学生船舶工程概论

,*,E-mail:,qiuminzhi,谢 谢,第 3 章 船体几何特征与技术性能,3.1 概述,3.2 船体几何特征,3.3 船舶总体技术性能,本章内容：,1,船体的几何形状对船舶的航海性能,有很大的影响。,船体通常是一个狭长和左右对称得几何体。,船体几何要素：,船的大小和形状,。,船体主尺度、尺度比、船型系数表示船体大小和肥瘦程度。,型线图完整表达船体的表面形状。,本章主要内容：船体几何特征和船舶总体性能（浮性、稳性、抗沉性、快速性、耐波性、操纵性）。,3.1 概述,2,船体是一个具有双重曲度的复杂的流线体，其表面形状通常是一个复杂的光顺曲面。,船体线型：船体型表面的剖切线和投影线所确定的船体外形。,数学型线：能用数学公式表示的船体型线。,船体型线图：在三个相互垂直的投影面上，以船体型表面的剖切线、投影线和外轮廓线表示船体型表面形状的图样。,船体型表面：不包括附体在内的船体外形的设计表面。,船体型线图是船舶设计、计算和建造放样的重要依据。,金属船的型表面为外板的,内表面,，,非金属船的型表面为船壳的,外表面,。,3.2.1 船体型线图,3,主坐标平面：固定于船舶上，三个直角坐标轴组成的坐标平面，即基平面、中线面和中站面。,3.2.1.1 型线图的三个基准投影面,4,型线图的三个互相垂直的基准投影面:船的中线面(V)，基平面(B)，中站面(W) 。,中线面(V)将船体对称划分，并垂直于基平面的纵向平面。,基平面(B) 通过龙骨线与中站面交点,的水平面。,中站面(W)中站,处垂直于基平面的横向,平面。,基线：基平面与中线面或,横向垂直平面相交的直线。,中站：位于垂线间长或,设计水线长中点处的站。,3.2.1.1 型线图的三个基准投影面,5,中纵剖线,:中线面与船体表面的交线。,中纵剖线包括:甲板线，龙骨线和首尾部分的外轮廓线。,设计水线,:设计水线面与船体表面的交线。,中横剖线,:中站面与船体表面的交线。,中横剖线包括：甲板的横梁线，船底线和舷侧线。,3.2.1.2 型线图的三个视图,6,1.纵剖线图,沿船宽方向平行于纵中剖面取2,4个纵剖面，将各纵剖面所截得的船体外形曲线投影在中线面上，即得纵剖面图。(如1500纵剖线、3000纵剖线等）,3.2.1.2 型线图的三个视图,7,2.横剖线图,沿船长方向平行于中横剖面取20(或10）个等间距的横截面，将各横剖面所截得的船体外形曲线投影在中站面上，即得横剖面图。右边绘制首部横剖线，左边绘制尾部横剖线。,3.2.1.2 型线图的三个视图,8,3.半宽水线图,沿吃水方向平行于设计水线面取7,9个等间距的水面截面，将各水平剖面所截得的船体外形曲线投影在基平面上，既得半宽水线图。（如600WL、1200WL),3.2.1.2 型线图的三个视图,9,在型线图上还要画出甲板边线以及舷墙顶线等。它们是空间曲线，在三个基准投影面上的投影都是曲线，不反映真实形状。,3.2.1.2 型线图的三个视图,10,梁拱,横梁线,舷侧,舭部,船底线,基线,底边升高,船体中横剖面线形状,梁拱：,一般取1/501/80,3.2.1.3 中横剖面线形状与型值表,11,3.2.2.1 船体主尺度,船体主尺度：船体外形大小的基本量度，即船长、船宽、型深和吃水。,1 船长(L)：,总长,(L,OA,)：自船首最前端至船尾最后端平行于设计水线的最大距离。,垂线间长,(L,PP,)：首垂线与尾垂线之间的水平距离。,设计水线长,(L,WL,):设计水线面与船体型表面首尾端交点之间的水平距离。,3.2.2 船体主尺度、尺度比和船型系数,12,船进坞、靠码头、过船闸时应注意总长。,在船舶静水力性能计算中一般用垂线间长。,分析阻力性能时常用设计水线长。主船体涂漆在设计水线处用不同颜色分界。,3.2.2 船体主尺度、尺度比和船型系数,13,（2） 船宽 （B）：,型宽,：船体型表面（不包括船体外板厚度）之间垂直于中线面方向度量的最大距离。,设计水线宽,：设计水线平面处，船体型表面之间垂直于中线面的最大水平距离。,满载水线宽,：满载水线平面处，船体型表面之间垂直于中线面的最大水平距离。,最大宽度,：包括外板和伸出两舷的永久固定突出物（如护舷材、水翼等）在内,的垂直于中线面的最大水平距,离。,3.2.2.1 船体主尺度,14,（3）型深（D）,在船的中横剖面处，沿船舷由平板龙骨上缘至上层连续甲板横梁上缘的垂直距离；对甲板转角为圆弧的船舶，则,由平板龙骨上缘量至横梁上缘延伸线与肋骨外缘延伸线的交点。,3.2.2.1 船体主尺度,15,(4)吃水 (T),吃水：船体在水面以下的深度。,设计吃水(T)基平面与设计水线平面的垂直距离。,在有纵倾时，首尾不同，则取平均值，既：,T,M,=(T,F,+T,A,)/2 (3.1),式中：T,M,平均吃水，中剖面处吃水；,T,F,首吃水，沿首垂线自设计水线至龙骨线的,延长线的距离；,T,A,尾吃水，沿尾垂线自设计水线至龙骨,线的延长线的距离。,3.2.2.1 船体主尺度,16,（5）干舷( F),干舷：船浮于静止水面时自船舷最低处至水面的垂直距离。,3.2.2.1 船体主尺度,17,在船舶设计和实验中，对同类船型大小不同的船舶进行比较分析。,尺度比在一定程度上反映船主体部分的形状特征，与船舶航行性能关系密切。,3.2.2.2 尺度比,18,长宽比（L/B）与船的快速性有关。 该比值越大、船越细长，阻力小；该比值越小、船越短粗，阻力大。,宽度吃水比（B/T）与船的稳性、快速性和航向稳定性有关。,吃水型深比（T/D）与船的稳性、抗沉性和船体内部的容积有关。,长度吃水比（L/T）与船的回转性有关，比值越小，回转越灵活。,长深比（L/D）与船体总强度有关，长深比小，强度好。,3.2.2.2 尺度比,19,船型系数:表示船体型线肥瘦特征的各种无量纲系数的统称。,它们都与船的航行性能有密切关系，在设计时要根据船的用途、航区和速度等不同情况选取。,3.2.2.3 船型系数,20,（1）水线面系数（ C,WP,、）,水线面系数,：,与基平面相平行的任一水面面积A,W,与L（垂线间长）、B（设计水线处）所构成长方形面积之比，既,C,WP,的大小表示了水线面的肥瘦程度。,它对船的稳性及快速性都有影响。,（3.2）,3.2.2.3 船型系数,21,（2）中横剖面系数（ C,M,、）,中横剖面系数：中剖面在水线以下的面积A,M,与B（设计水线处）相应吃水T所构成长方形面积之比，既,C,M,的大小表示了水线以下中剖面的肥瘦程度。,（3.3）,3.2.2.3 船型系数,22,3、方形系数（ C,B,、）,方形系数：船体水线以下的型排水体积与L（垂线间长）、B（设计水线处）、相应吃水T所构成长方体体积之比，既,C,B,的大小表示水下体积的肥瘦程度。,它对船快速性有影响。,（3.4）,3.2.2.3 船型系数,23,4、棱形系数 （C,P,、）又称纵向棱形系数。,船体水线以下的型排水体积与相应水线下舯剖面浸水面积A,W,和船长 L所构成棱柱体体积之比，既,（3.5）,或,（3.6）,C,P,的大小表示排水体积沿船长方向的分布情况 。,它与船的快速性有密切关系。,3.2.2.3 船型系数,24,5、垂向棱形系数 （C,VP,、,V,）,船体水线以下型排水体积与相应水面面积A,W,和吃水T所构成棱柱体体积之比，既,（3.7）,（3.8）,C,VP,的大小表示排水体积沿吃水方向的分布情况 。,或,3.2.2.3 船型系数,25,前倾型首,直线,曲线,球鼻首,破冰型首,军舰型首,前倾型首是现代大多数船舶所采用的一种船首。,球鼻首多用在中低速船，可减小阻力。,军舰上使用球鼻首的，主要目的是为了安装声纳。,破冰型首便于船首冲上冰面，靠首部重量将冰压碎。,前倾型首优点：,1.减小首端激浪；2.迎浪时纵摇与垂荡运动将缓和；,3.改善碰撞时安全性；4.增大首部甲板面积。,3.2.3.3 船首,26,巡洋舰型尾、方尾、球形尾、隧道尾、双尾等。,巡洋舰型尾是采用较多的一种船尾。水线较长，有利减少船的阻力。,方尾主要用于高速船。可减小高速航行时尾部的下沉，改善快速性，可增大尾部甲板面积。,尾部轮廓主要考虑：桨、舵、船体之间的配合。,3.2.3.4 船尾,27,船舶总体技术性能：,浮性、,稳性、,抗沉性、,快速性、,耐波性、,操纵性等。,3.3 船舶总体技术性能,28,浮性,：在一定装载情况下,船舶具有漂浮在水面(或浸没在水中) ，保持平衡位置的能力。,船舶的基本性能之一。,3.3.1 船舶浮性,29,重力:由船舶本身各部分的重量所组成。,民船一般包括：空船重量（船体钢料、木作舾装、机电设备）和载重量（货物、旅客、船员、行李、油、水、食品、备品及供应品等）。,军舰还有武器、弹药等。,船舶的重力W，作用点为重心G。,浮力船体表面所受静水压力的合力 ，作用点为浮心B。,=, (3.9),式中: 船舶排水量(t)；,船舶排水体积(m,3,)；,水的重量密度；, 浮力。,3.3.1.1 船舶的平衡条件,30,平衡条件：,、重力与浮力大小相等，方向相反， 即,W= ；,、重心和浮心在同一铅垂线上,在设计中，很难控制这一关系：重力浮力（达不到预定吃水），需加压载（主尺度选大了）；重力浮力（超过预定吃水）,，对船性能影响很大。,重心和浮心位置不同，其浮态（正浮、横倾、纵倾、任意状态）不一样。,3.3.1.1 船舶的平衡条件,31,船舶的浮态,设重心G坐标和浮心B坐标为,(x,G,y,G,z,G,)， (x,B,y,B,z,B,),3.3.1.2 船舶的浮态,32,1、正浮状态,2、横倾状态,可以仅用吃水T表示,以吃水T和横倾角,f,表示,，,f,向右舷为正,3.3.1.2 船舶的浮态,33,4、任意状态,以平均吃水,T,和,及,表示,3、纵倾状态,首倾时纵倾角,为正，以平均吃水,T,和,表示。,当首吃水大于尾吃水时，称首纵倾。,当尾吃水大于首吃水时，称尾纵倾。,3.3.1.2 船舶的浮态,34,总重量,W,，重心位置(x,G,y,G,z,G,),部分重量,W,i,，部分重心位置(x,i,y,i,z,i,),固定重量空船重量,变动重量载重量,船舶的排水量,3.3.1.3 船舶重量和重心位置计算,35,船舶排水量,空船重量（船体钢料木作舾装+机电）载重量,载重量,：船舶允许装载的可变载荷的最大值，其值等于满载排水量与空船重量之差。包括燃料、淡水、食物、船员、旅客、货物等。,载货量,：载重量中允许装载货物的最大值。,3.3.1.4 船舶排水量,36,民用船舶两种典型装载情况：,1、,空载排水量,：船舶在全部建成后交船时的排水量（包括动力系统内有可供动车用的油水），既空船重量。,2、,满载排水量,：在船舶上装载预先规定的设计载重量排水量 （包括货物、旅客、船员、行李、食品、淡水、 燃油、润滑油、锅炉用水的储备、备品、供应品等）。,3.3.1.4 船舶排水量,37,在空船排水量和满载排水量之中又可分为出港和到港两种。,出港,：食品、淡水、燃油、润滑油按设计规定的数量带足。,到港,：食品、饮用淡水、燃油、润滑油按设计规定的数量还剩10% 。,一般,满载排水量,作为,设计排水量,。,3.3.1.4 船舶排水量,38,我国,舰船通用规范,中规定全船重量,16,个分项：,1,）船体结构（,W,c,),，,2,）推进系统（,W,j,),，,3),电力系统（,W,a,),，,4),电子信息系统（,W,h,),，,5,）辅助系统,(W,t,),，,6,）船体属具与舱室设施,(W,z,),，,7,）武器发射装置与保障系统（,W,w,),，,8,）供应品（,W,g,),，,9,）弹药（,W,d,),，,10,）人员、行李、食品、淡水（,W,r,),，,11,）燃油、滑油、给水、喷气燃料（,W,y,),，,12,）储备排水量（,W,b,),，,13,）液体负荷（,W,f,),，,14,）特殊装载（,W,zz,),，,15,）压载（,W,yz,),，,16,）超载（,W,cz,),。,舰艇载重的分类,39,军用舰艇规定了五种典型的装载情况：,1、,空载排水量,：军舰建造全部完工后的排水量。（舰上装有机器、武器和其他规定的战斗装备，但不包括人员和行李、食品、供应品、弹药，饮用水、润滑油、燃料和锅炉用水等的重量。）,3.3.1.4 船舶排水量,40,2、,标准排水量,：人员配备齐全，必需的供应品备足，作好出海作战准备的排水量。（空载排水量加人员和行李、食品、淡水、供应品、弹药及作战用品，也包括机器、锅炉和管系内燃油、润滑油和锅炉用水的重量。不包括燃油、滑油和锅炉用水的储备重量。）,3.3.1.4 船舶排水量,41,3、,正常排水量,：标准排水量加保证50航程所需的燃料、润滑油和锅炉用水的重量。,规定,正常排水量,为,设计排水量,。,4、,满载排水量,：标准排水量加保证全航程所需的燃料、滑油和锅炉用水的重量。,3.3.1.4 船舶排水量,42,5、,最大排水量,：超载排水量，满载排水量加超载的弹药、燃料、润滑油、锅炉用水等的重量。这是军舰允许的最大装载状态。,3.3.1.4 船舶排水量,43,储备浮力,：船舶的实际水线面以上船体水密部分的体积所能提供的浮力。,满载排水量的百分数来表示。,作用：(1)在风浪中航行，船处于浮沉升降运动中，为了保证航行安全，设计水线以上有足够的水密体积，这一部分可保证船继续下沉时，提供浮力。,(2)当船破损进水，船的吃水增加，损失的这部分浮力要由储备浮力来补偿，否则船就有沉没的危险。,3.3.1.5 储备浮力及载重线标志,44,储备浮力通常以干舷F来表示，反映了水线以上船体水密部分的体积。,储备排水量的大小由以下因素决定：,船类型（军、民）,航行区域（、海区或内河A、B、C等）,货种类（客、货）,内河驳船1015，海船2025，军船100。,.,3.3.1.5 储备浮力及载重线标志,45,载重线标志：按有关载重线规范规定的式样，勘绘于船体中间两舷的标明干舷的标志。,超载危害：,1）稳性。,2）抗沉性。,3）快速性。,4）操纵性。,5）耐波性（F，甲板上浪）,3.2.1.5 储备浮力及载重线标志,46,国际上 1930年制定国际载重线公约1966年又作修改。,我国1959年颁布海船载重线规范1975年作修改。2006 船舶与海上设施法定检验规则,对内河船载重线也有类似的规范,。,3.3.1.5 储备浮力及载重线标志,47,法规规定：主船体水线以上和以下分两种颜色（港监检查）。,1.在船中两舷勘划载重线标志（符号）；,2.表明该船在不同的航区，不同的季节 中航行时允许最大吃水线；,3.以此规定船安全航行的最小储备浮力。,载重线：直径为300mm圆圈和若干长为230mm水平线。,3.3.1.5 储备浮力及载重线标志,48,载重线标志,ZC中华人民共和国船舶检验局；,X（S）夏季载重线；,R（T）热带载重线；,Q（F）淡水载重线；,RQ（TF）热带淡水载重线；,D（W）冬季载重线；,BDD（WNA）北大西洋冬季载重线。,圆环两侧字母Z，C表示勘定的机关,是“中华人民共和国船舶检验局”,A，B，C指内河A，B，C级航区,港监部门可依据标志予以监督，,对超载船舶予以停航处理。,3.3.1.5 储备浮力及载重线标志,49,船舶稳性,：船舶在外力（风、浪、起吊重物、移动重物等）作用下发生倾斜，当外力消失后，仍能回复到原平衡位置的能力。,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。,3.3.2 船舶稳性,50,初稳性,：一般指倾角小于1015度(或甲板边缘入水之前的稳性)。,大倾角稳性,：一般指倾角大于1015度(或甲板边缘入水之后的稳性)。,稳性按倾角方向分为,横稳性,（船宽方向）和,纵稳性,（船长方向）。,3.3.2 船舶稳性,51,横倾力矩,：使船舶产生横倾，作用平面平行于yoz平面的力距,纵倾力矩,：使船舶产生纵倾，作用平面平行于xoz平面的力距。,3.3.2 船舶稳性,52,一、稳定平衡条件：物体平衡的三种状态,当船发生倾斜：重心G无变化，浮心B位置发生了变化（水下体积形状发生了改变，此时G和B不再同一铅垂线上，而产生了一对力偶，此力矩可能产生了三种平衡状态：,1）稳定平衡,2）不稳定平衡,3）随遇平衡（中性平衡）,稳性M（稳心）位置决定了船是何种平衡：,1）稳定平衡,M在G上,2）不稳定平衡,M在G下（决不允许）,3）中性平衡,M与G重合,3.3.2 船舶稳性,53,二、初稳性,M稳心（正浮位置浮力作用线和倾斜一角度浮力作用线的交点）,稳半径,稳性高（h0,h=0,h0）,初稳性公式：,由于值很小，,则可写作,由该式可以看出,（1）初稳性高 越大，复原力矩M,R,越大,（2） 是衡量船初稳性主要指标,（3）当M,R,低时，可采取降低重心G以增加 达到增大M,R,3.3.2 船舶稳性,54,三、大角稳性,船在风浪作用下，其倾角可能达到,4050以上，此时初稳性公式不再适用。,复原力矩 ： M=L即M=f(),我们可算出不同角度时的M值，作,出一曲线图称为静稳性曲线,该图表明：随着角度变化，M变化的情况,3.3.2 船舶稳性,55,大角稳性要解决：,(1)抵抗多大风浪,(2)或角度到何角度船倾覆,曲线包围的面积与F大小（与横倾角有关）,与上建筑形状（与进水角有关）,船水下形状（重心位置有关）,与大角稳性有关因素干舷F大小，上层建筑形状、主,体水下形状、重心位置,我国船舶“稳性规范”对大倾角计算及衡量标准都,有具体规定，在船舶设计中必须满足要求。,3.3.2 船舶稳性,56,四 提高稳性的措施,1.降低重心。 降低G可提高 值，增加M,R,，,2.增加船宽B 。船稳性正比于B,2,3.加大型深D,4.减小自由液面。 自由液面产生力矩方向与船横倾方向一致，使倾复力矩增大。,5.减小受风面积 （减少风压倾斜力矩）,3.3.2 船舶稳性,57,抗沉性,: 指船舶在一舱或数舱破损进水后仍能保持一定浮性和稳性的能力。,3.3.3 船舶抗沉性,58,1,、 水密舱壁和干舷的作用,合理分舱和足够的储备浮力是保证船舶抗沉性的重要措施,（,1,）合理分舱：将主船体内部空间分隔成一定区域，也便于使用。,（,2,）储备浮力：有一定干舷高度，即储备浮力（舱室进水损失的浮力，由储备浮力补偿）。,各类船舶对抗沉性的要求是不同的,军船最高、客船次之、货船再次之,3.3.3,船舶抗沉性,59,抗沉性问题包括：,1）船舶在一舱或数舱进水后浮态和稳性的计算；,2）从保证抗沉性出发，计算分舱的极限长度，即可浸长度的计算,3.3.3 船舶抗沉,60,根据进水情况将船舱分为三类:,第一类舱：舱顶在水线下，破损后水灌满整个舱室，但舱顶未破，因而无自由液面。,3.3.3 船舶抗沉,61,第二类舱：进水舱未被灌满，舱内的水与船外的水不相联通，存在自由液面；,第三类舱：舱顶在水线以上，舱内的水与船外的水相通，舱内水面与船外水保持在同一水平面。,3.3.3 船舶抗沉,62,计算抗沉性的两种基本方法,船舶破损后，进水量如小于 1015，则可应用初稳性有关公式计算，船舱进水后的浮态和稳性。,两种处理方法：,1、增加重量法：把破舱后进入船内的水看成是增加的液体载荷；,2、损失浮力法：把破舱后的进水区域看成是不属于船的，即该部分浮力已损失，并由增加吃水来补偿。,3.3.3.1 进水舱的分类和计算,63,规范规定：船舶在破损后应有76mm 的干舷。故甲板边线以下76mm处的一条曲线称为安全限界线，其上各点的切线表示所允许的最高破舱水线极限破舱水线。,3.3.3.2 可浸长度,64,3.3.3.2,可浸长度,65,为使水线不超过安全限界线，需限制舱长。船舶的最大许可长度称为可浸长度，它表示进水后船舶的破舱水线恰与安全限界线相切。,3.3.3.2 可浸长度,66,3.3.3.3 对抗沉性要求,对抗沉性的要求:军舰最高，客船次之，货船 又次之。,船舶在一舱破损后的破舱水线不超过安全限界线，但在两舱破损后，其破舱水线超过了安全限界线，则该船的抗沉性只能满足一舱不沉的要求，称为一舱制。,相邻两舱破损后能满足抗沉性要求的船称为两舱制船。,相邻三舱破损后能满足抗沉性要求的船称为三舱制船。,67,改善抗沉性措施：,（1）增加干舷、增大型深或者在多层甲板船上将水密舱壁通到更高一层甲板（注意甲板间开口的水密性，舷侧的窗、门等）；,（2）减少吃水，当型深不变时；,（3）增加舷弧以及使横剖面外倾；,（4）使水下体积瘦削也可认为是相对地增大了储备浮力。,3.3.3.4 改善抗沉性措施,68,船舶快速性,：表征船舶在一定的主机功率情况下于静水中达到高速的能力。,快速性研究：,(,1),以较小的主机功率达到一定航速的能力。,(2),在一定主机功率下达到较高航速的能力。,船舶快速性分:,船舶阻力,和,船舶推进,。,3.3.4 船舶快速性,69,船舶阻力,水阻力,空气阻力,静水阻力,汹涛阻力,裸船体阻力,附体阻力,兴波阻力,摩擦阻力,漩涡阻力,3.3.4.1 船舶阻力,70,船舶阻力：船舶运动过程中，流体作用,于船体上，与运动方向相反的，阻力船舶运,动的力。,阻大小的一般表示式为：,R=1/2CSv,2,（3.12),式中，R为阻力，C为阻力系数，为水的密,度，S为船的水下表面积，v为船速。,3.3.4.1 船舶阻力,71,1.,摩擦阻力,R,f,由于水的粘性作用，航行时船体表面积,必然受到水的摩擦作用，从而形成摩擦阻力。,R,f,的影响因素：,（,1,）水的粘性。,（,2,）船水下表面积（浸湿面积）的大小。,（,3,）船体表明光滑程度（焊缝、表面不,平、海生物的附着会增加附加阻力、污底阻力,等）。,3.3.4.1 船舶快速性,72,R,f,的计算：采用光滑平板的摩擦阻力计算公式，再考虑糙,度的影响,称为粗糙度补偿其表达式为,R,f,=,（,C,f,+C,f,）,0.5S V,2,式中：,C,f,摩擦阻力系数，是雷诺数,Rn,VL/,的函数，,C,f,粗糙度补贴系数，,水运动粘性系数（,m,2,/s,）,对,V,低船，,R,f,在总阻力所占的比例较大,70,80%,措施：,a.,减小浸湿面积和粗糙度（与设计建造有关）,b.,还有研究：从船体表面不断喷射稀释的高分子化合物溶,液，实验表明是有效的，但稀释液较贵,c.,定期进坞检修，清除污底，重涂油漆,3.3.4.1 船舶阻力,73,2.,兴波阻力（,R,w,）,船舶航行时兴起兴起重力波所消耗的能量而形成的阻力。,(1),兴波现象,散波系,与船运动方向成一定角度,横波系,与船运动方向垂直,横波,首横波往往在首柱前为一波峰,尾横波往往在尾柱前为一波谷 在船尾后面、首尾横波叠加而成,合成后出现两种结果：首横波谷与尾横波谷叠加（不利干扰）,首横波峰与尾横波谷叠加（有利干扰）,3.3.4.1 船舶阻力,74,(2) R,w,影响因素,R,w,大小与：航速、船形状等有关，但与,V,影响最大，达到某,个航速以后与,V,6,成正比其变化规律对傅汝德数,Fr,非常敏感,g,重力加速度（,m,2,/s,）,把,R,w,用兴波阻力系数,C,w,表达，即,C,w,=R,w,/0.5S V,2,其与,Fr,的关系见图。,曲线表明：凸点称为波阻峰点（阻力大，不利干扰）,凹点称为波阻谷点（阻力小，有利干扰）,我们在设计船时，希望,R,w,处于波阻谷点,措施：,a.,使,L,与,V,密切配合，使其落在波阻谷点,b.,球鼻艏,c.,压浪条,3.3.4.1 船舶阻力,75,3.,漩涡阻力,粘压阻力、形状阻力、压差阻力。,船在航行时，在船艉部产生许多漩涡使,艉部压力降低，形成首尾压力差，形成漩涡,阻力。,漩涡阻力的大小应考虑船后体形状，设,计优良，仅占总阻力的,5%,3.3.4.1 船舶阻力,76,4.总阻力,船航行时，水下部分遭受的总阻力为 摩擦阻力、兴波阻力和漩涡阻力之和。,兴波阻力可通过波形测量确定，旋涡阻力可通过尾流测量确定。,但在实际计算，采用傅汝德的换算方法，即把总阻力分为两部分 ：一为摩擦阻力R,f,，一为剩余阻力R,r,，总阻力R的表达式为,R=R,f,+R,r,（3.14),3.3.4.1 船舶阻力,77,R,r,剩余阻力，由船模实验方法确定或近似公,式计算。通过船模实验可得出总阻力,R,t,，再减去,R,f,（计算出），可知,R,r,（其中主要成分是兴波阻力）,注意：上述阻力是裸船体阻力。,实际上还有：舵、舭龙骨、尾轴架等产生的附,体阻力。,另还有：波涛影响的汹涛阻力，空气阻力,以上请况比较复杂，一般用增加,1520%主机功率,储备解决。,3.3.4.1 船舶阻力,78,影响阻力的主要船型参数,主要包括三个方面：,（1）主尺度比：长宽比L/B，宽度吃,水比B/T。,（2）船型系数：方型系数，棱型系数以及,船中横剖面系数还有排水体积长度系数。,（3） 船体形状,横剖面面积曲线的形状。,满载水线面的形状。,首尾形状。,3.3.4.1 船舶阻力,79,船舶推进器,：推动船舶前进的各种机,构之总称。,有效功率与机器功率的比值称为推进系数（,P.C.）：,P.C.=P,E,/ P,S,(3.15),式中, P,E,为有效功率， P,S,为机器功率，,P.C .为推进系数。功率的单位为KW。,目前使用的各种推进器中，使用最广,的是螺旋桨。,3.3.4.2 船舶推进器,80,螺旋桨旋转时叶梢的圆形轨迹称为梢圆，此圆直径称为螺旋桨直径，其面积称为盘面积。,3.2.4.2 船舶推进器,81,螺旋桨的运动情况同螺钉的运动情况极为相似。把螺钉旋转一圈，它就在螺帽中向前推进一段距离，这段距离称为螺距。螺旋桨的桨叶叶面通常是螺旋面的一部分。螺旋桨的螺距大小表示了叶面的扭曲程度。,3.3.4.2 船舶推进器,82,通常螺旋桨的螺距是固定的。当船上的螺旋桨转动时，桨叶拨水向后，而自身则受到水流的反作用力这反作用力就是推力，它通过桨轴和推力轴承传递到船体推船前进。,3.3.4.2 船舶推进器,83,螺旋桨正车旋转时由船后向前看所见到的旋转方向为顺时针的称为,右旋桨,，反之则为,左旋桨。,双桨船的螺旋桨装在船尾两侧，正常旋转时，若其上部向着船中线转动的称为内旋桨，反之则为外旋桨。,螺旋桨叶面各半径处的螺距相等称为等螺距螺旋桨，不等的称为变螺距螺旋桨。,螺旋桨的主要要素：直径、螺距、盘面比、叶片切面厚度和弦长、叶片切面形状、叶片数、毂径比等。,3.3.4.2 船舶推进器,84,桨叶切面的形状通常为弓形或机翼形，特殊梭形和月牙形。,螺旋桨的材料有铜合金、铸铁和铸钢等。,铜合金,应用较广。,桨叶切面的形状,3.3.4.2 船舶推进器,85,铜合金（如锰青铜和铝青铜）具有强度高、制造加工方便、抗海水腐蚀性能好、表面光滑，螺旋桨效率高等优点。,铸铁价格更便宜，但强度较低，多用于小船上。,近来，有用钛合金、不锈钢、玻璃钢等材料。,螺旋桨构造简单、造价低廉、使用方便、效率较高。,3.3.4.2 船舶推进器,86,螺旋桨在水中旋转工作，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，当某处的压力降至该温度下的饱和蒸汽时，该处的水可能发生汽化现象，形成气泡，覆盖于叶背，称为空泡现象。,空泡产生后，可能使螺旋桨的效率降低或发生剥蚀和局部振动现象。,一般螺旋桨设计时应避免空泡现象。,高速舰船，主机功率大、转速高，空泡现象难以避免，出现空泡螺旋桨或全空泡螺旋桨。,3.3.4.2 船舶推进器,87,螺旋桨的设计方法，有图谱设计法和环流理论设计法。,一般船舶的螺旋桨都用图谱设计。,设计图谱是根据螺旋桨模型敞水系列试验资料绘制。有多种图谱可供选用。,图谱设计方法计算简便，能满足工程要求，广泛使用。,3.3.4.2 船舶推进器,88,特种推进器,（1）导管螺旋桨,导管螺旋桨是在普通螺旋桨的外面安装一个有机翼切面的圆形套筒，通常情况下可提高效率，一般使螺旋桨推力增加20%,50%。螺旋桨负荷愈重，收益愈大。,一般导管螺旋桨是将导管固定在船体上不能转动。缺点：船的操纵性变差，倒车性能变坏。,也有将导管做成可转动的以改善船的操纵性。,3.3.4.2 船舶推进器,89,（2）可调螺距螺旋桨,可调螺距螺旋桨是靠调节叶片的角度来适应不同工况的，也可实现倒车，而保持主机转向不变。,可调螺距螺旋桨有一套转动桨叶的复杂操纵机构，造价较高。,（3）串列导管螺旋,串列导管螺旋桨是将两个螺旋桨装在一个轴上，以相同速度和相同方向旋转。,螺旋桨直径受到很大限制时，用两个直径较小的螺旋桨串列在一根轴上，得到较大的推力，对防止空泡有力。,3.3.4.2 船舶推进器,90,（4）对转螺旋桨,两个螺旋桨分别装在同心的两个轴上，以相同速度和相反方向转动。,多年来普遍用作鱼雷的推进器。但它的轴系机构比较复杂，在船上尚未广泛使用。,3.3.4.2 船舶推进器,91,（5）直翼推进器,直翼推进器，又称平旋推进器，是利用直翼推进器上的叶片产生的水动力来推进船舶. 它是在一个特制的平圆盘上，安装几片像剑样的叶片，叶片随平圆盘转动,通过操纵机构自身转动。叶片的作用如机翼，水流流经其表面，产生水动力，可转化为船舶推动力。通过操纵机构可控制推力大小、方向。 通常平圆盘上，安装4-8片剑样的叶片，叶片在圆盘上等距离布置，叶片的角度是可调节的。 优点：能在各种航行条件、各种速度下，保持较高推进效率，,缺点：机构复杂，造价高，容易损坏。它适应于拖轮、渡轮、扫雷舰等载荷变化大、机动性要求高的舰船。,3.3.4.2 船舶推进器,92,（6）喷水推进器,喷水推进器:依靠喷管喷水的反作用力而产生推力的推进器。,水泵装在船内，由船外吸水并将水流加速后，自喷口向船后喷出，水的反作用力即推船前进。,优点：推进系统有良好的保护性,不会损坏,不受吃水影响，可在浅水水域航行。操纵性良好, 在船体尾部不会引起振动。,缺点：推进效率低, 推进效率比不上螺旋桨。 随着喷水推进技术的发展, 喷水推进效率有所提高，在一些高速船舶上, 采用喷水推进器。,3.3.4.2 船舶推进器,93,1. 降低船舶阻力的常用措施,1）选取适宜的主尺度与船型参数；,2）在相同载重情况下，注意控制与减少船的排水量，包括选取适宜的浮态；,3）设计低阻力的船体型线，包括加装有可能减少兴波阻力的附加体（如球首、压浪条等）；,4）研制新的船体表面涂料，以减少摩擦阻力；,5）在船体与水之间充入气垫以减少阻力。,3.3.4.3 降低船舶阻力、提高推进效率的一般措施,94,2. 提高推进效率的常用措施,1）设计适宜的推进器，以取得船、机、桨等的最佳匹配；,2）研究提高螺旋桨效率的途径，如采用低转速、大直径的螺旋桨等；,3）改进尾部型线，包括双尾船型、双尾鳍、涡尾等，以提高整个推进效率；,4）加装提高推进效率的装置，如前置导管、进流补偿导管、舵附推力鳍、导管鳍等；,5）研制新的推进装置。,3.3.4.3 降低船舶阻力、提高推进效率的一般措施,95,船舶耐波性,：船舶在风浪中遭受外力扰动而产生各种摇摆运动以及砰击、上浪、失速、飞车和波浪弯矩等，仍能维持一定航速在水面上安全航行的性能。,3.3.5 船舶耐波性,96,船的摇荡主要有下列六种形式。,1）横摇船舶绕纵轴GX的往复摇动；,2）纵摇船舶绕横轴GY的往复摇动；,3）首摇船舶绕垂直轴GZ的往复摇动 ；,4）垂荡船舶沿GZ轴的上下往复摇动；,5）横荡船舶沿GY轴的左右往复摇动；,6）纵荡船舶沿GX轴的前后往复摇动。,在这六种型式的运动中,，,横摇,、,纵摇,和,垂荡,对船舶,航行的影响最大。,船舶摇荡,3.3.5 船舶耐波性,97,船舶的摇荡会引起下列不良后果：,1）剧烈的横摇会使船舶横倾过大而丧失稳性，甚至倾,覆；,2）使航行速度降低，增加了燃料的消耗；,3）使甲板淹水造成工作困难，影响机器设备的正常运,转；,4）使船体结构的负荷增加，造成结构和设备的损坏；,5）使船上的居住条件恶化，引起旅客的呕吐晕船；,6）影响军舰上武器的正常使用。,表征船舶摇荡程度的主要参数,为摇荡幅值和摇荡周期。,船的横摇及其幅值,3.3.5 船舶耐波性,98,船舶产生摇荡的主要原因：,受风浪的作用，风浪是由风形成的海浪。,对风用蒲福氏风级表示，分为0,12共13个等级（见表3-1）。,风浪级别各国差别很大，表3-2所示为我国国家,海洋局浪级表，分为0,9共10个等级，表中H,1/3,称为,三一平均波高，即1/3最大波高的平均值，即在海区,测量波高所得值按大小依次排列，将最大的1/3波高,加以平均所得之值，也称有义波高，是表示风浪大,小的一个参数。,3.3.5 船舶耐波性,99,根据摇荡理论，横摇由自由横摇和强,迫横摇组成。,自由横摇:指船在静水中受外力作用产,生初始横倾角，外力消失后由惯性作用产,生的横摇，这个初始横倾角就是横摇的幅,值。,3.3.5 船舶耐波性,100,自由横摇的周期，在整个横摇过程中是不变的；且与外力无关。称为船舶固有周期。可用近似公式计算。,式中：T,为船舶固有周期（s），B为船宽（m），Z,g,为船的重心垂向坐标（m），,为初稳性高度（m）。,(3.16),3.3.5 船舶耐波性,101,在船舶设计时，根据船舶的用途和航区的情况，兼顾稳性和摇摆，全面地考虑问题，使船舶具有足够的稳性，又能使船在航行时避免剧烈的摇摆，通常是在,满足船舶稳性,要求后，尽可能,增大横摇固有周期,。,3.3.5 船舶耐波性,102,强迫横摇：由于风浪对船的周期性作用而使船产生的横摇。其横摇周期等于风浪的周期。,理论和实践都证明，当固有周期同风浪的周期相等时，就发生共振现象。,在设计时，要使船的周期避开其航行海区的风浪周期。,3.3.5 船舶耐波性,103,如我国北方海域的风浪，波长约60m，波浪周期约6s船舶的固有周期就要大于6s，最好大于8.1s(大于波浪周期的1.3倍)一般货船的横摇固有周期为7,12s，,大型客船为10,15s。,鉴于剧烈摇摆所产生的种种不良后果，除在船舶主尺度及系数等选择时，给予注意外，还常常采取一些具体措施来减小船的摇摆。,3.2.5 船舶耐波性,104,常用的减横摇装置有下列几种：,(1)舭龙骨,应用较广,一般海船都有舭龙骨。,装在船中舭部两侧,与外板垂直,的长条形板材结构。舭龙骨的长度约为船长,的20%,60%，宽度约为船宽的 3%,5%。,当船舶发生横摇时，舭龙骨就会产生与,横摇方向相反的阻力，形成减摇力矩，,减小船的横摇幅值。,3.3.5 船舶耐波性,105,(2)减摇水舱,它由船舶内部设在左右两舷的水,舱所组成，分为主动式和被动式两种。,被动式,主动式,3.3.5 船舶耐波性,106,水舱底部有管道连通两舷,使两边水舱中的水保持同一水平,水舱上面有空气管相通。减摇水舱的原理是船在波浪上发生共振时，使水舱内的水柱振荡滞后于波浪振荡180相位角，因此水舱内水柱所造成的减摇力矩与波浪的倾侧力矩方向总是相反的。减摇水舱能有效地减轻接近共振的横摇。,它结构简单、造价低廉、适用于经常工作在零航速或低航速的,船舶减摇，如车客轮渡、,滚装船和科学考察船等。,3.3.5 船舶耐波性,107,（,3）减摇鳍,减摇鳍装在船中两舷舭部，剖面为机翼形，使用时可通过船内的操纵机构将它转动。当船航行中产生横摇时，使左右两舷鳍产生大小相等，方向相反的外力，形成减摇力矩，从而达到减小横摇的目的。,它是减摇效果最好的减摇装置,，但低速时效果差。故多用于在军舰,上和航速较高的大型客船上。,减摇鳍有收放式和不可收放式。,减摇鳍机构较为复杂，造价贵。,3.3.5 船舶耐波性,108,操纵性是船舶重要的航行性能之一。,操纵性,：指船保持或改变航速、航向和位置的能力。,主要包括：航向稳定性、回转性和转首性。,3.3.6 船舶操纵性,109,航向稳定性,：船在直线航向时，如果受外力干扰而偏离原来航向，当外力消除后保持原有航向的性能。,如果平均操舵频率不大于每分钟4,6次，平均转舵角不超过3,5，航向稳定性是符合要求的。,回转性,：船舶经操纵后（具有一个舵角），船舶改变原航向作原弧运动的性能。,3.3.6 船舶操纵性,110,舵是剖面为机翼形的装置。,当船以一定航速前进而转动一个舵角后，在舵上也会产生一个升力Y,P,，由于 Y,P,的作用，船的运动状态就会发生变化，除了继续前进外，还会绕通过船的重心G的垂直轴转动，逐渐使船作回转运动。,它的运动变化，大致可分为三个阶段。即转舵阶段，过渡阶段和稳定回转阶段。,3.3.6 船舶操纵性,111,定常回转时直径D,r,称为回转直径，一般用表示船舶回转性的好坏，通常为4,7倍的船长。 D,r,小回转性好。,转首性,：船舶回转初期对舵的反应能力。,转首性好，则船在驾驶者操纵后能较快地进入新的航向，或者船偏离航向经操纵后能很快回到原来航向上来。,转首性和回转性是有区别的。,3.3.6 船舶操纵性,112,航向稳定性好可节约燃料。回转性和转首性好的船舶能在狭窄河道航行时减少与来往船舶的碰撞机会。,船舶的操纵性与船的主尺度和型线有关，但主要靠舵来保证，而船舶的回转性和航向稳定性是有矛盾的，所以在船舶设计时，应根据不同类型船舶对操纵性的不同要求来进行舵的设计。,3.3.6 船舶操纵性,113,影响操纵性的因素：,1.船水下侧投影面积大：船稳定性；,2.首、尾形状 V型：增加回转阻尼 改善稳定；,U型：减少回转阻尼 改善回转性；,球艏：相当于形心前移，稳定性差；,巡洋舰尾：增加回转阻尼，稳定性好。,3.水上受风面积形心后移，改善稳定性。,4.快速船：兴波较大，并产生尾倾，对稳心有利，但回转直径增大，对回转性不利。,从节能来看，操纵性差的船（尤其是大型船），必须频繁操舵，纠正偏航，其航迹曲折，实际航程大大增加，同时功率消耗增加，占主机功率的23,，最高可达20,，显然使船营运成本增加。,3.3.6 船舶操纵性,114,