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初稳性公式详解及应用

时间:2023-09-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:至于在初稳性研究中讨论纵稳性高,主要目的不是考虑舰艇纵向稳性问题。从这个意义上来讲复原力矩是表示舰艇初稳性的最根本的量。所以初稳性高亦是决定舰艇横摇快慢的一个重要特征数。各类船舶的初稳性高的数值,根据其用途、航行区域等因素的不同应在某一合适的范围内。表3-1不同排水量舰艇最小横稳性高表3-2各类船舶在设计排水量下的横稳性高范围

初稳性公式详解及应用

1.平衡位置稳定性判别

由式(3-11)、式(3-12)可知:当稳心在重心之上(zb+r>zg)时稳性高为正值,这时复原力矩的方向和倾斜方向相反,舰艇平衡位置是稳定的;反之,当稳心在重心之下(zb+r<zg)时稳性高为负值,这时复原力矩的方向和倾斜方向相同,舰艇平衡位置是不稳定的。因此,常用稳性高h的正负号来判别平衡位置的稳定性。

2.横稳性高与纵稳性高

一般舰艇的横稳性高h较纵稳性高H小得多。比较式(3-6)与式(3-8)不难看出,二者的区别主要在于水线面积惯性矩Ix和Iyf不同。通常舰艇水线面的形状是狭长的,其纵向的尺度远较横向的尺度为大,因此Iyf的值也大大超过Ix的值。

图3-8 长方体船

现以一长、宽、吃水分别为L、B、T的直角平行六面体为例,比较横稳性高和纵稳性高之间的差别。由图3-8可以计算:

一般水面舰艇的长宽比L/B在6~11之间,这样R就可能比r大35~120倍。舰艇的横稳性高在1 m左右,而纵稳性高与船长L为同一数量级。因此,要判断舰艇的某个平衡位置是否稳定,实际上只要看横稳性高h是否为正即可。横稳性高h>0就是舰艇的稳定条件;纵稳性高H通常总是正值。至于在初稳性研究中讨论纵稳性高,主要目的不是考虑舰艇纵向稳性问题。在初稳性研究中讨论纵稳性高,是因为在实用中,要通过纵稳性来确定由纵倾所引起的艏艉吃水差,或以此求得舰艇新的水线位置。

3.舰艇初稳性的表征

舰艇初稳性可以用三种不同形式表征:复原力矩、稳性系数和初稳性高。

显然,复原力矩越大,舰艇倾斜后回到原来平衡位置的能力就越大,或者说要使舰艇离开平衡位置倾斜一定角度所需外力矩也越大,即舰艇原平衡位置就越稳定。从这个意义上来讲复原力矩是表示舰艇初稳性的最根本的量。

但是另一方面,因复原力矩是随着舰艇的倾角大小变化而变化的,所以用它来表示舰艇的初稳性时必须注明它所对应的倾角大小。特别是当倾角为零时,它的值也是零。实际上,在任何平衡位置复原力矩都是等于零的,舰艇只有在倾斜时才能反映出复原力矩的大小,这是用复原力矩表征初稳性的不完善之处。

稳性系数是排水量与稳性高之积,即横稳性系数k=Ph,纵稳性系数K=PH。稳性系数也可以用来表示舰艇的初稳性:当k>0时,舰艇的平衡位置是稳定的;反之,当k<0时,则不稳定。k(K)越大,平衡位置也就越稳定。由于稳性系数中不包含倾角因素,对于任何一个平衡位置都有其确定的稳性系数的值,这就可避免用复原力矩表征初稳性时所具有的缺点。

通过稳性高的正负可以判断舰艇的平衡位置是否稳定:稳性高为正表示稳心M在重心G之上,平衡位置稳定;稳性高为负表示稳心M在重心G之下,平衡位置不稳定。同时,当排水量一定时,稳性高越大,稳性系数也越大,一定倾角下的复原力矩也越大,该平衡位置稳定的程度也越高。所以稳性高也完全可以用来作为初稳性的一种度量。实际上稳性高可以看作单位排水量的稳性系数。

用稳性高来表征舰艇的初稳性十分简明,正负、大小一目了然,也便于用来做同类舰艇间初稳性的比较,因而得到了较为广泛的应用。它的缺点是有时对同一条舰艇的同一平衡位置采用不同方法计算时可以得出不同的稳性高之值。而复原力矩和稳性系数就不存在这个情况,只要计算的是同一个平衡位置的值,那么不管用什么方法,其结果总是相同的(该问题将在舰艇不沉性和潜艇稳性相关章节进一步讨论)。

4.复原力矩的物理意义

式(3-10)可以改写成如下形式:

式中 a——重心距浮心的高度,a=zg-zb。(www.xing528.com)

式(3-16)表明,复原力矩由两个力矩组成,第一个力矩Prsinφ总是正的,它的作用效果是使舰艇重新回到原来的平衡位置,并且当重量P为定值时,它的大小取决于船形,故称为船形稳性力矩。第二个力矩是-Pasinφ,当a>0即重心在浮心之上(对于水面舰艇一般是这样)时,这个力矩总是负的,它的作用效果是使舰艇偏离平衡位置而继续倾斜,当重量为定值时,它的大小主要取决于重量在高度方向上的分布即重心高度,故称为重量稳性力矩。

关于这两个力矩的作用可以在图上形象地表示出来。如图3-9(a)所示,在浮心B处加一对大小相等(大小为P=ρgV)、方向相反且平行于重力P的力,其中标有“//”记号的是船形稳性力矩,另一对是重量稳性力矩。

图3-9 船形稳性力矩与重量稳性力矩

从另一角度(见图3-9(b),图中g1为出水楔形体体积中心,g2为入水楔形体体积中心)可以看出船形稳性力矩的物理意义:由g1处损失的浮力与g2处增加的浮力所构成的力矩。

实际上浮心从B点移至B1点是出水楔形体体积变成入水楔形体体积的结果。由重心移动定理知:

式中 v——出水和入水楔形体体积。

由图3-9(a)可以将船形稳性力矩写成:

将式(3-17)代入式(3-18)中,则有

式(3-19)表明船形稳性力矩就是出水和入水楔形体体积带来的浮力所构成的力矩,舰艇倾斜后正是由于水密体积搬移才产生复原力矩,并且当排水量一定时,船宽越大,水线面面积惯性矩Ix越大,则船形稳性力矩也越大,舰艇稳性也越好。

从式(3-10)或式(3-12)中可以看出,舰艇在一定排水量下产生小横倾时,横稳性高越大,复原力矩也越大,也就是抵抗倾斜力矩的能力越强。因此,横稳性高是衡量舰艇初稳性的主要指标,表3-1所示为《舰船通用规范》(GJB 4000—2000)要求的不同排水量舰艇横稳性高的最小值。但是初稳性高过大的舰艇,摇摆周期短,在海上遇到风浪时会产生急剧的摇摆,反之,初稳性高较小的舰艇,虽然抵抗倾斜力矩的能力稍差,但摇摆周期长,摇摆缓和。所以初稳性高亦是决定舰艇横摇快慢的一个重要特征数。各类船舶的初稳性高的数值,根据其用途、航行区域等因素的不同应在某一合适的范围内。表3-2所列为各类船舶在设计排水量下横稳性高的大体范围。

表3-1 不同排水量舰艇最小横稳性高

表3-2 各类船舶在设计排水量下的横稳性高范围

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