第十章 耐波性

1、第十章 耐波性學習目標知識目標1.船舶搖擺對船舶的危害；2.船舶靜水搖擺周期、波浪周期；波浪表觀周期；3.船舶諧搖對船舶的危害及如何避免；4.減搖裝置及減搖原理。能力目標1.能計算船舶靜水搖擺周期、波浪周期；波浪表觀周期。第一節(jié) 概 述 船舶耐波性是船舶在波浪中運動特性的統稱，它包括船舶在波浪中所產生的各種搖蕩運動以及由這些運動引起的砰擊、飛濺、上浪、失速、螺旋槳飛車和波浪彎矩變化等性能，直接影響船舶在風浪作用下維持其正常功能的能力，歷來是船舶及其他海洋結構物的設計和使用者十分關心的問題。研究船舶在波浪中產生的一系列運動，是學習船舶耐波性的首要目的。了解了船舶在波浪中運動機理后，就可以探討保證

2、船舶在波浪中航行安全和維持其使用功能的措施。 在海上航行的船舶，像任何剛體一樣，可以產生六個自由度的運動。為了研究這些運動，通常采用以下右手坐標系(見圖10-1)： 圖10-1 研究船舶運動的坐標系 它是以船舶重心位置為原點而固定于船體上的直角坐標系。x 軸在中線面內，平行于基面，指向船首為正；z 軸向上為正。x、y 和 z 軸可近似認為是船體的三根慣性主軸。 船舶任意時刻的運動可以分解為在坐標系內船舶重心沿坐標軸的直線運動及船體繞三個坐標軸的轉動。在這些運動中又有單向運動和往復運動之分，因此共有12種運動形式，如圖10-2所示。習慣采用的名稱見表10-1。表 10-l 12種運動形式的習慣名

3、稱坐標軸轉 動直 線單向運動往復運動單向運動往復運動橫傾縱傾回轉橫搖縱搖首搖前進或后退橫漂上浮或下沉縱蕩橫蕩垂蕩 圖 10-2 船舶的運動形式 圖 10-3 船的遭遇浪向船的遭遇浪向見圖10-3，橫浪對橫搖影響最大；頂浪順浪產生縱搖；縱蕩，垂蕩。耐波性是船舶在風浪中性能的總的反應，它包括以下主要內容。1.船舶搖擺船舶搖擺是指在外力作用下船舶產生傾斜，當外力消除后船舶圍繞原平衡位置所的往復運動。其中運動顯著而影響嚴重的是橫搖、縱搖和垂蕩。2.砰擊由于嚴重的縱搖和垂蕩，船體與風浪之間產生猛烈的局部沖擊現象稱為砰擊。砰擊多發(fā)生在船首部。砰擊發(fā)生時首柱底端或船底露出水面，然后在極短的時間內以較大的速度

4、落入水中而發(fā)生猛烈的撞擊。3上浪船舶在風浪中劇烈搖蕩時風浪涌上甲板的現象稱為上浪。上浪時船首常常埋入風浪中，海水淹沒首部甲板邊緣，甲板上水。上浪主要是由嚴重的縱搖和垂蕩引起的。4失速它包括風浪失速和主動減速。風浪失速是指推進動力裝置功率調定后，由于劇烈的搖蕩，船舶在風浪中較靜水中航行時航速的降低值。主動減速是指船舶在風浪中航行，為了減小風浪對船舶的不利影響，主動調低主機功率，使航速比靜水中速度下降的數值。5螺旋槳飛車船舶在風浪中航行時，部分螺旋槳葉露出水面，轉速劇增，并伴有強烈振動的現象稱為螺旋槳飛車。船舶航行的環(huán)境條件和耐波性之間的關系，可以用圖10-4的方塊圖來表示。Error! Refe

5、rence source not found.Error! Reference source not found. 圖10-4 環(huán)境條件與耐波性之間的關系 劇烈的橫搖、縱搖和垂蕩對船舶產生一系列有害影響，甚至引起慘重后果，主要表現在以下三方面。1對適居性的影響 船舶為了完成一定的任務必須給乘員提供一個合適的環(huán)境，使他們能有效地進行工作。乘員的工作能力受兩種運動特性的影響，即加速度和橫搖幅值。 加速度引起人們暈船。人的前庭系統，特別是內耳腔對線加速度和角加速度特別敏感，超過一定的刺激就要引起暈船。圖10-5是由實測得到的某些船的基本關系。一般來說，發(fā)生暈船的頻率隨加速度增加而平行增加。最大的加速

6、度發(fā)生在船尾或船首，主要是縱搖和垂蕩產生的。某些漁船在激烈的海面上船首加速度可達到1個重力加速度，可見工作條件的惡劣。 橫搖角影響人的運動能力，大致可以分為三個區(qū)域：在范圍內對人的活動沒有明顯影響，有些人的工作能力略有提高的趨勢；在范圍內使人的運動能力明顯下降；以上使乘員吃飯、睡覺及在船上走動都發(fā)生困難。2對航行使用性的影響 橫搖周期S圖10-5 橫搖周期、加速度對適居性的影響 船員利用船上的全部設備，在預定的海洋條件下完成其規(guī)定使命的能力稱為航行使用性。劇烈的搖蕩對航行使用性產生極為不利的影響。 由于縱搖和垂蕩，使船舶造成失速，主機功率得不到充分利用。 嚴重的砰擊使船首部結構損壞，船體顫振。

7、在壓載航行時，駕駛人員主動減速，主要是避免首部嚴重砰擊。高速船在洶濤海面上的航速常常由砰擊頻度所決定，稱為砰擊限制航速。 上浪使甲板機械損壞，給船員造成惡劣的工作條件。滿載船舶主動減速的重要因素是考慮上浪頻度，稱為上浪限制航速。 螺旋槳飛車使主軸受到極大的扭轉振動，主機突然加速和減速，損壞主機部件，推進效率降低。 過大的搖蕩使波浪負荷加大，可能損壞船體結構，甚至斷裂。 大的風和浪加上激烈的搖蕩，給船舶操縱帶來困難，使船舶難以維持或改變航向。 3對安全性的影響 當激烈的運動損壞了船舶的主要部件，如主機、螺旋槳、舵及導航設備等以后，船可能失去控制而造成慘重后果。大角度橫搖可能使艙室進水、貨物移動，

8、由于這些原因造成的海難事件是經常發(fā)生的。 橫搖降低了船舶的抗風能力，在風和浪的作用下，船舶出現了很大的橫搖角。我國海船穩(wěn)性規(guī)范規(guī)定，在計算最小傾復力矩時要考慮橫搖的影響，即考慮船舶在橫搖最大角度時突然受到一個來自入水舷方向的陣風吹襲這種最危險的情況。 第二節(jié) 船舶橫搖 船在海上最易發(fā)生橫搖，而且搖擺幅值最大，它影響船員生活和工作的各個方面，因此總是希望設計橫搖性能優(yōu)良的船舶。 一、船舶橫搖微分方程1船舶的受力分析在波浪的作用下，作為剛體的船舶繞軸的轉動稱為橫搖?？梢杂美@軸擺動的角度、角速度和角加速度來表征橫搖運動情況，并規(guī)定從船尾向船首看時，以順時針方向為正，逆時針方向為負，如圖10-6所示。

9、 為了簡化分析并得到單純橫搖的微分方程，在分析船體受力時作了以下假定：1）遭遇浪向，即波峰線平行于船體中線面；2）船寬遠小于波長；3）在橫搖角比較小的情況下，可以認為是等體積傾斜，初穩(wěn)性公式仍適用；4）波內的壓力場不因船體的存在而受影響，忽略這種影響所得結果與實際相差圖10-6 、和正負的規(guī)定不大。 船舶在波浪上的橫搖受以下四種力矩的作用。1）復原力矩 當船舶橫搖某一角度時，此時浮心和重力不再在同一垂直線上，形成一個使船回復到原來位置的力矩，即復原力矩。當橫搖角不太大時，可以應用初穩(wěn)性公式： （10-1）式中：為船的排水量；為船的初穩(wěn)性高。式中負號表示復原力矩方向與橫搖角方向始終相反。2）阻尼

10、力矩 船在水中橫搖時，由于船體和水之間存在相對速度，船體必然受到阻力。對于轉動，則表現為力矩的形式。阻尼力矩主要由以下原因產生：摩擦阻尼 它是水的粘性引起的，其數值的大小一般認為和角速度平方成比例。在橫搖中，摩擦阻尼所占的比重是很小的，往往可以忽略。興波阻尼 它是由于船的運動在水表面形成波浪，消耗了船體本身的能量而形成的，如圖10-7所示。一般認為興波阻尼比例于角速度的一次方。旋渦阻尼 它是在船體彎曲或突出物附近形成旋渦，損失部分能量而形成的。船舶裝舭龍骨的主要目的是為了增加旋渦阻尼成分，一般認為旋渦阻尼比例于角速度的平方。 圖10-7 興波阻尼的成因 用理論方法確定的阻尼力矩尚不能用于實際，

11、最可靠的方法是進行實船或模型試驗。在設計初期可以應用經驗公式進行估計。 橫搖阻尼是角速度的函數，一般表示為 (10-2)式中：和為橫搖阻尼力矩系數，具有單位，的單位為2。 大角度橫搖時，阻尼力矩與角速度成平方關系更接近于實際情況，即 (10-3) 小角度橫搖時，認為船舶是時間恒定的線性系統，阻尼力矩與角速度成線性關系： (10-4)3）慣性力矩 船舶在橫搖過程中有角加速度存在，必然產生慣性力矩。橫搖的慣性力矩是由兩部分組成的，即船體本身的慣性力矩和附加慣性力矩。一般來說，它們都與角加速度成線性關系： (10-5)式中：為船體本身慣性矩和附連水質量加慣性矩之和，稱為總慣性矩。式中的負號表示慣性力

12、矩的方向與角加速度方向相反。4）波浪擾動力矩 (10-6)2橫搖微分方程及解 根據物體動平衡原理，船舶的平衡條件為，考慮到式(10-2)、(10-4)、(10-5)和(10-6)諸式，則得到：有效波傾角與表面波傾角（波面與軸的夾角）的關系為 因此，平衡方程可以寫成： (10-7) 把上式各項均除以，并采用以下符號： (10-8) 則橫搖運動方程最后寫成： (10-9) 這是一個二階常系數非齊次微分方程式，由于方程的系數是常數，它代表了作為線性系統的船舶橫搖方程。根據微分方程理論，方程(10-9)的解是齊次方程的通解加上非齊次方程的特解，它的一般積分為 (10-10)式中： (10-11)方程(

13、10-10)中的第一項是齊次方程 (10-12)的通解，相當于船舶在靜水中的自由橫搖，當時間足夠長時幅值趨于零。因此船舶在規(guī)則波中的橫搖僅由式(10-9)的特解所決定，即僅由波浪的強迫橫搖所確定，具有如下的形式： (10-13)式中：以為橫搖幅值；為橫搖運動與波浪擾動力矩之間的相位角。 在解方程中我們引入了一些參數，其物理意義綜述如下： 稱為衰減系數，它表征阻尼和慣性對橫搖衰減影響的程度； 稱為橫搖固有頻率，它是表征橫搖的一個重要參數，相當于假設船舶不受阻尼作用時在靜水中的橫搖頻率，對于狀態(tài)已經確定的船來說是一個固定的數值； (10-14) 稱為船的固有周期，它與固有頻率一樣，是表征橫搖的一個

14、重要參數； 是船舶在水中計及水阻尼后的橫搖頻率，由于值很小，所以它接近橫搖固有頻率； 稱為橫搖調諧因數，它等于波浪的頻率與橫搖固有頻率之比； 稱為無因次衰減系數，它表征了阻尼、慣性和復原力矩對橫搖的影響，是表征橫搖性能的又一重要參數； 表示橫搖幅值與有效波傾之比，稱為放大因數，它表征了船舶在規(guī)則波中橫搖大小的程度。其公式有 二、船舶在靜水中的搖擺如圖10-8所示，當船靜止地漂浮在水面時，設想受到外力作用而傾斜一個角度，例如向圖10-8 船舶的自由搖擺 圖10-9 無阻尼橫搖曲線一舷傾斜了最大橫搖角度 (稱為最大擺幅)，當外力撤消后，船在回復力矩的作用下將使船復原，但由于慣性的作用，船繼續(xù)由正浮

15、時的位置向另一舷傾斜至最大擺幅角度，這時船又同樣受回復力矩的作用，向正浮位置復原，由于慣性作用，又繼續(xù)向對應的一舷傾斜。這樣在回復力矩和慣性力的交互作用下，船舶繞軸作往復擺動。這種擺動稱為自由搖擺。船從一舷橫搖到另一舷，完成一個完整的搖擺過程后，回復到初始漂浮位置時所需要的時間稱為搖擺周期(自搖周期)。顯然，若橫搖周期大。則所需完成一個完整搖擺過程的時間長，這種情況，船舶的搖擺程度比較緩和，搖擺性能就比較好。反之，若船的橫搖周期小，船就要發(fā)生劇烈的搖擺，其搖擺性就差。船在靜水（波浪力矩=0）中橫搖，若不計水對船舶橫搖的阻尼（作 用，則橫搖角與時間的關系是一條余弦曲線，如圖10-9所示。據上述微

16、分方程有：據前面理論推導，船在靜水中的橫搖周期公式為： (10-15)式中:為橫搖周期；為船的排水量； 為船舶及其附連水對x軸的慣性矩，可由下式近似估算（杜埃爾公式）： （10-16） 式中:為重力加速度ms2； 為船寬m；為船舶重心高度，m。 則 （10-17） 船在靜水中無阻尼橫搖將有始無終，即開始橫搖后就一直搖擺下去。實際上水對船舶橫搖是有阻尼作用的，考慮了阻尼力矩作用后橫傾角和時間的關系曲線如圖10-10所示。圖中：為初始橫搖的擺幅；為有阻尼的橫搖周期。在阻尼作用下橫搖擺幅逐漸遞減，最后恢復到正浮狀態(tài)。船舶橫搖阻尼力矩的大小與船體形狀及橫搖角速度有關。有阻尼的橫搖周期略大于無阻尼的橫搖

17、周期。實驗證明一般： （10-18）由此可見，有阻尼和無阻尼橫搖的周期實際上沒有明顯的差別。 圖10-10 有阻尼橫搖曲線三、船舶在波浪中的搖擺 船舶在波浪中的搖擺可以當作在靜水中的搖擺一樣處理，所不同的是船舶在波浪中的搖擺是船舶相對于傾角作周期性變化的波面搖擺，船舶在靜水中的搖擺是船舶相對于靜止不動的水平面搖擺。因此討論船舶在波浪中的搖擺除了考慮船舶本身的搖擺運動外，還需要同時考慮波浪的運動。 海上波浪的波形有的是接近正弦曲線的正弦波，有的是接近擺線的坦谷波及其他不規(guī)則波，圖10-11是坦谷波的波面輪廓圖，坦谷波的特點是波峰陡，波谷平坦。組成波浪的要素有：圖 10-11 坦谷波波長波浪曲線圖

18、上，兩個相鄰波峰或波谷間的距離稱為波長；波高波峰與波谷間的垂直高度，通常為波長的1/201/25；波傾角相切于波浪側圖形上的切線與水面線間的夾角；波浪周期波浪前進一個波長所需要的時間；波速波浪前進速度，系單位時間內波形前進的距離；計算坦谷波的波速和波浪周期的公式為： (10-19) (10-20)式中：為波速，ms； 為波浪周期，s；為波長，m。 據前面理論推導，船在波浪中橫搖運動微分方程： 船舶在規(guī)則波中的橫搖僅由式(10-9)的特解所決定，即僅由波浪的強迫橫搖所確定，具有如下的形式： (10-21)式中：以為橫搖幅值；為橫搖運動與波浪擾動力矩之間的相位角。 確定的船舶在不同頻率的規(guī)則波上，

19、橫搖幅值是不同的。為了清楚地反映這種變化趨勢，以調諧因數以為橫坐標，以放大因數為縱坐標，繪成曲線，其形狀如圖10-12所示。 圖10-12 放大因數與調諧因數的關系曲線 下面就放大因數曲線討論幾種特殊情況：，即相當于的情形：這時有，這種情況相當于橫搖周期很小的船處在很大的波浪中，形成“隨波逐流”的現象，如圖10-13所示。圖 10-13 船在長波浪中的橫搖，即相當于的情形：這時有，這相當于大船在小波上的情形，此時船的橫搖幅值是很小的，形成“巍然不動”的現象，如圖10-14所示。 圖 10-14 船在短波浪中的橫搖即，則得到： 由于無因次衰減系數通常小于O.1，因此，這時船的橫搖幅值是很大的。船

20、舶的固有周期等于波浪周期時稱為諧搖，諧搖現象是航行中最危險的情況，必須引起特別注意。 從圖10-12可以看出，不僅在諧搖時放大因數很大，而且在附近的一定范圍內也是相當大的，通常稱的范圍為諧搖區(qū)。 表 10-2 規(guī)則波波長和周期的關系波長m4050607080100120140160180周期Ts5.25.76.26.77.18O8.79.510.110.8船舶在斜浪中航行，我們稱波浪相對于船舶的運動周期為船舶的運動周期或表觀周期。它的大小除與波浪本身運動的情況有關外，還與船舶運動情況如航速、航向等因素有關。表觀周期 （10-22）式中：為航速；為航向角；為波浪周期船舶在斜浪中航行，航速、航向將

21、影響波浪的表觀周期，從而影響船舶的搖擺情況。假如船舶在給定的航速、航向下航行，若使波浪的表觀周期接近于船舶的橫搖周期，那么船舶將產生共振，使船舶的搖擺急劇增加，這時駕駛人員就需要改變航速和航向，使船舶離開共振區(qū)，以減弱橫搖。關于船舶在波浪中的運動幅值的標準，不少學者進行過研究，但大都從某一船舶使用角度提出，只能說明某些情況或是某個實踐的總結，因而未能獲得一致的公認。如下幾種建議可作為參考。為使救生艇和工作艇在風浪情況下能順利下放到水面，通常要求橫搖幅值不超過150。從對船上人員的身體運動能力的影響來看.橫搖幅值不應超過100 ，相應的橫搖周期應大于。為保證拖網漁船的正常工作，橫搖幅值應不超過1

22、00。為保證直升飛機安全起飛和降落，應使橫搖幅值小于30。 四、減搖裝置 船舶搖擺對船舶的使用和航行性能確有較大的影響，為了減緩船舶的搖擺，在船上安裝減搖裝置，可以大大地改善船舶的搖擺性能。 不同的減搖裝置雖在形式和結構上有很大的差別，但減搖原理基本相似，都是用產生穩(wěn)定力矩的方法，以減小擺幅和增大周期達到緩和搖擺的目的。 各種類型的減搖裝置名目繁多，根據減搖原理和控制方法，減搖裝置可分成兩種基本形式：被動式和主動式。被動式減搖裝置靠船舶本身搖擺時產生的能量來工作，它不需要消耗額外的功率，主動式減搖裝置依靠專門機構給減搖裝置以工作能源，通常采用自動控制設備來進行操縱。 以下介紹幾種常見的減搖裝置

23、。1舭龍骨 舭龍骨是由流體動力作用產生穩(wěn)定力矩的一種被動式減搖裝置。在民用船上采用較普遍，結構簡單，效果好，造價低。其結構形式為長條形板材，順流線對稱地安裝于船體兩舷舭部區(qū)域，如圖10-15所示。舭龍骨在一舷的面積約取的24，其寬度根據船舶類型可取021.2m之間，平均寬度為船寬的25，其長度約為船長的2575。舭龍骨能增加搖擺阻力。當船舶搖擺時，舭龍骨產生阻力,舭龍骨的位置如圖10-15所示。這個阻力使搖擺速度減慢，擺幅下降，并使附連水質量慣性矩增大從而使搖擺周期增大。 圖 10-15 舭龍骨的位置 裝舭龍骨能使擺幅減小2025。舭龍骨主要缺點是增加船舶航行阻力，并易受撞傷。2減搖鰭 減搖鰭

24、是安裝在船舶兩旁伸出船外，可以轉動其角度的兩片水翼，也可以說是一種側舵，如圖10-16所示。在不使用時可將水翼收入船內。它根據船舶橫搖時所提供的訊號，通過自動控制調節(jié)水翼的沖角，使水對水翼產生流體動力而形成穩(wěn)定力矩，以抵制船舶橫搖。 減搖鰭的優(yōu)點是重量輕，在各種波浪情況下都有極高的減搖效能。其缺點是必須設置 動力、傳動和控制裝置，且其效能隨著航速減低而急劇下降。 圖10-16 減搖鰭 3減搖水艙 減搖水艙是通過調節(jié)左右兩水艙的水量，從而產生與波浪力矩反向的穩(wěn)定力矩，好比重物橫移，以達到減搖目的。減搖水艙有被動式和主動式兩類。被動式減搖水艙中的水在連通兩舷水艙的連通管內自由流動，使兩舷水艙中的水

25、保持同一水平，水流經過連通管的流速用空氣閥控制，如圖10-17所示。主動式減搖水艙則須具備一套抽水設備及控制這套設備的自動調節(jié)裝置，它是靠自動控制裝置來調節(jié)水的流向和流量，以起減搖作用的。圖 10-17 被動式減搖水艙 減搖水艙的重量相當大，對小船約為排水量的34；對大船則為排水量的12。被動式水艙的優(yōu)點是構造和運用簡單，但只在諧搖區(qū)才起減緩作用。主動式水艙可減緩各種情況下的船體搖擺，效率高，重量也較輕，不受航速高低的影響，但裝置較復雜，成本較貴，且工作時也須消耗功率，需要安裝一套較復雜的控制調節(jié)儀器。4回轉儀減搖裝置回轉儀減搖裝置是利用陀螺產生的旋轉力而造成的穩(wěn)定力矩。陀螺儀是以一定的結構形式固定在船上的。根據陀螺的原理，當它在高速旋轉時，如受到外力作用會發(fā)生傾斜，陀螺產生的旋轉力矩會使它回復到原來的位置。而陀螺儀是與船固為一體的，那么當船橫向搖擺時陀螺當然也一起橫向傾側。由于陀螺的特性，它所產生的旋轉力矩，就具有抵抗船舶橫搖的能力，從而使船舶的搖擺減緩。如圖10-18所示，回轉儀減搖裝置優(yōu)點是減搖效果靈敏并能在各種情況下有效地減搖，缺點是設備價格昂貴，故一般船舶很少采用。圖 10-18 回轉儀減搖裝置 第三節(jié) 縱搖與升沉運動船在波浪中的縱搖與升沉幅值，取決于波長、波高、