解析船舶工程的力学问题

王凯王韡

摘要：船舶工程涉及的力学问题比较复杂，对船舶受力情况进行综合分析、准确计算，对保证船舶安全，提高船舶使用寿命具有重要作用。本文对船舶所处的环境进行分析，探讨相关的力学问题，以供参考。

关键词：船舶工程；力学；问题；解析

近年来，我国船舶工业发展迅速，船舶制造水平已达到发达国家水平。众所周知，船舶制造涉及较多专业知识，其中做好力学问题研究是关键，应结合船舶航行环境，做好船舶不同状况下的受力分析，保证船舶制造质量及航行安全。

一、船舶所处环境分析

船舶长期航行在海洋中，所处环境多变，受力情况复杂，在探讨船舶工程力学问题之前，有必要对船舶所处环境进行探讨，以更好的开展船舶力学分析工作。

1.海风与海浪

海洋中的海风级别较高，破坏性较大，如台风、龙卷风等，风力达到12级甚至更高，巨大的海风直接作用在船上，会使船舶受到巨大侧向风力，一旦超过船舶承受能力，会将船舶吹翻。另外，海风往往伴随着巨大海浪，导致船舶颠簸，形成折应力，船底往往因无法承受折应力而折断。

2.海水的压力

船舶行驶中，所受海水浮力用于平衡船舶重力，保证船舶稳定性。船舶承受的浮力作用在底部结构，使船底承受较大压力，而且随着船舶装载货物的重量增加，船舶所受的浮力越大，海水对船舶底部结构产生的压力越大。

3.冲击与碰撞

船舶行驶到浅水海域，容易与海底礁石产生碰撞与摩擦，导致船舶局部结构承受较大冲击力与摩擦力。另外，部分船舶行驶中甚至与其他船只碰撞，导致船体结构受到严重损坏，甚至下沉。尽管船舶受到海底礁石碰撞、摩擦以及与其他船只碰撞等的发生机率较小，但也应将其纳入力学问题分析的范畴中。

二、船舶工程力学问题分析

船舶在海洋中所处环境及受力情况复杂，为保证船舶安全性与稳定，做好船舶工程力学分析尤为重要。

1.稳定性力学分析

船舶受到海水浮力漂浮在海面上，应保证稳定性，即，不能倾覆以及进水。船舶工程中做好船舶的稳定性力学分析是保证船舶安全的关键。研究发现，船舶倾覆分为纵倾与侧倾两种类型，接下来以侧倾为例，对船舶受力情况进行分析。

船舶受到海风或海浪的水平作用，形成侧向力矩，导致船舶产生一定倾角，此时船舶所受的浮力会偏移向倾倒的一侧，使得船舶重力与浮力的作用线形成一段距离，该距离被称为稳定性力臂。分析时，如稳心较重心高，浮力和稳定性力臂乘积超过倾倒力矩时，船舶不会发生倾覆，即，船舶是安全的，反之会发生倾覆。

为保证船舶安全性，船舶制造时做好稳定性力学分析尤为重要，要求技术人员做好不同倾角下船舶稳定性评估，并对船型进行优化设计，在允许的情况下，尽量增加倾角，保证船舶安全行驶。

2.推力与阻力分析

推力与阻力是衡量船舶性能的重要指标，显然船舶所受的推力越大，阻力越小，船舶的行驶速度、灵活性越好，因此，船舶工程中，对船舶推力与阻力分析，有助于配置合理的动力设备，为船体外形的优化提供依据，最大限度的降低船舶阻力。

一方面，船舶推力主要由动力设备，一般为柴油机充当，其驱动桨叶转动，形成推力，促使船舶移动。研究发现，船舶推力越大，行驶过程中受到的海水阻力越大，即，船舶的最大航速与动力设备功率相关，且达到一定速度后，动力与阻力平衡，船舶速度无法提升。另一方面，船舶阻力是影响船舶行驶速度的重要因素，船舶阻力包括海水阻力、空气阻力，其中海水阻力包括兴波阻力、摩擦阻力、旋涡分离阻力。兴波阻力主要由水的重力产生，其能量来源于船舶自身。船舶高速行驶时，产生的兴波阻力较大，约等于船舶总阻力的三分之二。摩擦阻力指船舶行驶时，与水产生相对位移而产生的阻力。摩擦阻力大小与船体表面光滑程度、水的黏性等因素相关，且高速运行时，所受摩擦阻力和船舶速度的平方成正比。旋涡分离阻力主要因推进螺旋桨尾端空化、船舶尾部涡旋和船尾分离形成的前后压力差而形成。另外，空气阻力主要指船舶行进中的水上部分，与空气发生相对位移而产生的阻力。

船舶设计中为减小阻力，对船舶的水上、水下结构进行优化，采用流线型结构。另外，当船舶高速行驶时，采取措施减小船舶在水中的部分，降低水的直接阻力，例如，水翼艇、气垫船等，在高速行进时，与水接触的部分减少，以此降低水的阻力，提高船舶行驶速度。

3.水动力学分析

船舶工程中，为保证船舶的安全行驶，还应做好水动力学分析，分析内容包括：结构物的运动、水动力与运动方程的研究、波浪理论等，其中结构物运动指在流、浪作用下，船体与浮式结构横摇、纵摇、垂振以及结构物的长周期运动情况。船舶水动力问题主要研究，在波浪等的作用下，船舶加速过程中局部、整体产生的恢复力矩、阻尼力矩、惯性力矩等，以更好的建立水弹性运动方程。波浪理论指借助斯托克斯有限振幅波以及正弦波理论，评估作用在船舶结构上的波浪力矩。研究过程中常用的方法有：实验法、计算法、分析法等，其中实验法细分为实体实验、模型实验、构件实验。计算法主要使用有限元法对船舶的运动响应、水动力等进行计算。分析法包括随机线性响应法、设计谱法、设计波法等，研究波浪中结构物的性能情况。

三、结论

力学问题是船舶工程研究的重要问题，对提高我国船舶制造水平，船舶性能，保证船舶安全性上具有重要意义，因此，我国应在总结以往船舶制造经验的基础上，做好船舶力学问题研究，不断完善相关力学理论。本文通过研究得出以下结论：

（1）船舶是重要的运输工具，其长期处在水中，受力情况复杂多变，为做好受力研究，需对船舶所处的环境进行深入分析。研究发现，风力与海浪、海水压力、冲击与碰撞等，都会给船舶造成不良影响。

（2）船舶工程力学问题较为专业，复杂程度高，应做好船舶的稳定性力学分析、推理与阻力、水动力学分析等，掌握船舶受力特点与规律，设计船舶时有针对性的进行优化，提高船舶性能，保证船舶安全性。

参考文献

[1]熊杨婷.CFD技术在船舶力学形态优化中的应用[J].舰船科学技术，2018，40（04）：31-33.

[2]雷晶.浅谈船舶工程的力学问题[J].山东工业技术，2017（15）：64+287.

[3]马娟.“船舶原理”信息化教学设计与实施——以“船舶静水力性能计算与分析”为例[J].江苏教育，2017（12）：72-73.

[4]彭如海.船舶工程中的力学问题[J].力学与实践，2003（05）：4-10.