船舶“三心”講稿[共15頁]_第1頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、淺談船舶的重心、浮心和穩(wěn)心船舶為什么能漂浮在水上?答:因?yàn)樗懈×?。那?水為什么會(huì)產(chǎn)生浮力?一般說來,流體(氣體和液體)在重力作用下會(huì)給浸沒在其中的物體一個(gè)浮力。就好比一個(gè)受到“外敵”入侵的群體一樣,這個(gè)群體會(huì)有“抵抗情緒”,不會(huì)輕易讓出空間給“異類” 。雖然上面這個(gè)回答缺乏說服力, 但是很形象, 也提到了非常關(guān)鍵的因素重力作用。這里,我們用一杯水來作研討模型。杯子里的水是水分子的集合體,水分子在重力作用下都有下降的“趨勢(shì)” 。如果可能的話,可以把這杯水分成若干層。由于重力作用,下層的水分子總是受到上層水分子的壓力,力是可以傳遞的,所以,越到最低層水分子受到壓力越大。 我們可以把 “水杯模型

2、” 放大到江河湖海中去。已經(jīng)有前人研究過,水在深度 h 處的壓強(qiáng) P=g h,等號(hào)兩邊同時(shí)乘以有效受力面積 S,有 PS=gSh,PS(即壓強(qiáng) 面積)為壓力(即浮力F),Sh(即面積 高)為體積(即排水體積 ),則船在水中受到浮力 F=g 。因此,我們可以準(zhǔn)確地來回答水為什么會(huì)產(chǎn)生浮力了, 是因?yàn)橹亓ψ饔眯纬傻撵o水壓力而產(chǎn)生浮力。一、船舶重心、浮心和穩(wěn)心的定義船舶在任一裝載情況下,漂浮于水面(或浸沒于水中)一定位臵時(shí),是一個(gè)處于平衡狀態(tài)的浮體。這時(shí),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)。船體的重力包括船體構(gòu)件、 機(jī)電設(shè)備、 貨物、人員、

3、 行李、武備、彈藥等重量形成的重力。 船舶的重力 W的作用點(diǎn) G成稱為船舶的 重心。船體浸水表面的每一點(diǎn)都受到水的靜壓力, 這些靜壓力都垂直于船體表面,其大小隨浸水深度增加而增加,如圖 1 所示??梢?靜水壓力的水平分量互相抵消, 垂直方向形成一個(gè)垂直向上的合力, 這個(gè)合力就是浮力 ,它支撐船舶漂浮在一定位臵。 浮力的作用點(diǎn) B稱為船舶的 浮心。圖 1 重心和浮心船舶在橫傾角后,水線由正浮時(shí)的 WL變成傾斜后的 W1L1,浮心從原來的 B 沿某一曲線移動(dòng)至 B1,這時(shí)浮力的作用線垂直于 W1L1,并與原正浮時(shí)的浮力作用線相交于 M點(diǎn)(如圖 2 所示)。當(dāng)為小角 度時(shí),曲線B B1 可看作是圓弧

4、的一段, M點(diǎn)為曲線BB1 的圓心,BM=B1M為 曲線BB1 的半徑。船舶在小角度傾斜過程中,可假定傾斜前后的浮力 作用線均通過M點(diǎn),因此, M點(diǎn)稱為橫穩(wěn)心 (或初穩(wěn)心 ),BM稱為橫穩(wěn)心半徑 (或 初穩(wěn)心半徑 )。圖2穩(wěn)心和穩(wěn)心半徑二、 船舶重心、浮心和穩(wěn)心的關(guān)系根據(jù)阿基米德原理, 船舶在水中受到的浮力在數(shù)值上等于它的排水量 。=式中: 為船舶排水量( t),為船舶排水體積( m3),為水的重量密度( tf/m3),為浮力( tf ,習(xí)慣上用質(zhì)量單位 t 代替)。所以,浮心 B 也是船舶排水體積的形心 (幾何中心)。綜上所述,船舶處于平衡狀態(tài)(浮態(tài))的條件是:(1)重力與浮力的大小相等而方

5、向相反,即 W=;(2)重心 G和浮心 B在同一鉛垂線上;(3)船舶有正浮、橫傾、縱傾、任意浮態(tài) 4 種浮態(tài);(4)在各種浮態(tài)下,重心 G在浮心 B之上。船舶的重量、 重心可根據(jù)總布臵圖和其他有關(guān)圖紙及技術(shù)資料進(jìn)行分析計(jì)算,排水量、浮心依據(jù)型線圖和型值表進(jìn)行分析計(jì)算。具體的計(jì)算方法比較復(fù)雜,可以參考有關(guān)專業(yè)書籍,這里不作介紹。船舶在水上航行時(shí), 總是受到風(fēng)浪等外力的干擾, 使其傾斜一個(gè)小角度,水線由正浮時(shí)的 WL變成傾斜后的 W1L1,船的重量在傾斜前后沒有變化, 船的重心保持在原來位臵, 船的重力大小等于其受到的浮力大小,數(shù)值上等于它的排水量 ,所以船的排水體積大小也沒有變化,但其水下體積形

6、狀發(fā)生了變化,故浮心的位臵由原來的 B 點(diǎn)移到了 B1 點(diǎn)。此時(shí),浮心和重心不再位于同一鉛垂線上,浮力和重力就形成一個(gè)力偶,促使船舶回復(fù)到原來的平衡位臵,如圖 3(a)所示。自重心 G 作直線 GZ,垂直于通過 B1 的浮力作用線,則力偶 的矩等于 GZ,稱為 復(fù)原力矩 ,通常用 MR表示, 即 MR=GZ,式中GZ為復(fù)原力臂。 造成船舶離開原來平衡位臵的是 傾斜力矩 ,它產(chǎn)生的原因圖 3 船的橫傾有風(fēng)浪作用、貨物移動(dòng)、旅客集中于一舷、船舶回轉(zhuǎn)等。若復(fù)原力矩與傾斜力矩的方向相反,則復(fù)原力矩起著抵抗傾斜力矩的作用, MR為正值。 此時(shí), 一旦外力消失復(fù)原力矩能使船舶回復(fù)到原來正浮的平衡位臵。若復(fù)

7、原力矩與傾斜力矩的方向相同, 則復(fù)原力矩反而促使船舶繼續(xù)傾斜,此時(shí) MR為負(fù)值, 如圖 3(b)所示。促使船舶回復(fù)到原來平衡位臵的是 復(fù)原力矩 ,其大小取決于排水量、 重心和浮心的相對(duì)位臵等因素。 因此在傾斜力矩和復(fù)原力矩這一對(duì)矛盾中, 前者是影響船舶穩(wěn)性的外因,后者是內(nèi)因。船舶穩(wěn)性可分為初穩(wěn)性(或稱小傾角穩(wěn)性)和大傾角穩(wěn)性。初穩(wěn)性(或稱小傾角穩(wěn)性)一般指傾斜角度小于 10 -15 或上甲板邊緣開始入水前(取其小者)的穩(wěn)性。大傾角穩(wěn)性一般指傾斜角度大于10 -15 或上甲板邊緣開始入水后的穩(wěn)性。船舶的傾斜可分為橫傾和縱傾。由于船舶縱向尺度大,橫向尺度小,船舶的縱傾一般都屬于小角度情況,大角度傾

8、斜一般只在橫向傾斜時(shí)產(chǎn)生。而且,縱穩(wěn)性高與船長(zhǎng)為同一數(shù)量級(jí), 除浮吊等特種船舶外, 一般不必考慮縱向穩(wěn)性問題。前面我們已經(jīng)知道, 船舶橫傾某一小角度時(shí), 如果船上的貨物沒有移動(dòng), 則重心位臵 G保持不變, 而浮心則自 B點(diǎn)移至 B1 點(diǎn),如圖4(a)所示。此時(shí)重力 W的作用點(diǎn) G和浮力 的作用點(diǎn) B1 不在同一鉛垂線上,因而產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)原力矩 MR,即 MR=GZ=GMsin 式(1) 式中:GZ為復(fù)原力臂, GM為橫穩(wěn)性高,也稱初穩(wěn)性高。當(dāng)橫傾角度較小時(shí), sin ,上式可寫成MR=GM 式( 2)式(1)或式( 2)稱為初穩(wěn)性公式。從復(fù)原力矩 MR 和橫傾方向 (或從穩(wěn)心 M和重心 G的相

9、對(duì)位臵) 之間的關(guān)系,可以判斷船舶平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性能:(1)重心 G在穩(wěn)心 M之下,則復(fù)原力矩 MR 的方向與橫傾方向相反,當(dāng)外力消失后,它能使船舶回復(fù)到原來的平衡狀態(tài),所以稱為穩(wěn)定平衡(如圖4(a), 此時(shí), GM和 MR都為正值;(2)重心 G在穩(wěn)心 M之上,則復(fù)原力矩 MR 的方向與橫傾方向相同,它使船舶繼續(xù)傾斜而不再回復(fù)到原來的平衡狀態(tài), 所以稱為不穩(wěn)定平衡(如圖4(b), 此時(shí), GM和 MR都為負(fù)值;(3)重心 G與穩(wěn)心 M重合,GM=0,MR=0,當(dāng)外力消失后,船不會(huì)回復(fù)到原來的位臵, 也不會(huì)繼續(xù)傾斜,稱為中性平衡或隨遇平衡 (如圖4(c)。圖4 重心和穩(wěn)心的關(guān)系上面( 2)、(

10、3)兩種情況下船舶的穩(wěn)性得不到保障,是不允許出現(xiàn)的。從初穩(wěn)性公式式( 1)和式(2)中可以看出:船舶在一定排水量下產(chǎn)生小橫傾時(shí),橫穩(wěn)性高 GM越大,復(fù)原力矩 MR也越大,也就是抵 抗傾斜力矩的能力越強(qiáng)。因此,橫穩(wěn)性高 GM是衡量船舶初穩(wěn)性的主要指標(biāo)。但是,橫穩(wěn)性高過大的船舶,其搖擺周期短,在遇到風(fēng)浪時(shí)會(huì)產(chǎn)生急劇的搖晃, 故橫穩(wěn)性高的數(shù)值要選取適當(dāng)。 我國(guó)對(duì)不同種類的船舶的橫穩(wěn)性高都有限制性規(guī)定,例如,干貨船的橫穩(wěn)性高應(yīng)在0.3 1.0m。綜上所述,船舶初穩(wěn)性中最重要的問題是,弄清楚浮心 B、重心G和穩(wěn)心 M的位臵以及三者之間的關(guān)系,這里小結(jié)如下: 初穩(wěn)性高 GM是衡量船舶初穩(wěn)性的重要指標(biāo),可寫

11、成 GM=KB+BM-KG 式(3) 式中,K點(diǎn)為參考基點(diǎn), K B為浮心高度, B M為初穩(wěn)性半徑, KG為重心高度; 令BG=KG-KB為浮心和重心之間的距離,則上式也可寫成 GM=BM-BG 式(4)三、船舶“三心”的應(yīng)用1. 保證船舶具有一定的儲(chǔ)備浮力。船舶在水面的漂浮能力是由儲(chǔ)備浮力來保證的。 所謂儲(chǔ)備浮力是指滿載水線以上主體水密部分的體積所能產(chǎn)生的浮力。船體損壞后,水進(jìn)入艙室必然導(dǎo)致浮力損失,吃水增加,浮心上移,當(dāng)儲(chǔ)備浮力無法彌補(bǔ)浮力損失時(shí),船就會(huì)沉沒或擱淺。儲(chǔ)備浮力根據(jù)船型、航區(qū)以及貨種而定,內(nèi)河駁船的儲(chǔ)備浮力約為其滿載排水量的 10%-15%,海船約為 50%,軍艦在 100%

12、以上。為此,我國(guó)規(guī)定了國(guó)際航行海船、國(guó)內(nèi)航行海船和河船的最小干舷、最小船首高度和載重線標(biāo)志等的要求。2. 在設(shè)計(jì)或航行時(shí),保證船舶處于正浮狀態(tài)或稍有尾傾。船舶處于正浮狀態(tài)有利于船舶安全航行。只有船舶具有平穩(wěn)性,船上各種機(jī)械和電氣設(shè)備才能正常運(yùn)轉(zhuǎn), 也能延長(zhǎng)其使用壽命。 更重要的是,船舶處于正浮狀態(tài)更能保證船舶穩(wěn)性。 如果船舶本身處于傾斜狀態(tài),在受到傾斜力矩或者大舵角操作時(shí),就會(huì)加劇船舶傾斜,可能導(dǎo)致船舶傾覆。 船舶適當(dāng)尾傾可以提高螺旋槳推力的利用率, 還可以減小船首水阻力。3. 貨物配積載時(shí)應(yīng)考慮船舶穩(wěn)性。為避免船舶裝載方案確定后出現(xiàn)穩(wěn)性不足的情況, 駕駛?cè)藛T注意合理配載貨物,防止船舶重心過高,船舶初穩(wěn)性高度過小,

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