船舶稳性解析.pptx
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1、教学目标及基本要求:弄清稳性与船舶安全的关系,确保在整个航次中船舶具有适度稳性;理解船舶稳性若干概念,熟练计算不同装载情况下的船舶稳性;掌握不同条件的稳性调整方法及计算;弄懂船舶静稳性曲线和动稳性曲线绘制方法;熟知 IMO 及中国完整稳性的基本要求。重点:船舶稳性的概念和分类,初稳性高度的计算及其影响因素,我国和 IMO 稳性规范对船舶稳性的要求和船舶稳性的校核、检验与调整方法。难点:动稳性概念,在动稳性曲线上求取最小倾覆力矩(臂),IMO 横风横浪联合作用的倾侧模型。第1页/共65页 船舶在海上航行时,因受到风压力、波浪冲击力等外力作用,使船体产生运动。其中最主要的一种运动形式,就是船舶的横
2、摇,如果横摇幅度超过一定限度,就可能导致船舶倾覆。因此,所有船舶必须具有一种能抵抗风、浪等外力作用,保证不致倾覆的能力,这就是本章所要讨论的船舶稳性。第2页/共65页 第一节船舶稳性基本概念 一、船舶稳性概念及分类 船舶稳性(Stability),是指船舶受外力作用发生倾斜,当外力消失后能够回到原来平衡位置的能力。(The ability of Return to the Upright when Slightly Inclined)。第3页/共65页(1)按倾斜方向的不同可分为:横稳性(Transverse Stability)和纵稳性(Longitudinal Stability)。(2)
3、按倾斜角度的大小可分为:初稳性(Initial Stability)和大倾角稳性(Stability at Large of In-clination):)(3)按作用力性质的不同可分为:静 稳 性(Statical Stability)和 动 稳 性(Dynamical Stability)。(4)按船舱破损与否可分为:完整稳性(Intact Stability)和破舱稳性(Damaged Stability)。第4页/共65页 船舶稳性与航行安全有密切的关系,为防止倾覆,首先要求船舶具有足够的稳性。同时,稳性过大又会引起船舶剧烈横摇,使人晕船,影响航海仪器的使用等。因此,营运中应保证船舶具
4、有适度的稳性。稳性的大小与船体几何形状有关,这是船舶设计建造问题。但是,船舶稳性的大小也与载荷垂向分布状况有关,这是在配积载工作中所要解决的问题。第5页/共65页 二、船舶平衡状态 船舶的平衡状态取决于微倾前后两条浮力作用线的交点M(Metacenter)(横稳心)的位置与船舶重心点G的位置之间的相互关系。1稳定平衡 如图3-la)所示,横稳心M的位置位于船舶重心点G的上方。船舶受倾侧力矩作用离开平衡位置后,浮力作用线在外侧,重力作用线在内侧,重力和浮力构成的力偶矩WR为正值,即复原力矩,该复原力矩使船舶恢复到原平衡位置。此时,船舶所处的平衡状态称为稳定平衡状态(Stable)。第6页/共65
5、页 2不稳定平衡状态 如图3-1 c)所示,横稳心M的位置位于船舶重心点G的下方。船舶受倾侧力矩作用离开平衡位置后,浮力作用线在内侧,重力作用线在外侧,重力和浮力构成的力偶矩WR为负值,即倾覆力矩,该倾覆力矩使船舶继续倾斜。此时,船舶所处的平衡状态称为不稳定平衡状态(Un-stable)。3随遇平衡状态 如图3-lb)所示,横稳心M的位置与船舶重心点G的位置重合。船舶受倾侧力矩作用离 开平衡位置后,重力作用线与浮力作用线在同一条垂直线上,重力和浮力不构成力偶矩,复原力矩MR为零。此时,船舶所处的平衡状态为随遇平衡状态。第7页/共65页第8页/共65页 由此可见,处于不稳定平衡状态的船舶,在倾覆
6、力矩作用下使船舶继续倾斜,最终导致船舶发生倾覆;处于随遇平衡状态的船舶受外力矩作用发生倾斜,当外力矩消失后,船舶因复原力矩为零,不可能回至原平衡位置,且当较长时间受到外力矩作用时,船舶的横倾角将在一定范围内不断增大,最终仍有可能导致船舶倾覆;只有处于稳定平衡状态的船舶,才具有一定的抵抗外力矩能力,且当外力矩消失后,在正的复原力矩作用下,使其自动回到原来的平衡位置。因此,要保证船舶的安全,使船舶具有一定的抵御风浪的能力,必须使船舶处于稳定平衡状态,即保证船舶具有一定的稳性。第9页/共65页第二节 初稳性 系指船舶受静态外力矩作用,不计及倾斜角速度的稳性。静态外力矩是指逐渐作用在船上,引起船舶倾斜
7、的过程缓慢而忽略船舶倾斜角速度的倾侧外力矩。如在船上一舷装卸或横向移动少量载荷时作用于船舶的倾侧力矩。静稳性研究的假定条件是:船舶处于静水中,受静力作用,忽略船舶横倾时船体首尾不对称引起的纵倾影响。第10页/共65页一、初稳性系指船舶倾角小于10一15)。或上甲板边缘开始人水前的稳性。1.初稳性高度及计算 如图3-1所示,初稳性的特点是:(1)等体积倾斜。倾斜前后排水量不变,即V1V2。(2)倾斜轴通过初始水线面面积中心,即漂心f。(3)某一排水量时船舶的横稳心M(Metacentre)点的位置可视作固定不变,浮心B沿着以M为圆心,以稳心半径B0M为半径的圆弧轨迹移动。第11页/共65页由图3
8、-1得初稳性方程式:MR9.81GZ=9.81GMsine式中:MR 一复原力矩(Righting Moment),kNm;排水量,t;船舶横倾角度数,;GZ静稳性力臂(Stability Lever),也称复原力臂,m;GM初稳性高度(Metacentric Height),m。第12页/共65页 由此可知,当船舶在一定排水量下发生小角度横倾时,复原力矩MR的大小与初稳性高度GM成正比。所以,初稳性高度是衡量初稳性大小的基本标志。要使船舶产生正的复原力矩,必须使GM为正值,即重心G点在稳心M点之下。由图3-1可知:GM=KM-KG KM船 舶 横 稳 心 距 基 线 高 度(Transver
9、se Metacentre above the Base Line),m,可以根据平均吃水或排水量在静水力曲线图或静水力参数表上查得.KG船舶重心距基线高度(Vertical Center of Gravity above Base Line),m。其值与空船重心高度及载荷配置方案有关。第13页/共65页第14页/共65页求载荷的重心距基线的高度具体方法有下述几种:1)估算法 将装在同一舱内且积载因数相近、位置相邻的货物合并起来视为一类货物,然后分别估算各大类货物的重心距基线高度。它与货物体积、舱内货堆高度、货舱结构形式有关,可近似地加以确定。船舶中部的舱室,货堆的重心可取为0.5的货堆高度;
10、在船首、船尾等部位的舱室,货堆的重心高度可取货堆高度的0.54一0.58。第15页/共65页第16页/共65页2)利用舱容曲线图确定载荷重心高度 这种方法比较准确,但需要船舶具有舱容曲线资料;。舱容曲线是一种船舶资料(图3-2),每一货舱有一张曲线图。其下面横坐标为货舱容积,纵坐标为货堆表面距基线高度,上面横坐标为容积中心距基线高度。图3-2上有两条曲线,分别是舱容曲线和容积中心距基线高度曲线。第17页/共65页 根据装载货物所占的舱容,在下面横坐标上找到相应的位置点,过该点作一垂直于下面横轴的直线,交舱容曲线于一点A,过A点作横轴的平行线,交纵坐标轴,即可读得该货物表面距基线高度。该平行线交
11、容积中心距基线高度曲线于B点,过B点向上作横轴的垂直线,即可在上面的横坐标轴上读得该货物的容积中心距基线高度。当所装货物为均质货(即同一种货)时该中心等于货物的重心。第18页/共65页 当舱内装载多票货物时,先用上述方法求出最底层货物的重心高度,再求置于第一层货物上面的货物与第一层货物的合计体积中心,然后求出第二层货物的体积中心(即其重心),接着按相同方法可以求出第三层、第四层货物的重心,最后根据各票货物的重心,即可求得舱内所有货物的合重心。第19页/共65页3)以合体积中心作为该舱货物的合重心高度 在实际工作中,上述两种方法均嫌麻烦,因此在杂货船上很少被采用。目前绝大多数杂货船,均以舱内所装
12、货物的合体积中心作为该舱货物的合重心(如果货物已满舱,则取舱容中心为货物合重心)。使用这种方法所得的货物重心显然与实际的重心高度有出入,但因方法简便,而且所求得的GM值比实际值为小,偏于安全,所以这种方法为广大驾驶员所乐于采用。第20页/共65页第21页/共65页第22页/共65页二、自由液面对初稳性高度的影响及计算 船上各液体舱柜出现不满舱时,船舶产生横倾,液体就会向船舶倾斜一侧移动,此时液体表面称为自由液面(Free Surface):舱内液体的流动,将使液体的体积形状发生变化,液体的重心向倾斜一侧移动,降低初稳性高度,影响船舶安全。第23页/共65页 通常自由液面对初稳性高度的影响减少值
13、可从船舶“稳性报告书”中查得。如无资料,第24页/共65页第25页/共65页第三节 大倾角稳性 1大倾角稳性基本概念 船舶在海上航行时,由于受风、浪作用而发生大角度横倾比小角度横倾常见。大倾角稳性是指船舶横倾角超过10的大角度横倾时的稳性。研究初稳性时,由于其倾角很小,我们运用MR9.81GMsin公式使初稳性计算大大简化。当倾角增大到超过10时,其水下部分形状发生明显变化,倾斜轴不再通过初始水线的漂心f,横稳心M也不再是定点,而是随横倾角变化而变化。所以,在大倾角状态下不能用初稳性高度GM来表征船舶大倾角稳性的大小,大倾角稳性的大小仍然取决于复原力矩的大小。第26页/共65页 2大倾角稳性与
14、初稳性的主要区别 从大倾角稳性基本概念可知与初稳性的区别为:(1)大倾角横倾时,不再是等容斜倾,倾斜轴不再通过初始水线面面积中心,即漂心f;(2)在同一排水量时,横稳心M是在随横倾角变化而变化的曲线上;(3)用静稳性力臂GZ作为衡量大倾角稳性的基本标志。第27页/共65页3.大倾角稳性计算复原力矩的计算公式利用稳性交叉曲线求取KN值 所谓稳性交叉曲线(Cross Curves of Stability)是船舶设计部门绘制的在一定倾角下KN随排水体积变化的关系曲线。利用公式计算KH值 KH=KG.sin 第28页/共65页 四、静稳性曲线 静稳性曲线(Curve of Statical Stab
15、ility)是表示某一船舶在一定的排水量和一定的重心高度时的复原力臂(或复原力矩)与横倾角关系的曲线。对一艘船舶,当排水量及重心高度不同时静稳性图也就不同。1静稳性曲线图主要特征。第29页/共65页2.影响静稳性曲线的主要因素 静稳性曲线形状影响船舶稳性的主要参数,而静稳性曲线的形状又受到有关因素的影响,这些因素有:(1)船宽:其他条件相同的船舶,其船宽不同,则静稳性曲线的形状也不同。因为船宽增加,船舶的形状稳性力臂也增大,复原力臂随之增大,但同时甲板浸水角将减小。所以,船宽越大,其静稳性曲线最高点的位置将在较小的横倾角时出现。第30页/共65页(2)干舷:在其他条件相同的情况下,船舶干舷的大
16、小对初稳性不产生影响,而对大倾角稳性有影响。(3)排水量:对于同一艘船舶,排水量不同,其静稳性曲线也不同。因为排水量不同时其形状稳性力臂值不同,所以复原力臂也不同。(4)船舶重心高度:同一艘船舶,在同一排水量时,其装载方案不同,即船舶的重心高度不同,则其重量稳性力臂不同,所以复原力臂值也不同。第31页/共65页(5)自由液面:自由液面对船舶稳性的影响相当于增大了船舶重心高度,因而,自由液面的存在使静稳性曲线下降,最大复原力臂和稳性消失角减小。(6)初始横倾:当船舶重心偏离中纵剖面时,船舶会出现初始横倾角。初始横倾角的存在同样会使静稳性曲线下降,最大稳性力臂和稳性消失角减小。第32页/共65页第
17、四节 动稳性 1动稳性概念及动平衡 系指船舶受动态外力作用,计及倾斜角速度和角加速度的稳性。船舶在航行中经常受到外力矩的突然作用,如受强阵风突然吹袭,受海浪猛烈冲击等等。船舶在动态外力矩作用下,当外力矩等于复原力矩时,因船舶的横倾角速度已不能被忽略,由于惯性作用船舶还将继续倾斜。根据“动能定律”,当外力矩所作的功完全由复原力矩所作的功抵消时,船舶的角速度才变为零而停止倾斜,但此时并未达到力的平衡状态,船舶将开始复原。如此往复摆动,受水和空气的阻力作用,船舶的摆动角速度逐渐减小,船舶最终将平衡于其静横倾角处s处(如图3-s所示)。第33页/共65页2动稳性的表示方法 船舶在动力横倾力矩作用下达到
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