海工项目稳性计算案例分析

中远船务海工班讲座海工项目稳性计算案例分析张利军 利 2011年4月20日内容概要• 船舶及海工的主要性能介绍 • 静水力分析 • 完整稳性 • 抗沉性计算 • 稳性计算实例21主要性能介绍海工项目与船舶关注对象的相似与不同……3浮 性 船舶在一定装 船舶在 定装 载情况下浮于 一定水面位置 的能力。

不沉42稳 性 船舶在外力作用下，船 舶发生倾斜而不致倾覆 ，当外力作用消失后， 仍能回复到原来平衡位 置的能力。

不翻5抗沉性船舶在破损进水的情况 下仍然具备一定的浮性 和稳性的能力。

不沉不翻63快速性„ 船舶阻力• 船型研究：使得设计航速下的船舶阻力最小 • 阻力确定：为确定主机功率提供依据„ 船舶推进• 主机功率最小 主机功率最小：给定航速，通过螺旋桨设计， 给定航速 通过螺旋桨设计 使所需功率最小 • 航速达到最大：给定主机功率，通过螺旋桨设 计，使得船舶达到最大航速7耐波性• 研究船舶的摇荡运动 研究船舶的摇荡运动：在六个自由度下的运动 在六个自由度下的运动 • 摇荡引起的动力响应：砰击、甲板上浪、螺旋桨 飞车、波浪弯矩等84耐波性垂荡Heave z 艏摇Yaw 横摇Roll x纵荡Surge 纵摇Pitch y 横荡Sway9操纵性• 航向稳定性 航向稳定性：匀速直线航行的船舶，当受到外力偏 匀速直线航行的船舶 当受到外力偏 离航线，在外力消除后，回到原来航行方向的能力 • 回转性：在一定舵角下作圆周运动的能力5静水力分析z z z z z z几何描述 浮性 初稳性 大倾角稳性 海洋平台稳性 抗沉性和破舱稳性校核几何描述„ 主尺度• • • • • • • • 垂线间长LPP：艏艉垂线间的水平距离 船体最前端和最尾端的水平距离 总长LOA： 水线长LWL： 水线面最前端和最尾端的水平距离 型表面： 船舶建造时所关心的内部框架表面。

型吃水T： 龙骨上表面到水线面的距离 型深D： 龙骨上表面到甲板边板下表面的垂向距离。

干舷F： 水线面到甲板边板上表面的垂向距离。

最大型宽BM：所有横剖面型表面最大水平宽度的极值。

126几何描述„ 船型系数船型系数是反映了船体水下部分的肥瘦程度无因此系数。

水线面系数 CWP：CWP = AW L× B中横剖面系数 CM：CM =AM B ×T面积系数13几何描述„ 船型系数方形系数CB： 棱形系数CP：CB =CP =∇ L× B ×TC ∇ = B AM × L CM∇ C = B AW × T CWP垂向棱形系数CVP： CVP =体积系数7几何描述„ 尺度比长宽比： 宽吃水比： 型深吃水比： 长型深比 长型深比：L/B B/T D/T L/D衡量船舶性能的 重要指标15几何描述„ 船体型线图船体型线图所表示的船体表面称为船体型表面。

船体型表面。

注意！钢船、铝船体的型表面为外板的内 表面；水泥船、木质船和玻璃钢船 的型表面为船壳的外表面 的型表面为船壳的外表面。

船舶性能计算的主要依据8几何描述„ 船体近似计算方法 在性能计算中通常要进行关于几何特性计算,其内容包括: 横剖面面积、水线面积、排水体积、这些面积与体积的 几何形心、面积的惯性矩等等，这些计算常称为船体计 算，是船舶设计中的基础工作之一。

由于船体型线复杂， 不能用解析式表达，因此一般是根据型线图用数值积分 法来进行计算。

法来进行计算A = ∫ f ( x)dxab几何描述„ 船体近似计算方法船体是用离散点表达，必须用近似计算方法计算梯形法 辛浦生法 乞贝雪夫法无论哪种方法都是解决A = ∫ f ( x)dxa18b9浮态概述„ 船舶平衡条件Δ = w∇ ltrim = ( xB − xG ) cos θ + ( z B − zG )sin θ• 阿基米德原理：船舶的浮力 等于船舶排开水的重量。

浮 力作用点位于水下部分排水 体积的形心位置。

lheel = ( y B − yG ) cos φ + ( z B − zG )sin φz θ Mtrim ltrim B(xB,yB,zB) GB矢量的投影 G x 水平方向(cosθ,0,sinθ)浮心：(xB,yB,zB) 重心：(xG,yG,zG)z Mheel φ G B lheel y 水平方向 (0,cosφ,sinφ)G(xG,yG,zG)浮态概述„ 船舶平衡条件船舶浮于静水的平衡状态称为浮态。

正浮 横倾 纵倾 横倾＋纵倾 吃水（d） 横倾角（θ） 纵倾角（φ）浮态表示方法10„ 正浮状态z zW WG d xG=xB o B水线 zG x zBG B o ω∇ yω∇船舶漂浮于静水面，船体中纵剖面和中横剖 面都垂直于水面的一种浮态，其平衡方程： 都 直 水 的 种 态 其 衡W=Δ= ω ∇ x G= x B yG= yB= 0„ 横倾状态zWWG d xG=xB o B水线φzG zB o yB yGGBω∇x船舶自正浮位置向左舷或右舷方向倾斜的 一种浮态，其平衡方程： 种浮态 其平衡方程 W= Δ= ω ∇ x G= x B y B － y G =（ z B － z G ） t g φ2211„ 纵倾状态zW GW水线 d dFG zG zB B o ω∇ ydAθzG zBxG B xBω∇船舶自正浮位置向船首或船尾方向倾斜 船舶自 浮位 向船首或船尾方向倾斜 的一种浮态，其平衡方程： W= Δ= ω ∇ x B － x G =（ z B － z G ） t g θ y G= y B„ 任意状态W G WφzG d dF zB o yB yGGdAθzG zBxG B xBBω∇船舶既有横倾又有纵倾的一种浮态 船舶既有横倾又有纵倾的 种浮态，其平衡方程： 其平衡方程：W= Δ= ω ∇ x B－x G =（ z B － z G ）t g θ y B－y G =（ z B － z G ）t g φ2412重量重心船舶总重量为船上各项重量之和： 重心位置按下式计算：W = ∑ Wii =1 n1 n ⎧ x = ⎪ G W ∑ Wi xi i =1 ⎪ ⎪ 1 n ⎨ yG = ∑ Wi yi W i =1 ⎪ ⎪ 1 n ⎪ zG = ∑ Wi zi W i =1 ⎩船舶的排水量总重量W，重心位置(xG,yG,zG) 部分重量Wi，部分重心位置(xi,yi,zi) 设计时应进行重量控制，使yG=0 重量重心计算通常采用列表计算固定重量～空船重量,也称空载排水量 变动重量～载重量 设计载重量+空载排水量为满载排水量（设计排水量）静水力计算的实质在研究船舶浮性问题和后面要研究的船舶稳性问题 都要研究船舶的重力、重心和浮力（排水量）、浮 心之间的关系。

船舶静力学是研究上述四个量之间 的变化规律及它们的计算方法。

四种浮态: （1）正浮状态 ） 浮状态 （2）横倾状态（横倾角φ） （3）纵倾状态（纵倾角θ ） （4）任意状态（θ，φ）WGB ω∇13静水力曲线用来表示船舶在不同平浮吃水时的静力性能数值 用来表示船舶在不同平浮吃水时的静力性能数值。

型排水体积 排水量 水线面面积 每厘米吃水吨数 漂心纵向坐标 浮心纵向坐标 浮心垂向坐标 横稳心垂向坐标 纵稳心垂向坐标 每厘米纵倾力矩 每厘米吃水排水量吨数 中剖面系数 水线面系数 方形系数 棱形系数 垂向棱形系数2814储备浮力• 储备浮力概念——指满载水线以上主体水密 储备浮力概念 指满载水线以上主体水密 部分的体积，它对稳性、抗沉性和淹湿性等 有很大的影响。

船舶在水面的漂浮能力是由储备浮力来保证 的。

储备浮力是确保船舶安全航行的一个重 要指标。

储备浮力通常以满载排水量的百分数来表示： 内河驳船为10~15%，海船为20~50%，军舰为 100%以上。

29••完整稳性分析„ 稳性研究的任务MQ3015稳性问题的基本矛盾体扰动力矩扰动力矩（矛盾外因）造 成浮体倾斜,这取决于外 界条件复原力矩复原力矩（矛盾内因） 取决于排水量、重心高 度及浮心移动的距离等 因素外因通过内因起作用！ 船舶倾覆 稳性问题是着重研究和计算这一矛盾的内因 (复原力矩)及其有关的影响因素。

稳性的分类横稳性 初稳性 稳性 大倾角稳性 纵稳性 静稳性 动稳性3216平衡类型和条件平衡类型和条件 平衡类型和条件： 稳定平衡：偏离平衡位置时有正回复力。

中性平衡：偏离平衡位置时无回复力。

不稳定平衡：偏离平衡位置时回复力为负值。

船舶要求具有稳定平衡的浮态不稳定平衡 中性平衡 H 稳定平衡 h稳心及稳心半径M点 —— 横稳心或初稳心; BM —— 横稳心半径或初稳心半径假定船舶在等体积小角 度φ 倾斜过程中，稳心M 点位置保持不变，浮力 的作用线通过稳心M。

适用范围：MWW1WGφ φL1BB1Lφ=10º~15º 的小角度情况ω∇17初稳性公式外界条件：船舶重心不变，但受到外界扰动使船 产生 倾角 φ 产生一倾角 复原力矩MR M R = Δ ⋅ GZ = Δ ⋅ GM sin φ+MRM-MR W W1φGMR=0 W W1φW1WWG B Z B1L1WMB B1L1WG M B B1L1φLLLω∇ω∇ω∇GM（或h）——表示横稳性高，或初稳性高初稳性公式复原力臂（重力与浮力作用线的距离）GZ初稳性公式（复原力矩与横稳性高的关系）M R = Δ ⋅ GM ⋅ φ横稳性高或初稳性高GM ( h )18+MRM-MR W W1φGMR=0 W W1φG MW1WWG B B1L1WMB B1L1WL1 φB1LLBLω∇ω∇ω∇从稳心M和重心G的相对位置关系，可以判断船舶的横稳性。

9 1、稳定平衡：G在M之下222、不稳定平衡： G在M之上 3、随遇平衡（中性平衡）37横稳性高的重要意义横稳性高是衡量船舶初稳性的主要指标 横稳性高GM(h)越大，复原力矩MR也越大，抵抗倾斜 力矩的能力越强。

横稳性高是决定船舶横摇快慢的一个重要特征数 初稳性高过大的船，摇摆周期短，在海上遇到风浪时 会产生剧烈的摇摆。

19自由液面对初稳性的影响当船体倾斜时，非满载液舱 内液体流动造成液舱重心移 动，产生横倾力矩，使船舶 的稳性降低。

自由液面的影响是减小船 的稳心高，降低了船的初 稳性。

为减小其影响，设纵舱壁 为有效方法。

MWW1GmCC1 aBω∇B1 D1φL1 La1Dω1 v典型设计工况在设计阶段要对几种典型的装载情况（包括最稳性恶 劣的装载情况）进行浮态和初稳性的计算。

中国船级 社颁发的有关海船法定检验技术规则中，对各类船舶 所需计算的基本装载情况有明确的规定，并对各类船 舶的最小初稳性高也作了规定。