基于Excel船舶穩性的自動化校核

楊 鵠

● （武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢 430050）

基于Excel船舶穩性的自動化校核

楊 鵠

● （武漢船舶職業技術學院，湖北 武漢 430050）

介紹了用Excel自動繪制穩性曲線和自動實現穩性校核的方法，利用Excel便捷的公式設置功能和強大的計算及繪圖功能實現了船舶穩性曲線的自動繪制和穩性的自動校核。為船舶穩性計算開辟了一條操作方便、簡單易行、成本低廉的高效途徑。

Excel；穩定性曲線；穩性校核；自動化

0 引言

目前，針對船舶穩性的計算和校核主要是應用中國船級社武漢規范所開發的軟件《船舶靜力學計算及穩性衡準系統 V4.2》（以下簡稱法則）。但一些中小型船廠和設計公司由于資金的原因無法購買或因為技術水平原因不會操作，導致穩性的計算和校核無法自行解決。本文利用常規的辦公軟件Excel，以高速船為例進行穩性曲線的自動繪制，進而實現船舶穩性的自動計算和校核。

1 船舶穩性曲線的繪制原理

圖1 靜穩性曲線計算示意圖

在排水量和重心高度一定時，靜穩性臂僅是橫傾角的函數，根據計算結果繪制成l=f(φ)曲線，稱為靜穩性曲線[1]。

2）動穩性曲線。動穩性曲線是相應靜穩性曲線的一次積分曲線，可以利用梯形法積分得到動穩性臂與橫傾角之間的函數關系ld=H(φ)，稱為動穩性曲線。

2 穩性曲線的自動繪制

以總長 13.09m的內河玻璃鋼質高速艇為例，利用Excel的計算和繪圖功能，自動繪制船舶穩性曲線。本船主要要素為：總長Loa=13.09m；水線長Lwl=12.29m；型寬B=2.42m，型深D=1.20m；吃水T=0.54m；航區為內河B級；航速V=21.6 Kn；排水量Δ=7.425t。

1）穩性力臂計算[2]。滿客出港狀態，Zg=0.926m，Δ=7.425t，1/2δθ=0.044。穩性力臂計算參數見表1。

表1 穩性力臂計算參數

2）穩性曲線的繪制。使用 Excel插入圖表功能，選擇xy散點圖標準類型。以橫傾角為x值，分別以靜穩性臂、動穩性臂為y值繪制本載核穩性曲線圖，可得靜穩性曲線、動穩性曲線以及計入橫搖角的動穩性曲線[3]，如圖2所示。

圖2 穩性曲線的計算

3）風壓功線等的繪制。繪制方法：航行于A級或B級航區的船舶，最小傾覆力矩或力臂應計入橫搖的影響，當采用動穩性曲線來確定最小傾覆力矩或力臂時，可用下列方法計算：

如圖3所示，將動穩性曲線向θ軸負值方向延伸，自原點向θ軸負值方向取等于所算得橫搖角θ1的一點，經此點向上作θ軸的垂直線與動穩性曲線交于A點，由A點作動穩性曲線中斷處的割線或作與動穩性曲線的切線，視割線或切線對應角何者為小，取其較小值。另外經過A點作一直線平行于θ軸，自A點起，在此直線上量取等于1rad（57.30°）的一段長度得B點，由B點向上作AB線的垂線，與上述割線（或切線）相交于C點，線段BC即為最小傾覆力臂。

圖3 風壓功線繪制示意圖

Excel實現方法：選擇各曲線，設置趨勢線格式，選定“顯示公式”，各曲線的函數表達式可以顯示出來，如圖4所示。作圖步驟如下：

圖4 各曲線的函數表達式

1）求A點坐標。根據法則8.2.4.1要求計算橫搖角，所得結果為13.03°（取負值），計算過程從略。將x=-13.03代入計算橫搖角的動穩性曲線函數中計算出A點的坐標為(-13.03，0.01113)。

2）57.3°線。57.3°線是通過A(-13.03，0.01113)和C(44.27，0.01113)兩點的直線。

3）進水角線。查本載況橫截曲線得進水角θj=42.5°。以進水角為橫坐標，以0和最大動穩性臂為縱坐標繪制進水角線。

4）風壓功線。風壓功線是自A點至進水角線與動穩性曲線交點之間的連線。將x=θj代入動穩性曲線函數可得進水角線與動穩性曲線的交點的坐標，而A點坐標已知，連接兩點可得風壓功線[4]。

3 穩性校核計算

1）動穩性臂校核。根據法則8.2.1.3之規定，最大復原力臂所對應的橫傾角θm或進水角θj中之小者等于或大于20°時，至最大復原力臂所對應的橫傾角θm或進水角θj或 30°中之小者的動穩性力臂值應不小于計算值A：A=0.0468 m·rad[5](計算過程略)。將θ=30°代入動穩性曲線函數得：ld=0.0545m。

2）風壓穩性衡準。根據法則8.2.1.4之規定，風壓穩性衡準數Kf應符合下式：

式中：lq為計入橫搖影響的最小傾覆力臂；lf為風壓傾側力臂。lq、lf的計算如下：

1）lq的求取。將θ=57.3o-13.03o=44.27o，代入風壓功線函數得：lq1=0.096m；將θ=-13.03o代入風壓功線函數得lq2=0.01006m，lq-lq1-lq2=0.0859m。

2）lf的求取。按法則 8.2.5.1風壓傾側力臂：lf=pAf(Zf-a0d)/(9810Δ)計算(表2)。

表2 風壓傾側力臂計算參數

4 穩性衡準結果

穩性衡準結果見表3。

表3 穩性衡準結果

5 結論

利用Excel便捷的公式編輯功能和強大的計算及繪圖能力，通過輸入船舶主要要素、載況的重心高度、形狀力臂數值等簡單數據就可以實現穩性曲線的自動繪制和穩性校核的自動完成，可以大大提高工作效率和準確性。

[1] 范育軍. Excel在散糧船穩性衡準計算中的應用[J].南通航運職業技術學院學報, 2004(4): 27-30.

[2] 朱濱. 利用 EXCELL自行編制調水尺程式[J]. 航海技術, 2004(1): 25-27.

[3] 王鳳琴, 王立斌. 利用 excel2000制作地下水位高程曲線圖[J]. 水利天地, 2003(3): 44.

[4] 梁昌俊. Excel在土中附加應力計算中的應用[J]. 重慶工業高等專科學校學報, 2004(6): 26-29.

[5] 陳亞飛. EXCEL在貨物積載與系固評估中的應用[J].航海教育研究, 2008(2): 59-61.

Automatic Check of Ship Stability Based on Excel

YANG Hu
(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

The methods of automatic drawing stability curve and realization of the automatic stability checking by Excel are introduced. Automatic drawing of ship stability curve and automatic checking stability are achieved by using convenient formula set and powerful calculation and drawing functions Excel. An efficient approach of convenient operation, which is simple and low cost,is developed for ship stability calculation.

Excel; stability curve; stability checking; automation

U665.13

A

楊鵠（1978-），男，碩士，主要研究方向：計算機輔助船舶設計。