船舶静力学(常欣)

船舶静力学哈尔滨工程大学船舶工程学院常欣盛其虎主要内容1.绪论2.船体的几何描述3.浮性4.初稳性5.大倾角稳性6.海洋平台稳性7.抗沉性军用舰艇军船瘦长、首尖、舭圆、方尾民船肥胖、球首、舭圆、椭圆尾民用商船绪论常规排水式船舶的船型特点军船纵剖线、水线20191817161514131211109876543210246810121416182022242620191817161514131210119876543201234567891011121314151617181920BL110022003300440055006600770087001100BL220033004400550066008700770010000120001400016700民船纵剖线、水线绪论常规排水式船舶的线型特点军船横剖线BL1号水线2号水线3号水线4号水线5号水线6号水线7号水线8号水线12号水线W.LBL5号水线1号水线2号水线3号水线4号水线6号水线7号水线8号水线W.L12号水线尾封板191817161514131211甲板边线01234567891011甲板边线舷墙边线舷墙折线2010号水线10号水线折角线L3001500150015001500CⅠⅡⅢⅣ110022003300440055006600BL8700770010000120001400016700BL11002200330044005500660077008700民船横剖线常规排水式船舶的线型特点绪论绪论常见的首尾形式船舶原理船舶耐波性船舶阻力船舶推进船舶操纵性船舶快速性船舶静力学船舶动力学绪论船体几何形状船体浮性船体稳性（完整与破损时）船体抗沉性船体几何要素船体船型系数船体型线图绘制船舶排水量与浮心船体吃水与浮态储备浮力船体横倾时恢复正浮的能力船上载荷移动及舱内液体对稳性影响风等外力对船舶稳性的影响船体破损进水时的不沉能力船体下水计算船舶建造完工后从船台下水时的有关要素计算绪论船舶静力学船舶排水量与浮心船体吃水与浮态储备浮力绪论船舶浮性船体横倾时恢复正浮的能力船上载荷移动及舱内液体对稳性影响风等外力对船舶稳性的影响船舶稳性绪论船舶抗沉性船体破损进水时的不沉能力绪论第一章船体几何形状描述•船舶与海洋平台的外形特性，船体各部分的名称•船舶型表面和排水体积表面的概念•船体的主尺度和坐标平面、船型系数、尺度比•曲面形状的描述，船体型线图、型值表1船体的几何描述•船体各部位的名称主船体上层建筑船艏船艉船舯艏柱龙骨水线舵右舷左舷上层建筑：supperstructure主船体：mainhull船艉：stern船艏：bow舵：rudder水线：waterline龙骨：keel艏柱：stem左舷：portside右舷：starboardside•设计水线面(载重水线面)设计状态时船体与静水面的截交面。•中线面：船舶水下部分的对称面•中站面：船舯位置的横向截面•基平面：和设计水线面平行且过龙骨线与中站面交点的水平面.1.1.1主坐标平面的定义X轴：中线面与基平面的交线，船头为正Y轴：中站面与基平面的交线，右舷为正Z轴：中站面与中线面的交线，向上为正1.1船体的相关定义•艏垂线FP:过设计水线和艏柱交点且垂直于水线面的直线•艉垂线AP:舵杆中心线，或过设计水线面与船体尾缘交点的设计水线面的垂线•垂线间长LPP：艏艉垂线间的水平距离•总长LOA：船体最前端和最尾端的水平距离•水线长LWL：水线面最前端和最尾端的水平距离1.1.2主尺度型表面：船舶建造时所关心的内部框架表面。排水表面：和海水接触的船体表面。注：型表面和排水表面差外板厚型吃水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。1、水线面系数CWP（α）：BLACWWPTBACMMTBLCB1.1.3船型系数船型系数反映了船体水下部分的肥瘦程度。2、中横剖面系数CM（β）：3、方形系数CB（δ）：4、棱形系数CP（φ）：MBMPCCLACWPBWVPCCTAC尺度比长宽比L/B，宽吃水比B/T，型深吃水比D/T，长型深比L/D5、垂向棱形系数CVP（φV）：1.2船体型线图任意曲面都可以用平面曲线的平移加变形运动的轨迹来描述。母线V船体形状非常复杂，通常用一系列截交线来表示。1.与中站面平行的横截面与船体型表面的截交线称为横剖线2.与设计水线面平行的水平截面与船体型表面的截交线称为水线3.与中线面平行的水平截面与船体型表面的截交线称为纵剖线中纵剖线横剖线水线01234561200WL2400WL设计水线船体型表面示意图船体型线图横剖线图：一组等间距横剖线和折角线、轮廓线在yoz平面投影的集合。半宽水线图：一组等间距半宽水线和折角线、轮廓线在xoy平面投影的集合。纵剖线图：纵剖线和折角线、轮廓线在xoz平面投影的集合1.3型值表•平面形状和体积的计算•浮体在静水中的六自由度运动与载荷•浮体在静水中的受力分析•船体的浮态和静水平衡方程•浮体在静水中的稳定性•等体积倾斜水线和浮心的移动•稳心和稳心半径、稳心高•船舶的纵倾计算，MTC的概念•定积分的近似计算方法第二章几何学和力学基础平面形状和体积的计算对于任意连续的平面，面积10)()(xxdusdxxyxydxdyAxyyuydx0x1形心坐标10)()(11xxduScdxxyxyxAxdxdyAx102)()(1122xxduScdxxyxyAydxdyAy平面形状关于任意平行于x轴的直线的惯性矩202022020)()()()()(yyAIyyAdxdyyydxdyyyyydxdyyyIccxcscsccs平行轴原理：平面形状关于任意轴的惯性矩等于关于平行于该轴的中和轴(过形心的轴)的惯性矩加上面积乘两轴距离的平方。2222233221010)(3)()(cxxducscycxxducscxAxdxyyxAxdxdyxIAydxxyxyAydxdyyI关于中和轴的惯性矩正浮时，船舶的水线面通常是对称的，若水线面半宽为y，则：22/2/22fWLLLxAydxxI水线面面积：水线面形心（漂心）：横倾惯性矩：纵倾惯性矩：2/2/2LLWydxA0fy2/2/21LLWfxydxAx2/2/332LLTdxyI正浮状态水线面面积、漂心、横倾惯性矩和纵倾惯性矩的计算正浮或纵倾时，船舶横剖面水下部分也是对称的，横剖面水下部分面积和形心坐标分别为：横剖面水下部分面积水线下横剖面面积形心纵坐标TSydzTA02)(TSsyzdzATz021)(yzTy例题半潜平台水线面由六个等间距正方形组成，正方形边长为a，正方形形心横向间距为B，纵向间距为L，求水线面的横倾和纵倾惯性矩。xyBLLLxBL22126224224BaaBaaIT221221242244224LaaaLaaIL纵倾惯性矩为水线面绕y轴的惯性矩：水线面为对称结构，水线面漂心在坐标原点，因此横倾惯性矩为水线面绕x轴的惯性矩：解：船体的六自由度运动和载荷船体的六自由度运动和载荷zxy垂荡Heaven艏摇Yaw纵荡Surge横摇Roll横荡Sway纵摇Pitch船体具有六自由度运动，其中在垂荡、横摇、纵摇三个垂直面自由度上具有回复力，这三个自由度上的位移对船舶在静水中的平衡具有重要意义。通常用这三个自由度上的位移来表示船体的浮态。吃水T：龙骨上表面到静水面的垂向距离。横倾角f：yoz平面内的角位移，右侧下沉为正。纵倾角q：xoz平面内的角位移，船首下沉为正。纵倾通常用纵倾值（艏艉的吃水差）来表示。tanq=(TF-TA)/LppG(xG,yG,zG)MGBMzxzyooqf浮力：静水对船体的压力。等于船舶排开水的重量，作用点在浮心位置重力：地球对船舶的万有引力。等于船体的总重量，作用点在重心位置风浪流载荷：海洋风浪流等环境对船舶的影响接触载荷：拖曳力、进坞、触礁等情况下坞墩、礁石对船底的作用力等。浮体在静水中的受力分析•研究垂向力、纵倾力矩和横倾力矩对船舶浮态和稳定性的影响。•根据力的等效原则，可以将垂向载荷等效成重力，这样，船舶在静水保持静平衡的力平衡方程为：heelheeltrimtrimlMlMWW：船体总重量;△：排水量Mtrim：纵倾力矩;Mheel：横倾力矩ltrim：纵倾回复力臂;lheel：横倾恢复力臂船体的浮态和静水平衡方程•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。sincossincosGBGBheelGBGBtrimzzyylzzxxlw浮心：(xB,yB,zB)重心：(xG,yG,zG)BG(xG,yG,zG)B(xB,yB,zB)MtrimGBMheelzxzyltrimlheel水平方向GGB矢量的投影(cos,0,sin)(0,cos,sin)垂直方向当外力矩为零时，船舶处于静平衡状态时的浮心和重心位置应满足以下方程：0sincos0sincosGBGBGBGBzzyyzzxx船舶重量和重心位置计算niiWW1niiiGniiiGniiiGzWWzyWWyxWWx111111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～载重量船舶的排水量船舶总重量为船上各项重量之和：重心位置按下式计算：设计载重量+空载排水量为满载排水量（设计排水量）浮体在静水中的稳定性平衡类型和条件：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稳定平衡不稳定平衡中性平衡Hh船舶受外力矩作用，原水线面WL变到W1L1的位置，重量W，和重心G不变，故排水量▽大小不变，但由于水下排水部分的形状发生变化，浮心由B变到B1，故复原力矩为：GZMR以使船恢复正浮状态的力矩方向为正，下图以横摇为例说明复原力矩船舶在任何方向的倾斜可分成横倾和纵倾两种基本状态.横倾力矩Mheel～使船舶产生横倾，作用平面平行于yoz平面的力距纵倾力矩Mtrim～使船舶产生纵倾，作用平面平行于xoz平面的力距静稳性～倾斜力矩逐渐加于船上，使船缓慢倾斜的稳性问题动稳性～倾斜力矩突加于船上，使船快速倾斜的稳性问题初稳性～一般指倾角小于10～15度或甲板边缘如水之前的稳性大倾角稳性～一般指倾角大于10～15度或甲板边缘如水之后的稳性GB1MtrimGB1MheelzxzyltrimlheelGZMR基本假定:小角度横倾，舷侧为直壁（正浮时舷侧垂直于水线面）。倾斜过程只受外力矩作用，倾斜时排水体积保持不变。WL0WL1yzy0KO横倾时的等体积倾斜水线:假设横倾时水线面绕平行于x轴的直线旋转，新水线面与原水线面交线为y=y0,z=T。倾斜后排水体积增量为：y0tantan2tan)(21tan)(2102/2/02/2/2020wLLLLAydxyydxyyyydV因此：y0=0，倾斜水线与正浮水线的交线过漂心等体积倾斜水线和浮心的移动纵倾时等体积倾斜水线：纵倾水线与原水线交线平行与y轴，纵坐标为x0x0xzzyWL0TdT取任意一个横剖面，倾斜前后横剖面水线增量为：tan0xxdTtantan22tan)(2202/2/02/2/2/2/02/2/wWfLLLLLLLLAxAx