船舶“三心”讲稿

浅谈船舶的重心、浮心和稳心船舶为什么能漂浮在水上？答：因为水有浮力。那么，水为什么会产生浮力？一般说来，流体（气体和液体）在重力作用下会给浸没在其中的物体一个浮力。就好比一个受到“外敌”入侵的群体一样，这个群体会有“抵抗情绪”，不会轻易让出空间给“异类”。虽然上面这个回答缺乏说服力，但是很形象，也提到了非常关键的因素——重力作用。这里，我们用一杯水来作研讨模型。杯子里的水是水分子的集合体，水分子在重力作用下都有下降的“趋势”。如果可能的话，可以把这杯水分成若干层。由于重力作用，下层的水分子总是受到上层水分子的压力，力是可以传递的，所以，越到最低层水分子受到压力越大。我们可以把“水杯模型”放大到江河湖海中去。已经有前人研究过，水在深度h处的压强P=ρgh，等号两边同时乘以有效受力面积S，有PS=ρgSh，PS（即压强×面积）为压力（即浮力F），Sh（即面积×高）为体积（即排水体积▽），则船在水中受到浮力F=ρg▽。因此，我们可以准确地来回答水为什么会产生浮力了，是因为重力作用形成的静水压力而产生浮力。一、船舶重心、浮心和稳心的定义船舶在任一装载情况下，漂浮于水面（或浸没于水中）一定位置时，是一个处于平衡状态的浮体。这时，作用在船上的力，有船舶本身的重力（Gravity），有前述提及的浮力（Buoyancy）。船体的重力包括船体构件、机电设备、货物、人员、行李、武备、弹药等重量形成的重力。船舶的重力W的作用点G成称为船舶的重心。船体浸水表面的每一点都受到水的静压力，这些静压力都垂直于船体表面，其大小随浸水深度增加而增加，如图1所示。可见，静水压力的水平分量互相抵消，垂直方向形成一个垂直向上的合力，这个合力就是浮力ω▽，它支撑船舶漂浮在一定位置。浮力的作用点B称为船舶的浮心。图1重心和浮心船舶在横倾φ角后，水线由正浮时的WL变成倾斜后的W1L1，浮心从原来的B沿某一曲线移动至B1，这时浮力的作用线垂直于W1L1，并与原正浮时的浮力作用线相交于M点（如图2所示）。当φ为小角度时，曲线BB⌒1可看作是圆弧的一段，M点为曲线BB⌒1的圆心，BM—=B1M—为曲线BB⌒1的半径。船舶在小角度倾斜过程中，可假定倾斜前后的浮力作用线均通过M点，因此，M点称为横稳心（或初稳心），BM—称为横稳心半径（或初稳心半径）。图2稳心和稳心半径二、船舶重心、浮心和稳心的关系根据阿基米德原理，船舶在水中受到的浮力在数值上等于它的排水量Δ。Δ=ω▽式中：Δ为船舶排水量（t），▽为船舶排水体积（m3），ω为水的重量密度（tf/m3），ω▽为浮力（tf，习惯上用质量单位t代替）。所以，浮心B也是船舶排水体积▽的形心（几何中心）。综上所述，船舶处于平衡状态（浮态）的条件是：（1）重力与浮力的大小相等而方向相反，即W=ω▽；（2）重心G和浮心B在同一铅垂线上；（3）船舶有正浮、横倾、纵倾、任意浮态4种浮态；（4）在各种浮态下，重心G在浮心B之上。船舶的重量、重心可根据总布置图和其他有关图纸及技术资料进行分析计算，排水量、浮心依据型线图和型值表进行分析计算。具体的计算方法比较复杂，可以参考有关专业书籍，这里不作介绍。船舶在水上航行时，总是受到风浪等外力的干扰，使其倾斜一个小角度，水线由正浮时的WL变成倾斜后的W1L1，船的重量在倾斜前后没有变化，船的重心保持在原来位置，船的重力大小等于其受到的浮力大小，数值上等于它的排水量Δ，所以船的排水体积大小也没有变化，但其水下体积形状发生了变化，故浮心的位置由原来的B点移到了B1点。此时，浮心和重心不再位于同一铅垂线上，浮力和重力就形成一个力偶，促使船舶回复到原来的平衡位置，如图3（a）所示。自重心G作直线GZ，垂直于通过B1的浮力作用线，则力偶的矩等于ΔGZ—，称为复原力矩，通常用MR表示，即MR=ΔGZ—，式中GZ—为复原力臂。造成船舶离开原来平衡位置的是倾斜力矩，它产生的原因图3船的横倾有风浪作用、货物移动、旅客集中于一舷、船舶回转等。若复原力矩与倾斜力矩的方向相反，则复原力矩起着抵抗倾斜力矩的作用，MR为正值。此时，一旦外力消失复原力矩能使船舶回复到原来正浮的平衡位置。若复原力矩与倾斜力矩的方向相同，则复原力矩反而促使船舶继续倾斜，此时MR为负值,如图3（b）所示。促使船舶回复到原来平衡位置的是复原力矩，其大小取决于排水量、重心和浮心的相对位置等因素。因此在倾斜力矩和复原力矩这一对矛盾中，前者是影响船舶稳性的外因，后者是内因。船舶稳性可分为初稳性（或称小倾角稳性）和大倾角稳性。初稳性（或称小倾角稳性）一般指倾斜角度小于10°-15°或上甲板边缘开始入水前（取其小者）的稳性。大倾角稳性一般指倾斜角度大于10°-15°或上甲板边缘开始入水后的稳性。船舶的倾斜可分为横倾和纵倾。由于船舶纵向尺度大，横向尺度小，船舶的纵倾一般都属于小角度情况，大角度倾斜一般只在横向倾斜时产生。而且，纵稳性高与船长为同一数量级，除浮吊等特种船舶外，一般不必考虑纵向稳性问题。前面我们已经知道，船舶横倾某一小角度φ时，如果船上的货物没有移动，则重心位置G保持不变，而浮心则自B点移至B1点，如图4（a）所示。此时重力W的作用点G和浮力Δ的作用点B1不在同一铅垂线上，因而产生了一个复原力矩MR，即MR=ΔGZ—=ΔGM—sinφ式（1）式中：GZ—为复原力臂，GM—为横稳性高，也称初稳性高。当横倾角度较小时，sinφ≈φ，上式可写成MR=ΔGM—φ式（2）式（1）或式（2）称为初稳性公式。从复原力矩MR和横倾方向（或从稳心M和重心G的相对位置）之间的关系，可以判断船舶平衡状态的稳定性能：（1）重心G在稳心M之下，则复原力矩MR的方向与横倾方向相反，当外力消失后，它能使船舶回复到原来的平衡状态，所以称为稳定平衡（如图4（a）），此时，GM—和MR都为正值；（2）重心G在稳心M之上，则复原力矩MR的方向与横倾方向相同，它使船舶继续倾斜而不再回复到原来的平衡状态，所以称为不稳定平衡（如图4（b）），此时，GM—和MR都为负值；（3）重心G与稳心M重合，GM—=0，MR=0，当外力消失后，船不会回复到原来的位置，也不会继续倾斜，称为中性平衡或随遇平衡（如图4（c））。图4重心和稳心的关系上面（2）、（3）两种情况下船舶的稳性得不到保障，是不允许出现的。从初稳性公式式（1）和式（2）中可以看出：船舶在一定排水量下产生小横倾时，横稳性高GM—越大，复原力矩MR也越大，也就是抵抗倾斜力矩的能力越强。因此，横稳性高GM—是衡量船舶初稳性的主要指标。但是，横稳性高过大的船舶，其摇摆周期短，在遇到风浪时会产生急剧的摇晃，故横稳性高的数值要选取适当。我国对不同种类的船舶的横稳性高都有限制性规定，例如，干货船的横稳性高应在0.3~1.0m。综上所述，船舶初稳性中最重要的问题是，弄清楚浮心B、重心G和稳心M的位置以及三者之间的关系，这里小结如下：初稳性高GM—是衡量船舶初稳性的重要指标，可写成GM—=KB—+BM—-KG—式（3）式中，K点为参考基点，KB—为浮心高度，BM—为初稳性半径，KG—为重心高度；令BG—=KG—-KB—为浮心和重心之间的距离，则上式也可写成GM—=BM—-BG—式（4）三、船舶“三心”的应用1.保证船舶具有一定的储备浮力。船舶在水面的漂浮能力是由储备浮力来保证的。所谓储备浮力是指满载水线以上主体水密部分的体积所能产生的浮力。船体损坏后，水进入舱室必然导致浮力损失，吃水增加，浮心上移，当储备浮力无法弥补浮力损失时，船就会沉没或搁浅。储备浮力根据船型、航区以及货种而定，内河驳船的储备浮力约为其满载排水量的10%-15%，海船约为50%，军舰在100%以上。为此，我国规定了国际航行海船、国内航行海船和河船的最小干舷、最小船首高度和载重线标志等的要求。2.在设计或航行时，保证船舶处于正浮状态或稍有尾倾。船舶处于正浮状态有利于船舶安全航行。只有船舶具有平稳性，船上各种机械和电气设备才能正常运转，也能延长其使用寿命。更重要的是，船舶处于正浮状态更能保证船舶稳性。如果船舶本身处于倾斜状态，在受到倾斜力矩或者大舵角操作时，就会加剧船舶倾斜，可能导致船舶倾覆。船舶适当尾倾可以提高螺旋桨推力的利用率，还可以减小船首水阻力。3.货物配积载时应考虑船舶稳性。为避免船舶装载方案确定后出现稳性不足的情况，驾驶人员注意合理配载货物，防止船舶重心过高，船舶初稳性高度过小，导致船舶复原力矩减小，船舶横摇周期增大。当船舶受到较小的外力矩作用，就会发生明显的摇晃，而且，倾斜过程相对缓慢。4.船舶初稳性高度的检验船舶停泊于水中，不存在风、水流、缆绳或锚链横向拉力条件下，该船排水量为Δ，处于无横倾状态，将船上重物P横向移动距离Y，精确测定因此引起的横倾角θ。由PY=ΔGM—tgθ，得GM—=PY/（Δtgθ），见图5。图5初稳性高度的检验