深D梁拱Bmax型宽B护舷材干舷FK板甲板边板基线第47页/共155页§2-4主尺度比长宽比L/B：其大小与快速性的好坏有关。该比值越大则船体形状越瘦长，阻力就越小，其快速性和航向稳性越好；但操纵不灵活。宽吃水比B/d：与稳性、摇荡性、快速性和操纵性有关。该比值大，船体宽度大，稳性好；但横摇周期小，耐波性变差，航行阻力增大.深吃水比D/d：与抗沉性、稳性和船体强度有关。该比值大，干舷高，甲板上浪的可能性小，储备浮力大，抗沉性好；且船舱容积增大，重心升高。第48页/共155页§2-4主尺度比宽深比B/D：与船体强度（主要是横向强度）和稳性有关。该比值大，则船舶的中横剖面愈扁，对船体纵横向强度愈不利。船舶建造规范中规定：一般干货船的B/D

≤2.5。长深比L/D：与船体纵向强度和稳性有关。该比值越大，船舶的形状越扁而长，它的抗挠强度将较弱，对船体纵向强度不利。规范规定：一般干货船的L/D≤17。长吃水比L/d：与操纵回转性能有关。该比值大，船舶的操纵回转性能变差。

注：L/B、B/d和D/d是三个独立的主尺度比。

第49页/共155页面积系数水线面系数中横剖面系数§2-5船型系数(定义、公式、物理意义、取值范围）

式中：AW——水线面面积；AM——中横剖面浸水面积；V——排水体积。第50页/共155页

体积系数方形系数纵向棱形系数垂向棱形系数§3-5船型系数第51页/共155页§2-5船型系数证明第52页/共155页§2-5船型系数证明第53页/共155页§2-5船型系数定义及物理意义：船型系数——是表示水线下船体肥瘦程度的无因次系数的总称。它能表征水线下船体的体积和面积沿着各个方面分布的情况。1.水线面系数——表征船体水平剖面（水线面形状）的肥瘦程度。其大小对快速性、稳性和甲板面积等都有影响。2.中横剖面系数——表征船舶中横剖面的肥瘦程度。其大小对快速性和耐波性等有影响。3.方形系数——表征水下船体的肥瘦程度。是表示船体形状的重要系数。其大小对排水量、舱室容积、快速性、耐波性等均有影响。第54页/共155页§2-5船型系数4、纵向棱形系数——表征排水体积沿船长（水下船体沿纵向）的分布情况。其大小对快速性和耐波性等有影响。其数值大即中横剖面的浸水面积小，则表示其排水体积沿船长方向分布均匀。5、垂向棱形系数——表征排水体积沿船舶垂向的分布情况。其数值大即水线面面积小，则表示其排水体积沿吃水方向分布均匀。对于同一船舶的船体系数：中横剖面系数数值最大，棱形系数数值较小，方形系数数值最小。水线面系数、中横剖面系数、方形系数为独立无因次系数，而棱形系数和垂向棱形系数可以从前三者导出。第55页/共155页§2-6船舶总布置图一、船舶总布置

分为主体部分的舱室布置

上层建筑的甲板布置主体部分——用于布置货舱、机舱、压载舱、燃油舱及淡水舱。上层建筑——用于布置船员和旅客的工作和生活舱室。生活舱室又包括居住舱室和公共舱室。第56页/共155页§2-6船舶总布置图二、船舶主体部分的划分1、水密舱室的设置2、内底、甲板和平台的设置3、双层底的设置4、机舱的设置5、货舱的布置6、燃油舱、淡水舱与压载舱的布置三、船舶上层建筑的布置包括工作舱室、居住舱室和公共舱室的布置。第57页/共155页§2-6船舶总布置图四、船舶总布置图是一张反映全船总体布置情况的图纸。表示了船舶上层建筑的形式、全船舱室的划分，以及机械和设备的布置、数量和大小。比较集中地体现了船舶的用途、任务及经济性，是最重要的全船总体性图纸之一。是根据投影原理绘制而成的，主要采用侧视图及视图组成船舶总布置图。该图包括侧面图、平台或甲板平面图及舱底平面图。第58页/共155页第二章船体计算的近似积分法§2-1船体计算的坐标系船中坐标系（一般）船尾坐标系（个别）第59页/共155页第二章船体计算的近似积分法§2-2船体计算的近似积分法一、近似计算的任务航海性能要大量计算船舶的重量、重心、面积、体积、面心、体心、面矩、体矩以及惯性矩等。涉及到：积分和累加等运算。船体外形是一个具有双重曲率的复杂表面，难于用数学表达式表示，一般要用近似积分法。所有船体近似计算，均可归结为求某种连续曲线下所围的面积。这就是船体近似计算的任务。船舶常用的近似积分法：梯形法、辛氏法、乞氏法。第60页/共155页§2-2船体计算的近似积分法二、梯形法则原理:将曲线DB分为三等分,求折线DEFB下所围的面积,即为曲线DB下所围的面积的近似值。(用折线代替曲线）公式：适用范围：间距等分第61页/共155页§2-2船体计算的近似积分法第62页/共155页§2-2船体计算的近似积分法例题：已知：某半宽水线分为20个等分，横向坐标间距L＝7.35，自首向尾的横向坐标值，分别为：0，1.55，3.60，5.82，7.79，9.19，9.98，10.20，10.20，10.20，10.20，10.20，10.20，10.20，10.08，9.79，9.10，7.79，5.69，3.20，0.42，求水线面积是多少？第63页/共155页§2-2船体计算的近似积分法三、辛氏法则（抛物线法）1、辛氏第一法则原理:二次抛物线代替曲线。公式y1y2y3xy辛氏第一法则LL第64页/共155页§2-2船体计算的近似积分法通式：A=1/3×L/n(y1+4y2+2y3+4y4+······+4yn+yn+1)辛氏乘数：１，４，2，4，······，2，4，1适用范围：n等分为偶数。第65页/共155页§2-2船体计算的近似积分法2、辛氏第二法则原理:用三次抛物线代替曲线。公式辛氏乘数：1、3、3、1xy1y2y3y4LLL0辛氏第二法则y第66页/共155页§2-2船体计算的近似积分法通式：A=3/8×L/n(y1+3y2+3y3+2y4+······+3yn+yn+1)辛氏乘数：１，3，3，2，3，······，2，3，3，1适用范围：n等分为3的倍数。若计算曲线是二次或三次抛物线时，则用辛氏第一法则或辛氏第二法则求出的面积，即为精确值。辛氏法则在运算时，虽然需要乘以辛氏乘数，但可采用较少数目的横向坐标来达到较高的精确度。第67页/共155页§2-2船体计算的近似积分法

例题：

已知某船吃水为4.2米的水线分为10个等分，其横向坐标间距L＝3.5，自首向尾的横向坐标值分别为0，3.3，5.3，5.9，5.9，5.9，5.9，5.85，5.22，3.66，1.03。分别用梯形法和辛氏法求其水线面积？第68页/共155页梯形法解答：03.35.35.95.95.95.95.855.223.661.03解：L＝3.5，n＝10即：半A＝3.5（0＋3.3＋5.3＋5.9×4＋5.85＋5.22＋3.66＋1.03）－（0＋1.03）/2==166.0575

A==166.0575×2=332.12第69页/共155页辛氏法解答：03.35.35.95.95.95.95.855.223.661.0341＋141＋141＋141＋141半A＝3.5/3×(0＋4×3.3＋2×5.3＋12×5.9＋5.85×4＋5.22×2＋3.66×4＋1.03）＝168.1283A=168.1283×2=336.26第70页/共155页第三章船舶浮性§3-1浮体的平衡条件及浮态§3-2船舶重量§3-3船舶重心§3-4船舶排水量§3-5船舶浮心§3-6平行沉浮条件、§3-7漂心纵向坐标§3-8每厘米吃水吨数§3-9舷外水密度改变对吃水的影响§3-10浮性衡准第71页/共155页第三章船舶浮性浮性——船舶在各种载重条件下，保持一定浮态的性能。浮态——船舶在静水中的平衡状态，亦即船舶漂浮于水面时所取的姿态。主要指船舶的吃水、纵倾角和横倾角。本教材将浮性分为：正浮条件下的浮性——简称为浮性；

纵倾条件下的浮性——简称为吃水差。第72页/共155页第三章船舶浮性要描述船舶的浮态，先要确定船体坐标系统：船中坐标系统（一般）船尾坐标系统（个别）第73页/共155页第三章船舶浮性

定义——船舶在给定载重条件下，能保持一定浮态

的能力。

§3-1船舶在静水中的平衡条件及浮态一、平衡条件：

①重力和浮力大小相等；②重力和浮力方向相反；③重力和浮力作用于同一铅垂线上。第74页/共155页§3-1船舶在静水中的平衡条件及浮态二、重力和浮力船舶是一种浮体，决定浮体的沉浮有两个作用力：重力Wg和浮力Dg

。重力的大小等于船舶所有质量W的总和乘以重力加速度g，重力的方向垂直向下。浮力是作用于浮体周围静水压强的合力，浮力的方向垂直向上。根据阿基米德原理：浮力的大小等于船体所排开同体积水的质量D乘以重力加速度g，可得表达式：D=ρV式中：D－－排水量（t）；V－－排水体积（m3）；ρ－－水的密度（t

∕m3

）第75页/共155页二、重力和浮力第76页/共155页§3-1船舶的平衡条件及浮态三、重心和浮心重心G（xg,yg,zg)，浮心B（xb,yb,zb)

重量，重力，浮力，排水量之间的关系。四个要素：重力，重心，浮力，浮心。第77页/共155页§3-1船舶的平衡条件及浮态四、浮态—漂浮的船舶相对于水面的状态1、正浮--无纵、横倾的漂浮状态。只须用d表示其浮态。dfdAdcp正浮的平衡条件:

W=DXg=XbYg=Yb=0第78页/共155页§3-1船舶的平衡条件及浮态2、横倾——横向倾斜的漂浮状态(原因:Yg≠Yb

≠0

)只用横倾角θ表示其浮态。dfdAdcp横倾的平衡条件:

W=DXg=XbYb-Yg=(Zg-Zb)tgθ(横倾角θ)●G●BDWθ第79页/共155页§3-1船舶的平衡条件及浮态3、纵倾—纵向倾斜的漂浮状态(原因:Xg≠Xb)

须用吃水差t或纵倾角φ表示其浮态。dfdAdcp纵倾的平衡条件:

W=DYg=Yb=0Xb-Xg=(Zg-Zb)tgφ(纵倾角φ)●G●BDWφ第80页/共155页4、任意状态——纵倾和横倾并存的漂浮状态。需用横倾角θ、吃水差t或纵倾角φ表示其浮态。纵横倾平衡条件:

W=D

Yb-Yg=(Zg-Zb)tgθ

(横倾角θ)Xb-Xg=(Zg-Zb)tgφ

(纵倾角φ)

纵倾值t=df-dA纵倾角φ=arctg(df-dA)/L综上所述，浮性问题可归结为：⑴求出W、D的大小和作用点；⑵根据平衡条件，确定船舶的浮态。第81页/共155页第三章船舶浮性§3-2船舶总重量与排水量一、船舶重量分类

W=W0+∑P空船重量：船体结构、动力装置舾装设备、仪器设备等。为固定重量。载重量：货物、燃油、淡水、旅客、压载水等。为变动重量。总重量排水量通常用来表示船舶大小的时候，所指的都是载重量而不是排水量。第82页/共155页§3-2船舶总重量与排水量表示船舶重量方面的量度有：排水量和载重量。表示船舶容积方面的量度有：吨位及舱室容积。吨位包括总吨位和净吨位。货舱容积包括包装容积和散装容积。排水量包括空船排水量和满载排水量。载重量包括总载重量和净载重量。一条船舶的排水量和载重量，只能表示船舶的总重量和运载能力的大小，不能完全反映船舶容积的大小。船舶的装载能力除受载重性能限制外，还受到容积性能的限制。第83页/共155页§3-2船舶总重量与排水量船舶容积性能——指船舶所具有的容纳各类载荷体积的性能。表征船舶容积性能的指标——舱货容积和船舶登记吨位。舱货容积是舱货内部空间大小的度量。有型容积、包装容积、散装容积、液货舱容积和液舱容积等5种。船舶登记吨位分为总吨位和净吨位两种。总吨位——指根据国际公约和各国规范丈量确定的船舶总容积。总吨位的一般用途为：①表示船舶的大小等级；②国家统计船舶数量的单位；③作为计算造船、买卖船舶及租船费用的依据；④作为船舶登记、检验和丈量的收费标准；⑤计算海损事故赔偿的基准以及计算吨位的依据。第84页/共155页§3-2船舶总重量与排水量净吨位——指根据国际公约和各国规范丈量确定的船舶实际用作载货、载客的有效容积。净吨位的一般用途为：①计算船舶向港口交纳各种船舶和失事税收等的依据；②作为计算航经苏伊士运河和巴拿马运河时的船舶通行税的依据。船舶吨位证书中的总吨位和净吨位的数值应采用整数，不计小数点以下的数值。总吨位、净吨位只填写数字，数字后面没有单位“吨”。第85页/共155页§3-2船舶总重量与排水量二、满载重量满载重量定义——为空船重量与总载重量之和。海船的满载重量根据《海船载重线规范》勘定。与满载重量对应的排水量称为满载排水量。客船和军舰以其满载排水量为其重量标志。货船以其总载重量为其重量标志。拖船以其主机功率作为其技术标志。、第86页/共155页§3-2船舶总重量与排水量三、载重线标志船舶在不同季节期所使用的最小干舷，是用载重线标志的形式勘绘在船中的两舷，并对船舶颁发载重线证书，以示证明有效。勘划船舶载重线标志的意义是——在保证船舶安全航行的前提下，最大限度地利用了船舶的载重能力。1、国际航行船舶的载重线标志组成——由甲板线、载重线圈和各载重线三部分组成。第87页/共155页§3-2船舶总重量与排水量第88页/共155页§3-2船舶总重量与排水量⑴甲板线——是勘绘在船中两舷侧的一条长300mm、宽25mm，

其上边缘与干舷甲板边缘上表面处于同一位置的基准线。⑵载重线圈——是一个外径为长300mm、线宽25mm的圆环和一条与圆环相交的水平线段。水平线段长450mm、

宽25mm，其上边缘通过圆环的中心。圆环中心位于船中处，从甲板线上边缘垂直向下量至圆中心的距离等于所核定的夏季最小干舷。在圆环的两侧标注Z.C两个字母（中国船级社的汗字拼音），代表核定勘绘干舷的验船机构。第89页/共155页§3-2船舶总重量与排水量⑶载重线——分别以为长230mm、线宽25mm的水平线段表示。各载重线与一根位于圆环中心向首540mm、

宽25mm的垂直相垂直。各载重线的上边缘为船舶航行在不同区域、区带和季节区域、季节区带中所允许的最高载重水线位置，即代表各区域、区带和季节期船舶所允许的最小干舷。

第90页/共155页§3-2船舶总重量与排水量各载重线上的字母符号代表的意义如下：“X”——夏季载重线（国际上采用S）；“R”——热带载重线（国际上采用T）；“D”——冬季载重线（国际上采用W）；我国内航行船无。“BDD”——北大西洋冬季载重线（国际上采用WNA）；较

冬季载重线低50mm，对于船长＞100m的船舶，不需勘绘该线。“Q”——夏季淡水载重线（国际上采用F）；“RQ”——热带淡水载重线（国际上采用TF）；

第91页/共155页§3-2船舶总重量与排水量对于运木材船，木材载重线勘绘在载重线标志向船尾一侧，各载重线一端在规定字母标志前加标M（国际上采用L）；而客船需要在载重线的下方绘有分舱载重线（又称满载水线）。2、国内航行船舶的载重线标志由于沿着海岸附近的风浪较小，因此国内航行船舶的最小干舷比国际航行船舶的最小干舷要小一些；另外，我国内航行船舶无冬季载重线。

第92页/共155页

§3-3船舶重心——重力的作用中心。（或船舶所有重量的合力作用点）

一、船舶重心坐标的一般表达式：

Xg=∑Pi·Xi/∑PiYg=∑Pi·Yi/∑PiZg=∑Pi·Zi/∑Pi式中：Pi——船上某一重物的重力；Xi、Yi、Zi——Pi的重心坐标；Xg——船舶重心的纵向坐标，重心在船中前取正号，船中后取负号；Yg——船舶重心的横向坐标；Zg——船舶重心的垂向坐标；

合力矩定理——各分力（分重力）对给定平面力矩的代数和等于其合力（合重力）对该平面力矩。第93页/共155页

§3-3船舶重心船舶重心位置的变化——取决与载重货物的分布。船舶重心的高度——直接影响到船舶的稳性和摇荡性。船舶重心的前后和左右位置——影响到船舶的漂浮状态。第94页/共155页§3-3船舶重心

三、装卸后重心重心坐标表达式Wi=W+∑PiXgi=（W·Xg+∑Pi·Xi）／WiZgi=（W·Zg+∑Pi·Zi）／Wi式中：W——装卸前船舶的重量，其对应的重心坐标为Xg和Zg；Pi——所装卸的第i项重物的重量，装取正号，卸取负号；Xi——Pi重心纵向坐标，船中前取正号，船中后取负号；Zi——Pi重心垂向坐标，均取正号；Wi——装卸后船舶的重量，其对应的重心坐标为Xgi和Zgi；第95页/共155页§3-3船舶重心

四、平行力移动原理1、船内重量P移动

设船舶重量为W，当船内重量P位于q时，船舶重心P位于G。今将P的重心自q点垂直上移至q′点，垂移距离为Lz，则船舶重心将随之自G垂移至G′。根据平行力移动原理，有：式中：P·Lz——分力移动的矩W·GG——合力移动的矩同理，写成通式为：GG′=P·L／W第96页/共155页

2、均质体内局部体积v移动

对于均质体，存在着W=ρV，P=ρv，则有：GG1=v·l／V式中：l——均质体内局部体积v中心的移距；GG1——整个均质体体积V中心的移距。3、均质薄板局部面积α移动

对于均质薄板，存在着W=ρAt，P=ραt

则有：GG1=α·l／A式中：l——局部面积中心的移距；GG1——A的中心移距。第97页/共155页§3-4船舶排水量一、排水体积V

水线面面积：

Aw=2∫ydx

(积分下限-L/2，上限L/2）

排水体积：

V=∫AwdZ

(积分下限0，上限d）

排水体积曲线：V=f(d)

第98页/共155页§3-4船舶排水量二、排水量曲线（亦称静水力曲线）

排水量：D=ρV(ρ淡=1.0t/m3

，ρ=1.025t/m3）

排水量曲线:D=KρV=Kρf(d)

式中：K为船壳系数

作用——利用排水量曲线，已知D可查出d，或已知d可查出D，而根据平衡条件，应有W=D。静水力曲线包括：浮心高度曲线、中横剖面面积曲线、中横剖面系数曲线、水线面系数曲线、棱型系数曲线、水线面面积曲线、每厘米吃水吨数曲线、方形系数曲线、横稳心高度曲线、排水量(海水、淡水)曲线船体湿表面面积曲线、浮心距船中纵坐标曲线、漂心距船中纵坐标曲线等。静水力曲线图——把上述的曲线都画在同一张图中。第99页/共155页§3-4船舶排水量三、载重量标尺利用排水量曲线，虽可根据已知

d可求D，或已知D可求d，但均需经过比例换算。而在载重量标尺同一水平线上，可迅速找到吃水d和排水量D的对应数值。四、水尺水尺是表示船舶吃水的标记，是用数字和线段刻画在船首、尾和船中两舷的船壳板上，分别标明相当于首垂线、尾垂线和船中横剖面处的实际吃水。第100页/共155页§3-4船舶排水量水尺标记有公制和英制两种。我国使用公制。公制以m或cm为单位，用阿拉伯数字标绘，字体高度为10

cm，字与字的间距也为10

cm，每个数字的下缘表示该所指的吃水值，读取吃水时，看水面与水尺数字下缘相切的位置。例如，水面刚好与“8.6”数字的下边缘相切，则表示吃水为8.6m；当水面淹没“8.6”字体的一半，则表示吃水为8.65m；当水面刚好淹没“8.6”的上边缘，则表示吃水为8.7m。

第101页/共155页水尺第102页/共155页§3-4船舶排水量静水力曲线图第103页/共155页§3-5船舶浮心船舶浮心B定义有两层含义：（1）既指浮力的作用中心；（2）也是排水体积的几何中心。（亦即水下船体的形心）船舶浮心——不受货物分布不同的影响，只受吃水和水下体积形状变化的影响。船舶浮心坐标为：B(Xb,Yb,Zb)由于船舶左右对称，浮心的横向坐标Yb=0，浮心的纵向坐标Xb和垂向坐标Zb由船舶设计院提供的静水力曲线图的相应曲线可得。第104页/共155页§3-5船舶浮心船舶浮心B定义有两层含义：（1）既指浮力的作用中心；（2）也是排水体积的几何中心。（亦即水下船体的形心）船舶浮心坐标B(Xb,Yb,Zb)

因为船中前后一般不对称，所以Xb≠0，浮心在船中附近。因为横剖面对称，所以Yb=0，只需计算Xb,Zb.浮心曲线Xb=f(d)——

浮心纵向坐标曲线Zb=f(d)——

浮心高度曲线第105页/共155页§3-6平行沉浮条件一、初始平衡状态

船舶重量W通过重心G，排水量D通过浮心B满足平衡条件：

W=D，xg=xb，yg=yb=0

第106页/共155页二、平行沉浮后的平衡状态根据合力矩定理：合力对某轴（或某一平面）之矩等于各分力对同轴（或某一平面）之矩的代数和。应满足平衡条件可写作：W1=W+P=D1=D+△D

式中：P——装卸重物的重量；xP、YP—P的重心（q）的坐标；△D—平行沉浮后排水量改变量；xk、Yk—△D的浮心（k）的坐标。整理后得平行沉浮的平衡条件：P=△D；xP

=xk=0；yp=yk=0第107页/共155页三、平行沉浮后的条件船舶要平行沉浮，必须满足以下条件：（1）必须装卸小量重物；（2）装卸重物P的重心g必须位于初始水线面面积中心（或漂心F）的垂线上，即Xp=Xf

Yp=Yf=0§3-6平行沉浮条件第108页/共155页§3-7漂心纵向坐漂心F——船舶水线面积的几何中心。一、漂心坐标F(xf，yf)在正浮的条件下，由于水线面形状是左右对称的，故yf＝0。但因为水线面形状在船中前后的分布是不对称的，所以xf≠0。通常漂心在船中附近。二、漂心纵向坐标曲线:xf=f(d)—分正负因不同吃水时，水线面的形状不同，故其漂心纵向坐标也不同。一般而言，船在浅吃水时漂心位于船中前，在深吃水时漂心位于船中后，即随着吃水的增加，漂心位置的变化总趋势为后移。第109页/共155页§3-8每厘米吃水吨数船舶在营运过程中需要装卸货物。当装卸大量货物时，可根据排水量曲线或载重量表尺查得装卸后吃水的变化。当装卸少量货物时（货重＜10﹪D），则利用“每厘米吃水吨数”

更为简便。一、每厘米吃水吨数定义：船舶每增（减）变化1cm吃水所增（减）的浮力。注：装货时P取正值，卸货时P取负值。第110页/共155页第三章浮性第111页/共155页第三章浮性TPC——每厘米吃水吨数。指每增（减）1cm吃水所增（减）的浮力。或指船在任一吃水时，水线的下沉或上浮

1cm所引起排水量变化的吨数。二、TPC曲线——TPC=f（Aw）=f（z）为了少量装卸估算平行沉浮吃水改变量时简便，应记住本船空载、半载和满载时的TPC

，以便随时应用。第112页/共155页“1”表示初始状态各值。

“2”表示改变后状态各值。§3-9

舷外水密度改变对吃水的影响二、舷外水密度ρ变化时的平均吃水改变量△dP三、平均吃水改变量的估算式由d2·ρ2＝d1·ρ1—→“由”“入”船舶由海入淡时，排水量不变，浮力不变，排水体积增加，吃水增加；船舶由淡入海时，因排水量不变，故浮力始终不变，但由于舷外水密度增大了，所以排水体积减少了，吃水也就减少了。第113页/共155页§3-9

舷外水密度改变对吃水的影响上述平均吃水改变量的估算式是在假设整个吃水均为直壁是时才有精确值。

由式D=ρ·V可知，当船舶的重量W或排水量D不变时，由于舷外水密度ρ的不同，则船的排水体积V不同，即船舶的吃水d就不同。但因舷外水密度不同而产生的吃水改变量△d是很小的，而且可近似的认为是平行沉浮，故可利用每厘米吃水吨数TPC计算舷外水密度改变对吃水的影响。第114页/共155页§3-9

舷外水密度改变对吃水的影响船舶平均吃水的变化可近似地认为发生在船舶由淡水驶入海水或由海水驶入淡水，此时船舶重量不变，但由于舷外水密度的变化，使排水体积发生变化。它们的关系如下：

W=ρ淡·g·▽淡=ρ海·g·▽海

ρ海／ρ淡=▽淡／▽海由此可知：船舶排水体积和舷外水密度成反比。由于船舶由淡水驶入海水或由海水驶入淡水，所引起的吃水变化不大，故可认为变化前后水线面面积近似不变，则两个排水体积的比值等于吃水的比值，即：

ρ海／ρ淡≈d淡／d海第115页/共155页干舷

§3-10浮性衡准一、干舷

另外一种抗沉设施叫做干舷F（图h）。它可以保证在船吃水增加时，不至于使水漫过水密甲板。F=D－d第116页/共155页二、储备浮力储备浮力定义——满载水线（设计水线）以上的船体水密容积所具有的浮力。当船舶由于某种原因下沉，使吃水增加，该水密容积能继续提供浮力，使船舶仍能漂浮于某一水线面而不致继续下沉或没顶。因此储备浮力是确保船舶安全的一个重要指标。储备浮力通常以满载排水量的百分比来表示，海船的储备浮力≈（25～40﹪）D，D为满载排水量。储备浮力的大小与船的大小、类型、航区、航行季节和货运种类等因素有关。储备浮力的大小一般用干舷的高度来衡量。干舷越大，载重水线以上的水密空间（容积）就越大，储备浮力就越大。第117页/共155页三、浮性衡准营运