船舶原理 浮性
船舶原理介绍 - 本科生
船舶原理介绍
船舶原理是研究船舶航行性能的一门科学，其中包括：
（1）浮性——船舶在一定装载情况下浮于一定水平位置的能力。
（2）稳性——在外力作用下船舶发生倾斜而不致倾覆，当外力的作用消失后仍能回复到原来平衡位置的能力。
（3）抗沉性——当船体破损，海水进入舱室时，船舶仍能保持一定的浮性和稳性而不致沉没或倾覆的能力，即船舶在在破损以后的浮性和稳性。
（4）快速行——船舶在主机额定功率下，以一定速度航行的能力。
通常包括船舶阻力和船舶推进两大部分，前者研究船舶航行时所遭受的阻力，后者研究克服阻力的推进器及其与船体和主机之间的相互协调一致。
（5）耐波形（或称适航性）——船舶在风浪海况下航行时的运动性能。
主要研究船舶的横摇、纵摇及升沉（垂荡）等，习惯上统称为摇摆运动。
（6）操纵性——船舶在航行中按照驾驶者的意图保持既定航向的能力（即航向稳定性）或改变航行方向的能力（即回转性）。
因此，船舶操纵性包括航向稳定性和回转性两部分内容。
船舶原理( 浮性)
Aw = 2∫
L/ 2
−L / 2
ydx = 2δL ⋅ ∑' yi y0 + y20 2
• 计算内容：
w 水线面面积： A
∑' yi = y0 + y1 + L + y20 − L Moy = 2∫
L/ 2 2 −L / 2
x ⋅ ydx = 2δL ⋅ ∑' ki yi 1 ×10 × (y20 − y0 ) 2
船舶排水量=空船重量 载重量DW 船舶排水量 空船重量LW+载重量 空船重量 载重量
2-8
备注：
• 1、船体钢料重量Wh的影响因素分析
Wh含船壳板、甲板、舱壁、首尾柱、上层建筑等各部分钢板和型材的重量
（1）主尺度以及船型系数 影响最大。 a. 船长L 从构件数量和几何尺寸上看：船舶上绝大部分构件都与船长有关； 从强度条件看：L越大，船在水中所受的纵总弯曲M越大，要求 的船体构件尺寸也大。 b. 船宽B 对船体纵总强力构件尺寸的影响不大，但对构件的横向强度有较大的影 响。从构件数量来看，主要跟船底、甲板及舱壁等横向构件有关。 c. 型深D 从构件的数量来看：D对舷侧板以及骨架、舱壁有影响； 从强度来看：D大，船体梁的剖面模数W也大，对强度有利。 往往能起到抵消（或）部分抵消D增加所引起 构件数量增多的作用。
2-9
d. 吃水d d不影响构件的数量，但对强度（船底构件和船侧构架）有影响。 e.方型系数CB 对W h的影响很小，因为CB的增减对船体构件的数量和尺寸都影响甚微。 （2） 布置特征 甲板层数—— 取决于布置特点、使用要求； 舱壁数—— 规范有最小数目的规定，实际要考虑使用要求； 上层建筑的大小—— 包括长度、宽度、高度以及层数。
船舶原理
1.什么是船舶的浮性？船舶在各种装载情况下具有漂浮在水面上保持平衡位置的能力2.什么是静水力曲线？其使用条件是什么？包括哪些曲线？怎样用静水力曲线查某一吃水时的排水量和浮心位置？船舶设计单位或船厂将这些参数预先计算出并按一定比例关系绘制在同一张图中；漂心坐标曲线、排水体积曲线；当已知船舶正浮或可视为正浮状态下的吃水时，便可在静水力曲线图中查得该吃水下的船舶的排水量、漂心坐标及浮心坐标等3.什么是漂心？有何作用？平行沉浮的条件是什么？船舶水线面积的几何中心称为漂心；根据漂心的位置，可以计算船舶在小角度纵倾时的首尾吃水；船舶在原水线面漂心的铅垂线上少量装卸重量时，船舶会平行沉浮；（1）必须为少量装卸重物（2）装卸重物p的重心必须位于原水线面漂心的铅垂线上4.什么是TPC？其使用条件如何？有何用途？每厘米吃水吨数是指船在任意吃水时，船舶水线面平行下沉或上浮1cm时所引起的排水量变化的吨数；已知船舶在吃水d时的tpc数值，便可迅速地求出装卸少量重物p之后的平均吃水变化量，或根据吃水的改变量求船舶装卸重物的重量5.什么是船舶的稳性？船舶在使其倾斜的外力消除后能自行回到原来平衡位置的性能。
6.船舶的稳性分几类？横稳性、纵稳性、初稳性、大倾角稳性、静稳性、动稳性、完整稳性、破损稳性7.船舶的平衡状态有哪几种？船舶处于稳定平衡状态、随遇平衡状态、不稳定平衡状态的条件是什么？稳定平衡、不稳定平衡、随遇平衡当外界干扰消失后，船舶能够自行恢复到初始平衡位置，该初始平衡状态称为稳定平衡当外界干扰消失后，船舶没有自行恢复到初始平衡位置的能力，该初始平衡状态称为不稳定平衡当外界干扰消失后，船舶依然保持在当前倾斜状态，该初始平衡状态称为随遇平衡8.什么是初稳性？其稳心特点是什么？浮心运动轨迹如何？指船舶倾斜角度较小时的稳性；稳心原点不动；浮心是以稳心为圆心，以稳心半径为半径做圆弧运动9.什么是稳心半径？与吃水关系如何？船舶在小角度倾斜过程中，倾斜前、后的浮力作用线的交点，与倾斜前的浮心位置的线段长，称为横稳性半径！随吃水的增加而逐渐减少10.什么是初稳性高度GM？有何意义？影响GM的因素有哪些？从出发港到目的港整个航行过程中有多少个GM？重心至稳心间的距离；吃水和重心高度；许多个11.什么是大倾角稳性？其稳心有何特点？船舶作倾角为10°-15以上倾斜或大于甲板边缘入水角时点的稳性12.什么是静稳性曲线？有哪些特征参数？描述复原力臂随横倾角变化的曲线称为静稳性曲线；初稳性高度、甲板浸水角、最大静复原力臂或力矩、静稳性曲线下的面积、稳性消失角13.什么是动稳性、静稳性？船舶在外力矩突然作用下的稳性。
船舶静力学：第2章 浮性
特征: 1）
SoEF
i zd
0
Ti 0
zAW
dz
M
xoy
zB
M xoy i
SoEF i
2）由于
SoAE
Ti dz
0
SoAEF
SoEF
Tii
zBi
(Ti
zB )i
所以:
zB
T
i
1 i
Ti dz
0
3）曲线上任意一点E的切线与oz轴夹 角的正切等于E处的水线面积
tan
d dz
AWi
dxB dz
d dz
1 (xF
xB )
AW
(xF
xB )
将 xB 及 xF 绘制成如图曲线，可见 xF xB 时，
dxB 0 dz
如果以同一比例绘制该曲线，则两者交点为 xB 的极值。
2）浮心的垂向坐标曲线 由前面的讨论可知
T
zB
M xoy
0 zAW dz
T
0 AW dz
1
zB i
xAs dx
L / 2 Asdx
xydzdx
L/2 0 L/2 T
ydzdx
L/2 0
L/2
L/2 T
zB
M xoy
L / 2 z A Asdx
L/2
L / 2 Asdx
zydzdx
L/2 0 L/2 T
ydzdx
L/2 0
2、横剖面计算 可采用梯形法或辛普生法计算横剖面面积及形心垂向坐标，从而可计算出
第二章 浮性
浮性:是船舶的基本性能之一,即在一定装载情况下,船舶具有 漂浮在水面保持平衡位置的能力。
§2-1 浮性概述
第二节二三船舶浮性和稳性
ZM、ZB和r，都是与船舶尺度和形状有关的参数． 可分别表示为ZM = f （d）、ZB = f（d）、r = f（d）。当吃水已知时，可以在船舶静水力曲线图 中查到ZM和ZB，同时可求出BM=ZM—ZB。（所以说BM的大小体现着船舶尺 度和船体形状对稳性的影响）。
稳心半径 BM 还可按近似公式计算。
2)横倾
船舶只有横向倾斜而无纵向倾斜的漂浮状态称为横倾。船舶 的重心与浮心位置只能保持前后方向一致，左右方向不一致。
船舶横倾时，由于船舶首尾吃水相等，而左右吃水不相等，
因此产生一个横倾角θ。横倾角θ是船舶横倾后的水线与正浮时水 线之间的夹角，通常右倾θ为正，左倾θ为负。船舶横倾一般用吃 水d和横倾角θ两个参数表示其浮态。
• 2．船舶的浮态
•
船舶浮于静水的平衡状态称为船舶浮态。有正浮、横倾、纵
倾和横倾加纵倾4种，可以用船舶吃水d、横倾角θ、纵倾角φ或
吃水差t等参数表示。
• 1)正浮
船舶既无横倾又无纵倾的漂浮状态称为正浮。船舶处于正浮
状态的条件是船舶的重心G与浮心B左右位置一致(都在船中)、前 后位置也一致(一般在中部附近)。此时，船舶吃水全部相等，所 以船舶正浮只需用吃水d来表示即可。
• 1)装卸货物对船舶浮态的影响
• (1)在船舶漂心垂线上装卸少量货物（货物重量小于排水量的10% ）
在船舶漂心垂线上任意位置装卸少量货物，只改变船舶的平均吃水，即 船舶平行沉浮。
船舶漂心是指船舶水线面面积的几何中心，通常用符号“F”表示，其坐 标为XF (通常YF=0)，对于不同吃水，漂心的坐标是不同的。
2021/1/10
第二节 船舶的主有量度
4
• 3)纵倾
•
船舶只有向船尾方向或向船首方向倾斜而无横向倾
有关船舶浮力
发点专业知识给大家充充电船舶浮性是指船舶承载后可保持一定浮态的性能.具有在水面上漂浮的能力。
船舶浮性是船舶在水中受到水压力的作用，左右两舷的压力相互平衡，船底的压力与船只本身的重量相平衡。
船舶在水面上漂浮所以能漂浮,是因为它所受到的重力与浮力作用保持平衡。
平衡条件为：一是船舶所受的重力与浮力作用在同一垂直线上；二是船舶排水量,即排开水的重量等于船的全部重量.船舶承载后可保持一定浮态的性能。
漂浮原理和状态: 船在静水中漂浮时受到两个作用力。
一个是船舶本身以及所载物品、人员重量引起的重力，方向垂直向下，它的作用点称为重心；一个是船外水压力所形成的浮力，方向垂直向上，等于船舶所排开同体积的水的重量，称排水量，它的作用点位于排水体积的中心，称为浮心。
船在水面上平衡的条件是：重力等于浮力，重心和浮心位于同一铅垂线上。
如果船的浮心和重心不在同一铅垂线上，船就会倾斜，使排水体积形状及浮心位置改变，直到浮心重新被调整到和重心同一的铅垂线上获得平衡为止。
船的漂浮状态有正浮、横倾、纵倾和任意倾斜等四种状态。
如果船的重心的纵向坐标和横向坐标与浮心的纵向坐标和横向坐标对应相等，船就处于正浮状态，此时船的首、尾和左、右舷吃水都相等，否则就会产生横倾、纵倾或两者兼有的任意倾斜。
一般在设计时要求船舶保持正浮，或略带尾倾。
船在营运中要进行货物积载计算,控制装载重量和重心位置,以获得良好的浮态。
船舶浮性- 储备浮力: 船体在水面上的漂浮位置或吃水同船的排水量和载重量相关。
排水量和载重量的变化会引起吃水的变化。
因此，不同的吃水反映了不同的装载量和排水量。
船在满载吃水下的排水量称为满载排水量，相应的水线为满载水线。
考虑到船在航行中可能发生的意外重量增加，如海损破舱进水,风浪袭击进水等,满载水线应位于上甲板以下一段距离处，使满载水线以上尚有一定的水密容积，该容积入水后所能提供的浮力称为储备浮力。
储备浮力的数值用满载排水量的百分数表示。
船舶原理
1、船舶的航海性能包括哪些性能？各自的含义分别是什么？1、浮性：船舶装载一定的载荷，仍能浮于一定水面位置而不沉没的能力。
2、稳性：船舶受外力作用离开平衡位置发生倾斜而不致于倾覆，当外力消除后仍能回复到原来平衡位置的能力。
3、抗沉性：船舶遭受海损事故舱室破损进水，仍能保持一定的浮性和稳性而不致于沉没或倾覆的能力。
4、快速性（或称速航性）：船舶在其动力装置产生一定功率的情况下能达到规定航速的能力。
快速性包括两方面：1）船舶阻力：研究船舶航行时所遭受的阻力。
目的在于掌握阻力的变化规律，从而改善船型，降低阻力。
即阻力的成因、分类、计算、影响因素和降阻措施。
2）船舶推进：研究船舶推进器，推进器克服阻力发生推力。
目的在于设计出符合要求的高效推进器。
即推进器的水动力性能、设计高效推进器。
5、操纵性：船舶在航行是按照驾驶员的意图保持既定航向的能力或改变航行方向的能力。
包括：1）航向稳定性：保持原有航向的能力。
2）转首性：应舵转首的能力。
3）回转性：应舵作圆弧运动的能力。
6、耐波性（或称适航性）：船舶在风浪海况下航行时的运动性能，即船舶在风浪中遭外力干扰而产生各种摇摆运动，以及砰击、上浪、失速和飞车等时，仍能维持一定航速在水面上安全航行的能力。
主要研究内容为船舶摇摆。
目的在于：掌握船舶摇摆规律，采取措施以减缓船舶摇摆。
船舶摇摆的含义：1）船舶转动：横摇、纵摇和首摇―――摇；2）船舶直线运动：横荡、纵荡和垂荡―――摆。
2、船型系数有哪些？各自的含义是什么？会进行船体系数的相关计算。
1）水线面系数的大小表示水线面的肥瘦程度。
2）中横剖面系数的大小表示水线以下的中横剖面的肥瘦程度。
3）方形系数的大小表示船体水下体积的肥瘦程度。
4）棱形系数的大小表示船体水下排水体积沿船长方向的分布情况。
5）纵向棱形系数的大小表示船体水下排水体积沿吃水方向的分布情况。
3、了解梯形法的基本原理，掌握用梯形法列表进行船体计算的方法，掌握“成对和”和“自上而下和”的含义。
船舶静力学第二章 船体浮性
W
G
B
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。
船舶静力学
2-3 排水量和浮心位置计算
即船舶排水体积和排水体积形心坐标的计算
计算排水体积时，把船舶水下体积 分成若干个薄层体积，算出这些薄层微 体积，并求其总和，即得船舶的总排水 体积；计算船舶排水体积的形心坐标时， 要先计算出各薄层微体积对某一个坐标 平面的静矩，并求总和，再将总和除以 排水体积，即得该排水体积的形心距该 坐标平面的距离。
（4）任意状态
W
G
dA
zG
xG
zB
Bd
xB
W
G
zG zB dF
yG
B
o
yB
船舶既有横倾又有纵倾的一种浮态，其平衡
方程：
W= =
浮态 表示
x B－x G =（ z B － z G ）t g
y B－y G =（ z B － z G ）t g
d=(dF+dA)/2
纵倾角 横倾角
§2-2 浮船舶重量和重心位置的计
2020年4月25日星期六
船舶静力学
第二章 浮性
船舶静力学
船舶航行6大性能之首
浮性
船舶在一定装 载情况下浮于 一定水面位置 的能力。
§2-1 浮性概述
一、船舶平衡条件
阿基米德原理——物体水中所受到的 浮力等于该物体所排开的水的重量， 即
W
G
= ——船舶排水量，；
——船舶排水体积，；
——水的重量密度，t/m3。 淡水 =1.0t/m3 ，海水 =1.025t/m3
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L
'k iyi 'yi
L / 2
水线面系数：Cwp
AW LB
2-17
3、水线面面积曲线
• 特性：
（1） 0 d Awdz
（2） （3）
zB
0dz Aw dz 0dAw dz
面O 积 CDE CVP面O 积 C DAw Fdd
2-18
4、每厘米吃水吨数曲线
• 船舶吃水平行于水线面增加（或减小）1cm时引起排水量增加 （或减小）的吨数称每厘米吃水吨数。
2-30
§2—5 船舶在任意状态下 排水体积和浮心坐标的计算
2-31
§2－6 水的密度改变时船舶浮态变化
• 一、吃水变化
d d d d
d 2
2
又 d A w dt
dt d Aw 2
dt d Aw 2
CBLBd
Aw Cwp LB
dt d
CB Cwp
（3）船级别、规范和航区（如航行与冰区）
（4）结构材料 如普通钢、高强度合金钢、铝合金、玻璃钢等
2-10
2、舾装重量Wf的分析
• （1）与船的排水量和主尺度有关的重量； 如船舶设备及系统，包括锚、舵、系泊、消防、管系及油漆等
• （2）与船员或旅客人数有关的重量 如舱室木作、家具、卫生设备、救生设备
d
Cvp
d
• 结论：密度增加则吃水减小，反之则增加。
2-32
二、浮心变化
ddBxzAw(xFxB)
d dzAw2
d dBx(xFxB)
d dB z(dzB)
2-33
§2－7 储备浮力与载重线标志
• 一、浮性衡准
1、船舶实际重量船舶装载重量 (full load weight)或船舶 实际吃水满载吃水 (full load draft)；
2、水下体积沿轴纵向分割。 即根据： 1、水线面计算；
2、横剖面计算。
2-15
一、水线面计算方法（垂向计算法）
• 1、基本公式
dAwdz
dw A 2yd x A w2 L L /2 /2yd M yox z 0dxF0d AAww dzd2 0zd 20dLL//2 2LxL/y2/d2xydz dxd
zydxdz L/2
2-1 d
d
L/2
z B M zoy
0 d
z Awdz
0 d
yzdxdz L/2 L/2
2、水线面计算
• 计算内容：
L/2
A w
2
y dx
L / 2
2 L
'yi
' yi
y0 y1
y 20
y 0 y 20 2
水线面面积：Aw
M oy
2
L/2
x ydx
• B：满载排水量：指船舶上装载预先规定的设计载重量（即按照 设计任务书要求的货物、旅客、船员、行李、粮食、淡水燃料、 润滑油、锅炉用水的储备以及备品、供应品等均装载满额的重量） 的排水量。
空载排水量、满载排水量又分出港、到港。
• C：出港：燃料、润滑油、淡水、粮食及其他物品都按设计的规 定的数量带足。
正值，右舷方向横倾；
负值，左舷方向横倾。
W
平衡条件 xG xB
yB yG (zG zB)tg
2-5
表示参数
吃水 d ，横倾角
3、纵倾
船舶自正浮位置向船尾方向或船首方向倾斜的一种浮态。oy轴 是水平的，船体中纵剖面垂直于水面中横剖面与铅垂平面相交成一 角度，即正浮时水线面与纵倾后水线面相交的角度“纵倾角”，船 舶纵倾大小用首尾吃水差或纵倾角表示。
从强度条件看：L越大，船在水中所受的纵总弯曲M越大，要求
的船体构件尺寸也大。
b. 船宽B
对船体纵总强力构件尺寸的影响不大，但对构件的横向强度有较大的影 响。从构件数量来看，主要跟船底、甲板及舱壁等横向构件有关。
c. 型深D
从构件的数量来看：D对舷侧板以及骨架、舱壁有影响；
从强度来看：D大，船体梁的剖面模数W也大，对强度有利。
TPC Aw 100
• TPC每厘米吃水吨数，只与 Aw 有关。
• 每厘米吃水吨数曲线的形状与水线面面积曲线完全相似。
• 应用： d P
（小量载荷装卸 P<10%满载排水量）
TPC
2-19
5、排水体积曲线
• 排水体积曲线包括：
型排水体积曲线
由型线图计算所得体积
总排水体积曲线 K
排水量曲线 △
2-14
§2—3 排水量和浮心位置的计算
• 排水体积和排水体积形心坐标的计算是根据型线图和型值表 来进行的。
• 基本内容： 1、在计算船舶的排水体积时，用若干个与任一坐标平面平
行的平面把船舶水下体积分割成若干个薄层微体积，算出这 些薄层微体积并求其总和，即船舶的排水体积；
2、计算排水体积形心坐标时，要先算出薄层微体积对某一 坐标平面的静矩，并求出这些静矩总和，然后将其总和除以 排水体积，即得排水体积的形心距该平面的距离。 • 计算方法有两种： 1、水下体积沿轴垂向分割；
d
AS
2 0
ydz2d'yi
'yi y'0y1yn 1 2(y'0yn)
Moy
2
dzydz2d2
0
'kiyi
'kiyi 0y'0 1yi nyn 12(0y'0 nyn)
d
zA
Moy AS
zydz
0 d
d
ydz
'kiyi 'yi
0
CM
Am BT
2-26
3、横剖面面积曲线及其特性
• 特性：
（1）
• 公式表明：各分力（各重力）对给定平面力矩 的代数和等于其合力对该平面之矩，即合力矩 定理。
• 1、空船重心 • 2、装卸后船舶的重心
2-12
三、典型排水量
• 1、民船
• A：空载排水量：是指船舶在全部建成后交船时的排水量，即空 船重量，此时动力装置系统内有可供动车用的油和水，但不包括 航行时需的燃料，润滑油和炉水储备以及载重量。
吃水 d
对称面 yB上 0根据平衡 yG条 0 )件
2、横倾
船舶自正浮状态向左舷或右舷方向倾斜的一种浮态。ox轴是 水平的，中纵剖面与铅垂面成一角度，即正浮时水线面与横倾后 的水线面的夹角 （横倾角 Angle of transverse inclination ） 船舶横倾的大小以横倾角表示 有正负：
A 受力分析：
浮心B:水下排水体积的形心
重力、浮力
B 船舶平衡条件：
（1）重力=浮力 △=ρV 阿基米德定律 （2）重心G和浮心B 在同一条铅垂线上。
2-2
二、浮态
1、正浮
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，ox,oy轴水平，无横倾和纵倾；
平衡条件 表达参数
W
xGxB yByG0(船舶左右, 舷 正对 浮, 称 浮 时心在
dii zB i
(di zB )i
0di dz (di zB )i
zB
di
1 i
0di dz 2-22
6、浮心纵向坐标曲线
di
xBMyoz
0
xFAwd
di
z f(z)
0 Awdz
dxB
ddMyzozMyoz
d dz
dz
2
• 合力矩原理叙述如下
又 ddzAw ddM yzozxf Aw ddBxzA w(xFxB)
L
L2
ASdx
2
L
2 L
xAS dx
（2） xB 据
2
L
2 L
AS dx
2
该曲线是设计新船型线图的 主要依
曲线所围面积
（3） Cp 矩形面ab积 cdAML
2-27
§2—4 船舶在纵倾状态下 排水体积和浮心坐标的计算
• 一、邦戎曲线
1、邦戎曲线的表达内容
2-28
2、邦戎曲线的计算内容
2-29
3、利用邦戎曲线求解的步骤
Weight）
量 的 总 和 就 是 船 的 载 重 量 。 （ Displacement
船舶排水量=空船重量LW+载重量DW
2-8
备注：
• 1、船体钢料重量Wh的影响因素分析
Wh含船壳板、甲板、舱壁、首尾柱、上层建筑等各部分钢板和型材的重量
（1）主尺度以及船型系数
a. 船长L
影响最大。
从构件数量和几何尺寸上看：船舶上绝大部分构件都与船长有关；
由型排水体积乘以船壳系数所得 由总排水体积乘以水的重量密度所得
2-20
关于变上限积分
• 定积分的计算结果是一个数值 • 船舶计算经常需要曲线(函数)
2-21
* 排水体积曲线特性
（1）
zB
Mxoy面OE（F2）又
（3） tgddzAwi tg AE i
AC AC
Aci Awi
SOAE SOAEF SOEF
L / 2
2 L 2 'k iyi
' k i y i 0 y 10 1 ( y 11 y 9 ) 2 ( y 12 y 8 )
漂心纵向坐标：x F
9 ( y 19
y 1 ) 10
( y 20
y0)
1 2
10
( y 20
y0)
L/2
x F
M oy Aw
2 x ydx L / 2 L/2 2 ydx
• 1、基本公式
dAS dx d
dSA 2ydz As20ydz
L L 2A Sd x 2 L L 20 dyd dzx