長榮大學科技工程管理學系吳俊概博士

船舶的理論 ─ 橫向穩度、縱向強度、阻力 長榮大學科技工程管理學系吳俊概博士

1.橫向穩度 • 穩度 • 用以衡量船舶傾斜後恢復平正之能力 • 穩度直接影響船舶的航行安全，設計時需慎重評估。 • 船能保持平衡需具備的三要件 1.總重量等於總浮力 2.重心與浮心落在同一條垂直線上 3.重心需低於定傾中心 <船舶概要>

三個必須知道的中心 • 重心(center of gravity) G：重量的中心 • 浮心(center of buoyancy) B：浮力的中心 • 定傾中心(metacenter) M：船舶傾斜後，浮力作用的方向與正浮時GB直線的交叉點 <船舶概要>

依定傾中心與重心的對應位置，船舶有三種平衡狀態依定傾中心與重心的對應位置，船舶有三種平衡狀態 1.穩定平衡(stable equilibrium)：定傾中心在上 2.不穩定平衡(unstable equlibrium)：定傾中心在下 3.隨遇平衡(neutral equilibrium)：兩中心重疊穩定平衡 <船舶概要>

一般水面船不至有隨遇平衡情況，但均質的圓球形浮體即為隨遇平衡。一般水面船不至有隨遇平衡情況，但均質的圓球形浮體即為隨遇平衡。 • 潛水艇之穩度變化 • 潛艇下潛時，重心因船艙注入海水而逐漸下移，浮心則因排水體積增加而逐漸上移。 • 在浮心與重心重合的的瞬間，即成隨遇平衡。 • 好在該瞬間為時很短，且有其他設備輔助，故不致發生危險。 <船舶概要>

靜力穩度(statical stability) • 船體傾斜後，其所獲扶正力矩的大小，稱之為靜力穩度或靜穩度。 • 扶正力臂(righting arm)：GZ長度的大小 • 扶正力矩(righting moment)：浮力 × GZ長度 • 穩度的提高，經常是設計較寬的船身。 <船舶概要>

傾斜試驗(inclining experiment) • 新船造好後，為驗證重心及定傾中心位置之計算結果，需施行傾斜試驗。 • 係利用船上重量之左右移動，使船體發生傾斜，以測定其定傾高度, 即GM長度。關係式：重物重量 × d × cosθ = 浮力 × GM × sinθ <船舶概要>

穩度大小的選擇 • 穩度大的船，橫搖的週期小，船體的搖動較劇烈，有如喝醉酒的船，搭乘起來較不舒服。故一般均在安全許可的範圍內，盡可能地降低穩度。 • 穩度小的船，橫搖的週期大，搭乘起來雖較舒服，但翻船的風險也較大。 <船舶概要>

一般設計的橫搖週期 • 客船16至24秒 • 貨船15至30秒 • 船體越大，設計的橫搖週期也越大。 • 橫搖之防止，可加裝 • 1)舟必龍骨(bilge keel)、 • 2)鰭狀穩定翼(fin stabilizer)、 • 3)減搖水艙(anti-rolling tank)。 <船舶概要>

bilge keel 舟必龍骨

鰭片穩定翼 減搖水艙

2.縱向強度 • 船舶浮在水上時，因為局部的重量與浮力無法剛好抵銷，且因為長度大的關係，會有較為嚴重之縱向強度問題。 • 船體的縱向受力 • 重量分佈不均的影響 • 波浪之影響 <船舶概要>

重量分佈不均的影響 ─＞

波浪的影響 ─＞

舯垂浪中的郵輪 <船舶概要>

船越深，縱向強度越佳，抗彎能力也越佳，但穩度越差。船越深，縱向強度越佳，抗彎能力也越佳，但穩度越差。 • 縱向強度的提高，經常是設計較深的船身。 • 縱向強度常依靠龍骨、雙層船殼、抗扭箱來提供。 <船舶概要>

3.船舶阻力 • 阻力的種類 <船舶概要>

摩擦阻力(frictional drag)：因水的黏性所產生的牽制力。低阻力泳衣 <船舶概要>

形狀阻力(form drag) ：船體設計不夠流線型，而於後方發生渦流所產生的阻力。大小比例約20 : 10 : 1 <船舶概要>

興波阻力(wave-making drag)：船舶前進時，於艏艉產生規則的波浪所形成的阻力。 <船舶概要>

(艉波) (艏波) (波峰) (包絡線) (波谷)

Q&A討論時間 <船舶概要>

長榮大學科技工程管理學系吳俊概博士