保证舰艇稳性的方法-舰艇静力学与快速性

1.负初稳性舰艇倾斜的扶正

在设计时一般是能够保证舰艇具有足够的初稳性的，但是舰艇破损后往往会出现大面积的自由液面，可能使舰艇出现负的初稳性。舰艇出现负初稳性时的静稳性曲线如图4-23所示，由图可知，舰艇出现负初稳性的情况分两种：第一种情况是舰艇平衡在180°附近，这表示舰艇已经翻掉。第二种情况是舰艇平衡在倾角φ=φ1处，即舰艇有一个初始的横倾角，它可能漂浮在左舷倾角为-φ1处，也可能漂浮在右舷倾角为-φ1处，这将取决于舰艇在正浮状态时受到的外界扰动力的方向。在这种情况下，尽管舰艇装载是左右对称的，舰艇也将带有初倾角φ1而歪着漂浮或航行。如何判别是载荷不对称还是舰艇出现负初稳性造成舰艇初始横倾角的，将在后面关于不沉性的内容中介绍。

图4-23　负初稳性下舰艇静稳性曲线

对于具有负初稳性的舰艇，虽然船未翻掉，但其大角稳性很差，不论是最大复原力臂，还是静稳性曲线包围的面积，或是稳性范围等特征值都将显著低于正常值，必须采取措施，改善其稳性。

如果判定舰艇倾斜不是非对称装载造成的，而是由负初稳性造成的，就绝不能通过反向移动载荷来扶正舰艇。下面结合图4-24来对此予以说明。

图4-24　负初稳性下反向移动载荷的情况

设舰艇因存在负初稳性而浮于左舷倾角为-φ1的位置上，尝试用逐步向右舷移动载荷的方法扶正舰艇。最初当移动载荷所形成的力矩逐渐加大时，舰艇逐渐扶正；当力矩增加到MKPD时，舰艇扶正到倾角为-。此后只要力矩再稍稍加大一点，就相当于在船上加了一个动倾力矩，舰艇便开始自行扶正，舰艇将产生角加速度和角速度，并且扶正的程度越大，角加速度越大，舰艇将一直倾斜直到倾角为φd（图中两块阴影面积相等）为止，然后舰艇在φd与-位置之间摆动，最终平衡于右舷倾角为φ2的位置上。(www.xing528.com)

这就是说：如果SAEF＜SKHF，舰艇就要倾覆；如果SAEF＞SKHF，舰艇即使不翻，也将倾斜在倾角比φ1更大的位置上。由于载荷的水平横向移动并不能降低舰艇的重心，因而也不能改变负初稳性。

此时，要扶正舰艇必须使初稳性从负的变为正的，最简便的办法是降低重心高度。为此，可以从上往下移动载荷，或者在中面以下的较低位置增加压载。当初稳性由负变正时，舰艇自然就扶正了。

2.波浪中稳性特点

在舰艇大角稳性的讨论中，假设水线保持水平（没有波浪），舰艇倾斜过程中忽略阻尼、惯性影响，遵守功能守恒原理。基于这种假设推导出在舰艇有初始横倾角φr时处于最危险状态。在《舰船通用规范》中把舰艇在正横浪中产生的共振横摇角作为初始横倾角φr，把舰艇在正横浪中航行时受到阵风而产生的力矩作为动倾力矩MKPD，也就是以舰艇在正横浪中航行作为稳性最危险状态来进行静力学稳性校核。传统的观点认为舰艇在正横浪中航行时稳性最差，然而，许多船舶丧失稳性导致倾覆却是在艉斜浪（波浪传播方向与船航行方向夹角小于90°）或随浪（波浪传播方向与船航行方向夹角等于0°）的状态，许多研究表明船舶在艉斜浪或随浪状态下可能比在正横浪状态下的稳性更差。这是因为若船舶处于随浪状态下，当船长接近波长，船速等于波速，舰艇随波航行时，船与波可能呈相对固定状态。考虑波面的影响时，舰艇静稳性曲线大致如图4-25（a）所示，当船舯处于波峰（常称中拱状态，见图4-25（b））时，舰艇稳性最差。这是因为，当舰艇的舯部处于波峰时，因舯部埋入水中倾斜后不再提供船形稳性力臂或提供极少，复原力矩主要靠艏、艉两端提供，而艏、艉两端船形又较瘦，因此舰艇扶正能力比较差，稳性将大大降低，特别是小型船舶，如果再遇到甲板上浪更易倾覆。当船舯处于波谷（常称中垂状态，见图4-25（a））时，情况与中拱相反。

图4-25　波浪中舰艇静稳性曲线

至于舰艇在艉斜浪中的稳性问题，情况要复杂些，除了类似随浪状态的问题外，还会出现“横甩”现象，这也是当前稳性研究中的重要课题。现今的稳性规范大多数还是以正横浪为假定前提，随着今后对艉斜浪稳性的深入研究和实践，相关研究成果会在船舶设计中逐步得到应用。