第四章--船舶稳性

海上货物运输航海学院货运教研室第一篇第四章船舶稳性（STABILITY）稳性的定义和分类船舶初稳性横倾力矩船舶大倾角稳性船舶动稳性稳性规范及稳性检验调整船舶随浪稳性和破舱稳性一、稳性的定义和分类（一）稳性的定义船舶受外力作用发生倾斜而不致倾覆，外力消失后能够自动回到原来平衡位置的能力。（二）稳性的分类按倾斜方向横稳性(Transversestability)绕纵向轴X轴倾斜纵稳性(Longitudinalstability)绕横向轴Y轴倾斜按倾角大小初稳性(Initialstability)：10大倾角稳性(Stabilityatlargeanglesofinclination)：10按所受作用力矩的性质静稳性(Staticalstability)船舶倾斜过程中不考虑角加速度和惯性矩动稳性(Dynamicalstability)船舶倾斜过程中考虑角加速度和惯性矩按船舶是否破舱进水破舱稳性(Damagedstability)完整稳性(Intactstability)（三）船舶平衡状态规定：与外力矩Mh反向时，MR0与外力矩Mh同向时，MR0sin..GMGZMR819819船舶的平衡状态分类稳定平衡(Stableequilibrium)（图a）G点在M点之下，GM0，MR0随遇平衡(Neutralequilibrium)（图b）G点与M点重合，GM=0，MR=0不稳定平衡(Unstableequilibrium)（图c）G点在M点之上，GM0，MR0二、船舶初稳性（一）研究初稳性的假定前提横倾角无穷小排水量一定时，横稳心点M的位置固定不变，浮心B以M点为圆心，以B0M为半径在平衡位置两侧作圆弧轨迹运动。船舶横倾为等容微倾，倾斜水线过初始水线面漂心FM(Metacenter)：船舶微倾前后两浮力作用线的交点B0M：横稳心半径(Metacenterradius)等容微倾dxyddxydvvFAFA2221212121在同一个正浮水线面上，左右两边面积对ox轴的面积矩相等，证明等容微倾的倾斜轴ox必然过正浮水线面的面积中心F。dxydxyvvFAFA2221212121XYAFdxxyOF（二）初稳性的表示方法初稳性方程：初稳性的衡量标志GM：初稳性高度（Initialmetacentricheight)sin..GMGZMR8198191、KM根据平均吃水或排水量查取静水利图表KM=KB+BMKGKMGM（三）GM的计算浮心距基线高度KB的求取（1）各种形体的浮心坐标（xb,yb,zb）图名箱形体船体等腰三角形柱体横剖面形状zbd/2(1/2～2/3)d2d/3xb0位于船中前后0yb000（2）KB（Zb）的详算公式VdzAzdzAdzAzZdWdWdWb000oZdzAWdzWL（3）KB的估算公式马立许公式(Morrish’sapproximateformula)普通船型的相对误差在2.5％以内。欧拉公式普通船型的相对误差在1.5％以内。)(VPbCdZ253dCZVPb11BM是船舶正浮时浮心B至横稳心M的垂距（1）统计法计算BM水线面矩形：k=1/12菱形：k=1/48一般船体：k≈0.045～0.065VIx3kLBIxdBar20850080.~.ra横稳心半径BM（r）的计算Ix为正浮水线WL面积对过漂心F的横倾轴ox的面积惯性矩。VIxFAdxyIx332XYAFdxxyOF详算法计算BM（r）式中：Pi--构成排水量的各项重量，包括空船重量、船舶常数、货物重量、油水装载量、固定航次储备量。Zi--Pi的重心距基线高度819.)(iiZPKG2、船舶重心高度KG（1）近似公式计算法Zi=货高/2+货物底端距基线距离（2）估算法平行中体部位的舱室，货物重心取在货高的1/2处；首、尾部位的舱室，货物重心取在货高的0.54～0.58处。（3）利用舱容曲线图确定载荷的重心高度货物重心高度Zi的确定bciihhZ2chchciciHVVhQ轮NO.2底舱舱容曲线图杂货船多利用近似公式计算法或估算法散货船多利用舱容曲线图法集装箱船我国规定：每只集装箱的重心取在箱高的一半处；德国等欧美国家规定：每只集装箱的重心取在箱高的45％处。例题某轮NO.3底舱装载五金1600t、800m3，棉织品100t、450m3，日用品120t、552m3；草制品110t、792m3，舱容2710m3。试计算舱内各类货物的重心高度及该舱货物的合重心高度。草制品日用品棉织品五金7.2m1.50mmh1222727108001..mZ56251122211...mh6622727105524502..mZ95451122662212....mh1022727107923..mZ33751122662102212.....mZ10311012010016003371109541201005621600...)(.（四）影响船舶初稳性的因素自由液面船内载荷移动悬挂货物少量载荷变动（1）自由液面（Freesurface)船舶的液体舱柜中装有液体但未满舱时的液面。（2）自由液面的影响结果自由液面的存在使初稳性高度GM恒减小。1、液舱内自由液面对GM的影响ix－－自由液面对过液面中心倾斜轴的面积惯性矩（m4）。xfiGM)(ffGMKGKMGMGMGM01（3）自由液面计算公式查取船舶资料求取ix“各液舱自由液面惯性矩ix表”“各液舱自由液面对初稳性高度修正值表”利用公式法计算ix（4）自由液面惯性矩ix的求取自由液面的形状为矩形、三角形矩形：k=1/12；直角三角形：k=1/36；等腰三角形：k=1/48自由液面的形状为梯形直角梯形：k=1/36；等腰梯形：k=1/483bkix))((222121bbbbkix441xi334141baiabixx或自由液面的形状为圆形自由液面的形状为椭圆形液面形状图bbbllblbb1b2lb1rabbaFAb2l设置水密纵隔壁减少甲板上浪和存水，及时排出积水液体舱柜应根据实际情况尽量装满或排空航行中，应逐舱使用油水并尽量减少同时存在自由液面的液舱数。液体散货船装载货物时，尽量少留部分装载舱。部分装载舱应选择舱室宽度较小的货舱。保证液体舱柜内的纵向水密隔壁的完整性21)(niixx（4）减小自由液面影响的措施船内载荷移动的特点移动前后排水量不变，属于船内问题。船内载荷移动分类水平横移；垂向移动；斜移平行力移动原理aWbP2、船内载荷移动对初稳性的影响根据平行力移动原理及力系平衡原理有：1GGPyGMtgGG1GMPtgGMtgPyyWLW1L1GBB1G1lyPMOθ（1）载荷水平横移试验目的确定船舶的空船重心高度KG0和空船初稳性高度GM0。试验条件新建船舶或经重大改建的船舶在出场前应进行倾斜试验。（2）倾斜试验(Inclinationexperiment)参与部门试验由船厂及船方共同进行，试验报告由船厂负责计算与编制，编制后交验船部门审核。计算公式000000GMKMKGKGKMGMtgPGMy0KM0和GM0的求取根据试验时的船舶排水量查取静水力图表可得KM0GM0则根据船内载荷横移的结论求取。abPtgPGMyy0WLW1L1lyPmbaθ营运状态空船重心高度KGL的计算考虑到试验时有少量设备未安装上船（不足重量），同时有少量施工设备和试验重量未拿下船（多余重量），所以实际营运状态的空船排水量为：jiLPPjijjiiLPPZPZPKGKG)()(0根据合力矩定理：进行倾斜试验的注意事项试验现场风力不大于2级，水面平静无流，无来往船只船舶应尽量保持正浮空船状态，并系牢可移动物尽量减少自由液面的存在船上多余重量或不足重量对于空船排水量大于3000t的船舶，应不大于0.5％ΔL倾斜角θ一般为2～4，但不得小于1试验时缆绳应处于不受力状态载荷下移，重心下移，lZ取“+”，GM1增加；载荷上移，重心上移，lZ取“－”，GM1减小。1GGPZGMGMGMGG11ZPGMMWLGG1lZP（3）船内载荷垂向移动水平横移GMPtgyZPGMWLW1L1GBB1G1OlyPMG2lZθ（4）船内载荷斜移垂移斜移可分解为水平横移、纵移及垂移，然后分别计算其对船舶初稳性高度的影响。悬挂重物对稳性的影响：相当于将其重心从实际位置上移到悬挂点。ZPGMGM1ZPGMMWLGG1lZPW1L1θmθ3、船内悬挂重物对GM的影响（1）少量载荷变动对初稳性的影响%10iP)()(121212KGKGKMKMGMGMGM)(PZPKGKGKMKGKMGM11PZKGPKMGM)(14、载荷重量变动对初稳性的影响因为是少量载荷变动，所以通常装载状态下载荷变化前后KM变化较小，则可以忽略不计，即载荷变化前后假定KM不变，公式变为：iiiPZKGPKMGM)(iiiPZKGPGM)(GMGMGM12（2）大量载荷重量变动对初稳性的影响计算KM2根据新的排水量2=1+i查取静水力图表，可得KM2。计算KG2根据合力矩定理：iiiPZPKGKG12222KGKMGM三、横倾力矩（一）静横倾力矩Mh（Staticalheelingmoment）1、Mh的定义指其作用过程中极其缓慢，即在倾斜过程中不计及角加速度和惯性矩的横倾力矩。关于时间的变化速率不大于复原力矩MR关于时间变化速率的横倾力矩。船舶受到静横倾力矩作用，必然产生横倾角，该角度可用静平衡条件确定。静平衡条件：Mh=MR只要Mh≤MR，则在静横倾力矩作用范围内的任意横倾角上，必能达到静平衡。2、静平衡的表示及横倾角的确定MRθOMhθs静平衡点若船舶静止正浮，则在Mh≤MR.max条件下船舶不会倾覆；反之，一定倾覆。静倾过程中，只要满足Mh≤MR.max，则外力矩消失后船舶必定会回摇到初始平衡位置。静倾过程中，若外力矩成周期性变化，则船舶倾角也一定呈类似的周期性变化。3、静横倾力矩对船舶作用的若干结论若有多个静横倾力矩同时作用于船上，则对船舶的作用结果相当于所有力矩的合成力矩的作用结果。若船舶处于自摇状态，则静横倾力矩与稳性力矩方向一致时对船舶的横倾有加剧作用，静横倾力矩与稳性力矩方向不一致时对船舶的横倾有消弱作用。载重不对称引起的横倾力矩风力静横倾力矩MW拖力横倾力矩MT4、静横倾力矩的类别这类横倾力矩可按载荷移动/重量增减处理。这类横倾力矩是由0逐渐加大或由某一数值逐渐变为另一数值，而且过程极为缓慢，故作为静横倾力矩处理。而船舶也会自初始漂浮状态缓慢倾至静平衡角即停止。货物装卸油水打入和排放油水消耗旅客集中到一舷（1）载重不对称引起的横倾力矩基本表达式])([)()(2dZSpfMAWKEZRRyAyZAd受风面积S（2）风力静横倾力矩MWCv－－风压系数，取1.2；ρa－－空气密度，取1.226（kg/m3）；v－－－横向稳定相对风速（m/s）。221vCpav12001000800600400200100203040风压强p(Pa)横向稳定相对风速v(m/s)稳定风压强p的计算公式：假定简化计算公式CdZSpMAW)(2MW=f(θ)MW=CθMW15°030°45°60