稳心(Metacenter),是指船舶浮心曲线的曲率中心。按船舶纵、横倾斜状态不同,可分为纵稳心和横稳心,如无特别说明一般系指横稳心(或称初稳心),即船舶在正浮状态作小角度横倾时,浮心移动轨迹近似于一段圆弧的圆心。稳心垂向位置是决定船舶稳性的关键,故稳心的研究对船舶安全具有重要意义。
基本概念
船受外力作用(如风浪)而倾斜,当外力消失后能回复到原位置的能力叫做船舶稳性。船在正浮时和微倾后两位置的浮力作用线交点称“稳心”。稳心M与船的重心G的距离称“稳性高度”。通常稳性和稳心是指船横向倾斜的稳性和稳心。船的稳性高度大者,当倾斜小角度时恢复原位置的能力也大,所以可用稳性高度衡量船的稳性。如稳心在重心以下,稳性高度为负值,船略倾斜后不能回至原位置,称“不稳定”。当倾斜角度大时,船的复原能力还与船型和
干舷大小有关,不全取决于正浮时的稳性高度。
稳心及稳心半径
当船舶发生等体积倾斜时,船舶的浮心即水下体积的形心就要发生移动。大家知道,对应于每一倾斜位置都有相应的
浮心位置。若当船舶保持其排水量不变而发生
横倾和
纵倾时,其所有浮心位置的轨迹称为浮心曲线。
设船舶横倾dθ角(图1),水线由原来正浮的WL改变为W1L1,浮心位置从原来的C点移到C1点。从C1点作浮力作用线与船的中线相交于M点,M点称为横稳心。所以横稳心可以定义为:船正浮时的浮力作用线与船横倾一很小角度时的浮力作用线的交点。
浮心与稳心之间的距离CM称为横稳心半径,用 r 表示。
以上所述为船舶横倾时的情况。至于纵倾时的情况(图2),船倾斜后浮心由C移至C',其纵倾角为ψ,船倾斜后的浮力作用线与正浮时的浮力作用线的交点M2称为纵稳心。浮心C至纵稳心M2间的距离CM2称为纵稳心半径,用R表示。
在研究初稳性问题时,假设横稳心M点(及纵稳心M2点)的位置不变。也就是说,在小倾角的范围内浮心曲线是由半径r(或R)所画出的一段圆弧。在一定排水量情况下横稳心半径r及纵稳心半径R的数值保持不变。 · .
有了上述的假定后,就可使所得的结论简化,但在一般小角度(10°~15°)倾斜范围内,仍不失其实际应用的可能性,而且能够简单的解决许多有关初稳性的实际问题。
稳心高度
(见图3)船舶的稳心M到基线的距离KM称为稳心高度或稳心距基线高度(height of metacenter above base line)。易见,在小倾角情况下稳心高度KM与浮心高度KB及稳心半径间存在下列关系,
稳心高度的求取
若船舶正浮,则KB和B0M均只与排水量有关,所以KM仅与排水量有关。以平均吃水为引数在静水力参数表上可查得KM值。
对于一般货船,KM在吃水较小时数值较大;其后随吃水的增加而迅速减小,这是因为排水体积的增加速度远大于水线面面积惯矩的增加速度;当船舶吃水在半载吃水附近时KM减小比较缓慢,这是因为排水体积瞬口水线面面积惯矩厶的增加速度相近;当船舶吃水在半载吃水后进一步增加时KM则有所增加,这是因为排水体积的增加速度略小于水线面面积惯矩的增加速度。在进行比较粗略的计算时,可认为KM在半载吃水以后取固定值。
对于一般的万吨级船舶来说,空船正浮时的KM可达15m,但随排水量的增加而锐减;当排水量为满载值的一半左右时,KM为10m左右;其后随排水量的进一步增加KM缓慢减小;当排水量达到满载值的3/4左右时,KM达到最低值,约为8.5m左右;其后,随排水量的增大KM略有增大,在
满载排水量时KM约为9m左右。
如果船舶不处于正浮状态,则影响KM的因素就比较多了,如船舶的
纵倾、
横倾、
水线面面积形状和大小等。
在某一排水量下,船舶发生小倾角(10°~15°以内)横倾时,KM的改变量很小而可忽略。当船舶发生较大角度(10°~15°以上)的横倾时,各相邻浮力作用线的交点已不能认为相交于同一点。相应于浮心的移动,稳心也发生移动,甚至已不在初始浮力作用线上。上述定义下的KM失去实际意义,因而必须用横稳性力臂的大小来说明船舶的稳性。