初稳性(initial stability),是指船舶倾角小于
10度~15度或上甲板边缘开始进水前的
稳性。也称小倾角稳性。初稳性是通过某些简化假定,可简明获得初稳性的因素及其变化规律。
平衡及初稳性
如图1所示,当船舶受外力作用,发生倾斜时,水线由W0L0变为W1L1,浮心由B0移至B1,而此时排水量△和重心G位置不变,重力与浮力不再作用在同一铅垂线上,因而产生了一个力矩,称为
复原力矩。当外力消失时,复原力矩会使船舶回复到原来的平衡位置,船舶的这种性能称为
稳性。这是关于稳性的传统定义。考虑到船舶在风浪中的运动及动力效应,近代稳性定义为船舶在风浪的作用下保持其不翻(或防止翻船)的概率。
当船舶横向微倾时,复原力矩的大小可用下式表示:
当M点高于G点时,初稳性高GM>0,复原力矩为正值,它抵抗船舶的横倾。
当M点低于G点时,初稳性高GM<0,复原力矩为负值,它使船舶继续横倾。
M点称为船舶的横稳心。
同样,在船舶纵倾时也存在纵向的复原力矩和纵稳心。船舶纵倾时的稳性称为纵稳性。
造成船舶离开原来平衡位置的倾侧力矩可以由风、浪的作用、船上货物的移动、旅客集中一舷、拖船的急牵以及船舶的回转等因素产生。
若倾侧力矩的作用是从零开始逐渐增加的,船舶倾斜时的角速度很小,可以忽略,这种倾斜时的稳性称为静稳性;若倾侧力矩突然加于船上,船舶倾斜时有明显的角速度变化,则这种倾斜时的稳性称为动稳性。
倾斜角在0°到10°~15°范围内或0°到上甲板边缘入水角范围内(取其小者)的稳性称为初稳性或称为小倾角稳性;倾斜角超出上述范围的稳性称为
大倾角稳性。
各因素影响
移动小量载荷对初稳性及浮态的影响
若船上的某一载荷P(假定P小于5%~10%的排水量)沿纵向、横向和垂向分别移动δx,δy,δz(向首、向右、向上为正),则船的初稳性和浮态变化如下:
初稳性高的变化:
横倾角的变化:
首吃水的变化:
尾吃水的变化:
式中:
P——载荷(t);
δx,δy,δz——载荷P的三向位移(m)。
增加或卸掉小量载荷对初稳性及浮态的影响
在船上某一位置(x,y,z)增加或卸掉某一载荷 P 时,船舶的初稳性和浮态变化如下:
平均吃水的变化:
初稳性高的变化:
横倾角的变化:
首吃水的变化:
尾吃水的变化:
或 分别为增加或卸掉载荷的情况。
悬挂载荷对初稳性的影响
船上悬挂载荷对船舶的稳性会产生不利的影响。悬挂载荷引起的初稳性高损失为
式中:P——悬挂载荷(t);
——悬挂载荷重心到悬挂点的距离(m)。
船舶进坞及搁浅时的稳性
1)船舶进坞时的稳性
船舶进坞时的稳性和船舶承受的反作用力,如图2所示。船舶未搁坞墩时的水线为W0L0,此时的纵倾值假定为t0;当船舶即将完全座落在墩上时,此时吃水线为W1L1,纵倾为0,船舶所承受的墩的反作用力R达到最大值Rmax。
式中:xR——R力作用点的x坐标(m);
船舶的初稳性高的变化可近似地按下式计算:
式中dm,△,GM及TPC 4个数据均是即将搁坞墩时的参数。
船舶出坞时的情况与进坞时相类似。
2)船舶搁浅时的稳性
船舶搁浅时的稳性、所承受的反作用力和接触点位置见图3。
船舶搁浅时假若所承受的反作用力不很大,船舶也未破损,搁浅前后船舶浮态的变化可以用实测得到。
在这种情况下:
船舶所承受的反作用力:
船舶初稳性高的变化:
接触点的横坐标:
接触点的纵坐标:
式中δdA,δdF——搁浅前后首、尾吃水的变化(m)。
式中所有参数除 为搁浅后船舶横倾角的变化外,其他均为搁浅前的数值。
需注意,上述公式求出的R为负值(如图所示的情况,首吃水的减少量大于尾吃水的增加量),其物理意义可看作为船上卸掉一个载荷,从而船舶的初稳性也减小了。