船舶靜力學(xué)第4章 大傾角穩(wěn)性(1)

1、1 靜力學(xué)第四章靜力學(xué)第四章 大傾角穩(wěn)性大傾角穩(wěn)性 4-1 4-1 概述概述 一、研究方法一、研究方法 1、仍然是研究船舶傾斜后產(chǎn)生復(fù)原力矩以阻、仍然是研究船舶傾斜后產(chǎn)生復(fù)原力矩以阻 止其傾覆的能力，而且著重研究復(fù)原力矩隨橫止其傾覆的能力，而且著重研究復(fù)原力矩隨橫 傾角變化的能力；傾角變化的能力； 2、假定船舶處于靜水中，水線面為一水平平、假定船舶處于靜水中，水線面為一水平平 面，并且不考慮橫傾與縱傾之間的耦合作用。面，并且不考慮橫傾與縱傾之間的耦合作用。 2 是確定復(fù)原力矩的大是確定復(fù)原力矩的大 小，而求復(fù)原力矩的小，而求復(fù)原力矩的 關(guān)鍵是確定船舶在橫關(guān)鍵是確定船舶在橫 傾后的浮心位置。有傾

2、后的浮心位置。有 兩種方法：兩種方法： 1、利用傾斜水線計(jì)算、利用傾斜水線計(jì)算 橫傾后的浮心位置。橫傾后的浮心位置。 2、利用重心移動(dòng)原理、利用重心移動(dòng)原理 計(jì)算傾斜后浮心位置計(jì)算傾斜后浮心位置 的移動(dòng)距離。的移動(dòng)距離。 二、關(guān)鍵問題二、關(guān)鍵問題 3 三、復(fù)原力臂隨傾斜角的變化三、復(fù)原力臂隨傾斜角的變化 4 四、大傾角時(shí)的靜穩(wěn)性臂四、大傾角時(shí)的靜穩(wěn)性臂 5 五、靜穩(wěn)性臂曲線圖五、靜穩(wěn)性臂曲線圖 6 求得船舶在橫求得船舶在橫 傾后浮力作用傾后浮力作用 線的位置就可線的位置就可 方便地進(jìn)行靜方便地進(jìn)行靜 穩(wěn)性曲線的計(jì)穩(wěn)性曲線的計(jì) 算。算。 4-2 靜穩(wěn)性曲線的變排水量法靜穩(wěn)性曲線的變排水量法 7

3、一一 基基 本本 原原 理理 8 船舶傾斜后水線下的排水體積：船舶傾斜后水線下的排水體積： 根據(jù)合力矩原理，有：根據(jù)合力矩原理，有： 9 浮力作用線至軸線浮力作用線至軸線N-N的距離：的距離： 10 11 的計(jì)算：的計(jì)算： 12 浮力作用線浮力作用線 至重力作用至重力作用 線（通過假線（通過假 定重心定重心S）的）的 水平距離：水平距離： 13 14 的計(jì)算：的計(jì)算： 15 同理可得：同理可得： 16 入水小三角形的入水小三角形的 面積對(duì)面積對(duì)N-N軸線軸線 的面積靜矩為：的面積靜矩為： 17 沿船長(zhǎng)沿船長(zhǎng)L積分得微楔體對(duì)積分得微楔體對(duì)N-N軸線的軸線的 體積靜矩為：體積靜矩為： 整個(gè)入水楔形

4、對(duì)整個(gè)入水楔形對(duì)N-N軸體積靜矩為：軸體積靜矩為： 18 整個(gè)出水楔形對(duì)整個(gè)出水楔形對(duì)N-N軸體積靜矩為：軸體積靜矩為： 式中式中 為為 水線面對(duì)水線面對(duì) N-N軸的面軸的面 積慣性矩積慣性矩 。 19 三、三、 穩(wěn)性穩(wěn)性 插值插值 曲線曲線 20 四、穩(wěn)性橫截曲線圖四、穩(wěn)性橫截曲線圖 21 五、靜穩(wěn)性曲線五、靜穩(wěn)性曲線 計(jì)算不同橫傾角時(shí)的靜穩(wěn)性臂計(jì)算不同橫傾角時(shí)的靜穩(wěn)性臂 l，據(jù)此可以繪制船舶在某一，據(jù)此可以繪制船舶在某一 排水量（即某一裝載情況下）排水量（即某一裝載情況下） 時(shí)的靜穩(wěn)性曲線。時(shí)的靜穩(wěn)性曲線。 22 一、基本原理一、基本原理 首先確定各傾角的等體積傾斜水線，然后分首先確定各傾

5、角的等體積傾斜水線，然后分 別計(jì)算這些水線下的浮心位置，在計(jì)算各傾別計(jì)算這些水線下的浮心位置，在計(jì)算各傾 角下的復(fù)原力臂并繪制該排水量時(shí)的靜穩(wěn)性角下的復(fù)原力臂并繪制該排水量時(shí)的靜穩(wěn)性 曲線。曲線。 4-3 靜穩(wěn)性曲線的等排水量法靜穩(wěn)性曲線的等排水量法 二、具體計(jì)算方法二、具體計(jì)算方法 反復(fù)試算，以確定某一傾角下的等體積傾斜反復(fù)試算，以確定某一傾角下的等體積傾斜 水線。水線。 23 4-4 上層建筑與自由液面對(duì)靜穩(wěn)性上層建筑與自由液面對(duì)靜穩(wěn)性 曲線的影響曲線的影響 24 25 26 自由液面對(duì)靜穩(wěn)性曲線的影響自由液面對(duì)靜穩(wěn)性曲線的影響 27 自由液面產(chǎn)生了一個(gè)傾斜力矩自由液面產(chǎn)生了一個(gè)傾斜力矩

6、船舶的實(shí)際復(fù)原力矩船舶的實(shí)際復(fù)原力矩 28 29 結(jié)論：結(jié)論： 在接近滿艙或空艙時(shí)，自由液面對(duì)穩(wěn)性的影響在接近滿艙或空艙時(shí)，自由液面對(duì)穩(wěn)性的影響 很??；但在半艙時(shí)，其影響較大。很小；但在半艙時(shí)，其影響較大。 在穩(wěn)性計(jì)算中，應(yīng)把影響最大的情況作為進(jìn)行在穩(wěn)性計(jì)算中，應(yīng)把影響最大的情況作為進(jìn)行 修正的依據(jù)。修正的依據(jù)。 30 4-5 靜穩(wěn)性曲線的特征靜穩(wěn)性曲線的特征 31 一、一、 靜穩(wěn)性曲線的特征靜穩(wěn)性曲線的特征 1 1、靜穩(wěn)性曲線在原點(diǎn)處的斜率等于初穩(wěn)性、靜穩(wěn)性曲線在原點(diǎn)處的斜率等于初穩(wěn)性 高。常用此特性來繪制或檢驗(yàn)靜穩(wěn)性曲線高。常用此特性來繪制或檢驗(yàn)靜穩(wěn)性曲線 的起始階段。的起始階段。 32

7、2 2、靜穩(wěn)性曲線的最高點(diǎn)、靜穩(wěn)性曲線的最高點(diǎn)B B的縱坐標(biāo)值是船的縱坐標(biāo)值是船 舶在橫傾過程中所具有的最大復(fù)原力矩（舶在橫傾過程中所具有的最大復(fù)原力矩（ 或復(fù)原力臂），表示船舶所能承受的最大或復(fù)原力臂），表示船舶所能承受的最大 靜態(tài)橫傾力矩。其對(duì)應(yīng)的橫傾角（靜態(tài)橫傾力矩。其對(duì)應(yīng)的橫傾角（B B點(diǎn)的橫點(diǎn)的橫 坐標(biāo)值）稱為極限靜傾角。坐標(biāo)值）稱為極限靜傾角。 33 3 3、船舶在恒定靜橫傾力矩作用下一般有兩個(gè)、船舶在恒定靜橫傾力矩作用下一般有兩個(gè) 平衡位置，分別處于橫傾力矩與靜穩(wěn)性曲線平衡位置，分別處于橫傾力矩與靜穩(wěn)性曲線 的上升段和下降段的交點(diǎn)。在上升段的交點(diǎn)的上升段和下降段的交點(diǎn)。在上升段的

8、交點(diǎn) 為穩(wěn)定平衡位置，在下降段的交點(diǎn)為不穩(wěn)定為穩(wěn)定平衡位置，在下降段的交點(diǎn)為不穩(wěn)定 平衡位置。平衡位置。 34 4 4、復(fù)原力矩等于零的點(diǎn)、復(fù)原力矩等于零的點(diǎn)D D對(duì)應(yīng)的橫傾角稱為對(duì)應(yīng)的橫傾角稱為 穩(wěn)性消失角，原點(diǎn)到穩(wěn)性消失角，原點(diǎn)到D D的距離稱為穩(wěn)矩。在穩(wěn)的距離稱為穩(wěn)矩。在穩(wěn) 矩范圍內(nèi)，復(fù)原力矩為正值；超出穩(wěn)矩范圍矩范圍內(nèi)，復(fù)原力矩為正值；超出穩(wěn)矩范圍 ，復(fù)原力矩為負(fù)值，使船無復(fù)原可能而繼續(xù)，復(fù)原力矩為負(fù)值，使船無復(fù)原可能而繼續(xù) 傾斜至傾覆；傾斜至傾覆； 35 5 5、靜穩(wěn)性曲線下的面積越大，船舶所具有可、靜穩(wěn)性曲線下的面積越大，船舶所具有可 抵抗橫傾力矩的位能就越大，即船舶的穩(wěn)性抵抗橫傾

9、力矩的位能就越大，即船舶的穩(wěn)性 就越好。就越好。 36 一、基本概念一、基本概念 4-6 動(dòng)穩(wěn)性動(dòng)穩(wěn)性 37 1、船舶在傾斜和復(fù)原過程中的運(yùn)動(dòng)情況、船舶在傾斜和復(fù)原過程中的運(yùn)動(dòng)情況 38 2、傾斜過程中船舶的往復(fù)擺動(dòng)、傾斜過程中船舶的往復(fù)擺動(dòng) 39 3、動(dòng)傾角、動(dòng)傾角 只有當(dāng)外力矩只有當(dāng)外力矩 所作的功完全所作的功完全 由復(fù)原力矩所由復(fù)原力矩所 作的功抵消時(shí)作的功抵消時(shí) ，船的角速度，船的角速度 才變?yōu)榱愣２抛優(yōu)榱愣?止傾斜。根據(jù)止傾斜。根據(jù) 這個(gè)原理，確這個(gè)原理，確 定定動(dòng)傾角。動(dòng)傾角。 40 回復(fù)力矩所做的功是衡量船舶動(dòng)穩(wěn)性的重回復(fù)力矩所做的功是衡量船舶動(dòng)穩(wěn)性的重 要指標(biāo)。船舶動(dòng)穩(wěn)性是

10、以回復(fù)力矩所做的要指標(biāo)。船舶動(dòng)穩(wěn)性是以回復(fù)力矩所做的 功來表達(dá)的。功來表達(dá)的。 4、靜穩(wěn)性和動(dòng)穩(wěn)性的特點(diǎn)、靜穩(wěn)性和動(dòng)穩(wěn)性的特點(diǎn) 回復(fù)力矩是衡量船舶靜穩(wěn)性的重要指標(biāo)?；貜?fù)力矩是衡量船舶靜穩(wěn)性的重要指標(biāo)。 船舶靜穩(wěn)性是以回復(fù)力矩來表達(dá)的。船舶靜穩(wěn)性是以回復(fù)力矩來表達(dá)的。 41 二、動(dòng)穩(wěn)性曲線二、動(dòng)穩(wěn)性曲線 復(fù)原力矩所復(fù)原力矩所 作的功：作的功： 42 復(fù)原力矩所復(fù)原力矩所 作的功又可作的功又可 寫成：寫成： 43 動(dòng)穩(wěn)性曲動(dòng)穩(wěn)性曲 線與靜穩(wěn)線與靜穩(wěn) 性曲線的性曲線的 關(guān)系：關(guān)系：動(dòng)動(dòng) 穩(wěn)性曲線穩(wěn)性曲線 是靜穩(wěn)性是靜穩(wěn)性 曲線的積曲線的積 分曲線。分曲線。 44 三、靜穩(wěn)性和動(dòng)穩(wěn)性曲線的應(yīng)用三、靜穩(wěn)

11、性和動(dòng)穩(wěn)性曲線的應(yīng)用 1、動(dòng)傾角的、動(dòng)傾角的 確定確定 45 1）利用靜穩(wěn)性曲線確定）利用靜穩(wěn)性曲線確定 46 2）利用動(dòng)穩(wěn)性）利用動(dòng)穩(wěn)性 曲線確定曲線確定 當(dāng)傾角為當(dāng)傾角為1 弧度時(shí)，弧度時(shí)， 動(dòng)傾力矩動(dòng)傾力矩 所作的功所作的功 在數(shù)值上在數(shù)值上 與力矩相與力矩相 等。等。 47 2、求極限動(dòng)傾力矩和極限動(dòng)傾角、求極限動(dòng)傾力矩和極限動(dòng)傾角 1） 利用利用 靜穩(wěn)靜穩(wěn) 性曲性曲 線確線確 定定 48 2）利用動(dòng)穩(wěn)性曲線確定）利用動(dòng)穩(wěn)性曲線確定 49 3、風(fēng)浪聯(lián)合作用下，極限動(dòng)傾力矩、風(fēng)浪聯(lián)合作用下，極限動(dòng)傾力矩 和極限動(dòng)傾角和極限動(dòng)傾角 50 51 1）利用靜穩(wěn)性曲線確定）利用靜穩(wěn)性曲線確定 5

12、2 1）利用動(dòng)穩(wěn)性曲線確定）利用動(dòng)穩(wěn)性曲線確定 53 在風(fēng)在風(fēng) 浪作浪作 用下用下 的穩(wěn)的穩(wěn) 性曲性曲 線線 54 船舶能承受的三種最大傾斜力矩船舶能承受的三種最大傾斜力矩 55 1）外力矩一般是隨橫傾角變化的，特別是風(fēng)力）外力矩一般是隨橫傾角變化的，特別是風(fēng)力 矩，多半隨橫傾角的增大而減小。前面的討論矩，多半隨橫傾角的增大而減小。前面的討論 都是假定外力矩是不隨橫傾角變化的定值（中都是假定外力矩是不隨橫傾角變化的定值（中 國(guó)和日本的規(guī)范都是這樣處理），且往往取可國(guó)和日本的規(guī)范都是這樣處理），且往往取可 能的最大值，這樣選取在實(shí)用上偏于安全。能的最大值，這樣選取在實(shí)用上偏于安全。 4、特別說明

13、、特別說明 2）如果選外力矩為定值，則用動(dòng)穩(wěn)性曲線求解）如果選外力矩為定值，則用動(dòng)穩(wěn)性曲線求解 比用靜穩(wěn)性曲線方便。比用靜穩(wěn)性曲線方便。 3）如果選外力矩為變值，則用靜穩(wěn)性曲線求解）如果選外力矩為變值，則用靜穩(wěn)性曲線求解 比用動(dòng)穩(wěn)性曲線方便。比用動(dòng)穩(wěn)性曲線方便。 56 1 1）進(jìn)水角：）進(jìn)水角：船舶傾斜時(shí)，使船舶最先進(jìn)水的那船舶傾斜時(shí)，使船舶最先進(jìn)水的那 個(gè)非水密開口處的傾斜角度，稱為進(jìn)水角。個(gè)非水密開口處的傾斜角度，稱為進(jìn)水角。 四、進(jìn)水角與進(jìn)水角曲線四、進(jìn)水角與進(jìn)水角曲線 57 1 1）船舶的進(jìn)水角隨排水體積的變化而變化，進(jìn)）船舶的進(jìn)水角隨排水體積的變化而變化，進(jìn) 水角隨排水體積變化的曲線

14、稱為進(jìn)水角曲線。水角隨排水體積變化的曲線稱為進(jìn)水角曲線。 2、進(jìn)水角曲線、進(jìn)水角曲線 58 2 2）有進(jìn)）有進(jìn) 水角時(shí)水角時(shí) ，船舶，船舶 最小傾最小傾 覆力矩覆力矩 的確定的確定 方法。方法。 59 一、穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)一、穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K 4-7 船舶穩(wěn)性校核計(jì)算船舶穩(wěn)性校核計(jì)算 穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K是對(duì)船舶穩(wěn)性重要基本的要求是對(duì)船舶穩(wěn)性重要基本的要求 之一。規(guī)則規(guī)定：船舶在所核算的各種裝之一。規(guī)則規(guī)定：船舶在所核算的各種裝 載情況下的穩(wěn)性，應(yīng)滿足：載情況下的穩(wěn)性，應(yīng)滿足： 60 1、最小傾覆力矩（最小傾覆力臂）的計(jì)算、最小傾覆力矩（最小傾覆力臂）的計(jì)算 最小傾覆力矩（最小傾覆力臂）是根據(jù)最小傾覆力矩（最小傾覆力臂）是根據(jù) 靜穩(wěn)性曲線或動(dòng)穩(wěn)性曲線以及橫搖角來靜穩(wěn)性曲線或動(dòng)穩(wěn)性曲線以及橫搖角來 確定的。關(guān)鍵是計(jì)算橫搖角。確定的。關(guān)鍵是計(jì)算橫搖角。 計(jì)算時(shí)使用的穩(wěn)性曲線必須經(jīng)過自由液計(jì)算時(shí)使用的穩(wěn)性曲線必須經(jīng)過自由液 面修正和考慮進(jìn)水角影響后的曲線。面修正和考慮進(jìn)水角影響后的曲線。 61 橫搖角的計(jì)算：橫搖角的計(jì)算： 根據(jù)圖形查得根據(jù)圖形查得 62 63 2、最小風(fēng)傾力矩（最小風(fēng)傾力臂）的計(jì)算、最小風(fēng)傾力矩（最小風(fēng)傾力臂）的計(jì)算 64 穩(wěn)性曲線只是表示了船舶本身所具有的抵抗穩(wěn)性曲線只是表示了船舶本身所具有的抵抗 外力矩的能力，或者說，只表示了船舶本身外力矩的