第四章 大倾角稳性(精品).ppt
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1、第四章第四章 大倾角稳性大倾角稳性w4-1 概述概述w4-3 船舶静稳性曲线的等排水量计算法船舶静稳性曲线的等排水量计算法w4-2 船舶静稳性曲线的变排水量计算法船舶静稳性曲线的变排水量计算法w4-4 上层建筑及自由液面对静稳性曲线的影响上层建筑及自由液面对静稳性曲线的影响w4-5 静稳性曲线的特征静稳性曲线的特征w4-6 动稳性动稳性w4-7 船舶在各种装载情况下的稳性校核计算船舶在各种装载情况下的稳性校核计算w4-8 临界初稳性高曲线临界初稳性高曲线w4-9 船体几何要素等对稳性的影响及改进稳性的措施船体几何要素等对稳性的影响及改进稳性的措施w4-10 移动式钻井平台稳性概述移动式钻井平台
2、稳性概述w 当遇到恶劣的风浪,船的倾角会大于当遇到恶劣的风浪,船的倾角会大于1015,或上甲板边缘开始入水,这时就不能,或上甲板边缘开始入水,这时就不能用初稳性来判断船舶是否具有足够的稳性。用初稳性来判断船舶是否具有足够的稳性。w 大倾角稳性问题,仍然是研究船舶倾斜大倾角稳性问题,仍然是研究船舶倾斜后产生复原力矩以阻止其倾覆的能力,且着重后产生复原力矩以阻止其倾覆的能力,且着重研究复原力矩随横倾角变化的规律。本章主要研究复原力矩随横倾角变化的规律。本章主要研究:静稳性、动稳性及稳性衡准、稳性校核、研究:静稳性、动稳性及稳性衡准、稳性校核、几何要素对稳性的影响等问题。几何要素对稳性的影响等问题。
3、考虑静力作用考虑静力作用,忽略横忽略横,纵倾的耦合作用纵倾的耦合作用,当船在当船在外力矩作用下横倾于某一较大的角度外力矩作用下横倾于某一较大的角度 G G不变,不变,4-1 概述概述复原力臂或静稳性臂复原力臂或静稳性臂重力重力W和浮力和浮力=形成了一个复原力矩,形成了一个复原力矩,G3 Z12GZGZ312KKK排水量排水量 及重心高度及重心高度KG一定,一定,GZ只随只随 而变。而变。初稳性假设初稳性假设:1)1)等体积倾斜轴线过正浮水线面的漂心等体积倾斜轴线过正浮水线面的漂心;2)2)浮心移动曲线是一圆弧浮心移动曲线是一圆弧,圆心为初稳心圆心为初稳心M,M,半径为半径为 初稳心半径初稳心半
4、径对于小倾角对于小倾角 大倾角情况下,出水和入水楔形形状不对称,等体积倾斜水线不通过正浮水线面的漂心,浮心的移动曲线在横剖面上的投影不能看作是圆弧,初稳心M不是固定不动,稳心半径 r 随着横倾角的不同而变化。此时静稳性臂不能用GZ=GMsin 表示而应用下式:l=lb l g或或其中:为浮心沿水平横向移动的距离,其数值由排水体积的形状决定,称为形状稳性臂形状稳性臂。其数值主要由重心位置决定,称为重量稳重量稳性臂性臂。l(m)l=f()()GMGMsinGM 静稳性力臂随静稳性力臂随 变化曲线变化曲线 l=f()不能用简单的公式表示。根不能用简单的公式表示。根据计算结果绘制的据计算结果绘制的l=
5、f()图称为静稳性曲线图。它表示船舶在图称为静稳性曲线图。它表示船舶在不同倾角时复原力矩(或复原力臂)的大小。不同倾角时复原力矩(或复原力臂)的大小。从图中可以看到:在小倾角时,三条曲线基本上是重合的。从图中可以看到:在小倾角时,三条曲线基本上是重合的。但是,随着横倾角但是,随着横倾角 的增加,初稳性公式就不符合实际情况了。的增加,初稳性公式就不符合实际情况了。G WW0 0L L0 0WL BZMR()B0KRlE4-2 船舶静稳性曲线的船舶静稳性曲线的变排水量变排水量计算法计算法一、基本原理一、基本原理为使计算问题简便,引入假定重心假定重心概念,规定假定重心不随船舶的装载情况而变,既选定固
6、定的假定重心位置S,计算船舶倾斜后浮力作用线至S点的距离 ls:重量稳性力臂的大小主要取决于重心的位置。交点交点O 任意确定,船的倾斜为不等体积倾斜任意确定,船的倾斜为不等体积倾斜 从中我们可以清楚地看到:只要知道横倾后的浮力作用线的位置,便可立刻得出静稳性臂 。因此,静稳性曲线的计算便可归结为如何求得船舶在横倾后浮力作用线的位置。4-2 船舶静稳性曲线的船舶静稳性曲线的变排水量变排水量计算法计算法G WW0 0L L0 0WL BZMR()B0KRlE 如图所示,船舶正浮于水线如图所示,船舶正浮于水线W0L0,吃水为,吃水为d0,排水体积为,排水体积为0,浮心在,浮心在B0处,其高度为处,其
7、高度为KB0。当船舶横倾。当船舶横倾 角,假定倾斜水线为角,假定倾斜水线为W L,并与,并与W0L0相交于相交于O点。点。V1为入水楔形的体积,为入水楔形的体积,V2为出水为出水楔形的体积,楔形的体积,NN为通过为通过O点的计算静矩的参考轴线点的计算静矩的参考轴线,c为旋转点为旋转点O至至中心线的距离中心线的距离(即偏离值即偏离值)。水线。水线W L 下的排水体积下的排水体积 必然是必然是 W0L0WL Kd0 0 0OEBAlv2NNcB0Ov1F(4-3)(4-4)(4-5)排水体积 对NN 轴的静矩:令则(4-4)式为:船舶浮于倾斜水线船舶浮于倾斜水线 W L 时浮时浮力作用线至轴线力作
8、用线至轴线NN的距离的距离 W0L0WL Kd0 0 0OEBAlv2NNcB0Ov1F 的数值是容易确定的,从图可看出:求l 关键在于:必须首先求得入水楔形和出水楔形体积差:以及它们对NN轴线体积静矩:至于故(4-6)O W0L0WL lsSNKEcNld0OQ W0L0WL lsSKZGlNR有了静稳性臂有了静稳性臂l s,然后再根据船然后再根据船舶实际装载情况的重心高度舶实际装载情况的重心高度KG进进行修正,求得静稳性臂:行修正,求得静稳性臂:求得求得l后,很容易求出浮力作后,很容易求出浮力作用线至重力作用线用线至重力作用线(通过假定重心通过假定重心S)的水平距离的水平距离二、二、和和
9、计算公式计算公式 图为船舶横倾图为船舶横倾 角度后某一横剖面处的入水和出水楔形。角度后某一横剖面处的入水和出水楔形。W0L0WL ab2/3acos(-)NNod在在 处取一夹角为处取一夹角为d 的小三角形,设底边的距离为的小三角形,设底边的距离为a,则小三角,则小三角形面积形面积(1)楔形体积差)楔形体积差 的计算公式的计算公式dxdxba出水边入水边W0L0WL ab2/3acos(-)NNoddxdxba出水边入水边 在船长方向取在船长方向取dx一段,则小三角形的体积为:一段,则小三角形的体积为:dAdx,沿整个船长沿整个船长L积分便得到微楔形的体积积分便得到微楔形的体积dxdxba出水
10、边入水边式中:b出水楔形的水线半宽入水与出水楔形的体积差:在横倾角范围内入水楔形体积为同理求得出水楔形体积:W0L0WL ab2/3acos(-)NNod(2)楔形体积差静矩)楔形体积差静矩M的计算式的计算式入水小三角形面积对轴入水小三角形面积对轴NN静矩静矩沿船长积分得微楔形对沿船长积分得微楔形对NN轴的体积静矩轴的体积静矩同理出水楔形对同理出水楔形对NN 轴的体积静矩轴的体积静矩(4-9)水线面WL对NN 轴线的面积惯性矩故式(4-9)也可写作(4-10)(4-11)整个入水楔形对整个入水楔形对NN 轴的体积静矩轴的体积静矩则则 将式(4-6)、(4-8)和(4-11)代入式(4-5),便
11、可得浮力作用线至NN 轴线的距离 l:(4-5)将 l 代入式(4-7),即可求得浮力 作用线到假定重心的距离ls:(4-7)三、三、稳性横截曲线稳性横截曲线 由变排水量法求得不同排水体积由变排水量法求得不同排水体积 在不同横倾角在不同横倾角 时浮力时浮力作用线至假定作用线至假定重心重心S 的距离的距离l s。然后以。然后以l s为纵坐标,为纵坐标,以以 ()为横坐标绘成的曲线称为)为横坐标绘成的曲线称为稳性横截曲线稳性横截曲线。再根据稳性横截曲。再根据稳性横截曲线求出某一排水体积时的线求出某一排水体积时的l s,然后对重,然后对重心加以修正,绘出该装载情况下的静稳心加以修正,绘出该装载情况下
12、的静稳性曲线。性曲线。1523413452l s 不同排水量时的静稳性曲线不同排水量时的静稳性曲线不同排水量浮力不同排水量浮力 作用线至假定重心作用线至假定重心S 的距离的距离l s 以以ls为纵坐标,为纵坐标,为横坐标绘制如图所示对应不同横为横坐标绘制如图所示对应不同横倾角倾角的的ls f()曲线图,该图称为稳性横截曲线曲线图,该图称为稳性横截曲线图。图。稳性横截曲线图稳性横截曲线图 有了稳性横截曲线,可以根据所计算的各有了稳性横截曲线,可以根据所计算的各种装载情况下的排水量和重心高,按(种装载情况下的排水量和重心高,按(4-12)式)式 计算得到相应船舶各种装载状态情况下的静稳计算得到相应
13、船舶各种装载状态情况下的静稳性曲线图。具体可列表进行计算:性曲线图。具体可列表进行计算:装载情况重心高度KG=(m)排水体积=(m3)KGKS=(m)横倾角()l S(取自于横截曲线)sin(KGKS)sin l=l S(KGKS)sin 10203040506070表4-1 该法不能越过绘制稳性横截曲线图而直接求取某一排水体积下的静稳性曲线。在所需核算的装载情况较多时或计算在所需核算的装载情况较多时或计算船舶改装后的静稳性曲线具有明显的优越船舶改装后的静稳性曲线具有明显的优越性性。根据船舶在横倾后的入水和出水楔形所形成的体积矩,求得不同排水体积、不同横倾角时的浮力作用线至假定重心的距离 l
14、S,然后绘制成稳性横截曲线。最后按表4-1 的形式对重心加以修正。变排水量法的特点变排水量法的特点:四、四、具体计算步骤具体计算步骤1.绘制(绘制(912个站号)乞氏横剖面图;个站号)乞氏横剖面图;2.选择计算水线、旋转点选择计算水线、旋转点O、假定重心假定重心S位位置和横倾角间隔置和横倾角间隔d的大小;的大小;3.量取入水和出水宽度量取入水和出水宽度a和和b;4.计算计算和和M值;值;5.计算计算和和 l s 及绘制稳性横截曲线;及绘制稳性横截曲线;6.绘制静稳性曲线绘制静稳性曲线 l=f(););利用AUTOCAD通用软件通用软件绘制乞氏剖面,一般取912个剖面。乞氏剖面要画到浸水甲板边线
15、并绘出梁拱线。舯前剖面和舯后剖面分别用实线和虚线画出。为了提高计算的准确性,比例应适当取得大些。(1)绘制乞氏剖面绘制乞氏剖面(2)选择计算水线、旋转点、假定重选择计算水线、旋转点、假定重心和横倾角间隔的大小心和横倾角间隔的大小水线:水线:4-5根,根,最高:略高于满载水线最高:略高于满载水线最低:略低于压载水线最低:略低于压载水线旋转点旋转点O:偏向出水一舷偏向出水一舷 c:取决于水线至甲板的取决于水线至甲板的 距离与吃水之比距离与吃水之比cc,cc小:小:c取大取大 cc大:大:c取小取小 出水为负,入水为正出水为负,入水为正 重心重心S位置:任意,为方便,一般取在基线上,取位置:任意,为
16、方便,一般取在基线上,取 KS=0横倾角间隔:横倾角间隔:=10o,=70o80o(海船)(海船);=5o,=35o 40o(江船)(江船)A:在透明纸上绘制各水线等分角线在透明纸上绘制各水线等分角线=5o 15o 25o 35o ,其对应水线为,其对应水线为=10o,20o 30o 40o 。江船取半。江船取半。(3)量取出入水宽度量取出入水宽度a和和bB:将透明纸覆在乞氏剖面图某一水线上,并在等分角线上量取将透明纸覆在乞氏剖面图某一水线上,并在等分角线上量取 a,b的值。如果水线与横剖面的交点多于两点,从的值。如果水线与横剖面的交点多于两点,从O点量起,点量起,与剖面内侧相交取为正,外侧相
17、交取为负,既与剖面内侧相交取为正,外侧相交取为负,既“内正、外负内正、外负”原则原则。(a)+a(b)(c)+a+b 从交点O处量起,凡是到横剖线内侧的入水和出水坐标值 a i和 b i 均取为正值,到横剖线外侧的值都取为负值。这个规律可以简称为:“内正、外负内正、外负”将将 和和 的积分公式写成乞氏法则的形式:的积分公式写成乞氏法则的形式:式中:(4)计算计算 和和 其中:其中:i为倾斜水线号;为倾斜水线号;j为乞氏剖面号。为乞氏剖面号。以图所示的倾斜水线旋转点为以图所示的倾斜水线旋转点为O,按乞氏法表达的,按乞氏法表达的 及及 公式分别计算横倾角公式分别计算横倾角=10o,20o 30o
18、40o、时的入水和出水时的入水和出水楔形的体积差及其对楔形的体积差及其对NN轴线的静矩。轴线的静矩。(5)计算计算 和和l l 及绘制横截曲线及绘制横截曲线ls(m)1=10=20=30=40=60=50(m3)根据计算结果,以l s为纵坐标,以为横坐标,绘制各横倾角 的等值线族 l s=f(;=常数),即稳性横截曲线图。稳性横截曲线图稳性横截曲线图l(m)l=f()()GMGMsinGM(6)绘制静稳性曲线绘制静稳性曲线l=f()根据给定的排水量根据给定的排水量和重心高度和重心高度zG计算各倾计算各倾角下的复原力臂角下的复原力臂l=l S(zG-zS)sin ,绘制静稳,绘制静稳性曲线性曲线
19、l=f()。(1)准备型值表准备型值表 取各站横剖面型值,按纵向计算法计算。取各站横剖面型值,按纵向计算法计算。五、计算机程序计算的具体步骤计算机程序计算的具体步骤(2)选择计算倾斜水线、假定重心和横倾间隔大小。选择计算倾斜水线、假定重心和横倾间隔大小。计算的倾斜水线一般取计算的倾斜水线一般取57根。最高倾斜水线一般与中横副根。最高倾斜水线一般与中横副面的左上角相切,最低倾斜水线一般与中横剖面的右下角相切,面的左上角相切,最低倾斜水线一般与中横剖面的右下角相切,各中间水线的位置在最高倾斜木线和最低倾斜水线之间,等间各中间水线的位置在最高倾斜木线和最低倾斜水线之间,等间距或不等间距均可。距或不等
20、间距均可。重心取在基线上,重心取在基线上,KS=0;倾角间隔海船;倾角间隔海船=10o,=80o;江;江船船=5o,=50o。(3)计计算复原力臂算复原力臂 分别计算各倾斜水线下的排水体积分别计算各倾斜水线下的排水体积 和浮心和浮心B (y,z),假假定重心高定重心高zS为零,计算复原力臂为零,计算复原力臂ls(4)根根据据 和和ls绘制稳性横截曲线绘制稳性横截曲线(5)绘制静稳性曲线绘制静稳性曲线4-3 船舶静稳性曲线的船舶静稳性曲线的 等排水量计算法等排水量计算法一、基本原理一、基本原理 首先确定各倾角的等体积倾斜水线,然后计算各线下的浮心B(y,z),再按公式 ls=ysin+zcos计
21、算假定zS为零的复原力臂ls,最后根据ZG按公式l=ls-zGsin 计算各倾角下的复原力臂l,并绘制排水量时的静稳性曲线l=f()。二、具体计算步骤二、具体计算步骤 首先用迭代法计算各倾角下的等体积倾斜水线,再按基本原理的步骤计算静稳性曲线。上节中得到的静稳性曲线只计算到船体主体部分上节中得到的静稳性曲线只计算到船体主体部分(即上甲板即上甲板)为为止。但对于具有水密上层建筑,如满足规范的要求,也可计入上止。但对于具有水密上层建筑,如满足规范的要求,也可计入上层建筑对静稳性曲线的影响。因为水密的上层建筑在入水后也产层建筑对静稳性曲线的影响。因为水密的上层建筑在入水后也产生相应的浮力和复原力矩。
22、此外,船内设有一定数量的燃油舱、生相应的浮力和复原力矩。此外,船内设有一定数量的燃油舱、淡水舱和压载水舱,当它们具有自由液面时,舱内的液体重心将淡水舱和压载水舱,当它们具有自由液面时,舱内的液体重心将随着船舶倾斜而移动,形成一个倾斜力矩。因此,在船舶主体的随着船舶倾斜而移动,形成一个倾斜力矩。因此,在船舶主体的静稳性曲线计算完毕后,有时还需计算上层建筑和自由液面对稳静稳性曲线计算完毕后,有时还需计算上层建筑和自由液面对稳性的影响,并进行必要的修正。性的影响,并进行必要的修正。-上层建筑及自由液面上层建筑及自由液面 对静稳性曲线的影响(自学)对静稳性曲线的影响(自学)一、上层建筑对静稳性曲线的影
23、响 图图4-11表示某一横剖面处考虑上层建筑的情况。当船舶横表示某一横剖面处考虑上层建筑的情况。当船舶横倾倾 角而浮于水线角而浮于水线W L 时,设上层建筑入水部分的横剖面积时,设上层建筑入水部分的横剖面积为为 A,面积形心在,面积形心在g处,便可求得上层建筑入水部分的体积处,便可求得上层建筑入水部分的体积 及其对轴线及其对轴线NN的静矩的静矩 。式中式中LS为上层建筑的长度。为上层建筑的长度。考虑上层建筑后的总排水体积及其对考虑上层建筑后的总排水体积及其对的静矩的静矩 浮力 s作用线至NN的距离 浮力作用线至假定重心S点的距离考虑上层建筑后的静稳性臂上层建筑入水部分横剖面采用图解法计算。图图
24、4-12 是某船满载出港使考虑和不考是某船满载出港使考虑和不考虑上层建筑时的静稳性臂曲线虑上层建筑时的静稳性臂曲线实线:考虑上层建筑的影响实线:考虑上层建筑的影响虚线:没有考虑上层建筑的影响虚线:没有考虑上层建筑的影响 船舶在正浮时舱内液体的表面为船舶在正浮时舱内液体的表面为ab,重心位于,重心位于g点。当船舶横点。当船舶横倾倾 角后,舱内液体向倾斜一侧移动,液面为角后,舱内液体向倾斜一侧移动,液面为cd,重心自,重心自g点移至点移至gl点,移动的横向距离为点,移动的横向距离为y,因此产生了一个倾斜力矩,因此产生了一个倾斜力矩二、自由液面对静稳性曲线的影响二、自由液面对静稳性曲线的影响式中式中
25、:V 舱内液体的体积舱内液体的体积;1 舱内液体的重量密度舱内液体的重量密度原复原力矩为原复原力矩为现复原力矩为现复原力矩为为自由液面对静稳性臂的影响。为自由液面对静稳性臂的影响。式中式中:横倾角横倾角较大时较大时,直接计算求得自由液体的倾斜力矩直接计算求得自由液体的倾斜力矩MH图图解法。解法。某些规范只计算某些规范只计算 时的时的 ,时取时取 ,内内 按线性变化选取,如此工作量减少,而对计算按线性变化选取,如此工作量减少,而对计算精度影响不大。精度影响不大。图图4-16 自由液面修正前后的静稳性臂曲线自由液面修正前后的静稳性臂曲线图图4-17 液体舱室满仓、空舱和半舱的情况液体舱室满仓、空舱
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