第一章 船舶概述

第一章船舶概述第一节船舶的发展、分类一、船舶发展概况•船舶作为一种水上交通工具，发展至今大约有五千多年历史。从远古的独木舟发展到现代各类船舶，其发展历程如下•（一）以造船材料的发展划分•1、木船时代19世纪以前，船舶几乎都是木材建造的。•2、铁船时代19世纪50年代开始进入铁船全盛时期，时间较短，仅二三十年时间。•3、钢船时代19世纪80年代开始至今，绝大部分船舶均采用钢材建造20世纪40年代以前都采用铆接结构，以后部分船舶采用焊接结构，50年代以后基本上都采用焊接结构,再后来采用模块化造船。（二）以推进装置的发展划分•1、舟筏时代独木舟起源于石器时代，后被木筏、竹筏、兽皮做成的皮筏所取代。进入青铜器时代以后，出现了木板船。舟筏时代所用的推进工具是木制的桨、橹或竹制的篙。•2、帆船时代远在公元前四千年就出现了帆船，15世纪到19世纪中叶为帆船的鼎盛时期，直到19世纪70年代以后逐渐被新兴的蒸汽机船所取代。.•3、蒸汽机船时代蒸汽机船包括往复式蒸汽机船和回转式汽轮机船两种类型。1807年，世界上第一艘往复式蒸汽机船“克莱蒙特”号在美国建成并试航成功，从此船舶进入了机械动力代替自然力的新纪元。1894年至1896年世界上第一艘新型的回转式蒸汽轮机船“透平尼亚”号在英国建成。由于往复式蒸汽机的效率较低，重量和尺度相对较大，20世纪50年代开始，往复式蒸汽机船逐渐被淘汰。.•4、柴油机船时代20世纪初柴油机开始应用于船舶。1904年世界上第一艘柴油机船“万达尔”号在俄国建成。由于柴油机热效率高、经济可靠，因而得到广泛应用。40年代末，柴油机船吨位就已超过蒸汽机船，目前世界船队中柴油机船占绝对优势。•动力推进船舶的推进器经历了一个从明轮到螺旋桨的发展过程。最早往复式蒸气机驱动的是明轮，从1836年开始试验用螺旋桨作为船舶推进器，到1861年左右就不再大批建造明轮推进器的船舶了。经历蒸汽轮机后，目前，绝大多数的船舶均采用柴油机带动螺旋桨作为推进装置。（三）现代船舶的发展特点•近五十多年来，船舶发展的突出特点是：专业化、大型化、自动化。•最早的专业化运输船舶，主要是运输散装石油的油船，其它海上货运船舶专业化，大体是从20世纪50年代才迅速发展起来的。首先是干散货船舶与杂货船的分离，出现了矿砂船、散货船（运载谷物、煤等）、散货与石油兼用船。50年代末期，又出现了设有制冷设备的液化气体船，以及液体化学品船。将件杂货集装箱化运输，产生了集装箱船，滚装船、载驳船，还有专门运输汽车的汽车运输船。另外，高科技，低排放成为日前船舶动力装置发展的主要方向。•船舶大型化可以降低单位造价，有利于降低运输成本。20世纪50年代以后，商船向大型化发展非常迅速，特别表现在远洋船舶中的大型油轮及矿砂船和兼用船的出现。最大船型的惊人发展，是战后油船发展的最大特点，如：1950年最大油船的载重量DW=2.8万吨，到1980年的最大油轮为DW=56.3万吨，载重量增加了20多倍。不过从八十年代以后，巨型油轮的数量逐渐减少。•近几十年来，船舶自动化的程度越来越高，不少的船舶实现了机舱管理全自动化，这是当代船舶发展又一大进步。二、船舶分类•船舶分类方法很多，通常可按船舶用途、航区、推进动力的型式、推进器的型式、机舱位置、造船材料、航行状态以及上层建筑的结构型式等进行分类。其中，多数船舶是按船舶的用途分类来称呼的。（一）按船舶用途分类•军用船•用于从事作战或辅助作战的各种舰艇。•民用船•包括运输船、工程作业船、渔业船、工作船舶等。•1）运输船运输船又称商船，是指从事水上客货运输的船舶。大致可分为八个类型：（1）客船、客货船、渡船；（2）普通货船（即杂货船）；（3）集装箱船、滚装船、载驳船；（4）散粮船、运煤船、矿砂船；（5）油船、液化气体船、液体化学品船；（6）多用途散货船，包括矿砂/油两用船、矿砂/散货/油三用船；（7）特种货船，指运木船、冷藏船、汽车运输船等；（8）驳船，有拖轮拖带和顶推船顶推两种运输方式。.•2）工程作业船是指在港口、航道等水域从事各种工程作业的船舶。主要有挖泥船、打捞船、测量船、超重船、打桩船、钻探船等。•3）渔业船是指从事捕鱼和渔业加工的船舶。主要有拖网渔船、围网渔船、刺网渔船、延绳钓渔船、捕鲸船、捕海兽船、捕虾船和捕蟹船，以及渔业加工船、渔业调查船等。•4）工作船舶工作船舶又称为特殊用途船，是指为航行进行服务工作或其他专业工作的船舶，诸如破冰船、引航船、供应船、消防船、航标船、科学调查船、航道测量船等。（二）按航区分类•远洋船舶能在环球航线上航行的船舶，即通常所指的能航行于无限航区的船舶。•近海船舶指航行于距岸不超过200海里海域（个别海区不超过120海里或50海里）的船舶，即航行于近海航区的船舶，可以来往于邻近国际间港口。•沿海船舶指航行于距岸不超过20海里海域（个别海区不超过10海里）的船舶，即沿海岸航行的船舶。•内河船舶在内陆江河中航行的船舶。（三）按推进动力的型式分类•1、蒸汽机船以往复式蒸汽机为主机的船舶。•2、汽轮机船以回转式蒸汽轮机为主机的船舶。•3、柴油机船以柴油机为主机的船舶。•4、燃气轮机船以燃气轮机为主机的船舶。•5、电力推进船由主机带动主发电机发电，再通过推进电动机驱动螺旋桨的船舶。•6、核动力船利用核燃料在反应堆中发生裂变反应放出的巨大热能，产生蒸汽供汽轮机主机工作的船舶。（四）按推进器型式分类•1、螺旋桨船以螺旋桨为推进器的船舶，常见的有定距桨船和调距桨船两种。•2、平旋推进器船以平旋轮为推进器（又称为直翼推进器）的船舶。•3、明轮船以安装在船舶两舷或船尾的明轮为推进器的船舶。•4、喷水推进船利用船内水泵自船底吸水，将水流从喷管向后喷出所获得的反作用力作为推进动力的船舶。•5、喷气推进船将航空用的喷气式发动机装在船上以供推进用的船舶。（五）按机舱位置分类•中机型船•尾机型船•中尾机型船（六）按造船材料分类•1、钢船以钢板及各种型钢为主要材料的船舶。•2、木船以木材为主要材料，仅在板材连接处采用金属材料的船舶。•3、钢木结构船船体骨架用钢材，船壳用木材建造的船舶。•4、铝合金船以铝合金为主要材料的船舶。•5、水泥船以钢筋为骨架，涂以抗压水泥而成的船舶。•6、玻璃钢船以玻璃钢为主要材料的船舶。（七）按航行状态分类•1、排水型船靠船体排开水面获得浮力，从而漂浮于水面上航行的船舶。•2、潜水型船潜入水下航行的船舶，如潜水艇等。•3、腾空型船靠船舶高速航行时所产生的水升力或靠船底向外压出空气，在船底与水面之间形成气垫，从而脱离水面而在水上滑行或腾空航行的船舶，如水翼艇、滑行艇、气垫船等。（八）按上层建筑结构型式分类•平甲板型船•首楼型船•首楼和尾楼型船•首楼和桥楼型船•三岛型船第二节船体强度的基本概念•船体强度是指船体结构抵抗各种外力作用的能力。检验船体结构抵抗外力作用能力的方法，是计算出船体结构中产生的应力和变形，与结构材料的许用应力和允许的变形进行比较加以衡准。•根据作用于船体上力的性质和为了计算上的方便，将船体强度分为总纵弯曲强度（亦称为纵向强度）、横向强度、局部强度和扭转强度。一、总纵弯曲强度•1、船体发生总纵弯曲的原因•船体的几何形状，是一个中部肥大，向首、尾两端逐渐地瘦削的细长体。由骨架和钢板组成外壳，中间是空心的。因此，可以把船体看成为是一个空心的变断面梁，简称为船体梁。船舶在营运过程中，作用在船体上的外力很多，有重力、浮力，船舶作各种运动时产生的惯性力，波浪冲击力，螺旋桨和机器等引起的振动力、碰撞力，搁浅和进坞时礁石与墩木的反作用力等等。.•在这些外力的作用下，船体结构可能会发生各种变形和破坏，有的属于整体性的，有的是在局部位置上。而对船体最构成危害的是由于重力和浮力引起的、沿着整个船长方向上发生的总纵弯曲变形和破坏。而其他的力，如惯性力、冲击力、振动力等，对船体总纵弯曲的影响可以忽略不计..•船舶重量是由船体自身重量、机器设备重量、装载的货物、旅客、燃料、备品等重量组成的，这些重量的合力称为船舶重力W，方向垂直向下，作用于船舶重心G上。而舷外水对船体的压力在垂直方向上的分力的合力，称为船舶浮力D，方向垂直向上，作用于船舶浮心B上。当船舶静浮于水上时，重力W和浮力D，大小相等方向相反作用于同一条直线上，船舶静浮于水面上（图2-54a）。但是，对于沿着船长方向上某一小区段来讲，作用于上面的重力和浮力并不一定相等。若将船体沿着船长方向分隔成若干个可活动的小分段（图2-54b），图2-54船体总纵弯曲变形图2-55船体总纵弯曲力矩与剪力曲线.•则在各个分段上，对于重力大于浮力的分段，重力和浮力的差值是一个向下的力作用于分段上，该分段会向下沉。而在重力小于浮力的分段上，其重力和浮力的差值是一个向上的力作用于分段上，该分段会向上浮。实际上，船体是一个弹性的整体结构，相当于一个弹性梁，不允许各个分段有上下相对的移动，而只能沿着船长方向发生纵向的弯曲变形。•因此，引起船体发生总纵弯曲的原因，主要是由于沿着船长方向每一点的重力和浮力分布不均匀造成的。.若在船体的中部浮力小而首尾端的浮力大，重力在中部大而首尾两端小，此时船体将发生中部下垂而首尾两端上翘的总纵弯曲变形，这种船体的弯曲变形称为中垂（图2-54d）。相反，若船体的中部浮力大而首尾端浮力小，重力在中部小而首尾两端大，船体将发生中部上拱，首尾两端向下垂的总纵弯曲变形，这种弯曲变形称为中拱（图2-54c）。船体发生中拱还是中垂，决定于船舶重力和浮力沿着船长方向的分布。2、作用于船体上的总纵弯曲力矩与剪力•船舶浮于静水中，相当于一根两端自由的空心变断面梁，受着不均匀分布的重力和浮力作用。•将坐标X轴取在船上并沿着纵向基线，向首为正方向。坐标原点取在尾垂线处。力的方向向下为正值。•设沿着船长方向处，单位船长上的重力为W(t/m)，重力沿着船长方向的分布如图2-55a所示，曲线a称为重力分布曲线。.•在剖面处，水线下的横剖面面积为A(m2)，舷外水的密度为ρ(t/m3)，则在剖面处单位船长上的浮力为ρA(t/m)。浮力沿着船长方向的分布如图2-55b所示，曲线b称为浮力分布曲线。•在剖面处，单位船长上重力和浮力的差值qx=（W-ρA），称为作用在剖面处的负荷（或称载荷）。负荷沿着船长方向的分布如图2-55c所示，曲线c称为负荷曲线。.•依据梁的弯曲理论，船体梁在负荷qx的作用下，会产生弯曲力矩和剪力作用于船上，其值为：•(2-8)••(2-9)•式中：N—作用于船体剖面处的剪力；•M—作用于船体剖面处的总纵弯曲力矩。•总纵弯曲力矩和剪力沿着船长方向的分布如图2-55d，e所示。曲线d称为剪力曲线，曲线e称为总纵弯曲力矩曲线。xxxqN0xxxdxqM0dxAWdxxxx)(0xxxxxdxdxAWd00)(.•总纵弯曲力矩和剪力沿着船长方向的分布如图2-55d，e所示。曲线d称为剪力曲线，曲线e称为总纵弯曲力矩曲线。•船体结构抵抗总纵弯曲力矩和剪力作用的能力，称为船体总纵弯曲强度，简称为纵向强度。3、影响船体总纵弯曲力矩和剪力的因素•计算作用在船上的总纵弯曲力矩和剪力的大小及分布规律的目的，是要找出船在营运过程中，作用在船体上可能会发生最大总纵弯曲的力矩和剪力值，以及在船上的位置。若船体结构能够抵抗最大的总纵弯曲力矩和剪力的作用，则认为船体结构是满足于总纵弯曲强度要求的。.•因此，我们必须了解影响作用在船体上的总纵弯曲力矩和剪力的大小及分布的因素。从式（2-8）和（2-9）中可见，总纵弯曲力矩和剪力的大小及沿船长的分布规律，是与L、W、A有关的，即与船舶的大小、船舶重量和浮力的大小及沿着船长方向的分布有关。1）浮力的大小和分布•浮力的大小和沿着船长方向的分布，是与船体水线下的几何形状和大小有关的。具体地讲，当船体的几何形状和大小一定时，是与船舶吃水，船在海上所遇到的波浪形状、大小以及船与波的相对位置有关的。而且，船在航行过程中，当船遇到波浪时，浮力沿着船长方向的分布是在不断地变化的。.•船浮在平静的水面上，浮力沿着船长方向的分布是按着水线下船