淺談船舶工程的力學(xué)問題

雷晶

摘 要：本文運用船舶工程理論的力學(xué)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(xué)中的外部影響因素，主要力學(xué)問題等方面進行分析，最后根據(jù)相關(guān)問題提出了自己的看法和見解，為推動我國船舶工程事業(yè)發(fā)展提出了一些自己的看法。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)；造船；影響因素

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

現(xiàn)在社會在飛速發(fā)展，帶動中國的各行業(yè)也飛速發(fā)展，其中就包括了船舶行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，中國在1995年的時候，一年的造船量就已經(jīng)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(mào)易組織，使得中國的船舶行業(yè)又邁出了歷史性的一步，但是船舶行業(yè)面臨的壓力也就更大了。

1 海洋船舶的外部環(huán)境因素

1.1 海風(fēng)和海浪

船舶在海洋上航行，就會受到風(fēng)浪的侵擾，但是對于海洋來說，或多或少的都會有風(fēng)和浪，風(fēng)浪級數(shù)甚至能達到12級或者以上[2]。國家根據(jù)風(fēng)量的大小、速度和破壞性程度將風(fēng)力分成了13級，0級的風(fēng)速是0到0.2m/s，基本上是感覺不到風(fēng)吹的，12級的風(fēng)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(fēng)比如說龍卷風(fēng)、臺風(fēng)等也是有的，不過就更為少見了。高于12級的風(fēng)力，就已經(jīng)造成了災(zāi)難性的毀滅，如果是發(fā)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(fēng)浪的時候，有的時候只是小風(fēng)小浪，但是有的時候甚至是颶風(fēng)大浪，如果面對的是大浪，那么對船舶的結(jié)構(gòu)、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(dāng)好的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)，才能抵擋住颶風(fēng)大浪。在船舶的設(shè)計過程，風(fēng)浪是考慮的一大因素，我們還要對相應(yīng)海域的風(fēng)浪進行長期的分析，盡可能的找出它的相應(yīng)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(jīng)過相應(yīng)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(fā)生的撞船事假已經(jīng)不止一個，最為人知應(yīng)該就要數(shù)泰坦尼克號了，它當(dāng)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(yīng)的障礙物，造成了大量的原油灑在海里，造成了很大的經(jīng)濟損失。除了撞擊對船舶造成相應(yīng)的傷害之外，海水、動植物也會對船舶造成相應(yīng)的影響。

2 船舶工程中的主要力學(xué)問題

就造船工業(yè)來說，船舶工程中所涉及的力學(xué)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(yè)的發(fā)展。因此，本部分針對船舶工程中的主要力學(xué)問題，從船舶的穩(wěn)定性、船舶的推進和阻力以及海洋氣象結(jié)構(gòu)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(xué)問題。

2.1 船舶的穩(wěn)定性

船舶的穩(wěn)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(chǎn)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(fēng)量的作用下船舶不會產(chǎn)生太大的晃動，要不然太大的晃動會使船艙內(nèi)進水。船身的晃動會造成相應(yīng)的傾斜，有可能是側(cè)傾，也有可能是縱傾。當(dāng)船舶發(fā)生側(cè)傾時，這時候整個船的重心也會發(fā)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(chǎn)生相應(yīng)的距離，用符號h來表示。想要判定此時船舶是否穩(wěn)定，需要判定船舶的穩(wěn)心和重心之間的高低和浮力與距離的乘積，如果穩(wěn)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(wěn)定的。這兩個條件有一個不能滿足，也認定是不穩(wěn)定的。對穩(wěn)定性的分析主要就是想要在造船的過程中從相應(yīng)的方面設(shè)計，比如說增加傾角或者改變結(jié)構(gòu)等，盡可能的是船舶在航海過程中足夠的穩(wěn)定。

現(xiàn)在對船舶的分類有單體船和雙體船，兩者各有自己的優(yōu)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(fēng)浪時的穩(wěn)定性是很差的。如果穩(wěn)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(jīng)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(wěn)定性。該船體的結(jié)構(gòu)分為水上平臺和水下細長體，這種結(jié)構(gòu)保證了船舶的穩(wěn)定性，即使有風(fēng)浪時，船舶的也不會有太大的晃動。現(xiàn)在，相應(yīng)的船舶專家提出了一個大膽的設(shè)想--多體船，如果該類型船的成功設(shè)計，或許對現(xiàn)在的軍艦都會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

2.2 船舶的推進和阻力分析

對于現(xiàn)在的船舶來說，除了要保證船舶的穩(wěn)定性之外，還要保證相應(yīng)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(xiàn)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(shè)計好之后，它的最大推力就已經(jīng)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(dāng)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(fù)。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(fēng)的阻力，水下阻力主要是水的阻力。

2.3 船舶與海洋結(jié)構(gòu)物在波流作用下的水動力學(xué)問題

想要保證船舶的正常穩(wěn)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(yīng)用場合，也有各自的優(yōu)缺點。

結(jié)構(gòu)物的運動。船舶在行駛過程中隨著風(fēng)浪不同，會產(chǎn)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(yīng)的分析，才能更深入的研究船舶的穩(wěn)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(xué)問題

通過前面本文的探討，文章主要介紹了船舶穩(wěn)定性的重要因素，還有一些不是特別重要的力學(xué)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(yù)防問題的發(fā)生；其三，對于不同公共，會有不同結(jié)構(gòu)的船舶設(shè)計，對該設(shè)計盡可能的優(yōu)化；其四，分析船舶在不同的情況下，有可能出現(xiàn)的所有問題；其五，優(yōu)化船舶的速度和穩(wěn)定性第六，盡可能的對船舶進行優(yōu)化設(shè)計，比如說助推器的改進、噪聲的處理等；

當(dāng)然，除了上述的力學(xué)因素以外，還有一些其余的因素，在此不做過多介紹。

4 結(jié)束語

船舶的力學(xué)問題直接關(guān)系著造船事業(yè)的發(fā)展，了解船舶力學(xué)問題是規(guī)范船舶安全生產(chǎn)，提升船舶工程質(zhì)量的重要前提。因此，本文所針對船舶工程中的力學(xué)問題進行研討，旨在為全面分析造船中涉及的主要力學(xué)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(xiàn)在中國的船舶行業(yè)已經(jīng)取得了非常大的成功，在之后的日子里，船舶行業(yè)的發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的振動[M].同濟大學(xué)出版社，1992.

[3]（英）布雷比亞（Brebbia，C·A·），（英）瓦爾克（PValker，s，S） .近海結(jié)構(gòu)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(shè)計制造及其自動化專業(yè)[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(zhì)的技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究——以機械電子工程專業(yè)為例[J].職教論壇，2012（07）.