船舶稳性

船 舶 稳 性

一：稳性的概念：

1：定义：受外力作用，发生倾斜而不倾覆，当外力作用消失后，仍能恢复到原来平衡位置的能力。

2：实质：复原力矩Mr.

3：分类：按倾斜角大小分：初稳性，当θ<10^O—15^O时；大倾角稳性。

按倾斜方向分：横稳性和纵稳性。          按力的性质分：静稳性和动稳性。

按船体完整程度分：完整稳性和破舱稳性。

二：稳性与平衡：

1：重心G在稳心M之下，Mr>0,稳定平衡。

2：重心G与稳心M重合，Mr=0,随遇平衡。 危险平衡状态

3：重心G在稳心M之上，Mr<0，不稳定平衡

三：稳性的表示与计算：

1：初稳性：即当θ<10^O—15^O时。

①前提条件：小角度倾斜时，是等体积倾斜；横倾轴永远过原水线面的漂心；M点固定不变（近似不变）。

②表示：Mr=⊿*GZ=⊿*GM*Sinθ   当θ很小时，Sinθ≈θ(弧度)

GM值表示初稳性----------衡量标准

③ 计算：（a）GM=KM-KG    KG=∑Pi*Zi/⊿ 其中：∑Pi*Zi为垂向重力力矩的代数和

（b）KM=KB+BM   BM----横稳心半经  BM=Ix/⊿m 其中：Ix---水线面面积对横倾轴的惯性力矩Ix=K*LBP*B³

(c) 货舱货物重心Zi的确定：

l估算法：Zi’=(PaZa+PbZb+PcZc+……)/(Pa+Pb+Pc+…..)   Zi=Zi’/Z

首尾舱Zi=(0.54----0.58)*Zi’

l舱容曲线法：

l取舱容中心法：此法取值比实际的KG值高，故所得的GM值偏小，趋于安全。

④自由液面对初稳性的影响：

δGMf=ρ*ix/⊿  其中：ρ----自由液面的密度；ix----自由液面对横倾轴的惯性力矩；⊿--排水量；

ix 的确定：

Ø若液柜是等腰梯形：ix=L*(b1²+b2²)*(b1+b2)/48

Ø若液柜是矩形：ix=L*b³/12                                                            

Ø若液柜是等腰三角形：ix=L*b³/4

Ø若液柜是直角梯形：ix=L*(b1²+b2²)*(b1+b2)/36                        b1

Ø若液柜是直角三角形：ix=L*b³/36

Ø若液柜是椭圆形：ix=π*a*b³/4    其中：a----长半轴；b----短半轴

Ø若在矩形液柜内加N道纵隔壁时：ix=ix_o/(n+1)²

Ø若在等腰梯形内加一道纵隔壁时：ix=ix_o/3

⑤ 垂移载荷时对初稳性的影响：ΔGM=P*Z/⊿ 其中：P—垂直移动载荷的重量；⊿---排水量；   

Z----垂向移动的距离：往上移动时，取“-”；往下移动时，取“+”。

①悬挂货物对稳性的影响（永远为负值）：ΔGM=P*Z/⊿ 其中：Z—悬挂点至重心的距离；P—悬挂载荷。

②变动载荷对初稳性的影响：

Ø大量变动时：GM=KM-KG  当⊿P>10%排水量时，为大量变动；

稳性中和面：载荷在中和面变动时：GM值不变；

载荷在中合面之上时：⊿GM为负值；

载荷在中合面之下时：⊿GM为正值；

Ø少量变动时：δGM=P*(KG-KP)/(⊿+P)  KP---P的重心高度，加货时，P为“+”；减货时为“-”。

条件：当P<10%排水量时，近似认为KM的值不变。

2：大倾角稳性：

²与初稳性的区别：M点不再固定；横倾轴不过漂心；GM不再表示大倾角时的稳性；不再是等体积排水。

²表示方法;MR=⊿*GZ=Δ*GM*Sinθ  (小角度倾斜时)  GZ-----表示大倾角稳性

²计算：（1）： GZ=KN-KH=KN-KG*Sinθ

KN----形状稳性力臂，可以从稳性横交曲线上查得；

KH----重量稳性力臂

（2）：假设重心高度法：GZ=G’Z’+(KG’-KG)*Sinθ (G’为假设重心)

G’Z’ 可从资料中查取。

（3）：稳心点法：GZ=M’S+GM*Sinθ

M’S----剩余静稳性力臂，可以从资料中查取。

3：自由液面对大倾角稳性的影响：

①δGZfs=ΔGM*Sinθ  

注意：大倾角时，自由液面变化较大，对稳性的影响可看作是重心的提高，为近似计算值。

①利用自由液面的大倾角稳性修正力矩法：

查表引数为舱别和横倾角---------查ΣMfs----------修正力矩  ΔGZ=ΣMfs/9.81Δ

4:静稳性曲线：

①坐标：纵坐标----GZ或MR；横坐标：横倾角θ

②特征：A:静平衡位置：当Mh=Mr;即外力矩等于回复

力矩时的位置，为静平衡位置，此时的横倾角θ为静倾角。

B：最大复原力臂（力矩）：GZmax (MRmax).

C：极限静倾角θs max----该值越大，稳性越好。

D：稳性消失角θv.

E：甲板进水角θin。---该值越大，稳性越好。（IMMERSION）.甲板进水角所对应的点叫反曲点。

F：GZ/θ=30^O时的情况，营运中受静止外力矩作用所出现的最大横倾角通常都避免超过30⁰，因此，该倾角处于复原力臂GZ|θ=30⁰,可以用来表征船舶的大倾角稳性。

G：0与θ曲线下的面积：该面积越大，表明稳性越好。

H：GZ=GM*Sinθ                   重合部分即初稳性

I：GZ=GM*θ,当θ很小时适用。

在原点处的斜率，为初稳性高度GM。原点处作切线

与θ=57⁰.3相交的点的纵坐标即为GM的值。

5：影响静稳性曲线形状的因素：

在小角度倾斜时，（未达到进水角时），                

干舷对稳性无影响。干舷越高，稳性越好。

③排水量：④重心高度：

四：动稳性：

1.外力作用下，角加速度影响 惯性矩。

2.动平衡位置：当外力所作的功与复原力矩所作的功相等时，所对应的瞬时位置。Ah=A_R.

动平衡角θd---达到动平衡位置时所对应的横倾角。

3.表示：AR(单位：t.m.rad)-----动稳性力矩；Ld=AR/Δ (单位：m.rad)-----动稳性力臂

4.最小倾覆力矩 Mh min :

如右图：两阴影面积相等时，所对应的外力矩为最小倾覆力矩

所对应的横倾角为极限动倾角θd max .

5.动稳性曲线：纵坐标：AR或Ld； 横坐标：θ。

S=(1/2)*(10⁰/57.3)*(0+2L₁+2L₂+……+2Ln)/ΣL=0.0873*ΣL

五：两种曲线的用途：

1：静稳性曲线GZ—θ曲线：

2：AR—θ曲线：

六：对稳性的要求：

1.IMO的要求：（最低要求）：所有的要求都是经自由液面修正后的要求。

都是考虑到静稳性和动稳性。

Ø初稳性高度：GM≥0.15m

Ø大倾角的要求：θ在0⁰---30⁰之间，GZ曲线下的面积 S_0-30≥0.055m.rad

θ在30⁰—40⁰（或小于40⁰的进水角之间），S_30--40≥0.030m.rad

Øθ在0—40⁰时，S≥0.090m.rad

Øθ≥30⁰时，GZ≥0.20m

Øθs max≥30⁰

Ø天气衡准要求：Lw1=Pw*Aw*Zw/9.81；Lw2=1.5* Lw1

其中：Lw1为稳定风压力臂；Pw=0.504Kpa 单位计算风压；Aw=水面已上侧面积（受风面积）；

Zw=Aw的面积中心到吃水一半处的垂直距离。

2：我国法定规则的稳性衡准要求（仅限于中国籍货船）：

ØGM₀≥0.15m        此两项与IMO的要求一样

ØGZ₃₀≥0.20m       

Øθs max≥30⁰       当B/D>2时，θs max和θv可以减小δθ；δθ=20*（B/D –2）*(K-1)

Øθv≥55⁰           其中当B>2.5D时，取B=2.5D;K>1.5时，取K=1.5.

ØK≥1，K----稳性衡准数； K=Mhmin/Mw； Mw=Pw*Aw*Zw/1000

其中：Mh max-----最小倾覆力矩；Mw-----风压倾覆力矩；Pw-----单位 Pa,从资料查取；

Aw-----侧面积投影面积；Zw------面积Aw中心到水面的垂直距离。

3：临界稳性高度与极限重心高度：

ØGMc：从大倾角稳性、初稳性和动稳性出发的，满足我国规定的五项要求的GM的最小值。

ØKGc：

4：我国的法定规则中，装甲板货及江海航行的船：

Ø横摇加速度衡准数：Ka=0.3/ac ≥1,ac---横摇加速度因素，ac=0.035*B*θi/Tθ²  

5:对基本要求的几点说明：

Ø必须满足以上的五项要求或GMc、KGc；

Ø稳性曲线是经自由液面修正后的曲线；

Ø冬季区域，青岛36⁰04'以北区域，应考虑甲板结冰对稳性的影响。

Ø应考虑随浪稳性及横倾对稳性的影响：

①随浪稳性：处在波峰时：初稳性和大倾角稳性下降，措施：改向或降速；

处在波谷时：稳性上升。

②纵倾：尾倾时：稳性增加； 首倾时：稳性稍微减小。

③有横倾角时：稳性下降，ΔGZ=GG1*Cosθ,  GG1----重心偏离纵中线的距离。

6：适度稳性范围及经验配货方法：

①适度范围：GM min=GMc+(0.15 ∽ 0.20)；GM max=GMTθ=9s；Tθ=15s或14s∽16s。

②经验的配货方法：二层甲板：底舱  二层仓 上甲板    三层甲板：底舱 上二层仓  下二层   上甲板

65%  35%  0 55%   25% 20% 0

65%    25%  <10% 55%   25%     10%     <10%

甲板货的高度，不超过1/5-----1/6 船宽。

7：稳性的检验及调整：

①实测横摇周期法：Tθ=0.58f√(B²+4KG²)/GM  GM---未经自由液面修正的值；f—由B/D为引数，从资料查取。或用公式Tθ=f*B/√GM             诺漠图

②测横倾角法：Py=⊿*GM*tgθ Py ---横倾力矩； y ---横移距离。

③观察征兆：稳性不足时：受小力作用，船迅速倾斜，恢复缓慢。

改善措施：使重心下移，稳性不足时，不能急用舵，急回舵。

8：稳性的调整：调整值=要求值-实际值

①垂移载荷法：⊿GM=P*Z/⊿ ------等体积互换：Ph-P_L=P 和Ph*SF_H=P_L*SF_L

②打排压载水：⊿GM=P*(KG-KP)/(⊿+P)

③横倾角的调整：

Ø产生原因：载荷左右不均；装卸重大件；油水使用不均。

Ø调整：横移载荷：Py=⊿*GM*tgθ   y ---横移距离

打排压载水：Py=(⊿+P)*GM₁*tgθ  GM₁ ---改变后的GM值。

七：破舱稳性：

1：渗透率：μ=实际进水体积V/理论进水体积V₀=1-1/(sf*ρ).

1.进水状况：

①舱顶封闭，内外相通-------如双层底破损-----可看作是加载固体载荷。

②舱顶开敞，内外不通-------可视做加载液体载荷，并考虑自由液面。

③舱顶开敞，内外相通-------于船体的下沉量和倾斜有关，-----可采用逐步比进发。

3：破舱稳性的计算方法：

①重量增加法：该法驾驶员常用------即少量变动载荷法；

②浮力损失法（或排水量固定法）：------该法造船师常用。

4：查取所需资料：从稳性报告书上查取----------《装载手册》----散货船用。