2023学年完整公开课版船型和性能

2023年5月13日1船舶概论第二章船型和性能（二）

船舶航海性能主要包括：浮性、稳性、抗沉性、快速性、操纵性和耐波性。

一、浮性的概念

船舶装载一定的载荷，能浮于一定水面位置而不沉没的能力。二、船舶平衡条件

1、重力（俗称为重量W

）

单位为吨（t），

其作用点称为重心G(xG，yG，zG)。第一部分航海性能之浮性

2、浮力ω（俗称为排水量或D：排开水的质量）

单位为吨（t），

其作用点（即排水体积的形心）称为浮心B(xB，yB，zB)。

其中：

ω（或ρ）为水密度，在船舶静力学中一般取：

ρ淡水＝1.0t/m3

ρ海水＝1.025t/m3

为排水体积，单位为m3。

三、船舶的浮态

船舶浮于静水的平衡状态称为浮态，浮态分为正浮、横倾、纵倾和任意状态（横、纵倾兼有）四种。

船舶的浮态均可用（平均）吃水T（或d）、横倾角Φ和纵倾角θ来表征。

横倾角Φ表示横倾的程度，右倾为正，左倾为负。纵倾角θ表示纵倾的程度，艏倾为正，艉倾为负。

某些船舶如拖船、游艇等，有时在设计时就令其首尾吃水不同（龙骨有设计斜度），这是一种设计纵倾，与上述纵倾的概念是不相同的。一般船舶在设计时或正常使用情况下，通常都应处于正浮或稍有尾倾状态。

四、船舶重量的类

船舶组成船舶重量的名目虽多，但可归纳为两大类：

1、固定重量（LW）包括船体钢料重量（Wh）、木作舾装重量（Wf）、机电设备重量（Wm）等。它们的重量和重心位置在船舶的使用过程中是固定不变的（不随船舶的装载而改变），也称为空船重量，或称船舶自重。

LW＝Wh＋Wf＋Wm

2、变动重量（DW）包括货物、船员、旅客、行李、淡水、粮食、燃料、润滑油等重量。这些重量随船舶的装载而改变，也称为载重量。

船舶重量是空船重量与载重量之和，W＝LW＋DW。

载重量与载货量是两个不同的概念。

思考：××吨货船、××客位客船中的“××”指的是什么？

例如：某万吨级货船的满载出港排水量为17480t，其中空船重量为5567t，载货量为10178t，人员、淡水、燃料、粮食等为1735t，因此其载重量为11913t。

从这组数据中，你体会到了什么?五、民用船舶的典型排水量

由于船舶在实际使用中载重量和排水量总是变化的。因此，需要定义若干典型装载情况（简称载况）及相应的排水量来反映船舶的各种技术性能。

1、满载出港排水量指在船上装载设计规定载重量（即按设计任务书要求的货物、旅客和船员及其行李、粮食、淡水、燃料、润滑油、锅炉水的储备以及备品、供应品等均装载满额的重量），离开港口出发时的排水量。

2、满载到港排水量：满客、货，到达港口时的排水量。此时燃料、润滑油、淡水、粮食等消耗品还剩满额的10%。

3、空载出港排水量：无客货、消耗品满额，离开港口时的排水量。

4、空载到港排水量：无客货、消耗品还剩满额的10%到达港口时的排水量。

通常所谓的设计排水量，如无特别说明，就是指满载出港排水量，简称满载排水量。六、船舶吨位

在运输船中，计算船上空间大小的单位叫做吨位，也称登记吨位，是船舶容积的量度，一个“登记吨”相当于2.832m3(100ft3)。

这是表示容积的吨位，与载重吨概念不同。登记吨位分为总吨位和净吨位两种。

总吨位是指船上所有封闭的舱室根据一定的丈量规则丈量而得的容积总和。总吨位可用来表明船舶的大小，并作为国家统计船舶吨位之用。另外，还作为计算净吨位的基础，以及作为海事赔偿的基准。净吨位是指从总吨位中减去不能装载旅客、货物的舱室容积而得到的吨位。净吨位可来向有关港口交纳各种费用和税收的计算基准，及计算港口停泊和拖带、领港等费用的依据，还可作为船舶买卖或租赁的计算基准。除此之外，如果船舶要通过运河（如苏伊士运河、巴拿马运河等），还要按其特定的丈量方法计算船舶吨位，作为通过运河交付费用的依据。七、储备浮力

1、概念满载水线以上船舶主体水密部分的体积所能产生的浮力称为储备浮力。

2、作用

1）保证船舶在水面的漂浮能力（浮性）。

2）对稳性也有一定的影响。总之，储备浮力是确保船舶安全航行的一个重要指标。

3、大小表示储备浮力通常用满载排水量的百分数来表示，其大小根据船舶类型、航行区域以及载运货物的种类而定。一般来说，内河驳船的储备浮力约为其满载排水量的10%～15%，海船约为20%～25%，而军用船舶往往在100%以上。

八、载重线标志

载重线标志是指船舶在不同季节和不同航区航行的最大吃水标志。

《规则》规定：在船中两舷侧勘画载重线标志，表明该船在不同航区、不同季节区中航行时所允许的最大吃水线,以此规定船舶安全航行所需的最小干舷和最小储备浮力。

若实际吃水超过规定的载重线上缘（即载重线标志被水淹没），则表明该船已处于超载状态,其结果造成储备浮力减小，航行的安全性得不到保障，港务监督机构应不准其出港。1、WNA——冬季北大西洋载重线2、W——冬季载重线3、S——夏季载重线4、T——热带载重线5、F——夏季淡水载重线6、TF——热带淡水载重线圆环两侧的字母“C”、“S”表示勘定干舷的检验机关是“中华人民共和国船舶检验局”。

一、稳性的概念

所谓稳性是指船舶受外力作用，离开平衡位置发生倾斜而不致于倾覆，当外力消除后能自动回复到原来平衡位置的能力。二、船舶具备稳性的根本原因船舶在外力作用（横倾力矩）下发生横向倾斜，船的重心位置G不变，但排水体积的形状发生改变，浮心由B改变到B1。此时，重力和浮力形成一个力矩第二部分航海性能之稳性

力矩MR称为回复力矩或复原力矩，此力矩方向与船舶的倾斜方向相反，它阻碍船舶的横向倾斜使船舶不至于倾覆，当外力消除后仍使船舶回复到原来平衡位置，即船舶具备稳性这种能力。称为回复力臂或复原力臂。

船舶在纵倾力矩MT作用下亦会产生回复力矩（阻碍船舶的纵向倾斜使船舶不至于倾覆，当外力消除后仍使船舶自动回复到原来平衡位置），使船舶具备纵向稳性。横倾力矩和纵倾力矩合称为倾斜力矩。

复原力矩的大小是衡量船舶稳性的一个重要标志。三、船舶稳性的分类

1、按倾斜方向来分

1）横稳性：船舶横向倾斜时的稳性。

2）纵稳性：船舶纵向倾斜时的稳性。

2、按倾斜力矩的性质来分

1）静稳性：倾斜力矩缓慢作用于船，使船的倾斜角速度很小或忽略不计时的稳性。

2）动稳性：倾斜力矩突然作用于船，使船舶倾斜有明显角速度时的稳性。

3、按倾斜角度的大小来分

1）初稳性（或称小倾角稳性）：一般指倾斜角度小于100～150或上甲板边缘开始入水前的稳性。

2）大倾角稳性：一般指倾斜角度大于100～150

或上甲板边缘开始入水后的稳性。注意：大角度倾斜一般只在横倾时产生，因此大倾角稳性也称大倾角横稳性。船舶的纵倾一般都属于小角度情况。

4、按船舱状态来分

1）完整稳性：船舶的舱室为完整状态时的稳性。

2）破舱稳性：船舶的舱室为破损进水状态时的稳性。一般重点讨论横稳性。四、初稳性公式和初稳性高

如图所示，回复力矩t·m）式中：（或h）为横稳性高（或称初稳性高），单位为m。称为横稳性公式（或称初稳性公式）。M称为横稳心（或初稳心）。

横稳性高是衡量船舶初稳性的重要指标，是因为：

1）船舶在一定排水量下产生小角度横倾，横稳性高越大，复原力矩也越大，抵抗倾斜和自动回复的能力就越强。

2）稳心M与排水量和主尺度有关，体现船舶设计方面；重心G与装载情况有关，体现了船舶营运方面。横稳性高综合反映了船舶设计与营运两方面。但是横稳性高过大的船，摇摆周期（）短，在海上遇到风浪时会产生急剧的摇摆，所以横稳性高的数值要选取适当。

1）横稳性高的上限值取决于耐波性。

2）横稳性高的下限值取决于稳性。各类船舶横稳性高的范围船舶类型船舶类型客船0.3～1.5战列舰2.0～3.0干货船1.3～1.0巡洋舰0.9～1.8油船1.5～2.5驱逐舰0.7～1.2拖船0.5～0.8鱼雷艇0.5～0.8渔船1.5～1.0潜艇（水上）0.3～0.8航空母舰2.7～3.5潜艇（水下）0.2～0.4五、稳性衡准数稳性衡准数K是对船舶稳性的重要基本要求之一。规则规定：船舶在所核算的各种载况下的稳性，应符合下列不等式

或式中：

1、Mq（或l

q

）：最小倾覆力矩（或力臂），表示船舶在最危险情况下抵抗外界动力作用的极限能力。

2、Mf（或l

f）：风压动倾力矩（或力臂），表示船舶在恶劣海况下风对船舶的实际动力作用。

3、K≥1：风倾力矩（或力臂）不大于使船舶倾覆所必须的最小倾覆力矩（或力臂），即船舶所受的实际动力作用不超过船舶的最大承受能力，所以船舶不至于倾覆，因而认为具有足够的稳性。六、改善船舶稳性的措施

1、降低船的重心在设计时就要高度重视船上各种设备、重物布置的重心高度。在船的底部加压载物是最常见的一种方法。船舶在使用过程中也常需在某些空舱灌入压载水以降低重心高度。

2、增加干弦这是提高船舶稳性的有效措施之一，某些稳性不足的旧船可将载重线降低以增加干弦高度。

3、增加船宽这是提高船舶稳性的有效措施之一，有些旧船初稳性不足时，常在船的两舷水线附近加装相当厚的护木和浮箱等，或可在舷侧加装一个凸出体。

4、减小自由液面和悬挂载荷的影响。

5、注意船舶水线以上的开口和水密性，提高船舶的进水角。

6、缩短上层建筑的长度、降低上层建筑的高度，以减小船的受风面积。等等

一、抗沉性的概念

所谓抗沉性，船舶遭受海损事故舱室破损进水，仍能保持一定的浮性和稳性而不致于沉没或倾覆的能力。抗沉性讨论的是破舱浮性和稳性，以前谈到的浮性和稳性可称为完整浮性和稳性。二、船舶具备抗沉性的主要原因1、合理分舱（用水密舱壁将船体分隔成适当数量的舱室，当一舱或数舱进水后，控制进水量，船舶的下沉和倾斜不超过规定的极限位置）；

2、干弦（储备浮力）

第三部分航海性能之抗沉性三、可浸长度曲线、分舱因素和许用舱长在当船体破损后，海水进入船舱，船身即下沉倾斜。为了不使船舶沉没或倾覆，其下沉、倾斜不超过一定的限度，这就需要对船舱的长度有所限制。

1、安全限界线（简称限界线）我国《海船法定检验技术规则》规定，民用船舶的下沉极限是在舱壁甲板（水密横舱壁达到的最高一层甲板）上表面的边线以下76mm处，也就是说，船舶在破损后至少应有76mm的干舷。

在船舶侧视图上，舱壁甲板边线（包括甲板厚度）以下76mm处的一条与甲板边线平行的曲线称为安全限界线。

2、极限破舱水线（或极限海损水线）我国限界线上各点的切线表示所允许的最高破舱水线，称为极限破舱水线（或称为极限海损水线）。3、可浸长度为保证船舶在破损后的水线不超过限界线，对于船舱的长度必须加以限制。船舱的最大许可长度称为可浸长度。4、分舱因数及许用舱长不同类型的船舶对抗沉性的要求是不同的，为了体现这些不同的要求，在《海船法定检验技术规则》中采用了一个小于1的系数F，即F≤1.0，称为分舱因数。这样就有当F＝1.0时，许用舱长为可浸长度，船在一舱破损后恰能浮于极限破舱水线处而不致沉没或倾覆。当F＝0.5时，许用舱长为可浸长度的一半，船在相邻两舱破损后恰能浮于极限破舱水线处而不致沉没或倾覆。……四、船舶的舱制

如果船舶在一舱破损后的破舱水线不超过限界线，但在两舱破损后其破损水线超过限界线，则该船的抗沉性只能满足一舱不沉不翻的要求，称为一舱制船。相邻两舱破损后能满足抗沉性要求（但相邻三舱破损后不满足）的船称为两舱制船。相邻三舱破损后仍能满足抗沉性要求（但相邻四舱破损后不满足）的船称为三舱制船。……

若用分舱因数F来表示，则：

对于一舱制船：1.0≥F＞0.5。对于二舱制船：0.5≥F＞0.33。对于三舱制船：0.33≥F＞0.25。……

一、快速性的概念

船舶尽可能消耗较小的主机功率以维持一定航行速度的能力。或者说，船舶快速性是在给定主机功率时，表征船舶航行速度高低的一种性能。对一定的船舶在给定主机功率时，能达到的航速较高者，谓之快速性好，反之为差；或者，对一定的船舶要求达到一定航速时，所需主机功率小者，谓之快速性好，反之则否。主要内容包括船舶阻力和船舶推进两个方面。

第四部分航海性能之快速性二、船舶阻力的分类

注意：

1、汹涛阻力：波浪中的水阻力增加值。

2、裸船体阻力：简称为“船体阻力”。

3、附体阻力：突出于裸船体之外的附属体（如舵、舭龙骨、轴支架等）所增加的阻力。

4、附加阻力：空气阻力、汹涛阻力和附体阻力的总称。船舶阻力水阻力空气阻力静水阻力汹涛阻力裸船体阻力附体阻力船舶阻力附加阻力

三、（裸）船体阻力（Rt）的分类船体在静水中运动时所受到的阻力（船体阻力）与船体周围水的流动现象密切有关。根据观察，船体周围的绕流运动情况相当复杂，但主要有以下三种流动现象：

1、兴波：兴波阻力

船体在运动过程中兴起波浪，简称兴波。一般首柱后缘为波峰，尾柱前缘为波谷

力的观点：船体在运动过程中兴起波浪，一般首柱后缘为波峰，尾柱前缘为波谷，改变了船体周围的水压力分布，船首的波峰使首部压力增加，而船尾的波谷使尾部压力降低，于是产生首尾流体动压力差（与船航行方向相反）。这种由兴波引起的压力分布改变所产生的阻力称为兴波阻力，一般用Rw表示。

能量的观点：船体兴起的波浪具有一定的能量，这些能量必然由船体供给。这种由于船体运动不断兴波而耗散能量所产生的阻力称为兴波阻力。

2、边界层：摩擦阻力

力的观点：当船体运动时，由于水的粘性，在船体周围形成“边界层”，从而使船体运动过程中受到粘性切应力作用，亦即船体表面产生了摩擦力，它在船运动方向的合力便是船体摩擦阻力，用Rf表示。

能量的观点：船体携带边界层水流一起前进，边界层水流质点不断消耗能量体现为摩擦阻力。

注意：船体的静摩擦力不存在。

理想流体实际流体dydυdydυ大小边界层边界

3、边界层分离（旋涡）：粘压阻力

力的观点：在船体曲度骤变处，特别是较丰满船的尾部，由于水具有粘性常会产生旋涡，旋涡处的水压力下降，从而改变了沿船体表面的压力分布情况，使首压力大于尾压力。这种由粘性引起船体前后压力不平衡而产生的阻力称为粘压阻力，用Rpν表示。

能量的观点：在船尾部形成旋涡要消耗能量，而—部分旋涡被冲向船的后方，同时船尾处又继续不断的产生旋涡，这样船体就要不断地供给能量，这部分能量的损耗就是以粘压阻力的形式表现的。粘压阻力习惯上也叫旋涡阻力或形状阻力。

应该指出的是：对于流线型物体，甚至是某些优良船型，虽然并不发生界层分离现象，但仍然存在粘压阻力。这是因为边界层的形成使尾部流线被排挤外移，尾部也会有压力降而产生首尾压差，形成粘压阻力，不过与界层分离而引起的粘压阻力相比，此时的粘压阻力要小得多。补充：1）傅汝德数

（v：船速，m/s；L：船舶的水线长LWL，m）

2）船速的英制单位“节（kn）”，1kn＝0.5144m/s。

3）按傅汝德数Fr大小将船分为

低速船：Fr＜0.18中速船：0.18＜Fr＜0.30高速船：0.30＜Fr

注意：各种阻力成分在总船体阻力中所占比重对不同傅汝德数的船是不相同的。

（1）对于低速船来说，摩擦阻力占船体阻力的70﹪～80﹪，粘压阻力约为10﹪左右，而兴波阻力成分很小；

（2）对于高速船，摩擦阻力约占船体阻力的40﹪～50﹪，而兴波阻力可达50﹪左右，粘压阻力仅占5﹪左右。船体阻力Rt摩擦阻力Rf压阻力Rp兴波阻力Rw粘压阻力Rν船体阻力Rt粘性阻力Rpν

四、影响船体阻力的因素影响船体阻力的因素很多，但主要有三个方面：首先是航速。航速对阻力的影响较大，随着航速增加，阻力的增长十分显著。

其次是船型，不同的船型参数往往会导致阻力性能的变化。再次是外界条件，船舶在不同的航区中航行，由于外界条件，诸如水深、流体介质和温度等不同，对阻力也会有影响。

1、摩擦阻力摩擦阻力的大小与水的粘性、船体水下湿面积大小、表面的粗糙度等有关。湿面积越大，则粘附的水越多，摩擦阻力越大；表面越光滑，摩擦阻力越小。船舶在营运过程中，船体水下部分因长期浸泡在水中，除钢板被腐蚀外，海水中的生物，如贝类、海草等将附着在船体上生长，使船体表面凹凸不平，大大增加了船体表面的粗糙度，阻力增加很大，这种现象称为污底。一般对于低速船，摩擦阻力占总阻力比例较大。为减少摩擦阻力应从减少船的湿面积和粗糙度入手，把船舶尽量设计成短肥型，使船体表面尽可能光滑。

注意：一般认为想通过改变船体线型的办法来减小摩擦阻力，其效果是不大的。

2、兴波阻力对给定船型，兴波阻力Rw与船速v的6次方成正比。因此，随船速增加，兴波阻力将很快增加；对低速船而言，兴波阻力在总阻力中所占比例很小，而对高速船来说，兴波阻力将占很大的比例。随着船速的提高，兴波阻力占船体总阻力的比重增大，对于高速船而言，其值可达50%以上。高速船一般为尖瘦型。目前，为减小兴波阻力而采取的措施很多，但主要的可分为两类：第一类是常规船型设计时所采用的方法；第二类方法是采用某些特殊船型。

在常规船上为了减小兴波阻力，常常采用制造有利干扰的措施，其中最常见的是采用球鼻首。

球鼻首减小兴波阻力的机理：对于中、高速船，球鼻首的兴波与主船体的首横波形成有利干扰，使兴波阻力得以减小。

因为当船航行时，球鼻亦将产生波浪，如果球鼻的大小和位置选择恰当，则球鼻兴波的波谷和船首波的波峰正好处于相同位置，使合成波的波高较原来的船首波的波高有明显的减小，兴波阻力将有较大的下降。对于高速军用船或高速排水型快艇，应用消波水翼，如果水翼的位置、深度等选择适当，可使兴波阻力下降。此外，减小兴波阻力还可用另外一些措施，诸如采用压浪条或压浪板等。

为了减小兴波阻力，可采取许多不同于常规船的水面航行状态方式，产生不同的设计概念。

1）双体和多体船设计概念：例如：双体船或多体船。

2）使船体抬出水面设计概念：将船体抬至水面滑行或使船体离开水面是减小兴波阻力的有效措施，属于这一类设计概念的有滑行艇，水翼艇和气垫船等。3）船体下潜设计概念：属于这种设计概念的船舶，如有小水线面船之称的半潜船和水线面完全消失的全潜船。不过，对于大部分的全潜船设计概念的考虑都不是从减小船型阻力目的出发的，而是出于其它目的，如潜水艇主要是考虑军事隐蔽性之需要，而其他潜水器主要是考虑深海或海底工作任务的所需。

4）复合设计概念：复合设计概念是两种以上设计概念的组合，以从多方位来考虑减小船的阻力，提高航海性能，形成所谓的复合船型。属于此类概念的船舶有：①“半潜双体”复合船，如小水线面双体船。②“双体气垫船”、“双体水翼”等复合船。

3、粘压阻力影响粘压阻力的最重要因素是物体形状，特别是船体的后体形状，因此粘压阻力有时也称为形状阻力。在船舶设计时，为减小粘压阻力，特别对低速肥大型船，应保持后体收缩较缓和，避免船体曲率变化过大，同时前体线型应予以适当注意。

五、船舶推进

1、推进器

将能源（发动机）发出的功率转换为推船前进的功率的专门装置或机构统称为推进器。

例如：桨、篙、橹、帆以及明轮、螺旋桨等。常见的推进器为螺旋桨。

2、推进系数

船舶的主机发出的功率经过主轴的传递到达螺旋桨，其间存在能量损失，故船舶主机的功率PS应该大于船的有效功率PE。

有效功率PE与主机功率PS的比值称为推进系数P·C。推进系数P·C表示用某种机器及推进器以推进船舶之全面性能，推进系数越高，船舶的推进性能越好。

要改善船舶的快速性，除了设计阻力较小的优良船型外，还必须配置性能好、效率高的推进器。

3、提高螺旋桨效率的措施思考：试用理想推进器理论分析得出提高螺桨效率的措施，并列举三例。

答：

1）理想推进器效率公式