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船舶的理論 ─ 橫向穩度、縱向強度、阻力. 長榮大學 科技工程管理學系 吳俊概 博士. 1. 橫向穩度. 穩度 用以衡量船舶傾斜後恢復平正之能力 穩度直接影響船舶的航行安全,設計時需慎重評估。 船能保持平衡需具備的三要件 1. 總重量等於總浮力 2. 重心 與 浮心 落在 同一條垂直線上 3. 重心需低於 定傾中心. 三個必須知道的中心 重心 (center of gravity) G :重量的中心 浮心 (center of buoyancy) B :浮力的中心
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船舶的理論 ─ 橫向穩度、縱向強度、阻力 長榮大學 科技工程管理學系 吳俊概 博士
1.橫向穩度 • 穩度 • 用以衡量船舶傾斜後恢復平正之能力 • 穩度直接影響船舶的航行安全,設計時需慎重評估。 • 船能保持平衡需具備的三要件 1.總重量等於總浮力 2.重心與浮心落在 同一條垂直線上 3.重心需低於定傾中心 <船舶概要>
三個必須知道的中心 • 重心(center of gravity) G:重量的中心 • 浮心(center of buoyancy) B:浮力的中心 • 定傾中心(metacenter) M:船舶傾斜後,浮力作用的方向與正浮時GB直線的交叉點 <船舶概要>
依定傾中心與重心的對應位置,船舶有三種平衡狀態依定傾中心與重心的對應位置,船舶有三種平衡狀態 1.穩定平衡(stable equilibrium):定傾中心在上 2.不穩定平衡(unstable equlibrium):定傾中心在下 3.隨遇平衡(neutral equilibrium):兩中心重疊 穩定平衡 <船舶概要>
一般水面船不至有隨遇平衡情況,但均質的圓球形浮體即為隨遇平衡。一般水面船不至有隨遇平衡情況,但均質的圓球形浮體即為隨遇平衡。 • 潛水艇之穩度變化 • 潛艇下潛時,重心因船艙注入海水而逐漸下移,浮心則因排水體積增加而逐漸上移。 • 在浮心與重心重合的的瞬間,即成隨遇平衡。 • 好在該瞬間為時很短,且有其他設備輔助,故不致發生危險。 <船舶概要>
靜力穩度(statical stability) • 船體傾斜後,其所獲扶正力矩的大小,稱之為靜力穩度或靜穩度。 • 扶正力臂(righting arm):GZ長度的大小 • 扶正力矩(righting moment): 浮力 × GZ長度 • 穩度的提高,經常是設計較寬的船身。 <船舶概要>
傾斜試驗(inclining experiment) • 新船造好後,為驗證重心及定傾中心位置之計算結果,需施行傾斜試驗。 • 係利用船上重量之左右移動,使船體發生傾斜,以測定其定傾高度, 即GM長度。 關係式: 重物重量 × d × cosθ = 浮力 × GM × sinθ <船舶概要>
穩度大小的選擇 • 穩度大的船,橫搖的週期小,船體的搖動較劇烈,有如喝醉酒的船,搭乘起來較不舒服。故一般均在安全許可的範圍內,盡可能地降低穩度。 • 穩度小的船,橫搖的週期大,搭乘起來雖較舒服,但翻船的風險也較大。 <船舶概要>
一般設計的橫搖週期 • 客船16至24秒 • 貨船15至30秒 • 船體越大,設計的橫搖週期也越大。 • 橫搖之防止,可加裝 • 1)舟必龍骨(bilge keel)、 • 2)鰭狀穩定翼(fin stabilizer)、 • 3)減搖水艙(anti-rolling tank)。 <船舶概要>
bilge keel 舟必 龍 骨
鰭片穩定翼 減搖水艙
2.縱向強度 • 船舶浮在水上時,因為局部的重量與浮力無法剛好抵銷,且因為長度大的關係,會有較為嚴重之縱向強度問題。 • 船體的縱向受力 • 重量分佈不均的影響 • 波浪之影響 <船舶概要>
舯垂浪中的郵輪 <船舶概要>
船越深,縱向強度越佳,抗彎能力也越佳,但穩度越差。船越深,縱向強度越佳,抗彎能力也越佳,但穩度越差。 • 縱向強度的提高,經常是設計較深的船身。 • 縱向強度常依靠龍骨、雙層船殼、抗扭箱來提供。 <船舶概要>
3.船舶阻力 • 阻力的種類 <船舶概要>
摩擦阻力(frictional drag):因水的黏性所產生的牽制力。 低阻力泳衣 <船舶概要>
形狀阻力(form drag) :船體設計不夠流線型,而於後方發生渦流所產生的阻力。 大小比例約20 : 10 : 1 <船舶概要>
興波阻力(wave-making drag):船舶前進時,於艏艉產生規則的波浪所形成的阻力。 <船舶概要>
(艉波) (艏波) (波峰) (包絡線) (波谷)
Q&A討論時間 <船舶概要>