Stabilitet

Stabilitet , skibets Valkost [1] - et flydende anlægs evne til at modstå eksterne kræfter, der får det til at rulle eller trimme , og vende tilbage til en ligevægtstilstand ved slutningen af den forstyrrende effekt [2] , også - en sektion af skib teori , der studerer stabilitet.

Ligevægt anses for at være en position med acceptable værdier af rulle- og trimvinklerne (i et bestemt tilfælde tæt på nul). Et flydende fartøj, der afveg fra det, har en tendens til at vende tilbage til ligevægt. Det vil sige, at stabilitet kun manifesteres, når betingelser for ubalance opstår.

Stabilitet er en af de vigtigste sødygtighedsegenskaber ved et flydende fartøj [2] . Med hensyn til skibe er et afklarende kendetegn skibets stabilitet . [3] Stabilitetsmarginen er graden af beskyttelse af et flydende fartøj mod kæntring.

Ekstern påvirkning kan være forårsaget af et bølgeslag , et vindstød , en kursændring og lignende.

Typer af stabilitet

Afhængig af hældningsplanet er der tværstabilitet med rulning og længdestabilitet med trim . Med hensyn til overfladeskibe (fartøjer), på grund af forlængelsen af formen af skibets skrog , er dets langsgående stabilitet meget højere end den tværgående, derfor er det af hensyn til navigationssikkerheden meget vigtigt at sikre korrekt tværgående stabilitet.

Afhængigt af hældningens størrelse skelnes der mellem stabilitet ved små hældningsvinkler ( initial stabilitet ) og stabilitet ved store hældningsvinkler.

Afhængigt af arten af de virkende kræfter skelnes der mellem statisk og dynamisk stabilitet:

Statisk stabilitet - betragtet under påvirkning af statiske kræfter, det vil sige, at den påførte kraft ikke ændrer sig i størrelse.
Dynamisk stabilitet - betragtet under påvirkning af skiftende (dvs. dynamiske) kræfter, såsom vind, havbølger, lastbevægelse osv.

Indledende lateral stabilitet

Med en rulle betragtes stabilitet som initial ved vinkler op til 10-15 °. Inden for disse grænser er genopretningskraften proportional med krængningsvinklen og kan bestemmes ved hjælp af simple lineære forhold.

I dette tilfælde antages det, at afvigelser fra ligevægtspositionen er forårsaget af ydre kræfter, der ikke ændrer hverken fartøjets vægt eller positionen af dets tyngdepunkt (CG). [4] Så ændres det nedsænkede volumen ikke i størrelse, men ændres i form. Lige volumen hældninger svarer til lige volumen vandlinjer , afskære lige store nedsænkede skrogvolumener. Skæringslinjen mellem vandlinjernes planer kaldes hældningsaksen, som med lige store volumenhældninger passerer gennem vandlinjeområdets tyngdepunkt. Med tværgående hældninger ligger den i diametralplanet .

Tyngdepunktet G med en sådan hældning ændrer ikke sin position, og størrelsescentret (CV) C , som tyngdepunktet for det nedsænkede volumen, bevæger sig langs en eller anden kurve CC 1 mod hældningen og indtager en ny position C 1 . Forskydningen af størrelsescentret opstår på grund af en ændring i formen af det nedsænkede volumen: det faldt fra bagbord side og steg fra styrbord side. Opdriftskraften γV , påført i centrum af størrelsen, er rettet langs normalen til dens bevægelsesbane.

Metacenter

Ved lave hældninger i tværplanet skærer opdriftskræfternes virkelinjer hinanden i et punkt m , som kaldes metacenteret (i dette tilfælde det tværgående metacenter). Det tværgående metacenter kan også defineres som krumningscentret for kurven, langs hvilken størrelsescentret bevæger sig med hældninger i tværplanet. I det generelle tilfælde af hældning (i en stor vinkel og i ethvert plan) beskriver størrelsescentret en kompleks kurve, og metacentret indtager forskellige positioner. Ved små hældningsvinkler i tværplanet kan vi antage, at størrelsescentret bevæger sig langs en cirkelbue, og det tværgående metacenter indtager en permanent plads i det diametrale plan.

Krumningsradius for den bane, langs hvilken størrelsescentret bevæger sig ved tværgående hældninger, kaldes den tværgående metacentriske radius r . Dette er med andre ord afstanden mellem det tværgående metacenter og størrelsescentret r = mC .

Stabilitetsegenskaber

Som følge af forskydningen af CV'et, når aktionslinjen vippes, forskydes vægtkræfterne og opdriftskræfterne og danner et par kræfter . Hvis skulderen på parret er positiv, virker det opståede moment m i retning af at genoprette balancen, det vil sige retter . Så siger de, at skibet er stabilt. Hvis CG er placeret over metacentret, kan momentet være nul eller negativt og bidrage til at kæntre - i dette tilfælde er karret ustabilt.

Højden over hovedplanet af det tværgående metacenter ( z m ), centrum af størrelsen ( z c ), samt værdien af den tværgående metacentriske radius r bestemmer i høj grad skibets stabilitet og afhænger af størrelsen af dets volumetriske forskydning , skrogform og landing. Afhængigheden af værdien af den tværgående metacentriske radius af formen af skroget (størrelsen af vandlinjeområdet og dets form) og den volumetriske forskydning ser ud som:

{r}={\frac {I_{\mathrm {x} }}{V}}

, (en)

hvor I x er inertimomentet for området af den operationelle vandlinje i forhold til den langsgående akse, der passerer gennem tyngdepunktet, m 4 ; V - volumetrisk forskydning (nedsænket volumen), m³.

Ud fra overvejelsen af tre mulige muligheder for påvirkningen af kræfterne P og γV under hældninger, kan vi konkludere, at for at sikre en stabil ligevægtsposition af fartøjet, er det nødvendigt, at metacentret er over tyngdepunktet. Derfor skiller højden af det tværgående metacenter over tyngdepunktet sig ud som en særlig værdi, og kaldes den tværgående metacentriske højde h . Værdien h kan udtrykkes som:

{\displaystyle h=\z_{m}-z_{g))

, (2)

hvor z m og z g er højderne af henholdsvis metacenteret og tyngdepunktet over hovedplanet.

Værdien af genopretningsmomentet afhænger af vægten af fartøjet og den tværgående stabilitetsarm. Fra trekanten GmZ kan stabilitetsarmen udtrykkes som den tværgående metacentriske højde GZ = m G sinθ = h sinθ . Så vil gendannelsesmomentet blive bestemt af formlen:

m_{\mathrm {\theta } }=\ Ph\cdot sin\theta

, (3)

som kaldes den metacentriske laterale stabilitetsformel . Ved små krængningsvinkler, når det kan antages, at sin θ = θ i radianer, er gendannelsesmomentet bestemt af den lineære metacentriske formel: m θ = Ph θ .

Således er værdien af genopretningsmomentet, som bestemmer skibets modstand mod afvigelser, igen bestemt af værdien af den tværgående metacentriske højde.

Formstabilitet og vægtstabilitet

Ved at erstatte h = r − a i den metacentriske formel for tværstabilitet og erstatte r med dens værdi ifølge formel (1), samt P = γV, opnår vi:

m θ = P(r − a) sinθ = Pr sinθ − Pa sinθ

og endelig

m_{\mathrm {\theta} }=\ \gamma I_{\text{x))\cdot sin\theta -Pa\cdot sin\theta

, (fire)

Det første led i udtryk (4) er hovedsageligt bestemt af størrelsen og formen af vandlinjeområdet og kaldes derfor momentet af formstabilitet : m f = γ I x sin θ . Momentet for formstabilitet er altid en positiv værdi og har en tendens til at returnere det vippede fartøj til dets oprindelige position.

Det andet led i formel (4) afhænger af vægten P og højden af tyngdepunktet over størrelsespunktet a og kaldes stabilitetsmomentet for vægten m in = − Pa sin θ . Vægtens stabilitetsmoment i tilfælde af et højt tyngdepunkt (z g > z c ) er en negativ værdi, og virker i hældningsretningen.

Den fysiske essens af formens stabilitetsmoment og vægtens stabilitetsmoment afsløres ved hjælp af en tegning, som viser systemet af kræfter, der virker på et skrånende fartøj. Fra den krængede side kommer et ekstra volumen v 1 ind i vandet , hvilket giver en ekstra "flydende" opdriftskraft. Et volumen v 2 kommer ud af vandet fra den modsatte side og har en tendens til at nedsænke denne side. Begge arbejder for at glatte.

Det neddykkede volumen V 1 svarende til landingen på vandlinjen B 1 L 1 er repræsenteret som en algebraisk sum af tre volumener

V l = V + v 1 − v 2 ,

hvor: V er det nedsænkede volumen under den første landing langs luftledningens vandlinje;

v 1 - kom ind i vandet, og v 2 - kileformede volumener, der kom ud af vandet;

I overensstemmelse hermed kan opdriftskraften γV 1 erstattes af tre komponentkræfter γV , γv 1 , γv 2 , påført ved størrelsescentrene af volumenerne V, v 1 , v 2 . På grund af hældningernes ens volumen danner disse tre kræfter sammen med tyngdekraften Р to par Р − γV og γv 1 − γv 2 , som er ækvivalente med parret Р − γV 1 . Gendannelsesmomentet er lig med summen af momenterne for disse to par

m θ = m (γv1 , γv2 ) + m (γV, P) .

Momentet for opdriftskræfter af kileformede volumener v 1 og v 2 er momentet for formstabilitet. Jo bredere skroget er i vandlinjeområdet, jo større er de kileformede volumener og deres skuldre, når de vippes i tværplanet, jo større er formstabilitetsmomentet. Størrelsen af formstabilitetsmomentet bestemmes hovedsageligt af inertimomentet af vandlinjeområdet i forhold til længdeaksen I x . Og inertimomentet I x er proportional med kvadratet af bredden af vandlinjeområdet.

Momentet for kraftparret P og γV er vægtens stabilitetsmoment. Det skyldes misforholdet mellem anvendelsespunkterne for tyngdekraften og opdriften ( G og C ) i den oprindelige ligevægtsposition, som et resultat af, at disse kræfters virkningslinjer divergerer, når de vippes, og kræfterne P og γV danner et par.

Mål for initial stabilitet

Til praksis er en simpel kvalitativ vurdering ikke nok - om skibet er stabilt eller ustabilt, da stabilitetsgraden kan være forskellig afhængig af størrelse, last og hældning. De værdier, der gør det muligt at kvantificere den initiale stabilitet, kaldes mål for initial stabilitet.

At bruge genopretningsmomentet som et mål for initial stabilitet er ubelejligt, da det afhænger af hældningsvinklen. Ved uendeligt små krængningsvinkler tenderer gendannelsesmomentet m θ også til nul, og det er umuligt at estimere stabiliteten ud fra det.

I denne henseende tages ikke selve genopretningsmomentet, men dets første afledte med hensyn til hældningsvinklen, som et mål for initial stabilitet. Denne afledte karakteriserer intensiteten af stigningen i genopretningsmomentet under hældninger og kaldes stabilitetskoefficienten . Med hældninger i tværplanet er koefficienten for tværstabilitet lig med den første afledte af genopretningsmomentet

K_{\mathrm {\theta} }=\ m_{\mathrm {\theta} }'{\partial \theta }\ =\ (Ph\cdot sin\theta )'{\partial \theta }\ = \ph\cdot cos\theta

, og med en rulning lig nul K θ = Ph .

Stabilitetskoefficienten giver en absolut vurdering af stabilitet, det vil sige, at den direkte viser den modstand, skibet yder mod de kræfter, der afviger det fra ligevægtspositionen. Stabilitetskoefficientens afhængighed af fartøjets vægt begrænser dens anvendelse, da jo større forskydning, jo større stabilitetskoefficient. For at vurdere graden af perfektion af fartøjet i forhold til dets initiale stabilitet, bruges et relativt mål for stabilitet - metacentrisk højde , som kan betragtes som en stabilitetskoefficient pr. ton forskydning:

h={\frac {K_{\mathrm {\theta } }}{P}}

På grund af dens simple geometriske betydning bruges den metacentriske højde oftest som et mål for initial stabilitet, selvom man skal huske på, at stabilitetskoefficienten giver den mest fuldstændige vurdering af denne sødygtighed.

Indledende længdestabilitet

Den langsgående stabilitet er bestemt af de samme afhængigheder som den tværgående.

Under påvirkning af et eksternt trimmoment M vipper differentialkarret , flydende i ligevægtspositionen på en jævn køl (vandlinie VL), i længdeplanet i en vinkel Ψ , (vandlinje B 1 L 1 ). Forskydningen af størrelsescentret på grund af en ændring i formen af det nedsænkede volumen giver udseendet af et langsgående genopretningsmoment

M ψ = P GK ,

hvor GK er den langsgående stabilitetsarm. Punktet M er det langsgående metacenter, højden af det langsgående metacenter over tyngdepunktet er den langsgående metacentriske højde H , og afstanden mellem det langsgående metacenter og størrelsescentret er den langsgående metacentriske radius R.

Det langsgående gendannelsesmoment ved små trimvinkler bestemmes af formlerne: M ψ \u003d PH sin ψ , M ψ \u003d PH ψ , som kaldes metacentriske formler for langsgående stabilitet . Disse afhængigheder for det langsgående gendannelsesmoment er gyldige ved trimvinkler op til 0,5 ÷ 1,0 °, derfor betragtes den langsgående stabilitet som initial kun inden for disse grænser.

Den langsgående metacentriske radius bestemmes af formlen:

R={\frac {I_{\text{yf}}}{V}}

, (5)

hvor: I yf er inertimomentet af arealet af den aktive vandlinje i forhold til den tværgående akse, der går gennem dens tyngdepunkt F , m 4 , og den metacentriske formel for langsgående stabilitet i udvidet form opnås på samme måde som formel (4),

M ψ = γ I yf sin ψ − Pa sin ψ , (6)

Således er det langsgående stabilitetsmoment af formen М ψ = γ I yf · sin ψ , og stabilitetsmomentet for vægten М в = − Pa · sin ψ .

Ved at sammenligne momenterne for form- og vægtstabilitet ved tværgående og langsgående hældninger i henhold til formlerne (4) og (6), ser vi, at vægtstabiliteten er den samme i begge tilfælde (under betingelsen θ = ψ ), men formstabiliteten er meget anderledes. Formstabilitetsmomentet i længderetningen er meget større end det tværgående moment, da I yf er ca. to størrelsesordener større end I x . Faktisk er inertimomentet for vandlinjearealet i forhold til længdeaksen I x proportional med kvadratet af bredden af dette område, og inertimomentet af vandlinjearealet i forhold til tværaksen I yf er proportional med kvadratet af længden af det samme område.

Hvis værdien af den tværgående metacentriske højde er tiendedele af en meter, så ligger den langsgående metacentriske højde inden for H = (0,8 ÷ 1,5) L , hvor L er længden langs vandlinjen, m.

Andelen af stabilitetsmomenterne af form og vægt for at sikre tværgående og langsgående stabilitet er ikke den samme. Med tværgående hældninger er vægtens stabilitetsmoment en betydelig brøkdel af formens stabilitetsmoment. Derfor er det tværgående gendannelsesmoment ≈ 30 % af momentet af formstabilitet. Med langsgående hældninger er vægtens stabilitetsmoment kun 0,5 ÷ 1,0% af formens stabilitetsmoment, det vil sige, at det longitudinelle genopretningsmoment er næsten lig med formens stabilitetsmoment.

Koefficienten for længdestabilitet Kψ bestemmes af formlen:

K_{\mathrm {\psi } }=\ M_{\mathrm {\psi } }'\partial \psi \ =\ PH

Ved hældninger i andre planer end tværgående og langsgående har værdierne af metacentriske radier og metacentriske højder (og følgelig stabilitet) mellemværdier mellem maksimum og minimum, svarende til de langsgående og tværgående hældninger.

Stabilitetsdiagram

Stabilitetsdiagrammet er afhængigheden af genopretningskraften af hældningsvinklen. Kaldes nogle gange et Reed- diagram efter ingeniøren, der introducerede det. For lateral stabilitet (som den oprindeligt blev kompileret af Reed), vil koordinaterne være rullevinklen Θ og den oprettende momentarm GZ . Du kan erstatte skulderen med selve momentet M , dette ændrer ikke udseendet af diagrammet.

Typisk viser diagrammet en rulning til den ene side (styrbord), hvor vinkler og momenter anses for positive. Hvis du fortsætter den til den anden side, skifter rullen og det genskabende (rettede) moment tegn. Det vil sige, at diagrammet er symmetrisk omkring udgangspunktet.

Grundlæggende elementer i stabilitetsdiagrammet

Udgangspunktet O , det er normalt ligevægtspunktet. I dette øjeblik, rulning Θ = 0, er der ikke noget rettemoment GZ = 0. Hvis startstabiliteten af en eller anden grund er negativ, falder ligevægtspunktet muligvis ikke sammen med origo. Så er GZ = 0 for Θ = Θ 1 .

Maksimal point . Repræsenterer den vinkel, hvormed rettemomentet er maksimalt GZ max . Op til denne vinkel forårsager yderligere hældning en forøgelse af momentet. Efter at have nået maksimum, er hældningen ledsaget af et fald i øjeblikket, indtil det tredje karakteristiske punkt er nået:

Solnedgangspunkt C. Repræsenterer den vinkel, hvormed knækmomentet falder til nul GZ = 0. Svarer til fartøjets kæntringspunkt, da der ikke er flere knækkræfter. For konventionelle forskydningsskibe ligger solnedgangsvinklen (statisk) i området 65÷75°. For køl yachter - i området 120÷125°.

krumning . Karakteriserer stigningshastigheden af rettemomentet. Den første afledte er arbejde. Tangenten til stabilitetskurven ved punkt O karakteriserer den initiale metacentriske højde. Dens ordinat, plottet i en vinkel Θ = 1 rad, er lig med den metacentriske højde h .

Arealet under kurven for den aktuelle vinkel B repræsenterer arbejdet A af genopretningsmomentet og er et mål for dynamisk stabilitet.

Typer af stabilitetsdiagrammer

Normal . Typisk for de fleste forskydningsskibe med en normal metacentrisk højde, såsom bulkskibe.
S-formet (med en bøjning). Det er typisk for skibe med en reduceret metacentrisk højde, for eksempel højsidede passagerskibe.
Med uddybning .Ikke typisk for de fleste skibe. Opstår, når den initiale stabilitet er negativ. I dette tilfælde flyder fartøjet i ligevægt ikke på jævn køl, men med en rulning Θ 1 svarende til skæringspunktet for kurven og aksen Θ . Et sådant diagram kan f.eks. findes i tømmerbiler, der går i overlast, eller skibe med frie overflader i tanke. Reglerne for alle verdens største klassifikationsselskaber (for eksempel Lloyd's Register , Russian Maritime Register of Shipping , Russian River Register , etc.) forbyder drift af skibe med en metacentrisk højde på mindre end 0,2 m (inklusive skibe med negativ initial stabilitet ). Skibets initiale stabilitet kan således blive negativ enten som følge af en ulykke eller som følge af en forseelse fra skibets kaptajn.

Faktorer, der påvirker ændringen i stabilitet

Varebevægelser

Bevægelsen af lasten p i en vilkårlig retning fra punktet g1 (x1, y1, z1) til punktet g2 (x2, y2, z2) kan erstattes af tre på hinanden følgende bevægelser parallelt med oxyz-koordinatsystemets akser ved en afstand x2 − x1, y2 − y1, z2 − z1 . Disse bevægelser kaldes henholdsvis vandret-langsgående, vandret-tværgående og lodret.

Med den lodrette bevægelse af lasten bevæger kraften p sig langs dens handlingslinje. I dette tilfælde bliver skibets balance ikke forstyrret, landingen ændres ikke, det vil sige, at størrelsen og formen af det nedsænkede volumen forbliver uændret. Derfor ændrer størrelsescentret, tværgående og langsgående metacentre ikke deres position. Tyngdepunktet bevæger sig opad fra punkt G til punkt G 1 med en afstand δZ g , som er direkte proportional med vægten af den fortrængte last p og mængden af forskydning z2 − z1 og omvendt proportional med skibets vægt:

\delta Z_{\text{g}}={\frac {p}{P}}\ (z2-z1)

De langsgående og tværgående metacentriske højder ændres med samme mængde:

δh = δH = - δZg

Størrelsen af stigningen af de tværgående og langsgående stabilitetskoefficienter er også den samme:

δК θ = P δh og δК ψ = P δH , eller δК θ = δК ψ = − р (z2 − z1)

Metacentriske højder og stabilitetskoefficienter efter flytning af lasten tager følgende værdier:

h1 = h + 8h; H1 = H + δH; Kθ1 = Kθ + δKθ ; _ K ψ1 = K ψ + δ Kψ ,

desuden svarer bevægelse ned til positive trin, og bevægelse op svarer til negative. Det vil sige, at når man flytter lasten op, falder stabiliteten, og når man bevæger sig ned, øges den. Da de laterale og langsgående stigninger er de samme, men de metacentriske højder er forskellige, er virkningerne af lodrette bevægelser på lateral og langsgående stabilitet meget forskellige. For langsgående stabilitet er δH kun en lille brøkdel af H. For tværgående er situationer mulige, når h ≈ δh , det vil sige et fuldstændigt tab (eller genoprettelse) af stabilitet.

Ved vandret-tværgående bevægelse af last fra punkt A til punkt B krænger skibet fra den direkte ligevægtsposition (vandlinie VL) i en vinkel θ (vandlinje B 1 L 1 ). En sådan bevægelse af lasten kan repræsenteres, som om lasten ved punkt B fjernes (kraften p er rettet i modsat retning - opad), og ved punkt E accepteres den.

Hældningen forhindres af gendannelsesmomentet m θ = Ph·sinθ . Skibet vil være i ligevægt, når krængnings- og rettemomenterne er ens:

m cr \u003d m θ , dvs Ph sinθ = pl y cosθ ,

hvor l y = BE . Herfra bestemmes rulningsvinklen for ligevægtspositionen:

tg\theta ={pl_{\text{y}}}{Ph}

Bevægelsen af lasten forårsager en forskydning af fartøjets tyngdepunkt i retningen af lastens bevægelse med en afstand GG 1 = pl y / P . Størrelsescentret, når det vippes, bevæger sig i hældningsretningen, indtil det er på samme lodret med tyngdepunktet, det vil sige indtil den anden ligevægtsbetingelse er opfyldt.

Den tværgående metacentriske højde efter overførslen af belastningen bestemmes ud fra trekanten GmG 1 :

h_{\text{1}}=mG_{\text{1}}={\frac {h}{cos\theta }}

Ved små bankvinkler cosθ ≈ 1; h 1 ≈ h , dvs. den indledende laterale stabilitet med vandret-tværgående bevægelse af lasten ændres praktisk talt ikke.

Formler til bestemmelse af landing og stabilitet i tilfælde af vandret-langsgående bevægelse af lasten er afledt på samme måde som de foregående. Ud fra ligheden af trimmomentet fra bevægelsen af lasten M diff = p (x1 − x2) cosψ og gendannelsesmomentet M ψ = PH sinψ bestemmes trimvinklen, som skibet modtager efter bevægelsen af lasten:

tg\psi ={pl_{\text{x}}}{PH}

Den indledende længdestabilitet fra lastens vandrette-langsgående bevægelse ændres praktisk talt ikke.

Accept og fjernelse af varer

Modtagelse eller fjernelse af laster ændrer både skibets last (vægt og koordinater for tyngdepunktet) og dets nedsænkede volumen (dets størrelse, form, koordinater for størrelsescentret).

Accept af last på et vilkårligt sted kan forestilles som at modtage denne last uden at ændre rullen og trimningen og derefter overføre den til det udpegede sted. Betingelsen for invariansen af rulningen og trimningen af accepten af belastningen p er placeringen af dens tyngdepunkt på den samme lodrette med størrelsescentret af volumenet, der yderligere kommer ind i vandet δV , hvilket er lig med p / γ , hvor γ er vandets vægtfylde. Ved modtagelse af en relativt lille belastning kan det overvejes, at for at udelukke rulning og trim, skal den placeres på samme lodret med tyngdepunktet F af det indledende vandlinjeområde.

Indflydelsen af lastbevægelser på stabilitet og landing er diskuteret ovenfor. For at bestemme de metacentriske højder efter at have modtaget belastningen, er det nødvendigt at finde koordinaterne for tyngdepunktet z g1 og metacentrene z c1 + r 1 og z c1 + R 1 . Den nye position af tyngdepunktet findes ud fra betingelsen om lighed af de statiske tyngdemomenter i forhold til hovedplanet.

I det generelle tilfælde med modtagelse eller fjernelse af flere belastninger bestemmes den nye position af tyngdepunktet af formlen

z g1 = (Pz g ± ∑pi z pi ) / P1 ,

hvor: p i - vægten af den gods, der accepteres eller fjernes separat, mens den accepterede last tages med et plustegn, og den fjernede last tages med et minustegn; z pi er anvendelsen af tyngdepunktet for den accepterede eller fjernede last.

Ved modtagelse af relativt små belastninger (mindre end 10 % af deplacementet) på et overfladeskib (fartøj), anses det for, at formen og arealet af den effektive vandlinje ikke ændres, og det neddykkede volumen afhænger lineært af udkast - det vil sige, at den ligesidede hypotese accepteres . Så er stabilitetskoefficienterne udtrykt som:

δK θ = р (Т + δТ/2 − zp + dI x /dV) δK ψ = р (Т + δТ/2 − zp + dI yf /dV)

I mere komplekse tilfælde bruges et opdrifts- og indledende stabilitetsdiagram , hvorfra værdierne af det nedsænkede volumen, metacentriske radius, CG og CV-koordinater tages, afhængigt af dybgangen. Dens brug er typisk til at bestemme stabiliteten af undervandsfartøjer, såsom ubåde .

Frie overflader

Alle de ovenfor diskuterede tilfælde antager, at skibets tyngdepunkt er stationært, det vil sige, at der ikke er nogen belastninger, der bevæger sig, når de vippes. Men når sådanne vægte er til stede, er deres indflydelse på stabiliteten meget større end de andre.

Et typisk tilfælde er flydende last (brændstof, olie, ballast og kedelvand) i delvist fyldte tanke, det vil sige med frie overflader . Sådanne belastninger er i stand til at flyde over, når de vippes. Hvis den flydende last fylder tanken helt, svarer det til en fast fast last.

Hvis væsken ikke fylder tanken helt, dvs. den har en fri overflade, der altid indtager en vandret position, så når beholderen vippes i en vinkel θ , flyder væsken over i hældningsretningen. Den frie overflade vil have samme vinkel i forhold til designlinjen.

Niveauer af flydende last afskærer lige store mængder tanke, det vil sige, at de ligner vandlinjer med samme volumen. Derfor kan momentet forårsaget af transfusionen af flydende last under en rulning δm θ repræsenteres på samme måde som stabilitetsmomentet af formen m f , kun δm θ er modsat m f i fortegn:

δm θ = − γ x i x θ,

hvor i x er inertimomentet for arealet af den flydende lasts frie overflade i forhold til den langsgående akse, der går gennem dette områdes tyngdepunkt, γ W er den flydende lasts vægtfylde

Derefter genoprettelsesmomentet i nærværelse af en væskebelastning med en fri overflade:

m θ1 = m θ + δm θ = Phθ − γ x i x θ = P(h − γ x i x /γV)θ = Ph 1 θ,

hvor h er den tværgående metacentriske højde i fravær af transfusion, h 1 = h − γ x i x /γV er den faktiske tværgående metacentriske højde.

Påvirkningen af den overløbende last giver en korrektion til den tværgående metacentriske højde δ h = − γ Wi x / γV

Tæthederne af vand og flydende last er relativt stabile, det vil sige, at den største indflydelse på korrektionen er formen af den frie overflade, eller rettere dens inertimoment. Det betyder, at sidestabiliteten hovedsageligt påvirkes af bredden og længden af den frie flade.

Den fysiske betydning af en negativ korrektionsværdi er, at tilstedeværelsen af frie overflader altid reducerer stabiliteten. Derfor tages der organisatoriske og konstruktive foranstaltninger for at reducere dem:

Komplet presning af tanke for at undgå frie overflader.
Hvis dette ikke er muligt, påfyldning under halsen, eller omvendt, kun i bunden. I dette tilfælde reducerer enhver hældning kraftigt det frie overfladeareal.
Kontrol af antallet af tanke med fri overflade.
Nedbrydning af tanke af indvendige uigennemtrængelige skotter for at reducere inertimomentet af den frie overflade i x .

Dynamisk stabilitet

I modsætning til statisk giver den dynamiske effekt af kræfter og momenter betydelige vinkelhastigheder og accelerationer til skibet. Derfor betragtes deres indflydelse i energier , mere præcist i form af kræfters og øjebliks arbejde , og ikke i selve indsatsen. I dette tilfælde bruges kinetisk energisætningen , ifølge hvilken stigningen i den kinetiske energi af skibets hældning er lig med arbejdet af de kræfter, der virker på det.

Når et krængningsmoment m cr , som er konstant i størrelse, påføres fartøjet, modtager det en positiv acceleration, hvormed det begynder at rulle. Efterhånden som hældningen øges, vil genopretningsmomentet, men først, op til vinklen θ artiklen , hvor m cr = m θ , være mindre end krængningsmomentet. Når vinklen for statisk ligevægt θ article er nået , vil den kinetiske energi af rotationsbevægelse være maksimal. Derfor vil skibet ikke forblive i ligevægtspositionen, men på grund af den kinetiske energi vil det rulle videre, men langsommere, da genopretningsmomentet er større end krængningsmomentet. Den tidligere akkumulerede kinetiske energi tilbagebetales af det overskydende arbejde i genopretningsmomentet. Så snart størrelsen af dette arbejde er tilstrækkelig til fuldstændig at slukke den kinetiske energi, vil vinkelhastigheden blive lig med nul, og skibet holder op med at krænge.

Den største hældningsvinkel, som skibet modtager fra det dynamiske moment, kaldes den dynamiske krængningsvinkel θ dyn . I modsætning hertil kaldes krængningsvinklen, som fartøjet vil sejle med under påvirkning af det samme moment (ved betingelsen m kr = m θ ), den statiske krængningsvinkel θ st .

Hvis vi vender os til det statiske stabilitetsdiagram, er arbejdet udtrykt ved arealet under genopretningsmomentkurven m in . Følgelig kan den dynamiske rulningsvinkel θ dyn bestemmes ud fra ligheden af områderne OAB og BCD svarende til det overskydende arbejde af gendannelsesmomentet. Analytisk beregnes det samme arbejde som:

A_{\theta }=\int _{0}^{\theta }m_{\theta }\partial \theta

på intervallet fra 0 til θ dyn .

Efter at have nået den dynamiske krængningsvinkel θ din , kommer skibet ikke i balance, men under påvirkning af et overskydende genopretningsmoment begynder det at rette sig ud med en accelereret hastighed. I fravær af vandmodstand ville fartøjet gå ind i udæmpede svingninger omkring ligevægtspositionen ved en rulning θ st med en amplitude fra 0 til θ dyn . Men i praksis, på grund af vandmodstand, dør svingningerne hurtigt ud, og det forbliver at flyde med en statisk krængningsvinkel θ st .

Den dynamiske effekt af krængningsmomentet er altid farligere end det statiske, da det fører til mere markante hældninger. Inden for den retlinede del af det statiske stabilitetsdiagram er den dynamiske krængningsvinkel cirka to gange den statiske vinkel: θ dyn ≈ 2 θ st .

Se også

Noter

↑ Fartøjsrulle // Militærleksikon : [i 18 bind] / udg. V. F. Novitsky ... [ og andre ]. - Sankt Petersborg. ; [ M. ] : Type. t-va I. D. Sytin , 1911-1915.
↑ 1 2 Militære objekter - Radiokompas / [under generalen. udg. N. V. Ogarkova ]. - M . : Militært forlag under USSR's Forsvarsministerium , 1978. - S. 147. - ( Sovjetisk militærleksikon : [i 8 bind]; 1976-1980, v. 6).
↑ Traditionelt forbliver inkonsistensen af termer: emnet for teorien om skibet er skibet .
↑ I et koordinatsystem bundet til selve skibet; med andre ord antages det, at der ikke er nogen bevægelse af lasten.

Litteratur

Skibsstabilitet // Militær encyklopædi : [i 18 bind] / udg. V. F. Novitsky ... [ og andre ]. - Sankt Petersborg. ; [ M. ] : Type. t-va I. D. Sytin , 1911-1915.
Skibets kampstabilitet // Militærleksikon : [i 18 bind] / udg. V. F. Novitsky ... [ og andre ]. - Sankt Petersborg. ; [ M. ] : Type. t-va I. D. Sytin , 1911-1915.
Skibsstabilitet // Militære genstande - Radiokompas / [under generalen. udg. N. V. Ogarkova ]. - M. : Militært forlag under USSR's Forsvarsministerium , 1978. - ( Sovjetisk militærleksikon : [i 8 bind]; 1976-1980, v. 6).

Voitkunsky, Ya. I. Håndbog i skibsteori. T.2. Rettens statistikker. Rullende skibe. L., Skibsbygning, 1986.
ISO 16155:2006. Skibe og marineteknologier. Anvendelse af informationsteknologier. Indlæser kontrolenheder Arkiveret 6. juni 2011 på Wayback Machine

Ordbøger og encyklopædier	stor kinesisk Stor russer Brockhaus og Efron Militær Sytina Ny