1、东海科学技术学院本科毕业论文 目录 1 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 沿海货船稳性校核 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 2 目录 摘要 . 3 1. 绪论 . 5 1.1. 选题的目的和意义 . 5 1.2. 国内外沿海货船稳性的研究状况 . 6 1.3. 本设计的主要内容 . 10 2. 设计船主尺度及排水量的确定 .11 2.1. 分析任务书与母型船资料 .11 2.2. 确定设计船主尺度及排水量 . 12 2.3. 设计船重量估算 . 13 3. 设计船型线设计 . 14 4. 设计船总布置
2、设计 . 17 4.1. 设计船重量重心计算 . 19 5. 设计船初稳性校核 . 22 5.1. 设计船静水力计算 . 23 5.2. 绘制设计船静水力曲线 . 38 5.3. 设计船初稳性和浮态计算 . 40 6. 总结部分 . 43 附录：附图 . 46 东海科学技术学 院本科毕业论文 摘要 3 沿海货船稳性校核 摘 要 稳性是指船舶在受外力作用发生倾斜而不致倾覆，当外力作用消失后，船舶仍能回复到原来平衡位置的能力。本船为一般的干杂货船、单机、单浆、单舵、尾机型、钢质、单甲板、单壳、单底、柴油机驱动的货船。可以装载一般的干杂货物 , 适用于我国沿海航区 . 该设计主要包括四个部分：设计船
3、主尺度的确定、设计船型线设计、设计船总布置设计以及设计船的初稳性计算和稳性校核。一、设计船主尺度确定包括：任务书和母型资料的分析，设计船主尺度确定和重量估算。二、设计船型线设计包括：通过仿氏变换绘制设计船型线图。三、设计船总布置设计包括： 绘制设计船总布置草图和重量、重心计算。四、设计船初稳性校核包括：静水力计算及其曲线的绘制，设计船初稳性与浮态计算。 【 关键词 】 货船；稳性校核；型线设计；总布置设计 东海科学技术学 院本科毕业论文 摘要 4 General Cargo Stability Inspect 【 Abstract】 Stability is that a ship was s
4、kewed by external force without overturning, when the external force disappears, the ship is able to return to the original position of equilibrium. The ship is a general cargo of single machine, single paddle, single rudder, tail in machine, in steel model single decks, single hull, single bottoms
5、and diesel engine drive. The cargo is applicable to the inshore sail area of our country. This design includes four sections: principle dimension、 line design、 arrangement design, stability at the design cargo. First , principle dimensions including : analyzed the assignment book and the mother-ship
6、s information , confirmed the principal dimensions and estimated the ships weight and the centre of weight , and drawn the general dispose drawing roughly etc .Second ,line design including :drawn lines plan based on the imitate diversification ;Third ,arrangement design including :drawing the arran
7、gement plan and weight, center of gravity calculation . Fourth, the stability at the general cargo including: made the chart of hydrostatic curve, calculate stability and floating. Key Words cargo ship; stability inspect; lines design; arrangement design 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 5 1. 绪论 1.1. 选题的目的和意义 自上世纪七
8、八十年代以来，干散货船得到了迅猛发展，据 Drewry 统计，目前干散货船队规模以达到 4.5 亿载重吨左右。虽然近几年国际航运市场低迷，船队运力闲置情况较严重，但据辛普森航运咨询有限公司 (SSY)研究中心主管 John Kearsey 预测，依靠中国和印度等新兴市场的大幅度增加和发达国家经济的缓慢复苏， 2010 年的干散货海运贸易仍呈现超过 8%的增幅。但是与此同时也伴随有一系列不和谐的现象 海损事故的不 断发生。而稳性是造成事故的主要原因，所以关注船舶稳性是一个亟不可待的研究课题。 下面对船舶稳性作个简单介绍： 所谓稳性，是指 船舶在外力矩作用下偏离其初始平衡位置而倾斜，当外力矩消失后
9、船体能自行恢复到初始平衡状态的能力。 船舶稳性通常可按以下方法分类： 1按船舶倾斜方向分类。可分为横稳性和纵稳性。横稳性指船舶绕纵向轴（ x轴）横倾时的稳性，纵稳性指船舶绕横向轴（ y轴）纵倾时的稳性。由于纵稳性力矩远大于横稳性力矩，故实际营运中不可能因纵稳性不足而导致船舶倾覆。 2按倾角大小分类。可分为初稳性和大倾角稳性。初稳 性指船舶微倾时所具有的稳性，微倾在实际营运中将倾斜角扩大至 10 15；大倾角稳性指当倾角大于 10 15时的稳性。 3按作用力矩的性质分类。可分为静稳性和动稳性。静稳性指船舶在倾斜过程中不计及角加速度和惯性矩时的稳性；动稳性指船舶在倾斜过程中计及角加速度和惯性矩时的
10、稳性。 4按船舱是否进水分类。可分成完整稳性和破舱稳性。船体在完整状态时的稳性称为完整稳性，而船体破舱进水后所具有的稳性则称为破舱稳性。 同时船舶所处的状态不同，对船舶的稳性具有很大的影响。而船舶的平衡状态是一个特殊的状态，各项性能计算 也都是针对这一状态而进行计算的。平衡状态的判别是将船舶正浮时浮力作用线和倾斜后浮力作用线的交点定义为稳心，以 M表示。由于船舶倾斜后的浮心位置或浮力作用线与船舶吃水（或排水量）、船舶倾角有关，稳心位置也随船舶吃水（或排水量）、船舶倾角不同而变化。 进一步分析表明，船舶处于何种平衡状态与重心 G和稳心 M的相对位置有关。船舶稳定平衡时，重心 G位于稳心 M之下；
11、船舶不稳定平衡时，重心 G位于稳心 M之上；船舶随遇平衡时，重心 G和稳心 M重合。因此，为了使船舶在受到一外力矩作用下具有一定的复原能力从而保证船舶安全，船舶 重心必须在相应倾角时的稳心之下。 处于稳定平衡状态的船舶，其复原能力的大小取决于倾斜后产生的稳性力矩或复原力矩的大小，该稳性力矩大小 GZMS (1-1) 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 6 式中： GZ 静稳性力臂 （ m） ，是船舶重心 G至倾斜后浮力作用线的垂直距离，通常简称作稳性力臂或复原力臂。 本次设计主要进行的是对船舶稳性的校核。所谓船舶稳性，就是指船舶收外力矩作用，船舶发生倾斜而不至于倾覆，当外力矩消失后，仍能回复到
12、原来平衡闻之的能力。船舶的稳性可分为静稳性、动稳性、初稳性和完整稳性、破舱稳性和大倾角稳性，营运中的船舶必须满足稳性要求。 鉴于稳性对船舶安全的重要性， IMO 海上委员会（ MSC）第 85 次会议于 2008年 4 月通过了 MSC.267(85)会议。理论上，船舶满足了 2008 年 IS 规则，就能保证稳性安全，但是从大 量的海损事故看，干散货船往往是出发时能满足稳性要求，而在航行中却发生了问题。在此次论文中将会对船舶的四种载况均进行稳性校核，其中包括满载出港、满载到港、压载出港、压载到港时的初稳性和浮态计算。使本次的设计更有实际意义。 1.2. 国内外沿海货船稳性的研究状况 船舶的稳
13、性十分重要的，国内外许多学者都花了大量的时间来研究船舶的稳性，已经有几百年的历史了。船舶稳性研究又是相当复杂的，由于实际船舶航行于两种流体之间的界面上，并且船舶稳性涉及环境条件、船舶技术条件和操作要素等许多因素，故而稳性的改善可能又会导致船舶其它性能的恶 化，因此这一方面研究虽有几百年的历史，至今还没有形成一个理论上成熟的综合考虑船型要素、环境条件和倾覆机理等因素的稳性衡准。 1.2.1 静水中船舶稳性研究现状 最早的稳性理论研究工作主要是由 Buouger， Awotdo 和 Moselye 等开创的。他们的研究属于最古老的稳性概念。这一概念认为船舶稳陛可以由船舶的几何形状和重量分布决定，即
14、 :船舶的稳性取决于船舶在静水中的复原力臂曲线的形状。这一概念是建立在若干失事和非失事船舶的统计数据基础上而严格假定的。这些假定是 :浮力保持不变 ;任何形式的能量增加或损失可以忽略 ;所有形式的扰动均是有势的、定常的 ;祸合力和其它流体动力可以忽略。 18 世纪是造船发展史上具有重要意义的时期，法国人 Buouger 首次提出了稳心的概念，并定义了稳心半径和初稳性高的概念。稳心半径 r 定义为 :- /TIr (2-1) 式中 TI 、 分别为横向惯性矩和排水体积。 初稳性高 GM 定义为 : GB ZrZGZ (2-2) 式中 BZ ， GZ 。分别为浮心和重心的垂向坐标， Bouger
15、的研究确立了船舶稳性中初稳性的研究。 Awtood 用出水和入水楔形体积构成的容积转移力矩来更加精确地计算船舶的复原力臂。他提出的复原力臂的公式为 : s in)(/21 BG ZZggvGZ (2-3) 式中， v 为入水 或出水楔形的容积， 21gg 为容积转移力臂。之后， ReveerndMoselye 提出了“动东海科学技术学院本科毕业论文 正文 7 稳性”的概念，这一概念考虑的是倾覆力矩所作的功与船舶复原力矩所作的功相平衡，它是我国、前苏联和日本等国使用的稳性规范的基础。 由于船舶稳性研究的实用意义在于制定稳性衡准，在早期，稳性衡准主要应用初稳性高作为船舶稳性的量度，根据船舶大小，认
16、为初稳性高在 0.20.6m 之间稳性就足够了，这是一种纯粹凭经验的方法。 1887 年， Denny 第一次提出了一条标准的稳性力臂曲线，以此作为稳性的衡准 。后来， Benjamin 通过对大量安全航行的船舶进行比较后提出了用动稳性力臂曲线作为稳性衡准。 1939 年 Ralloal 根据大量失事船舶资料的统计结果提出了基于船舶静水中的实际复原力臂曲线下面积的稳性估计及稳性界限，他第一次比较全面地、科学地将实船经验统计方法应用于船舶稳性的研究之中，他的成果对后来国际海事组织 (IMO)讨争性规范的制定具有重要作用。 1.2.2 波浪中船舶稳性国外研究现状 Wendel 指出了当船舶遭受一个
17、波长和速度与其一样的随浪作用时波峰在船肿时船舶复原力矩损失相当大这一现象并给出了复原力矩损 失量的计算方法。之后， Amdt 和 Rodne 考虑了波浪中水质点轨圆运动影响的 Smhti 效应对 Wendel 的计算方法进行修正，从而使计算结果更加接近于试验结果。 Pualiing 等人进一步发展了这种计算法，并推导了一组计算公式。 Kure 和Bang 研究了斜浪中的稳性问题，他们把斜浪影响分成两个分量 :一个分量按随浪来计算，另一分量则看成船舶左右舷引起的压力差从而可以归结为一个波浪扰动力矩。 Martni 和 Kure。应用李雅普诺夫处理动力系统稳定性的方法提出了用直接法来处理横浪一横风
18、中和随浪航行时船舶稳性的思想。 1952 年， Grim 研究了随浪航行船舶复原力矩随时间变化对横稳性的影响，解决了水线面周期变化引起的稳性高度周期变化而产生的参数共振问题，使参数共振成为船舶翻沉的物理模型之一。 Puallig 等人通过在旧金山湾天然风浪中进行的大比尺船模试验，运用相应的时域模拟分析方法，发现尾随浪情况下的一些船舶的倾覆机理，也就是参数共振和纯稳性丧失原理。 Robert 和 Naess 等人应用 Markov 过程推导了横摇振幅的概率密度分布，发现横摇运动振幅渐进分布属于指数型分布。 chiuLee 在己知系统的吸引子的条件下，尝试采用胞映射法求解升沉一横摇藕合系统的吸引域
19、 ;Mukl 和 Falano 使用路径跟踪技术，得到了非线性横摇运动的分岔集，求出了系统多种形式的振动解以及由周期不断倍化而产生的混沌吸引子。近年来，随着 神经网络技术的兴起，己经有人开始尝试利用神经模糊网络技术，对船舶在波浪中的稳性变化进行动态仿真模拟。 Masmai 和 Abudle 提出了在尾斜浪中导致船舶倾覆的一种数学模型，是基于剥离法(srtipmhetdo)发展而来的，模型中考虑了在波浪中初稳性高度变化的影响，这种变化通过在一东海科学技术学院本科毕业论文 正文 8 定的倾斜角度下的复原力矩平衡条件得到，同时对初稳性高度分别为 0.3m， 0.6m， 0.9m 的15000 吨集装
20、箱船进行了研究。研究表明，将初稳性高度变化考虑进去的剥离法，可以对参数共振进行预测 ;航速和波速接近时，初稳性高度为 0.9m和 0.6m 在遭遇角为 45 时，是危险的，容易引起船舶倾覆 ;初稳性高度 0.3m 在遭遇角为 60 时，是危险的，这是因为 ForudeNumber变得很大，满足了参数共振条件。 由于海洋环境条件，特别是波浪，其最显著的特点就是随机性，在自然界里波浪的出现是无法准确预测的。因此，它是典型的随机事件，应用研究随机现象的方法，即概率论的方法对其进行研究，当然这方面研究也是结合船舶横摇运动进行的。 1.2.3 波浪中船舶稳性国内研究现状 l)波浪中 稳性理论研究 董艳秋
21、，纪凯，黄衍顺采用瞬时湿表面的时域分析法，研究波浪中的船舶横摇稳性。船舶瞬时湿表面，也就是船舶某一时刻浸入水中的表面积。当船舶在波浪中航行时，由于船舶与波浪的相互作用，船舶的姿态及吃水是随时间变化的。船舶的位置、姿态及吃水，直接影响船舶的排水体积，从而影响船舶的恢复力矩及稳性。在研究波浪与船舶的稳性时暂不考虑航速的影响，并假定，船舶的重心在横摇过程中位置不变，船宽远远小于船长，船波横向相交视为直线。计算船舶的瞬时湿表面。由于横摇运动是非对称运动，船舶的左右舷吃水并不相同，所以不能再以简 单的吃水来衡量，在此，引入一个新的概念一浸深，即为左舷和右舷的吃水。通过实例计算和分析，可以发现，由于波浪的
22、存在，不同横摇角对应的恢复力矩与静水中的恢复力矩相比较存在很大的差异，尤其是随浪时船中位于波峰时的差异更大。这说明波浪中稳性的研究是很重要的 ;采用瞬时湿表面变化的时域分析法，可得出复杂情况下船舶在波浪中的复原力矩，在大角度横摇情况下，它具有明显的非线性特性 ;稳性曲线受波浪因素影响较大，在稳性衡准过程中，应注意波浪参数及船波相对位置等动态因素的影响，选择合理的衡准标准。 林焰，邢殿录，纪卓尚，杨植利用 LiPaunov 理论，研究了船舶在规则波浪中运动的稳性 ;利用摄动理论，求解出船舶运动响应 ;并讨论了船舶横摇与垂荡运动频率、最大横摇角和波浪要素对稳性曲线 GZ 的影响，以及流体动压力对稳
23、性曲线的修正，从而给计算船舶在随浪中的稳性提供了一种方法。并以 38000t 成品油船为例进行了计算，并编制了船舶随浪稳性仿真软件，具有对波浪和船舶运动的实时仿真功能，即在连续的时间历程中，通过屏幕连续显示波浪和船舶的三维运动，并能计算出完整船舶或破损船舶在某个时间历程点的浮态和稳性。应用数字仿真技术进行船舶随浪稳性研究，为船舶随浪稳 性的研究提供了一个 CAD 手段 ;通过对实船的仿真计算，证明仿真软件是有效的、实用的 ;船舶随浪 (中拱 )稳性曲线 GZ 与静水稳性曲线有不同程度的损失，这在船舶设计阶段要给子充分的考虑 ;船舶随浪稳性的研究为今后继续探讨船舶的斜浪稳胜和破损船的波浪稳险提供
24、了基础。 孔祥金，曹振海应用摄动法提出了一种尾斜浪中复原力计算的方法，对四艘处于各种船一波相对位置的船舶进行了大量的计算，其中包括波高，波长对复原力的影响，计算表明 :当东海科学技术学院本科毕业论文 正文 9 波高或波高与波长之比不变时，波长在 O.SL 倒 1.2L 之间变化对稳性影响不大，但当波长或波长与波高之比 不变时，波高同等量级的变化对稳性影响要比前者大得多。最后，用一艘船模作了尾斜浪中半约束船模的稳性试验，验证了理论计算的正确性。作者编制了尾斜浪中稳性计算程序，包括静水和随浪的情况 ;在计算实例中发现，船肿位于上下坡段时，航向角在大于 45“情况下稳性陡然下降，稳性甚至比纯随浪中船
25、月中位于波峰时还要小。 当船舶在随浪和尾斜浪中航行时，容易发生倾覆。倾覆的主要原因是，在某些波浪和航速条件下，船舶会发生横甩，此时船舶失去控制，突然发生横转，同时产生大角度横倾，继而发生倾覆。因此，研究船舶在随浪中的横甩现象是分析船舶倾 覆的基础，具有重要意义。随浪中的横甩和倾覆运动幅度很大，是一种非线性、不定常的问题，用数学方程描述和模型试验模拟非常困难。 1999 年， Minecif 利用 Z 形试验结果预报船舶在波浪中发生横甩的可能性。Z 形操纵运动同时反映了舵的控制能力和船的响应性能，只要制定相应的判断标准，就可以用来判断横甩的发生。这种方法与常规的操纵性研究方法类似，比较容易实现。
26、范佘明在水平的随船坐标系下，建立了船舶在波浪中的六自由度操纵运动方程。进行船舶在波浪中的回转运动和 Z 形操纵运动模型试验，验证数学模型的正确性。通过不同波浪和航速条件 下船舶 Z形操纵运动的模拟计算，预报船舶在随浪中的横甩，预报结果与试验结果比较一致。 2)风浪中船舶稳胜衡准研究 船舶在航行作业中，或因配载，或因自由液面影响，或因重物移动，或因甲板上浪、流水不畅，或因风浪等外力影响所造成的翻沉事故，都是由于船舶的稳性不足而发生的。困此寻找稳性的衡准方法和相应的合理性标准，直接与船舶航行安全性和船舶使用的经济性及其它性能相关，也是船舶设计，航运部门关心的问题。国际上一些国家依据海损事故统计分析
27、，结合半经验半理论公式，提出了不少稳性衡准标准，这些标准的实施为避免船舶因稳性不足而 发生翻沉的事故起到了一定的作用。但这些衡准方法不能真实的反应船型、装载状态与周围环境条件间的相互关系。由于船舶在海上航行时，所受的环境条件是随时间而变化的，在环境条件及载荷的扰动下，船舶将作大幅值的横摇运动，而且这种运动是一个持续扰动作用下的非线性，非自治非定常系统的运动。刘家新，蔡岭梅应用“实用稳定性”理论和李雅普诺夫函数讨论船舶非线性横摇运动的大倾角稳性问题。提出了稳性衡准指标，并验证了计算衡准方法的可靠性和实用性。 3)船舶在波浪中的运动 船舶在海上航行时由于风浪等各种扰动而产生的摇摆运动中，对船舶的
28、适用和安全影响最显著的是横摇、纵摇和垂荡三种形式。尤其通过对于横摇运动的研究，可以确定船舶倾覆的条件。 船舶非线性动力学的研究中还有几个重要问题巫待深入研究 :其一是非线性复原力矩和阻尼以及不同运动之间的非线性祸合共同作用下的船舶非线性复杂动力学响应问题，尤其是非线性祸合情况下的理论分析研究。在船舶非线性动力学的研究中，这是极为重要的对船舶动力响应影响最大的非线性因素，深入开展此方面的研究可以充分了解船舶在波浪中摇摆的东海科学技术学院本科毕业论文 正文 10 非线性动力响应问题，探明其分岔、混沌及导致船舶奇异倾覆的机理 ;其二是船舶在随机波浪作用下的复 杂非线性动力响应，分岔和混沌及其导致船舶
29、倾覆的概率问题尚需进一步深入研究。只有开展在随机波浪中船舶的非线性动力学研究，研究随机波浪中各种非线性因素的祸合效应，才可能搞清实际海况中航行的船舶非线性动力学特性，为将所研究的理论真正应用到航行于实际海况的实船中进行理论准备 ;其三是上述船舶非线性运动响应和船舶参数之间的关系和相互作用尚无具体分析研究。船舶参数与非线性动力响应之间内在联系的研究也是十分必要的，可以对船舶的使用和安全设计提供理论指导依据。 1.3. 本设计的主要内容 1、设计船主尺度及排水量的确定 根据所给的任务 书及母型船资料，线确定出设计船的主尺度，在方形系数不变，型宽确定的条件下，估算出排水体积、垂线间长以及设计吃水；再
30、根据已知条件，计算出船舶的空船重量和载重量，其中空船重量包括三部分，分别为船体钢料重量、舾装重量以及机电设备重量。而载重量当中包括了货物、人员及行李、食品、淡水、燃油以及备品和供应品的重量，如果满载设计状态还有压载水的话，则还包括压载水的重量。 2、设计船型线设计 绘制出母型船的横剖线图以及纵剖线图和半宽水线图的外轮廓线图。根据仿式变化法将横剖线图缩放成满足设计船的要求，即在 x 方向上按型宽比（设 计船 /母型船）放大， y 方向上按型深比（设计船 /母型船）放大，再通过纵剖线与水线的重新绘制与横剖线得到新的交点，其交点的横向即为半宽值，纵向即为高度值。所得到的型值为设计船的型值，通过以得出
31、的型值，对纵剖线图和横剖线图进行纵剖线和水线的绘制。这样所得出的型线图为设计船的型线图。 3、设计船总布置设计 参考母型船的总布置图以及设计船任务书中对设计船的总布置要求，从而设计出总布置图。再通过前面所计算出的船体各部分重量，对船舶进行重量、重心计算。其中在计算过程中，力臂的选取是根据总布置图中量得各部分据船中和基线的距 离，且纵向据船中之后的取负值。重心纵向坐标为总纵向力矩与总重量的比值；横向坐标为总横向力矩与总重量的比值。 4、设计船初稳性校核 根据梯形法计算各水线下的水线面面积、漂心纵向坐标、惯性矩、水线面系数、中横剖面系数、方形系数、棱形系数等一系列参数，通过计算将所得出的 14 个参数绘制在一起，得到静水力曲线图。其中的（ 1） （ 8）为浮性曲线，（ 9） （ 11）为稳性曲线，（ 12） （ 15）为船型系数曲线，其中船型系数和漂心纵坐标、浮心纵坐标在绘制过程中坐标轴是在原先坐标轴的中部开始。最后再对所计算的设计船的稳性作其校 核，即计算船舶在不同载况下的浮态与初稳性计算。其中载况包括满载出港、满载到港、压载出港、压载到港。
