船舶基础知识

第一章船舶基础知识第一节船舶形状一、船舶尺度1.船舶主要尺度船舶作为一种外形庞大的工业产品，一个复杂的空间几何体，它的大小也用尺寸标注来表示，如同某些产品标注其外形尺寸一样，这些表征船舶大小的尺寸称为船舶的主要尺度。钢质船体的内表面称为船体的型表面，凡是量到型表面的尺寸称为型尺寸钢质船舶的主要尺度通常都是指的型尺寸。总长LOA―船体型表面首尾两端点之间的水平距离；设计水线长LWL―设计水线面上船体型表面首尾端点之间的距离；也称满载水线长，是沿设计夏季载重水线自船首垂线至船尾端点的距离垂线间长Lpp―首垂线和尾垂线之间的水平距离，又称两柱间长；首垂线是通过设计水线首部端点所作的垂线。尾垂线在有舵柱时为舵柱后缘，无舵柱时为舵杆中心线；型宽（B）―船体型表面之间垂直于中线面的最大水平距离；型深（D、H）―通常指在中站面处，沿舷侧自龙骨线量至上甲板边线的垂直高度；型吃水（T）—通常指在中站面处，自龙骨线量至设计吃水的垂直距离。在船长中点处从平板龙骨上缘至夏季载重水线的垂直距干舷(F)—在船长中点处，沿舷侧自夏季载重水线量至上层连续甲板边线的垂直距离，2.主尺度比值从船舶主尺度的比值可以看出船舶长短肥瘦的形状特征，它还反映出船舶某些航海性能的好坏和船体结构的强弱。主尺度比有以下几种。（1）长度宽度比L/B该值对船舶快速性影响较大。L/B值大表示船体狭长，阻力较小而航速较高。(2）型宽吃水比B/T该值与船舶的稳性、阻力关系比较大。B/T越大，稳性越好，但阻力也较大。B/T过大时容易造成过快的摇摆，不利于船上人员的生活和工作。（4）型深吃水比D/T该值影响船舶大角度横倾时的稳性和抗沉性。D/T大船的储备浮力大，对提高大倾角稳性和抗沉性有利。（5）长度型深比L/D该值影响船舶的结构强度，L/D越小，则纵总强度越好。不同用途不同类型的船舶都有其相应的主尺度比值。二、船体型线图基本知识1.标高投影与平行剖切2.三个基本投影面船体型线图中的三个基本投影面如图所示。中线面（中纵剖面）将船体分为左右对称两部分的纵向垂直平面。设计水线水平面通过设计吃水，将船体分为水上和水下两部分的水平面。中站面（中横剖面）通过船舶垂线间长中点，将船体分为前体和后体两部分的横向垂直平面。中线面、设计水线水平面和中站面是三个互相垂直的平面，它们在船体图中的作用，相当于机械图中的正投影面、水平投影面和侧投影面。船体型线图就是投影在这三个基本投影面上的三组平行剖切面图。船体型线图就是用一系列平行于三个基本投影面的平面去剖切船体，将这些平面与船体型表面的交线投影到三个基本投影面上得到的。3.型线的形成及其投影图为船体型线的示意图，仅取首部一般船体加以说明。船体型线图第二节船舶航行性能一、概述通常，船舶航行性能包括以下六个方面：（1）浮性；（2）稳性；（3）抗沉性；（4）快速性；（5）耐波性；（6）操纵性。二、浮性1、浮性―船舶在一定装载情况下，在水中具有以正常浮态漂浮的能力2、浮心浮力垂直向上，作用于船舶排水体积的几何中心B，我们称该点为浮心。3、平衡状态：1）重力和浮力大小相等，方向相反；2）重心G和浮心B在同一垂线4、储备浮力①在设计水线（满载水线）以上的船体还保留有一定的水密体积。这部分水密体积所具有的浮力称为储备浮力。②船舶的储备浮力通常用干舷表示，干舷大储备浮力就大。③船舶必须具备最低限度的干舷值以确保航行安全。航行于不同水域的各类船舶必须具有的最小干舷值，国际和我国都在有关规范中作了明确规定。5、区带或区域为保证船舶的航行安全和最大的载重能力，根据海洋上风浪的大小和变化规律，将世界上具有相似风浪条件的海域分成若干区域，称为区带或区域；在同一区域或区带内，按风浪变化的不同时期，划分为季节区带，此种季节区带，称为季节期。如分为热带、夏季、冬季、北大西洋冬季。船舶航行在不同的区带、区域和季节区带、季节区域、分别规定使用不同的最小干舷，即规定了最高的吃水线。在不同的季节和海域，海上风浪情况不同，允许具有不同的干舷。通常在夏季，在热带海域因风浪较小，干舷可相应地减小；而在冬季，特别是在北大西洋冬季，因风浪较大，要求有较大的干舷。海船航行到淡水区域，由于淡水的密度比海水小，在同样载重情况下，其排水体积和吃水都相应地有所增加，所以允许干舷可相应地减少。夏季吃水线冬季吃水线热带吃水线北大西洋吃水线夏季淡水吃水线热季淡水吃水线载重线圈三、稳性稳性―船舶在外力作用下偏离正浮位置而倾斜，当外力消失后能自行恢复到正浮位置而不倾覆的能力；船舶因受外力作用发生横倾时，船舶排水体积的形状就会改变，这一体积的形心--浮心的位置也随之发生变化重力和浮力方向相反，而它们的作用点不再在一条垂线上，这两个大小相等方向相反而作用点不在一条垂直线上的力就构成一个力矩，我们称这力矩为回复力矩。稳心初稳性高度GM稳心：把倾斜前后浮力作用线的交点M称为稳心（在这里是指横稳心），初稳性高度：把稳心和重心之间的距离GM称为初稳性高度，该值是船舶稳性的衡量标准。决定稳心位置的主要因素：重心G的位置、浮心B的位置船舶重量的分布影响重心G的位置船舶排水体积的形状影响浮心B的位置由此可能出现以下三种情况：(1)稳心M在重心G之上，回复力矩为正值，船舶倾斜后将被扶正；(2)M点在G点之下，回复力矩为负值，船舶将继续倾斜直至倾覆；(3)M点和G点重合，回复力矩为零，船舶停留倾斜位置，但在外力作用下可能继续倾斜直至倾覆。保证船舶稳性的措施(1)降低船舶重心G使船上设备和负载尽可能布置在较低的位置。上层建筑不过于庞大-压载则是经常采用的方法，尤其在船舶空载航行时。(2)提高横稳心M它与船舶横倾后浮心水平移动的距离有密切关系。M点的高度决定于船体的形状，尤其是水下部分的形状。必须注意的是船舶是集各种性能的工程建筑物，在保证初稳性的同时，也要兼顾其他性能，即稳心不能太高，亦即GM值不能过分地大，否则船舶将像玩具不倒翁那样，剧烈摇摆四、抗沉性抗沉性―船舶在局部破损浸水后，仍能保持一定的浮态和稳性而不致沉没的能力在复杂的海洋环境中航行的船舶，局部损坏进水是难以完全避免的，船舶在这种情况下如何避免沉没，这是抗沉性所要讨论的问题。泰坦尼克号和冰山相撞后，船壳被撕开100多米长的破洞，造成首部5个舱淹水而终于沉没。抗沉性规范（1）设定安全限界线极限海损水线:76mm（2）对船舱长度的限制（3）对破舱后船舶稳性的要求一舱不沉制两舱不沉制依此类推，海上客船至少应满足一舱不沉制要求。提高船舶抗沉性的措施除按照规范要合理分舱外，在船舶设计时还采取一些其他措施以提高抗沉性。(1）增加干舷(2）减小吃水(3）加大舷弧和使横剖线上端外倾，或使水线下船体适当瘦削都可以起到相对增加储备浮力的作用。上述措施有时会同船舶使用要求或其他性能相矛盾，需要加以综合考虑。五、快速性1、快速性―船舶以较小的主机功率消耗而获得较高航速的能力使船舶在不加大主机功率的前提下尽可能地提高航速，这就是快速性所要讨论的问题。经济性：功率、航速的经济性2、方法：减小航行阻力提高推进效率。3、船舶航行阻力附体阻力：水下的船体表面常有突出的附属结构，如舵、轴支架、舭龙骨、减摇鳍等，航行中也产生阻力，我们把这部分阻力从主船体阻力中分出来，称为附体阻力，约占总阻力的3％一10％。裸体阻力：而剩下的主船体水阻力称为裸体阻力。对于一般船舶都只计算裸体阻力，然后根据附体的设置情况增加一个百分数（10％一25%）作为附体阻力。2％一4％左右。以阻力的性质则分为粘性阻力和兴波阻力两种。粘性阻力（1）粘性阻力：水是有一定粘性的，船在水中运动，将因粘性而产生阻力，粘性越大阻力越大粘性阻力包括两部分水阻力摩擦阻力形状阻力。船体周围水流的变化摩擦阻力：在船体表面和水流之间就因存在相对运动而产生摩擦阻力。摩擦力的方向就是该处船体表面的切线方向。这种切向摩擦力在船长方向的分力的总合力，就是船舶航行中的总摩擦阻力。由上述分析可知，摩擦力的大小与水的粘度、船体浸水面积以及船的航速相关，是可以比较准确地计算出来的。不同形状物体的漩涡阻力•形状阻力：在边界层紊流区的后部，在船体形状急剧变化的部位，会产生水流分离现象。在分离点以后，船体周围产生涡漩，涡漩处的压力比水流未分离时的压力低，就好像对船体产生一种向后的“吸力”。实际上正是这种压力差在船长方向分力的总合力，造成了航行中的形状阻力或称涡漩阻力。所以称为形状阻力，水流的分离情况或涡漩阻力的大小，主要同水中运动物体的形状有关。(2）兴波阻力船在水中航行时，船体使周围的水压力发生变化。原来平静的水面有的地方升高，有的地方下陷，不同的水面在重力和惯性力作用下形成波浪并向外扩散传播。这种由航船引起的波浪称为船行波，不同于海洋上由风兴起的海浪，船行波的形成需要外界供给能量，这个能量就是由行驶中的船舶提供的，相当于船舶对周围的海水做功使其产生波浪，这就是船舶航行中的兴波阻力。航速是影响兴波阻力的最主要因素，它要消耗主机相当大的功率。船舶的航行阻力是随航速而增加的。但在不同航速时各阻力所占总阻力的比例变化是很大时。兴波阻力成为高速航行时的主要阻力。降低阻力的措施：对于低速船，主要设法降低摩擦阻力和形状阻力对高速船则主要考虑降低兴波阻力。降低摩擦阻力的主要途径减少船体水下湿表面积：低速船的船长较短，长宽比L/B较小。减小船体表面的粗糙度。改善船用水下漆的性能，更有效地防止海生物生长附着，减轻钢板的锈蚀，保持表面的光滑以减小水的摩擦力。减小兴波阻力途径一个途径是通过系列船模试验的方法，研究主尺度、尺度比、船型系数等对兴波阻力的影响，从而得到一系列阻力图谱，利用这些图谱可以找到阻力胜能优良的船型系数，设计出相对具有较小兴波阻力的船型。另一个途径是在主船体上加设附属体，如装于船首部两侧水面的消波翼。使附体所产生的波和船体产生的波互相叠加、千扰而使波浪得以削减，从而达到减小兴波阻力的目的。目前应用最为普遍的是设球鼻首。这是位于船体首端水线以下的凸出体，常见的有水滴型、圆筒型等不同形状，大多成球面状向前凸出，它和船体连接处以平缓光顺的曲线过渡。它的形状和尺寸经过精心的设计，使球鼻首和主船体产生的波浪互相叠加而削减，减小兴波阻力。球鼻首可使航速提高约0.5kn。球鼻首船舶推进效率凡是能利用各种动力源并把它能换成推力推动船前进的，都称为推进器。采用高效率的推进器能提供较大的推力，它是主机功率一定而获得较高航速的主要途径螺旋桨的效率与直径、螺距、盘面比、叶片的切面形状以及某些附属设施有关六、耐波性耐波性―船舶在波浪中抵抗摇摆，保持稳性和航速的能力摇摆造成的不良后果1.乘员居住条件变坏，影响船员工作，引起晕船呕吐2.剧烈的横摇使船身横倾过大，可能导致倾覆。3.航行阻力增加，螺旋桨工作条件恶化（负荷不均匀，桨叶局部出水），航速下降，燃料消耗增加。4.纵摇和垂荡使首部甲板上浪，底部出水，船体与水面砰击，船体结构振动，应力增加。5.摇摆产生的加速度，特别是砰击加速度，严重影响各类设备、仪器的正常工作。6.波浪产生的弯矩和运动产生的附加应力可能导致船体折断或局部损坏。7．甲板浸水、影响甲板机械设备的正常运转和船员的工作。耐波性好的船舶大体上应满足以下几方面的要求在波浪中的运动幅度和加速度不大；运动比较和缓，乘员可以适应；在风浪中失速小，螺旋桨不出水不产生飞车；没有严重的船体砰击和波浪激发的振动；波浪中附加的动力弯矩不致对船体结构造成损害；甲板上浪不严重。船舶减摇装置1．舭龙骨2．减摇鳍3．减摇水舱4．陀螺减摇装置旋转的陀螺有维持其转轴位置不变的倾向。陀螺减摇装置就是利用这一原理起到减摇作用的，抑制船舶横摇减摇鳍减摇水舱七、操纵性操纵性―船舶在航行中保持和改变航向，控制船舶运动的能力在水面或水下航行的船舶，是怎样控制其运动方向的，这就是船舶操纵性所要讨论的问题