（载运工具运用工程专业论文）遇难船舶扶正数学模型及相关措施研究.pdf

摘要 在对遇难船舶牧助的过程中，对于遇难船舶的扶正是十分关键的一步。现在， 在实际的操作中经验仍然占据重要的地位，一般由经验丰富的救捞人员根据遇难 船舶的实际情况采取直接的卸货或者加压载水等方式对遇难船舶进行扶正，相对 缺乏对遇难船舶的扶正进行科学的定量的分析，因而在扶f 的过程中存在一定的 误区和问题，也影响了救捞工作的效率。这在一定程度上对遇难船舶的安全施救 带来不确定性，因此，研究对遇难船舶的扶正进行科学量化的分析显得十分重要。 本文针对由于碰撞导致船舶破舱进水，但仍然能够漂浮在水面上的受损船舶 ( 文中称之为“遇难船舶”) ，建立了遇难船舶扶正的数学模型。在此数学模型 中，应用了船体坐标系和固定坐标系( 地球坐标系) 两个坐标系统，推导出了两 个坐标系间转换的数学矩阵；建立了遇难船舶的排水量、重心坐标、浮心坐标、 吃水等浮态参数，以及破舱进水后船舶残留的初稳性高度等船舶的稳性参数的计 算公式。推导了与扶正方法相关的卸货或者加载一定的压载水之后，遇难船舶的 吃水、横倾、纵倾、稳性高度值以及静稳性曲线等计算的方法和相应的公式。考 虑到遇难船舶的初稳性高度值通常有可能出现负值，一般表现为遇难船舶随机地 在某一位置附近摇摆，针对这种情况进行理论分析，提出相关措施，使遇难船舶 的负初稳性高度改变为正值。 文中以在已经建立的数学模型的基础上，用v b 语言编制了初步的遇难船舶扶 正的计算机程序，并通过实例对建立的模型和编制的程序进行验证，在计算机模 拟的基础上，提出扶正遇难船舶的方案，为实际解决遇难船舶的扶f 最佳方案的 选择提供可供参考的依据。 关键词：遇难船舶；扶正：初稳性高度；破舱稳性 t h er e s e a r c ho nt h em a t h e m a t i cm o d e la n dr e s o l v i n g m e a s u r e so fu p r i g h t i n gd i s t r e s s e ds h i p s a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h er e s c u eo ft h ed i s t r e s s e dv e s s e l ，t h eu p r i g h t i n go fd i s t r e s s e d v e s s e li sak e ys t e p a tp r e s e n t ，t h ee x p e r i e n c es t i l lk e e p st h ei m p o r t a n tp o s i t i o ni n p r a c t i c e u s u a l l y ，t h es e a s o n e dr e s c u ep e r s o nd o e st h eu p r i g h t i n gj o bt ot h ed i s t r e s s e d v e s s e lb ym e a n so fd i r e c tu n l o a d i n go rb a l l a s t i n ga c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n c o m p a r a t i v e l y ，t h es c i e n t i f i cq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ed i s t r e s s e dv e s s e l su p r i g h t i n g i ss c a n t y t h e r e f o r e ，t h e r ea r es o m em i s t a k e sa n dq u e s t i o n se x i s t i n gi nt h eu p r i g h t i n g p r o c e s s ，a n dt h ee f f i c i e n c yo fr e s c u ej o b i sa l s oa f f e c t e d b a s e do nt h o s e ，t h e r e s e a r c h i n go nt h es c i e n t i f i cq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f t h ed i s t r e s s e dv e s s e l su p r i g h t i n gi s v e r yi m p o r t a n t t h ep a p e rb u i l tu pm em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ed i s t r e s s e dv e s s e l su p r i g h t i n g ， w h i c hw a sf l o o d e dd u et oc o l l i s i o nb u tc o u l df l o a ta ts e as u r f a c ea n dw a sc a l l e d d i s t r e s s e dv e s s e li nt h ef o l l o w i n gt e x t i nt h em a t h e m a t i cm o d e l ，w eu s et w or e f e r e n c e f l a m e s ，w h i c ha r es h i p sb o d yr e f e r e n c e f l a m ea n df i x e dr e f e r e n c ef r a m e ( e a r t h r e f e r e n c ef r a m e ) ，a n dd e v e l o pt h ec o n v e r s i o nm a t hm a t r i x ；s e tu pal o to ff l o a t i n g p a r a m e t e rs u c ha sd i s p l a c e m e n t ，t h ec o o r d i n a t eo ft h ec e n t e ro fg r a v i t y ，t h ec o o r d i n a t e o f t h ec e n t e ro f b u o y a n c y ，d r i f ta n dt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a so f t h es t a b i l i t yp a r a m e t e ro f d i s t r e s s e dv e s s e la f t e rf l o o d i n g ，f o re x a m p l e ，c a l c u l a t i n gf o r m u l ao fr e m a i n e di n i t i a l t r a n s v e r s es t a b i l i t yh e i g h t n o r m a l l y ，t h ev a l u eo ft h ei n i t i a lt r a n s v e r s es t a b i l i t yh e i g h t o fd i s t r e s s e dv e s s e li sn e g a t i v e i tm e a n st h a tt h ed i s t r e s s e dv e s s e li sr o l l i n ga r o u n d s o m ep o s i t i o nb yr a n d o m w et a k et h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u tt h es i t u a t i o na n db r i n go u t r e s o l v i n gm e a s u r e s ，a n dt r y t om a k et h en e g a t i v ei n i t i a lt r a n s v e r s es t a b i l i t yh e i g h t c h a n g et ot h ep o s i t i v eo n e o nt h eb a s e o ft h em a t h e m a t i cm o d e l ，t h ew r i t e rc o m p i l e dt h ec o m p u t e r p r o g r a m m e ro ft h e d i s t r e s s e dv e s s e l su p r i g h t i n gb yt h ev i s u a lb a s i cs o f t w a r e ，a n d v a l i d a t e dt h em a t h e m a t i cm o d e la n dt h ec o m p u t e rp r o g r a m m e rb ya c t u a le x a m p l e b y m e a n so fs i m u l a t i n g ，t h ed i s s e r t a t i o np u tf o r w a r ds o m ep r e c e p t so fu p r i g h t i n go f d i s t r e s s e dv e s s e l i to f f e r st h er e f e r e n c eg i s t st os e l e c tt h ep r i m ep r e c e p tt ou p r i g h tt h e d i s t r e s s e dv e s s e li np r a c t i c e k e yw o r d s ：d i s t r e s s e dv e s s e l ，u p r i g h t i n g ，i n i t i a l t r a n s v e r s e s t a b i l i t yh e i g h t ， i m p a i r e ds t a b i l i t y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文! 塑雅监目自达正塑堂撞型厘塑羞遭煎亟究：除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文巾以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公丌发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：罗昵研声卯多年；月西，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 敝储警删聊魏 日期：枷6 年j 月艿日 l 以上方框内打“”) 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 随着世界经济的发展，国际间贸易额的不断增加。导致在各国乃至各个洲之 间货物运输量日趋上升，其中海运量占总运输量的8 0 以上。这就导致了从事海 上运输的船队的规模在逐渐扩大，进而使得由于船舶间因为碰撞等原因导致的破 舱进水的几率大大提高，这类海损事故会给人们的生命和财产造成巨大损失。据 有关资料统计，近年来遇难船舶的数目在呈现出上升的趋势。 导致船舶遇难主要有两种原因，即船舶碰撞和船舶搁浅。船舶遇难后一般会 丧失动力，同时具有横倾和纵倾以及大于满载情况下的排水量。 对遇难船舶进行救助主要有以下两步： 第一步是对遇难船舶进行扶f 。在采取必要的补救措施后，一般采用卸货的 方式调整遇难船舶的浮态，在现实生产中对于遇难船舶的扶正大多采用“经验法” 进行，即工作人员凭借自身的经验通过货物的移动或者装卸对遇难船舶进行扶正， 而没有系统可靠的理论模型，所以其扶f 的准确性比较低，而且在扶f 过程中有 使遇难船舶倾覆的危险。 第二步是将已经扶正的遇难船舶用拖轮拖航到港内进行修理，在已经对遇难 船舶进行正确扶f 的情况下，这一步是相对比较容易的。 目前，人们还没有将对于遇难船舶的救助工作普遍提升到理论研究的层面， 还很少有公开发表关于遇难船舶扶f 的文章。但是，随着计算机技术的发展和在 航运领域的广泛应用，建立一套行之有效的遇难船舶救助的理论模型，并且用计 算机语言加以实现显得尤为重要。 鉴于以上现实情况，本文研究由于碰撞致使船体破舱进水的遇难船舶的扶f 。 目的在于通过建立遇难船舶扶正的数学模型，寻求扶f 遇难船舶的最佳方案。 1 2 论文的理论依据和主要工作 本文是在船舶稳性和抗沉性理论的基础上对遇难船舶进行扶正的，对于船舶 稳性和抗沉性国内学者进行了各种各样的研究，船舶的稳性研究在很大程度上有 了突破，稳性由原来的稳心半径和初稳性高度来表示发展到了使用动稳性的概念， 并且在波浪稳性、随机风浪中的稳性研究中也取得了相当的进展。抗沉性理论考 虑了船舶破舱最终的浮态、稳性。同时对破舱进水中进水速度随时间的变化规律、 船舶下沉、纵倾达到新的平衡水线和沉没所需的时问等重要因素也进行了研究。 船舶破舱后的进水速度和进水时间由破口要素决定，破口面积、破口距基线高度、 破口距船中的距离影响了进水速度和船舶达到新的平衡所需要的时间。研究发现， 渗透率的大小决定了船舶的进水量，而船舶的进水量决定船舶最终的浮念和稳性。 本文就是在船舶静力学理论的基础上，经过对遇难船舶进行充分的分析，进 而建立扶正遇难船舶的数学模型，并以此为基础编制了遇难船舶扶正的初步的计 算机程序，论文的主要工作有以下几个方而： 1 、以船舶抗沉性和船舶初稳性知识为依据，建立扶正遇难船舶的数学模型； 2 、根据力矩平衡原理，在考虑到可能出现负初稳性的情况下，本文采取卸货 的方式对遇难船舶进行扶正； 3 、以建立的遇难船舶扶正的数学模型为基础，用v b 语言编制扶正遇难船舶 的初步程序； 4 、以算例对数学模型和编制的程序进行检验，验证模型和程序的准确程度。 本文可以针对一般的水上船舶，在进行必要的分析考察后，应用文中编制的 遇难船舶扶f 计算机程序，即可求出相应的扶f 方案。 第2 章船舶稳性理论 在遇难船舶扶正的过程当中，船舶的稳性是决定扶正成败与否的关键，其中 包括船舶的初稳性和大角度倾斜时的稳性。由于扶正模拟计算的过程中，要用到 船舶遇难之前和遇难船舶的稳性数据，鉴于此，本章涉及到船舶的完整稳性和破 舱稳性两个方面的内容。 2 1 船舶完整稳性 完整稳性指船舶破舱进水前的稳性，船舶在外力作用下而偏离其平衡位置， 当外力消失后，顺其自然的又能重新回到原来平衡位置的能力叫做稳性。船舶的 稳性是船舶平衡位置的特性。 21 1 船舶的初稳性 初稳性是船舶稳性的一项重要指标，及时发现并消除负初稳性是船舶抗沉性 的重要原则。在海难事故中，由于负初稳性而使船舶倾覆的例子占相当的比重。 可见对船舶的初稳性进行研究具有重大的现实意义。 l 、船舶平衡位置稳定性判断 假设船舶正浮于水线w o l o ，重量为w o 、重心在g o 、浮力为yg v o 、浮心在 b o ( 如图2 1 所示) 。根据力矩平衡的条件，这时重力w o 等于浮力v g v o ，重心g o 和浮心b o 在同一铅垂线上。若船舶等体积倾斜一小角度中，产生新的水线w l l l ， 这时认为船舶上的重力大小不变，重心位置不变，重力垂直于水线w 1 l i 。由于等 体积倾斜，故浮力y g v o 大小不变，浮心由b o 点移动到b l 点，c l n , j 船舶的浮力作 用线垂直于水线w l l l 。 从图2 1 中可以看出，虽然重力w o 和浮力v g v o 仍然保持大小相等，方向相 反，但由于浮心的移动，二力的作用线已经不在同一条铅垂线上，形成了力矩， 即复原力矩。对于图2 1 ( 1 ) ，该复原力矩的作用使船舶重新回到原来的平衡位置， 根据平衡位置稳定性的定义，原平衡位置w o l o 是稳定的。图2 1 ( 2 ) 情况相反，倾 斜后重力和浮力所构成的复原力矩方向是和倾斜方向+ 致的，在此复原力矩的作 用下，船舶将继续倾斜，而不回到原来平衡位置，因此原平衡位罱w o l o 是不稳定 的平衡。图2 1 ( 3 ) 的情况比较特殊，重力和浮力作用线在同一条铅垂线上，船舶不 会回到原平衡位置，也不会继续倾斜，对于原平衡位置来说是中性的，称为中性 平衡。 舟考枣， 图2 1 船舶平衡位置稳定性的判断 f i g 2 1t h e j u d g m e n tf o rb a l a n c e a b l ep o s i t i o no f v e s s e 分析图2 1 ( 1 ) 、( 2 ) 两种情况的差别，将倾斜后浮力作用线延长，使其和原来的 浮力作用线相交于m o 点，可以发现： 当稳心m 。在重心g o 之上，即初稳性高为正时，复原力矩的方向和倾斜的方 向相反，船舶原来的平衡位置是稳定； 当稳心m o 在重心g o 之下，即初稳性高为负时，复原力矩的方向和倾斜的方 向相同，船舶原来的平衡位置是不稳定： 当稳心m o 和重心g o 重合，即初稳性高为零，此时船舶的复原力矩为零，船 舶原平衡位置为随遇平衡。 由此可见，可以根据船舶稳心m o 和重心g o 的相对位置，即初稳性高的正负 来判断船舶平衡位置的稳定性。 2 、影响船舶初稳性的因素 1 ) 货物移动对船舶初稳性的影响 当移动船舶上的货物时，虽然船舶的排水量保持不便，但是船舶的浮态和初 稳性都是变化的。下面分别介绍货物在船舶垂向、横向以及纵向的移动对船舶初 稳性影响的计算。 将船舶上重量为q 的货物自a ( x l ，y l ，z 1 ) 点移至b ( x 2 ，y 2 ，z 2 ) 点。由于研究的是静 力学问题，不计及动力影响，因而货物移动对船舶的影响只与货物的初始和终止 4 位置有关，而与货物的移动路径无关。所以，可以认为货物沿任意方向的移动由 下列三个方向的位移所组成，如图2 2 ( 1 ) 、( 2 ) 所示。 l 、 门旦， 下同c 嗣 t 日aj 。 ox ( 1 ) 土划一 。2 岳a l 几 图2 , 2 船上货物的移动 f i g 2 2t h em o v e m e n to fc a r g o so nv e s s e o y ( 2 ) 货物移动对船舶初稳性影响的具体计算如f ： 沿垂直方向的移动：a c = ( z ：一z i ) ； 沿水平横向的移动：a ，b ，= ( y ：一y 。) ； 沿水平纵向的移动：c b = ( x ：一x ) 。 新的初稳性高为： g l m t 诋m 。一 ( 2 1 ) 由式( 2 1 ) 可知，如果把货物沿垂直方向向上移动，将提高船舶的重心，其 结果是使初稳性高减小。由此可见，提高船舶的重心对初稳性是不利的。反之， 如把货物向下移动，将降低船舶的重心，其结果使船舶的初稳性高增力lj ，可见降 低船舶的莺心是提高船舶初稳性的有效措施之一，基于以上分析，在遇难船舶的 扶正过程中，一般通过卸掉甲板上的货物来降低船舶重心，进而提高船舶的稳性。 2 ) 装卸货物对船舶初稳性的影响 设船舶原来的排水量为d o ，重心纵坐标为x 重心垂向坐标为z g o ，重心横 坐标为y o o 。当船舶装上q 吨货物( 其重心在( x q ，y q ，2 q ) 处) 后，则其初稳性高为： g t m 一= g o m 。+ 去( d o + 孚_ g o m 。) ( 2 2 ) 式中：6 d 。一一装货后船舶吃水增量( m ) ； d n 一一装货前船舶的平均吃水( m ) 。 由式2 2 可见，在船舶上有一高度为( d 。+ 掣一g 。m 。) 的平而，当增加的货物 q 的重心刚好位于此平面时，则对于初稳性没有影响，此平面称为初稳性高度限界 面。若增加的货物重心高于此平面，则初稳性高减小，反之，将使初稳性高增加。 卸掉货物的情况与上述情况刚好相反，在此平面以上卸掉货物时，使初稳性高增 加，在此平面以下卸掉货物时，使初稳性高减小。 3 ) 自由液面对船舶初稳性的影响 船舶上设有淡水舱、燃油舱、压载水舱以及污水舱等液体舱室，若舱内液体 不满，则船舶倾斜时舱内液体也将同时流向其中的一舷，这将减小船舶的初稳性 高，当自由液面的面积很大的时候，甚至能使稳性高降为负值，并有使船舶倾覆 的可能。 当船舶的舱室出现自由液面后，自由液面对初稳性高的修正值为： 6 g o m 0 = 一攀 ( 2 3 ) 式中： n 一一舱内液体的质量密度( t m 3 ) ； i 。一一自由液面的面积对其倾斜轴线的惯性矩( m 4 ) 。 d n 一一船舶的排水量( t ) 。 此外，影响船舶初稳性的因素还有很多，如船舶搁浅及悬挂重物等，当船舶 初稳性很小或出现负初稳性时，多以消除自由液面和向底部舱室加压载水的形式 来恢复船舶的初稳性。 212 船舶的大倾角稳性 船舶在小角度倾斜时的稳性通常用初稳性高度来衡量，但是当船舶的横倾角 大于1 0 0 1 5 0 时，稳心的位置随着横倾角的变化而变化较大，凶而用初稳性高不 足以判断船舶是否有足够的稳性，这时就要采用静稳性曲线来衡量船舶的稳性， 所以研究船舶的大倾角稳性是十分必要的。 大倾角稳性是指船舶横倾角大于1 0 。1 5 0 条件下的稳性。解决其问题的根本 在于确定扶正力矩和遇难船舶的浮态及稳性之间的关系。此时，由于入水楔形和 出水楔形的形状不对称，等体积倾斜水线就不再通过正浮水线而的漂心，浮心的 移动曲线在横剖面上的投影也不能在看作圆弧，初稳心不在是浮力作用线与船舶 中一心线的交点，进而稳心半径是随着横倾角的变化而变化的，复原力矩随横倾角 的变化规律已不能像初稳性中那样用简单的初稳性公式来表达，而需要用静稳性 曲线表示船舶的大倾角稳性。 为了研究简便，在计算和绘制静稳性曲线时，作如下假设：船舶处于静水中， 它只受静水力浮作用；船舶的水线面为一水平面；忽略船舶在横倾时由于船体首 尾不对称所引起的纵倾影响，即不考虑它们之间的耦合作用。实际上，由于船体 首尾不对称，当船从正浮位置横倾到某一角度中后，如果纵倾角保持不变，则必 然产生纵倾力矩。由于船舶要保持纵向平衡，所以实际上纵倾角会发生变化。 如图2 3 所示，当船舶的倾斜角度较小时，g z 曲线与正弦曲线重合，船舶的 稳性力臂可以近似地用初稳性高度表示。但是，当横倾角逐渐增大时，g z 曲线逐 渐向上弯曲，与正弦曲线的距离渐渐变远，可见，静稳性力臂g z 不能再用g m s i n o 近似表示，当横倾角继续增大，g z 值达到最大后开始下降，但是g m s i n 中却仍在 增加，图2 3 说明随着横倾角的增加，g z 和g m s i n 之间的差值就越大。 0 4 03 02 o1 o 1 02 03 04 05 06 07 0 8 0o ( 。) 图2 3 静稳性曲线 f i g 2 3t h ec u r v eo f s t a t i cs t a b i l i t y 1 、静稳性曲线的计算方法 常用的计算静稳性曲线的方法是基点法8 | ，基点法选取基点k 作为量取力臂 的参考点，参照图2 4 ： 图2 4 基点法求静稳性力臂 f ig 2 4t h es t a t i cs t a b i l i t yl e v e lo i lb a s ep o i n t 此时静稳性力臂的表达式为： g z = k n k h = k n z g s i n q 3 f 2 4 ) 式中： k n 一一称为基点法中的形状稳性力臂，通过基点k 作浮力作用线b l m l 的垂 线，垂足为n ，可见垂距k n 的大小仅与b l 在横向面上的移距有关， 即与横倾水线下船体形状有关，而与船舶重心位置无关。 k h 一一称为基点法中的重量稳性臂，过重心g 作k n 的垂线，垂足为h ，可 见，k h 的数值大小仅与重心高度z g 有关，而与船体的形状无关。 然后根据不同的横倾角求出对应的g z 值，以g z 值作为纵坐标，以船舶的横 倾角作为横坐标，将求出的点用光滑曲线依次连接起来，就得到船舶这种装载状 态下的静稳性嗑线。 2 、影响船舶大倾角稳性的因素哪 ( 1 ) 货物移动对大倾角稳性的影晌 货物的移动只改变船舶的重心位置，这罩只讨论货物的水平横向移动和铅垂 移动，货物的纵向移动引起船舶产生纵倾，但通常倾斜不人，对船舶大倾角稳性 的影响可以忽略，这里不讨论。 1 ) 货物的铅垂移动 货物的铅垂移动将引起船舶重心在铅垂方向的改变，设船舶原来的重心在g o 点，货物移动后船舶重心在g - 点，如图2 5 ( 1 ) 所示，当船舶横向倾斜角度m 后， 复原力臂由原来的g o k o 变为g 1 k 1 ，令船舶重心改变为g o g l = 6z g ，于是，移动前 后复原力臂的关系为： 1 l = l o 一8 z g s i n q ) ( 2 5 ) 式中： l 。一一货物铅垂移动后的复原力臂； 1 0 一一货物铅垂移动前的复原力臂。 将货物移动前后的静稳性曲线作在同一个图中，如图2 5 ( 2 ) 所示，如果船 舶的重心升高，即6z o o ，则重心升高后的静稳性曲线为图中曲线i i 所示。显然， 重心升高后船舶的大倾角稳性降低了。反之，若重心降低，则船舶的大倾角稳性 将提高。 一 礤r l 1 w o g j淹! 百 逊b 。 少 、 b d o l 殿， ( 1 )( 2 ) 图2 5 货物的铅垂移动对大角稳性的影响 f i g 2 5i n f l u e n c eo f s t a b i l i t ya tb i ga n g l ef o rv e r t i c a lm o v i n gc a r g o s 2 ) 货物的水平横向移动 9 设船舶原来的重心位罱在g n 点，货物的水平横向移动，使船舶的重心移至 g 1 点，水平横向移动的距离为g 。g l = 6y g ，如图2 6 ( 1 ) 所示。货物移动前船舶的复 原力臂为1 0 = g o k o ，其静稳性曲线如图2 6 ( 2 ) q h 曲线l o 所示，货物移动后船舶的复 原力臂为1 1 = g ，k ，移动前后复原力臂的关系为： 1 1 = lo 1 5 ygc o s 巾( 2 6 ) i z ，一霹趴 l l w n g o砂百l 盐b 步 、 b o 0 1 。嘉嗲心 | | 飞。| | 丛v 。 ( 1 )( 2 ) 图2 6 货物的水平横向移动对大角稳性的影响 f i g 2 6i n f l u e n c eo f s t a b i l i t ya tb i ga n g l ef o rh o r i z o n t a lm o v i n gc a r g o s 重心横移后的静稳性曲线如图2 6 ( 2 ) 曲线l l 所示，显然这时横倾角q b = 0 的正 浮位置已不再是船舶的平衡位置了，新的平衡位置将在巾l ，该处l j = 0 ，即在m 1 时，浮心b l 和重心g l 将在同一条铅垂线上。可见，当重心偏于一舷时，1 i 论是最 大复原力矩或是稳性范围和曲线所包围的面积都减小了，此时船舶的大倾角稳性 将大大降低。因此，货物的不对称的装载是不允许的，它不仅对船舶的稳性不利， 而且对船舶的其它性能也是不利的。若同时有货物的水平横向移动和纵向移动， 则可将两种运动对稳性的影响进行叠加处理。 ( 2 ) 货物的装卸对大角稳性的影响 货物的装卸不仅改变船舶的排水量，同时也改变船舶的重心位置，此时船舶 的静稳性曲线的改变情况与排水量增减及重心的变化有关，因而比较复杂，需要 将货物装卸后的静稳性曲线做出来，与原来的静稳性曲线相比较，这样才能得出 装卸货物对大倾角影响的明确结论。 装卸货物后船舶静稳性曲线的计算可以分为两步，首先将货物装卸在给定高 度z 。的对称面上( z q 为所装卸货物重心的垂向高度) ，计算出船舶的静稳性曲线， 此时可以认为船舶是平行下沉的，然后再将货物水平移至装卸货物的位置。首先 利用船形稳性力臂插值曲线求出新的静稳性曲线 2 1 , 2 4 ，具体计算步骤如下： 1 ) 求出装卸货物后船舶重量w 1 ： w 1 = w o + q f 2 7 1 式中：w 0 _ 一船舶原来的重量( t ) 。 q 所装卸货物的重量( t ) 。 2 ) 求装卸货物后船舶的形状稳性力臂l s l ： 根据货物装卸后新的排水体积v ，= d 。o g ，从稳性交叉曲线上查出一系列相 应的形状稳性力臂值l s l 。 3 ) 根据船舶排水量及其重心高度和所装卸货物的重量及其重心高度求装卸货 物后船舶的重心高度z g ，： w o 。z g o + q z 口 z g i2 可了 ( 2 ，8 ) 4 ) 求装卸货物后船舶的重量稳性力臂l g l ： 根据船舶排水体积v l 从静水力曲线图上查得相应的浮心垂向坐标z 胁于是 可以计算船舶的重量稳性力臂： 1 n l = ( z g l z b l ) s i n 中 ( 2 9 ) 5 ) 计算装卸货物后船舶新的复原力臂l l ： 1 1 = 1 s l l g l ( 2 1 0 ) 然后，将货物水平横向移动，按照货物移动对大倾角稳性修正的方法便可以 得到装卸货物后的静稳性曲线图，具体方法上文已经介绍。般在货物水平纵向 移动后船舶不会出现较大的倾斜，所以，可以用该静稳性曲线图作为货物装卸后 的静稳性曲线的近似。如果货物水平纵向移动后出现较大的纵倾状态，则必须根 据船舶型线图重新计算静稳性曲线图来研究货物装卸对火角稳性的影响。 ( 3 ) 自由液面对大倾角稳性的影响 自由液面的存在使稳性降低，本质上是由于倾斜时液体向倾斜方向流动形成 了倾斜力矩，这个倾斜力矩抵消了部分复原力矩所致。要确定自由液面对大倾角 稳性的影响，只需求出不同倾角时液体移动所形成的倾斜力矩，该力矩的大小就 是船舶在相应各倾角下复原力矩减少的值。下面讨论用直接计算法来计算自由液 面对大倾角稳性的修f ，直接计算法就是按静力学原理根据舱室的实际形状求液 体移动产生的倾斜力矩，对于一定的舱室形状，自由液面移动力矩随着船舶的装 载情况以及倾斜角度的不同而发生变化，如图2 7 所示，计算原理如下： l f 一 w i ， l 。 ! ! 一 ! 土一 一 h m j 西，j b r h 剀2 7 自由液面对大角稳性修正 f i g 2 7t h e m o d i f i c a t i o no f t h eb i ga n g l es t a b i l i t yb yf r e es u r f a c e 设液体重一t l , 移动的横向距离为l 。，则液体移动产生的倾斜力矩m 。为： m q = y v l 目 ( n m ) ( 2 1 1 ) 式中：y 一一舱内液体的重度( “m 3 ) ； v - - 一舱内液体的体积( m 3 ) 。 由几何关系可以得到l 。为： 1 。l = ( y 9 1 一y g o ) c o s 中+ ( z g 】一z g o ) s i n q d ( m ) 式中： ( y g o ，z g o ) 一一为船舶倾斜前液舱内液体的重心坐标； ( y g l ，z g z ) 一一为船舶倾斜后液舱内液体的重心坐标。 f 2 1 2 ) 设船舶原来的复原力矩为m 。= w o g 。z 。，则考虑液舱自由液面影响后船舶 的实际复原力矩m r l 为： m m m 2 w o g o z o m u2w 。( g 。z 。一苗) 一w o ( g 。z 。一6 g z ) ( n m ) ( 2 1 3 ) 式中：6 g z ：兰土称为自由液面对复原力臂影响的修正值。对于定的装载 w o 情况，自由液面的修正值主要取决于自由液面倾斜力矩m 。的大小，对于已经给定 的液舱，该力矩随船舶横倾角及舱内装载液体的数量不同而发生变化，直接算法 就是按照舱室的实际形状计算不同横倾角_ f 和装载情况时的复原力矩m 。 2 13 初稳性与大倾角稳性的关系 初稳性高g m 的大小对静稳性曲线的形状有直接的影响【6 】。图2 8 为几种典型 的静稳性曲线图，f 面对三种典型情况进行讨论。 1 一 w ，力 图2 8 典型静稳性曲线图 f i g 2 8t y p i c a ls t a t i cs t a b i l i t yc u r v e s ( 1 ) 初稳性高较大，复原力臂的最大值l 。也不小，稳性消失角可达6 0 “9 0 。 船宽较大干舷较小的船舶，其静稳性曲线具有这样的特性，江船属于此类。一般 说来，这种船在内河航行稳性是足够的，但在海上遇到风浪时会产生剧烈的摇晃。 ( 2 ) 初稳性高较小，但曲线很快地超出存原点处的切线，l 。、也不小，稳性 范围较大。这是干舷较高的海洋船舶的特性，其大倾角稳性是足够的，遇风浪时， 摇摆相对较缓和。 芏一b 玺忪 ( 3 ) 初稳性高为负值，这种船在静水中虽然不会倾覆，但因正浮位置是小稳 定平衡，故具有一个永倾角。其大倾角稳性较差，在对遇难船舶扶正时出现这种 情况是十分危险的。 在本文对遇难船舶进行扶正之前，对于遇难船舶的稳性进行充分的分析，首 先判断船舶的初稳性是否为负值，如果遇难船舶的初稳性处于负值的状态，那么， 在调整遇难船舶的浮态之前，首先要通过卸货等措施使得遇难船舶的初稳性高度 变为正值。 2 2 船舶破舱稳性 船舶破舱进水后的稳性称为破舱稳性，船舶具有足够的破舱稳性是保障船舶 安全的重要条件，为了保证船舶破舱进水后不致沉没，必须保证船舶具有定的 破舱稳性。可见，对船舶破舱稳性进行研究有着重要的意义。 2 _ 2 1 淹水舱的分类 在船舶破舱稳性计算当中，根据破舱的进水情况，淹水舱主要分为以下三类： 第一类：进水舱的顶部位于水线之下，船舱破损进水后海水灌满全舱。舱顶 部没有破损，所以舱内没有自由液面。舱内进水体积及其重心位置小随进水后船 的浮态而改变，双层底舱和顶盖在水线以下的深舱等都属于这类情况。 第二类：破舱进水后舱未被灌满，舱内的水与舷外的海水不相通，故存在自 由液面。舱内进水体积不随船的浮态而改变，例如：冈为货舱盖损坏，从舱盖破 损处灌入的海水使得货舱被淹，以及船舶破损已经被堵塞，但舱室内海水未被抽 干等均属于这类。 第三类：破损舱顶在水线以上，舱内的水与舷外水相通，船舶在发生破舱进 水后将发生下沉和倾斜。由于舱内水面与舷外水面保持在l 司一水平面，所以在船 舶下沉和倾斜的过程中舷外海水将不断进入破损舱室内，舱内进水体积及其重心 位置随进水后船舶的浮态而改变，船体在水线附近破损引起货舱进水属于这种情 况，这是破舱中最普便的一种情况。 第一类第二类第三类 图2 9 淹水舱的分类 f i g 2 9c l a s s i f yo f d a m a g e dc o m p a r t m e n t 本文针对各种破舱进水的情况，首先采取补救措施使舷外水不再涌进舱内， 然后对经过抗沉处理后的遇难船舶进行扶正。 2 22 船舶破舱进水的抗沉措施 船舶破舱进水后首先应该采取措施防止遇难船舶倾覆，所以，下面首先讨论 遇难船舶的抗沉对策。研究抗沉对策就是探讨船舶在破损进水后，为防f r 船内水 漫延、保持船舶具有足够稳性和储备浮力而采取的技术措施，抗沉时应遵守原则 和采用的方法是【2 3 , 2 8 , 3 0 ：首先全面掌握与破损有关的信息；采取限制水的漫延的措 施；在抗沉调整时应先恢复稳性，后扶正船舶；当初稳性满足要求后，还需核算 大倾角稳性，为下一步救助工作提供依据。 要使得遇难船舶在破舱进水后不至于沉没，特别是在破损严重破损情况下， 必须工f ；= ! 确地进行抗沉调整，在采取具体措施之前应全面掌握以下与破损有关的信 息1 】： 1 、舱室破损情况： 1 ) 破口大小、位置； 2 ) 破损舱室的名称、位置及进水情况以及淹水舱的类型； 3 ) 被淹舱室的舱壁、甲板、平台及舷侧水上部分的破损情况； 4 ) 相邻舱室的水密性与渗水情况； 5 ) 淹水区的范围、淹水舱分布情况； 6 ) 海水漫延情况。 2 、破损后船舶的浮态、稳性：即破损后的浮态，如排水量、 倾等，同时预计破损后稳性的变化情况及出现负稳性的可能性。 3 、破损自口船舶的浮态、稳性：即破损前的浮态，如排水量、 倾和破损前的稳性。 吃水、横倾、纵 吃水、横倾、纵 船舶破损后，首先应及时采取限制水漫延的措施。迅速地采取各种可能措旋， 制止舷外水涌入船体，防止和限制水在船上漫延，并把涌进的海水排到舷外去。 具体措施包括堵塞破洞、维护破损舱段水密门甲板和舱盖的水密性，合理地使用 排水用具进行排水等。 船舶破损进水后，使船舶吃水增加、稳性和储备浮力降低。一般情况下还可 能产生倾斜，破坏船上机器的运转。如果海水在船内漫延，将使船舶处于危险状 态甚至有倾覆的可能。因此，破损进水时，应全力限制水的漫延，防止进水量继 续增加和破损舱室的水进入邻舱，其基本措施有以下几点： 1 ) 堵塞船体的破洞或裂缝，阻止海水继续灌入船体； 2 ) 关闭水密门、舱口盖、舷窗、隔离阀等各种水密装置，维护破损舱段的水 密性： 3 ) 支撑并加固破损或薄弱部位船体的结构，如舱壁等，防止船体进步进水； 4 ) 堵塞住破洞后，排除舱内积水，并先排出位置高、距离远，宽大舱室内的 积水，尽可能地恢复船舶稳性； 5 ) 如果破口很大，不能用船上工具堵住或排水工具损坏时，可以采取放弃该 舱室的措施。在弃舱前，必须停止机械，切断电路和管路系统，关闭各种隔离阀， 防止产生新的危险。离舱后应立即封闭该舱室，但仍要限制水漫延，防止向其它 舱渗透。 在进行抗沉性调整时，首先应恢复船舶的稳性，然后再渊整遇难船舶的浮态。 并且应以提高稳性为主，同时尽可能不降低储备浮力。当破损船舶初稳性高为负 值时，不可以施加用反向力矩的方法平衡船体；当破损船舶初稳性高为正值时， 才可以进行横倾、纵倾调整来调整遇难船舶的浮态，同时进一步提高稳性，一般 情况下呵以采取卸掉货物，加灌海水等方法。当初稳性满足要求后，还需进步 核算大倾角稳性。当破损船舶破舱进水时，限制水的漫延是关系剑船舶存亡的关 1 6 键问题。但是在限制水漫延的问题解决之后，则必须尽快解决稳性降低和倾斜的 问题。稳性降低和船舶的倾斜对于遇难船舶的救助是十分不利的。 船舶不沉性的两个基本因素是储备浮力与稳性。事实证明，船舶因稳性丧失 而倾覆是突然的，而丧失储备浮力使船舶正直下沉的时间较长，在船舶发生较大 的破损后，储备浮力损失已较多，船舶倾斜较严重，并且有进一步倾斜的趋势， 此时可能存在大而积自由液面，船舶摇摆周期变长，稳性已经很差，有倾覆的危 险。这种情况下，应以提高船舶稳性为主，并在必要时可以用储备浮力换取稳性， 通过牺牲储备浮力来换取稳性可以赢得时间，在确保船舶不倾覆后，u 丁以通过补 救措施恢复储备浮力。 2 ，23 破舱稳性的两种计算方法及其特点 船舶破舱进水后，如果进水量不超过排水量的1 0 1 5 ，则可以应用静稳性 公式计算船体破舱进水后的浮念和稳性，其结果误差较小。计算船体破舱进水后 的浮态和稳性的基本方法有两种： 1 、增加重量法：把破舱进水后进入船体的水看成是船舶增加的液体的重量。 2 、损失浮力法：把船舶破舱后船体进水的区域看成是不属于船舶的部分，即 看作是该部分的浮力已经损失掉，损失的浮力借助增加的吃水来补偿。对于整个 船舶来说，其派数量不改变。这种方法又称为固定排水量法。 由于两种数学方法都是以确切的物理含义为基础，冈此，若用它们计算一些 要素的实际量值如吃水、横倾角、纵倾角、回复力矩等，则得出相同的结果。而 用它们表征船舶稳性的相对量值如稳心高、静稳性力臂等，这两种方法给出不同 的结果，因为这些相对量值是由相应的绝对值除以排水量得到的；而排水量在这 两种方法中是不同的。但是，用不同方法所计算的稳性相对指标与用不同方法计 算的排水量相互联系着。 增加货物法和浮力损失法的平衡方程，除方程中各项的组合不同外，形式完 全一样。如采用增加货物法时：v 1 一( v 。+ v ) = 0 ，当采用浮力损失法时： ( v 1 一v 。) 一v o = 0 。 式中： v 】破损船舶的排水体积( m 3 ) ； v o 船舶破损前的排水体积( r n 3 ) ； v 船舶的进水体积之和( m 3 ) 。 重量增加法和浮力损失法可以看成是计算平衡方程各个量的两种不同的方 法。但是用这两种方法得到的最终平衡水线是相同的，根据船舶重量等于排水量 的平衡条件，重量增加法求出的排水量为d 。= d o + p l + p ：+ + p ，而浮力损失 法的排水量由于损失的排水量完全由船舶的下沉来补偿，固有：d 。= d o 。显然 d w d d 。此外，对重量增加法其船舶重心距基线高因载重增加p w 而变为z o w ，且 横稳心距基线高为z ”w ，其初稳性高度为g w m w ，对于浮力损失法，其中心距基 线高度不变，即z g d = z o ，而横稳心距基线高度变为z m d ，其相应的稳心高度为 g d m d ， 这里z g w z g d ，z m w z m d ，g w m w g d m d ， 但可以证明 w w g 。m 。= w d - g 。m d 。即对破舱进水的横稳性计算而言，不论采用何种方法， 其进水后的横稳性系数w o - g m 不变；同理，对于破舱进水后的纵向浮态计算而言， 其进水后的纵稳性系数w o g m l 不变，两者求出的最终平衡水线w 。l 。相同。 浮力损失法的优点在于：可以减少平衡方程中的与浮念参数有关的项数