淺談船舶工程的力學問題

雷晶

摘 要：本文運用船舶工程理論的力學原理就我國船舶工程情況進行了研究探討，論述中文章針對船舶工程力學中的外部影響因素，主要力學問題等方面進行分析，最后根據相關問題提出了自己的看法和見解，為推動我國船舶工程事業發展提出了一些自己的看法。

關鍵詞：工程力學；造船；影響因素

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.058

現在社會在飛速發展，帶動中國的各行業也飛速發展，其中就包括了船舶行業。據統計，中國在1995年的時候，一年的造船量就已經名列世界第三，較過去來說有了很大的進步[1]。從1995之后，中國的造船量一直名列前茅。在2001年11月，中國加入世界貿易組織，使得中國的船舶行業又邁出了歷史性的一步，但是船舶行業面臨的壓力也就更大了。

1 海洋船舶的外部環境因素

1.1 海風和海浪

船舶在海洋上航行，就會受到風浪的侵擾，但是對于海洋來說，或多或少的都會有風和浪，風浪級數甚至能達到12級或者以上[2]。國家根據風量的大小、速度和破壞性程度將風力分成了13級，0級的風速是0到0.2m/s，基本上是感覺不到風吹的，12級的風速范圍是32.7到36.9m/s，它的危害程度是很大的，基本上在陸地上是看不見的，偶見于海上。再高級的風比如說龍卷風、臺風等也是有的，不過就更為少見了。高于12級的風力，就已經造成了災難性的毀滅，如果是發生在海上的，它會將船舶打翻，即使船舶的重量高達上千噸或以上。船舶在海上行駛，難免會遇到有風浪的時候，有的時候只是小風小浪，但是有的時候甚至是颶風大浪，如果面對的是大浪，那么對船舶的結構、布置等傷害是不可避免的。這種情況下，就要求船舶一定要有相當好的質量和結構，才能抵擋住颶風大浪。在船舶的設計過程，風浪是考慮的一大因素，我們還要對相應海域的風浪進行長期的分析，盡可能的找出它的相應變化。

1.2 深水壓力

在水中，存在一定的壓力，這是眾所周知的，但是在深水中壓力，我們可能沒有接觸過，對此不了解。經過相應的運算，最終得出：如果深水的深度在10000m，那么需要承受的壓力為101.33MPa，600m深度的潛艇的壓力是6.08MPa[3]。

1.3 同海底礁石和海冰的相對高速碰撞與沖擊

古往今來，歷史上發生的撞船事假已經不止一個，最為人知應該就要數泰坦尼克號了，它當時是在高速行駛過程中，撞向了冰山的一角，最后造成了大量的人員傷亡。還有在1967年的油船撞擊事件，它也是在行駛過程中撞向了相應的障礙物，造成了大量的原油灑在海里，造成了很大的經濟損失。除了撞擊對船舶造成相應的傷害之外，海水、動植物也會對船舶造成相應的影響。

2 船舶工程中的主要力學問題

就造船工業來說，船舶工程中所涉及的力學問題，不僅對造船具有重要的影響，而且還影響著我國航運事業的發展。因此，本部分針對船舶工程中的主要力學問題，從船舶的穩定性、船舶的推進和阻力以及海洋氣象結構中的氣流問題進行探討，旨在進一步理清船舶工程中的一些重要力學問題。

2.1 船舶的穩定性

船舶的穩定性首先考慮的就是，要是船舶漂浮在水面上，這就需要船舶產生一定的浮力，支撐起整個船只的重量[4]。除了保證船舶的漂浮之外，還要保證在一定風量的作用下船舶不會產生太大的晃動，要不然太大的晃動會使船艙內進水。船身的晃動會造成相應的傾斜，有可能是側傾，也有可能是縱傾。當船舶發生側傾時，這時候整個船的重心也會發生傾斜，偏向于傾斜的那邊，此時船舶的浮力和重力之間就回產生相應的距離，用符號h來表示。想要判定此時船舶是否穩定，需要判定船舶的穩心和重心之間的高低和浮力與距離的乘積，如果穩心高，且乘積要大于此時船舶的傾斜力矩時，就能夠認定此時船舶是穩定的。這兩個條件有一個不能滿足，也認定是不穩定的。對穩定性的分析主要就是想要在造船的過程中從相應的方面設計，比如說增加傾角或者改變結構等，盡可能的是船舶在航海過程中足夠的穩定。

現在對船舶的分類有單體船和雙體船，兩者各有自己的優點。單體船在行駛過程中能夠保證行駛的速度，但是在遇見風浪時的穩定性是很差的。如果穩定性不能夠保證的話，船舶在適用上是不合理的。針對單體船的這個缺點，才提出了雙船體的想法。經過多年的理論研究和實踐測試，在1973年推出了第一個雙體船，代號為S WATH，該船體有較好的穩定性。該船體的結構分為水上平臺和水下細長體，這種結構保證了船舶的穩定性，即使有風浪時，船舶的也不會有太大的晃動。現在，相應的船舶專家提出了一個大膽的設想--多體船，如果該類型船的成功設計，或許對現在的軍艦都會產生相應的影響。

2.2 船舶的推進和阻力分析

對于現在的船舶來說，除了要保證船舶的穩定性之外，還要保證相應的運行速度和控制上的靈活性。在船舶的前進過程中主要是靠的是船體的推進器的作用，推進器作用于水，水反作用于推進器[5]。現在常用的推進器是水下軸流式螺旋槳，它主要是靠柴油機進行帶動的，并且使用螺旋槳的目的就是在行駛過程中對水的阻力小，運行效率高。船舶設計好之后，它的最大推力就已經是固定的了。在船舶行駛的速度加快時，對水的阻力也會增大，這樣所需要的船舶推力也會增大，當速度達到一定值，船舶的推力也會達到最大值，此時的速度值成為速度極限值。但是對于船舶來說，我們一般不會使船舶行駛在速度極限值，這樣對船舶的傷害是極大地，而且不可恢復。制約船舶前進的主要因素就是阻力，阻力分水上阻力和水下阻力，水上阻力主要就是大氣和風的阻力，水下阻力主要是水的阻力。

2.3 船舶與海洋結構物在波流作用下的水動力學問題

想要保證船舶的正常穩定運行，并且使其處在最佳行駛情況下，就不得不考慮水動力對船舶的影響。

波浪理論。該理論主要是考慮的是波浪對船舶的影響，它主要包括了兩種理論，正弦波理論與有限振幅波理論。這兩種理論有各自的應用場合，也有各自的優缺點。

結構物的運動。船舶在行駛過程中隨著風浪不同，會產生不同的變化，有的時候是左右搖擺，有的時候上下晃動，對這些不同的變化進行相應的分析，才能更深入的研究船舶的穩定性。

安全性。船舶的安全性包括了多種，別說耐腐蝕性、抗震動性等等。

3 船舶與海洋工程中的其他力學問題

通過前面本文的探討，文章主要介紹了船舶穩定性的重要因素，還有一些不是特別重要的力學因素也不可忽略：

其一，不同的材料在海水中有不同的性能，要考慮到材料的腐蝕性、焊接性等等；其二，行駛過程中，盡可能的預防問題的發生；其三，對于不同公共，會有不同結構的船舶設計，對該設計盡可能的優化；其四，分析船舶在不同的情況下，有可能出現的所有問題；其五，優化船舶的速度和穩定性第六，盡可能的對船舶進行優化設計，比如說助推器的改進、噪聲的處理等；

當然，除了上述的力學因素以外，還有一些其余的因素，在此不做過多介紹。

4 結束語

船舶的力學問題直接關系著造船事業的發展，了解船舶力學問題是規范船舶安全生產，提升船舶工程質量的重要前提。因此，本文所針對船舶工程中的力學問題進行研討，旨在為全面分析造船中涉及的主要力學及其影響因素進行分析，這就為下一階段造船工作中提升安全技能等方面具有著重要的作用。總之，現在中國的船舶行業已經取得了非常大的成功，在之后的日子里，船舶行業的發展肯定會越來越好，造福于國家，造福于人類。

參考文獻：

[1]胡毓仁，陳伯真.船舶及海洋工程結構疲勞可靠性分析[M].人民交通出版社，1996.

[2]（英）波列比亞等.工程結構的振動[M].同濟大學出版社，1992.

[3]（英）布雷比亞（Brebbia，C·A·），（英）瓦爾克（PValker，s，S） .近海結構動力分析[M].海洋出版社，1985.

[4]邵兵，原恩桃，郁斌強，于忠海.“卓越計劃”課程體系的改革研究——機械設計制造及其自動化專業[J].中國校外教育，2014（S3）.

[5]劉俊，李榮斌，汪燁，王廷軍.基于工程素質的技術應用型人才培養模式研究——以機械電子工程專業為例[J].職教論壇，2012（07）.