船舶靜力學(xué)基本原理.ppt

1、船舶靜力學(xué)基本原理,深海技術(shù)工程中心 盛其虎,主要內(nèi)容,1. 浮體六自由度運(yùn)動(dòng)和浮態(tài) 2. 浮體的浮力和力平衡方程 3. 浮力和浮態(tài)的關(guān)系 4. 浮體浮態(tài)的穩(wěn)定性 5. 數(shù)值積分的基本原理和常用方法,1. 浮體六自由度運(yùn)動(dòng)和浮態(tài),浮體具有六自由度運(yùn)動(dòng)，其中在垂蕩、橫搖、縱搖三個(gè)垂直面自由度上具有回復(fù)力，這三個(gè)自由度上的位移對(duì)船舶在靜水中的平衡具有重要意義。通常用這三個(gè)自由度上的位移來(lái)表示船體的浮態(tài)。,吃水T： 龍骨上表面到靜水面的垂向距離。 橫傾角f：yoz平面內(nèi)的角位移，右側(cè)下沉為正。 縱傾角q： xoz平面內(nèi)的角位移，船首下沉為正。 縱傾通常用縱傾值（艏艉的吃水差）來(lái)表示。 tanq=(T

2、F-TA)/Lpp,常見(jiàn)的浮態(tài)的描述 正浮狀態(tài)：橫傾角f=0，縱傾角q=0 橫傾狀態(tài)：縱傾角q=0 橫傾狀態(tài)：橫傾角f = 0 任意狀態(tài)：,2. 浮體的浮力和力平衡方程,船舶所受的力: 浮力：靜水對(duì)船體的壓力。等于船舶排開(kāi)水的重量，作用點(diǎn)在浮心位置 重力：地球?qū)Υ暗娜f(wàn)有引力。等于船體的總重量，作用點(diǎn)在重心位置 風(fēng)浪流載荷：海洋風(fēng)浪流等環(huán)境對(duì)船舶的影響 接觸載荷：拖曳力、進(jìn)塢、觸礁等情況下塢墩、礁石對(duì)船底的作用力等。 根據(jù)力的等效原則，可以將垂向載荷等效成過(guò)重心的重力和傾覆力矩，水平力和阻力形成傾覆力矩， 船舶在靜水的力平衡方程為：,W：船體總重量; D：排水量 Mtrim：縱傾力矩; Mhe

3、el：橫傾力矩 ltrim：縱傾回復(fù)力臂 lheel：橫傾恢復(fù)力臂,阿基米德原理：船舶的浮力等于船舶排開(kāi)水的重量，浮力作用點(diǎn)位于水下部分排水體積的形心位置。,當(dāng)外力矩為零時(shí)，船舶處于靜平衡狀態(tài)時(shí)的浮心和重心位置應(yīng)滿(mǎn)足以下方程：,浮心：(xB,yB,zB) 重心：(xG,yG,zG),3浮力和浮心的計(jì)算3.1 水線(xiàn)面積分,正浮狀態(tài)時(shí)，將船舶水下部分分成若干平行于設(shè)計(jì)水線(xiàn)面的薄層，每個(gè)薄層的體積為,浮心縱坐標(biāo),浮心垂向坐標(biāo),或,排水體積,此式的數(shù)值積分精度較高,水線(xiàn)面面積,3.2 浮力、浮心關(guān)于吃水的導(dǎo)數(shù),浮心縱坐標(biāo)的變化率,浮心垂向坐標(biāo)的變化率,排水量隨吃水的變化量,dz=1cm,TPC表示每厘

4、米吃水噸數(shù),TzB,因此ZB隨吃水的增加單調(diào)遞增,若xFxB,則xB隨吃水的增加而減??； 否則xB隨吃水的增加而增大,近似估算公式：,3.3 排水體積的橫剖面積分,將船舶水下部分體積橫向剖分：（縱傾狀態(tài)）,排水體積：,浮心坐標(biāo)：,橫剖面面積,橫剖面關(guān)于基線(xiàn)的靜矩,3.4 等體積傾斜水線(xiàn) 傾角變化對(duì)浮心位置的影響,基本假定: 小角度橫傾，舷側(cè)為直壁（正浮時(shí)舷側(cè)垂直于水線(xiàn)面）。傾斜過(guò)程只受外力矩作用，傾斜時(shí)排水體積保持不變。,橫傾時(shí)的等體積傾斜水線(xiàn): 假設(shè)橫傾時(shí)水線(xiàn)面繞平行于x軸的直線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，新水線(xiàn)面與原水線(xiàn)面交線(xiàn)為y=y0,z=T。傾斜后排水體積增量為：,y,因此：y0=0，傾斜水線(xiàn)與正浮水線(xiàn)的交

5、線(xiàn)過(guò)漂心,縱傾時(shí)等體積傾斜水線(xiàn)： 縱傾水線(xiàn)與原水線(xiàn)交線(xiàn)平行與y軸，縱坐標(biāo)為x0,取任意一個(gè)橫剖面，傾斜前后橫剖面水線(xiàn)增量為：,排水體積增量：,結(jié)論：小角度傾斜時(shí)，等體積傾斜水線(xiàn)與正浮水線(xiàn)的交線(xiàn)過(guò)漂心。,水線(xiàn)面關(guān)于y軸的靜矩,水線(xiàn)面漂心縱坐標(biāo),3.5 浮心移動(dòng)軌跡與穩(wěn)心半徑,當(dāng)船舶小角度橫傾時(shí)，橫剖面 入水部分形心： 出水部分形心： 等體積傾斜的浮心變化,任意橫傾角時(shí)：,橫傾慣性矩,傾斜角變化很小時(shí)，浮心移動(dòng)軌跡近似為圓，軌跡圓圓心稱(chēng)為穩(wěn)心，用符號(hào)M表示。軌跡圓的半徑稱(chēng)為穩(wěn)性半徑。橫穩(wěn)性半徑：,縱傾時(shí)也有類(lèi)似的結(jié)論，縱穩(wěn)性半徑,其中水線(xiàn)面的縱傾慣性矩,橫傾慣性矩,4. 浮態(tài)的穩(wěn)定性,浮體的穩(wěn)性是指在外力矩作用下偏離平衡位置，外力據(jù)消失后，浮體能回到原平衡位置的能力。 浮體的靜