船舶“三心”講稿子

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×ΑＤ敲?，水為什么?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

2、以把“水杯模型” 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=p gh等號(hào)兩邊同時(shí)乘以 有效受力面積S,有PS=P Sh，PS（即壓強(qiáng)X面積）為壓力（即浮力 F）, Sh （即面積x高）為體積（即排水體積 ）,則船在水中受到浮 力 F= pg。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?力作用形成的靜水壓力而產(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）一定位置 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)

3、備、貨物、人員、行、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3 ，它支撐船舶漂浮在一定位置。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WLi，浮 心從原來的B沿某一曲線移動(dòng)至B,這時(shí)浮力的作用線垂直于 WLi, 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BB可看作是圓弧的一段，

4、M點(diǎn)為曲線BB的圓心，BM=B1M為 曲線BB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Ao二 3 式中：為船舶排水量（t）, 為船舶排水體積（m3）, 3為水的 重量密度（tf/m 3）, 3 為浮力（tf，習(xí)慣上用質(zhì)量單位t代替）o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向相反，即 W=3 ；(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

5、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)總布置圖和其他有關(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WL,船的重量在傾斜前 后沒有變化，船的重心保持在原來位置，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，但其水下體積形狀發(fā)生了變化，故浮心的位置由原來的B點(diǎn)移到了 Bi點(diǎn)。此時(shí)，浮心和重心不再位于同一鉛垂線上，浮力和重

6、 力就形成一個(gè)力偶，促使船舶回復(fù)到原來的平衡位置，如圖3 (a)所示。自重心G作直線GZ,垂直于通過Bi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MI=GZ式中GZ為 復(fù)原力臂。造成船舶離開原來平衡位置的是傾斜力矩，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 衡位置。若復(fù)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 來平衡位置的是

7、復(fù)原力矩 ，其大小取決于排水量、 重心和浮心的相對(duì) 位置等因素。 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，大角度傾斜一般只在橫向傾斜時(shí)產(chǎn)生。而且，縱穩(wěn)性高 與船長為同一數(shù)量級(jí)， 除浮吊等特種船

8、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)，則重心位置G保持不變，而浮心則自B點(diǎn)移至Bi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)B不在同一 鉛垂線上，因而產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)原力矩 即M=GZ= GMsi n©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上式可寫成式（2）MR= AGM ©式（1）或式（2）稱為初穩(wěn)性公式。從復(fù)原力矩Ml和橫傾方向（或從穩(wěn)心M和重心G的相對(duì)位置）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)

9、原力矩 M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Ml都為正值；（2）重心G在穩(wěn)心M之上，則復(fù)原力矩 M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，M=0，當(dāng)外力消失后，船不 會(huì)回復(fù)到原來的位置，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）、（ 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

10、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的位置以及三者之間的關(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)，可寫成GM=KB+BM-KG式（3）式中，K點(diǎn)為參考基點(diǎn)，KB為孚心高度，BM為初穩(wěn)性半徑，K助重心 高度；令BG

11、=KGKB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，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%以上。為此，我國規(guī)定了國際航行海船、國航 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，導(dǎo)