船舶课程设计 静力学 胡丽芬讲解

船舶与海洋工程静力学研究的是船舶、海洋平台及其他海洋浮式结构在静水中的浮性、稳性和抗沉性等流体静力学特性。

若不考虑结构的变形，无论是船舶或海洋平台，都可作为一个浮于水面的刚体来对待。

浮体在静水中的流体静力学特性是船舶和海洋平台静力学的共性问题，也是本章所要讨论的问题。

1.1 浮体的坐标系为了讨论浮体的流体静力学特性，首先需要建立一个坐标系。

为了研究方便，通常建立两个坐标系：一个是大地坐标系，该坐标系设定为右手坐标系，xoy 坐标平面取为静水面，z 轴铅垂向上为正。

另一个是联体坐标系，联体坐标系固结于浮体，坐标原点的位置视具体研究问题而定，对于船舶或海洋平台等海洋结构物，联体坐标系的坐标平面通常取为结构的对称面。

图1.1 浮体的坐标系示意图1.2 坐标变换平面或空间中的任意一点都可以用某个平面或空间坐标系下的坐标来描述。

空间点的位置在不同坐标系下具有不同的表达形式，空间点在两个不同坐标系间坐标值的转换关系称为坐标变换。

直角坐标系中的坐标变换可分为平移变换和旋转变换两种类型。

平移变换：在直角坐标系下，若两个坐标系对应的坐标轴是同向的，空间任意一点在两个坐标系1111z y x O -和2222z y x O -中下的坐标值可以用平移变换来实现。

假设空间点在在第一个坐标系中的坐标值为()1111,,z y x P O =，在第二个坐标系中的坐标值为()2222,,z y x P O ，第二个坐标系的坐标原点在第一个坐标系中的坐标值为()c b a O O ,,21=P O O O P O 2211+=（1.1）1.1）z 1x 1y 1z 2x 2y 2o 1o 2 P图1.2 平移变换展开后为：cz z b y y a x x +-+=+=212121 （7.2）旋转变换：当两个坐标系的坐标原点相同，但是对应的坐标轴不重合，则空间任意一点在两个坐标系中的坐标值可以用旋转变换来实现。

旋转变换的一般形式为：()()()()⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛222332331232221131211222232221111z y x e e e e e e e e e z y x z y x e e e（7.3）上式中，)1(i e 是时坐标系1111z y x O -中第i 个坐标轴的单位列矢量，)2(j e 时坐标系2222z y x O -中第j 个坐标轴的单位矢量，()()21j i ij e e e ⋅=，在正交坐标系下，坐标转换矩阵是单位正交矩阵。

绪论船舶静力学是研究船舶航海性能的科学，是船舶设计与制造专业的一门重要专业技术基础课程，本学科要求有《高等数学》、《材料力学》、《理论力学》、《流体力学》等学科作为基础，也是今后学习《船舶强度与结构规范设计》、《船舶设计原理》、《造船工艺学》等课程的基础，因此要求同学们重视这门课的学习。

本课程包括六章。

其中第六章船舶的下水计算因在造船工艺学有阐述故在船舶静力学中不加以阐述。

第二、三、四章是重点章节。

通过本课程的学习，学生应对船舶浮性、稳性、抗沉性有一个全面的了解，在船舶设计时保证船舶具有合理的浮态（船舶在静水中的平衡状态，参数有吃水d、横倾角θ以及纵倾角ψ）和足够的稳性和抗沉性，同时学生应掌握衡量船舶稳性、浮性、抗沉性各种指标及其计算方法，能在设计时提供各种必要的计算说明书和曲线等数据。

一、船舶原理的内容船舶原理是研究船舶航海性能的科学。

（1）浮性——船舶在一定的装载情况下浮于一定水面位臵的能力（保持平衡位臵能力）。

（2）稳性——船舶在外力作用下，船舶发生倾斜而不致倾覆，当外力的作用消失后，仍能回到原来的平衡位臵的能力。

（3）抗沉性——当船体破损，海水进入舱室，船舶仍能保持一定的浮性和稳性而不致沉没和倾覆的能力。

（4）船舶快速性（速航性）——船舶尽可能消耗低的功率而达到一定航速的能力，包括船舶阻力与推进两部分，前者研究船舶在航行过程所遭受的各种阻力。

后者是研究克服阻力的推进器及其与船体间的相互作用（推力减额和伴流分数）。

（5）适航性（或称耐波性）——船舶在风流情况下的运动性能，主要研究船舶的横摇（rolling）、纵摇(pithing)、升沉等习惯上称为摇荡（摇摆、振荡）（6）操纵性——包括航向稳定性和船舶机动性(航向稳定性和船舶机动性是相互制约的，对船体的要求也是相互制约的)是按照驾驶员的意图保持原定航向和改变航向的能力。

船舶原理=船舶静力学+船舶动力学船舶静力学是以流体静力学为基础，研究船舶在不同条件下的浮性、稳性、抗沉性等问题。

船舶静力学的三心
船舶静力学的三心指的是船舶的重心、浮心和稳心。

船舶为什么能漂浮在水上？因为水有浮力。

那么，水为什么会产生浮力？一般说来，流体（气体和液体）在重力作用下会给浸没在其中的物体一个浮力。

就好比一个受到“外敌”入侵的群体一样，这个群体会有“抵抗情绪”，不会轻易让出空间给“异类”。

虽然上面这个回答缺乏说服力，但是很形象，也提到了非常关键的因素—一重力作用。

这里，我们用一杯水来作研讨模型。

杯子里的水是水分子的集合体，水分子在重力作用下都有下降的“趋势”。

如果可能的话，可以把这杯水分成若干层。

由于重力作用，下层的水分子总是受到上层水分子的压力，力是可以传递的，所以，越到最低层水分子受到压力越大。

我们可以把“水杯模型”放大到江河湖海中去。

已经有前人研究过，水在深度h处的压强P＝p g h等号两边同时乘以有效受力面积S，有PS＝p g s h，PS（即压强X面积）为压力（即浮力F），Sh（即面积x高）为体积（即排水体积△），则船在水中受到浮力F=p g△。

因此，我们可以准确地来回答水为什么会产生浮力了，是因为重力作用形成的静水压力而产生浮力。

船舶静力学课程设计小结一、教学目标本课程的学习目标主要包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。

知识目标要求学生掌握船舶静力学的基本概念、原理和公式，能够分析和解决船舶静力学问题。

技能目标要求学生能够运用船舶静力学知识进行计算和设计，具备一定的实验操作能力。

情感态度价值观目标要求学生培养对船舶静力学的兴趣和热情，树立科学的世界观和价值观。

二、教学内容教学内容主要包括船舶静力学的基本概念、原理、公式及应用。

教材的章节安排如下：第一章，船舶静力学基本概念和原理；第二章，浮力原理和浮船的稳定性；第三章，船舶重量的计算和分配；第四章，船舶浮态的调整和控制；第五章，船舶静力学在实际工程中的应用。

三、教学方法本课程采用多种教学方法，如讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。

讲授法用于传授基本概念和原理，讨论法用于激发学生思考和探讨，案例分析法用于分析实际问题，实验法用于验证理论和提高实践能力。

通过多样化教学方法，激发学生的学习兴趣和主动性。

四、教学资源教学资源包括教材、参考书、多媒体资料和实验设备。

教材为学生提供基本的学习内容，参考书为学生提供更多的扩展知识，多媒体资料为学生提供图像和视频资料，实验设备为学生提供实践操作的机会。

教学资源的选择和准备应充分支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验。

五、教学评估教学评估主要通过平时表现、作业和考试等方式进行。

平时表现包括课堂参与度、提问和讨论等，占总成绩的20%。

作业包括课后习题和案例分析等，占总成绩的30%。

考试包括期中和期末考试，占总成绩的50%。

评估方式应客观、公正，能够全面反映学生的学习成果。

六、教学安排教学安排规定了教学进度、教学时间和教学地点等。

教学进度按照教材的章节进行，确保在有限的时间内完成教学任务。

教学时间安排在每周的周一和周三下午，每次课2小时。

教学地点选择在教室或实验室，根据教学内容进行调整。

七、差异化教学差异化教学根据学生的不同学习风格、兴趣和能力水平进行设计。

大学船舶静力学教案船舶静力学教案一、课程基本情况授课对象：大学海洋类专业的本科生课程名称：船舶静力学课程学时：36学时授课方式：面授教材名称：《船舶静力学》教学目标：1. 了解船舶静态时的平衡条件2. 掌握船舶的各类计算方法3. 理解各种船舶设计参数的影响4. 学会根据给定的条件进行船型设计5. 培养学生的分析和解决问题能力二、课程教学安排第一章：导论1.1 船舶静力学简介1.2 船舶设计需求分析1.3 船型设计与船体修理第二章：浮力、单载荷条件下的平衡2.1 浮力、位移和重心2.2 平衡条件和杠杆原理2.3 软装置和硬装置的应用第三章：多载荷量和多坐标系机理的平衡3.1 载荷与船舶稳定性的关系3.2 偏心的影响以及偏心计算3.3 荷物、货物或人员的装卸和平衡第四章：垂直和侧向的稳定性以及条件4.1 侧倾、滚动和吃水线4.2 地面的稳定性和规划4.3 沉船、拯救和物流第五章：计算方法、模拟和模型试验以及大型船舶设计的应用5.1 数字计算、六自由度模拟5.2 模型试验和试验船5.3 船型设计和性能特征分析三、教学方法1. 讲授法：通过老师的授课讲解课程知识和教学要点，使学生建立起系统化、全面化的课程知识体系。

2. 互动法：充分调动学生学习兴趣，启发学生思考，引导学生积极思辨和探究。

老师鼓励学生针对某一问题会集思广议，帮助学生形成相互合作的学习方式。

3. 课程设计：通过给学生出课程项目练习，让学生能够把课程所学的知识运用到实操上，提升学生的实际操作能力。

四、考试方式期中考试50分，期末考试50分五、教学评价1. 导入及概述：应该强调该环节，初期每次课前应对教学点进行重点梳理。

2. 学生的分析和解决问题能力的培养：根据学生的实际情况提供实际问题进行分析与解决。

3.思考能力的训练：通过教育引导，鼓励学生思考，避免死记硬背。

4. 在线交流：鼓励学生发表自己的见解，让学生形成相互互相交流，深入进行课堂讲解。

一、名词解释（共30分）1. 浮性与稳性浮性：船舶在一定装载情况下具有漂浮在水面（或浸没在水中）保持平衡位置的能力；稳性：船舶在外力作用下偏离其平衡位置而倾斜，当外力消失后，能自行回复到原来位置的能力称为稳性。

2.菱形系数与方形系数菱形系数：船体在水线以下的排水体积∇与由船长L、舯横剖面积AM所构成的棱柱体体积之比；方形系数：船体在水线以下的排水体积∇与由船长L、设计水线宽B和吃水d所构成的长方体体积之比。

3.稳定平衡状态（1）、重力与浮力的大小相等而方向相反；（2）、重心和浮心在同一铅垂线上。

4.进水角船舶横倾至水开始由开口进入船内时的横倾角。

5.静稳性与动稳性静稳性——倾斜力矩的作用是从零开始逐渐增加，使船舶倾斜时的角速度很小，可忽略不计；动稳性——倾斜力矩是突然作用在船上，使船舶倾斜有明显的角速度的变化。

6. 空船重量船舶在全部建成后交船时的排水量。

二、简答题（共40分）1. 在图中标明三个主坐标平面，并用文字表述。

（8分）2. 在下图中标明：设计水线、基线、首垂线、尾垂线、首吃水、尾吃水、型深、船长。

（8分）3. 给出船体横倾的三个平衡方程。

（8分）W ω=∆=∇B G x x =()tan B G G B y y z z φ-=-4. 在哪些情况下需要考虑船的浮心及重心的变化。

（8分）横倾； 纵倾； 重量移动； 装卸载荷；自由液面；悬挂重量。

5. 船舶的回复能力是如何形成的？（8分）①、已知初始平衡位置（浮态）；②、由于外力矩M(倾角)作用，浮态发生变化；③、可以求出新的浮态倾斜前后重量、重心位置不变，倾斜前后，排水体积不变，但浮心位置发生变化；④、浮心位置发生变化，浮力作用线与重力作用线不在同一铅垂线上，因此产生回复力矩。

三、计算题（30分）1. 已知某船设计水线面半宽尺寸，船长100米，求1）梯形法求水线面面积；（10分）4）梯形法求水线面形心的x坐标（20分）X站号0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10水线半0.0 6.3 8.6 9.2 9.4 9.0 8.1 6.7 4.6 2.4 0.2宽y(m)答：站号水线半宽乘数面积乘积矩臂面矩乘积0 0 0.5 0 -5 01 6.3 1 6.3 -4 -25.22 8.6 1 8.6 -3 -25.83 9.2 1 9.2 -2 -18.44 9.4 1 9.4 -1 -9.45 9.0 1 9.0 0 06 8.1 1 8.1 1 8.17 6.7 1 6.7 2 13.48 4.6 1 4.6 3 13.89 2.4 1 2.4 4 9.610 0.2 0.5 0.1 5 0.5 总和64.4 -33.4 水线面面积：2*10*64.4=12882m水线面面矩：2*10*10*（-33.4）=-66803m漂心纵向坐标：x=-6680/1288= -5.34mF。

船舶结构的静力学与动力学分析在航海领域中，船舶结构的静力学与动力学分析是一项重要的研究课题。

船舶结构的静力学分析主要关注船舶在静止状态下的力学性能，而动力学分析则研究船舶在运动中的性能。

船舶结构的静力学分析是船舶设计的基础，通过对船舶结构进行力学分析，可以评估船舶的结构强度、稳定性和可靠性。

静力学分析考虑了直立、横向和扭曲等不同方向上的力学效应，确保船舶具有足够的强度来承受海洋环境中的载荷，并保证乘员和货物的安全。

在船舶结构的静力学分析中，常用的方法包括有限元分析、解析方法和实验测试等。

有限元分析是一种广泛应用的数值计算方法，可以将船舶结构分割为有限个小单元，通过对每个小单元进行力学分析，再将结果汇总得到整个结构的行为。

解析方法则是通过建立数学模型和假设，推导出船舶结构受力的解析解，能够提供准确的结果。

实验测试则是通过在实际船舶上进行载荷测试和结构振动实验，验证数值计算结果的准确性。

除了静力学分析，船舶结构的动力学分析也是非常重要的。

动力学分析关注船舶在运动中的响应和性能，对船舶的稳定性、操纵性和耐波性等方面进行评价。

动力学分析考虑了船舶的运动方程、阻力和操纵力等因素，可以为船舶的操纵和航行提供科学依据。

船舶结构的动力学分析可以通过数值模拟和实际试验两种方法来进行。

数值模拟是通过建立船舶的数学模型，利用计算机仿真技术进行运动方程的求解和性能预测。

实际试验则通过在实验室或海上对船舶进行运动性能测试，获取真实的响应数据，验证数值模拟的准确性。

船舶结构的静力学与动力学分析是船舶设计、建造和运营的关键环节。

通过对船舶结构的静力学和动力学行为进行全面分析，可以确保船舶具有足够的强度和稳定性，在各种复杂环境下安全运行。

这不仅关乎到船舶的性能和效益，更关系到人员的生命安全和财产安全。

在未来的船舶工程领域，我们可以进一步完善船舶结构的静力学与动力学分析方法，提高分析的精度和效率。

同时，随着科学技术的不断发展，船舶的设计和建造将更加注重环境友好和能源效率，因此在船舶结构的静力学与动力学分析中也应该考虑到这些因素，为可持续发展的航海事业做出贡献。

《船舶静力学》简答题1、简述表示船体长度的三个参数并说明其使用场合？答：船长[L] Length船长包括：总长，垂线间长，设计水线长。

总长Loa ( Length overall )——自船首最前端至船尾最后端平行于设计水线的最大水平距离。

垂线间长SP ( Length Between perpendiculars )首垂线(F. P.)和尾垂线(A. P.)之间的水平距离。

首垂线：是通过设计水线和首柱前缘的交点可作的垂线(丄设计水线面)尾垂线：一般舵柱的后缘，如无舵柱，取舵杆的中心线。

军舰：通过尾轮郭和设计水线的交点的垂线。

水线长[L^ ] (Length on the waterline) :——平行于设计水线而的任一水线而和船体型表而首尾端交点间的距离。

设计水线长：设计水线在首柱前缘和尾柱后缘之间的水平距离。

使用场合：静水力性能计算用：L PP分析阻力性能用：Lwi船进坞、靠码头或通过船闸时用：Loa2、简述船型系数的表达式和物理含义。

答：船型系数是表示船体水下部分面积或体积肥瘦程度的无因次系数，它包括水线面系数Cwp、中横剖而系数C M、方形系数C B、棱形系数cp(纵向棱形系数)、垂向棱形系数Cvpo船型系数对船舶性能影响很大。

(1) 水线面系数Cwp()——和基平而平行的任一水线而的而积和由船长L、型宽B所(waterpla ne coefficie nt表达式：Cwp wP B L物理含义：表示是水线面的肥瘦程度。

(2)【］］一一中横剖面在水线以下的面积(Midship sectio n coefficie nt)所构成的氏方体体积之比。

(Block coefficient )表达式：C B物理含义：coefficie nt)构成的长方形而积之比。

)⑷棱形系数［Cp］纵向棱形系数(prismatic coefficient)船体水线以下的型排水体积△和相对应的中横剖而而积Am.船长L所构成的棱柱体积中横剖面系数［C M A M和由型宽B吃水所构表达式：Cm物理含义：反映中横剖而的饱满程度。