浅谈船舶工程的力学问题

现在社会在飞速发展，带动中国的各行业也飞速发展，其中就包括了船舶行业。据统计，中国在1995年的时候，一年的造船量就已经名列世界第三，较过去来说有了很大的进步[1]。从1995之后，中国的造船量一直名列前茅。在2001年11月，中国加入世界贸易组织，使得中国的船舶行业又迈出了历史性的一步，但是船舶行业面临的压力也就更大了。

1 海洋船舶的外部环境因素

1.1 海风和海浪

船舶在海洋上航行，就会受到风浪的侵扰，但是对于海洋来说，或多或少的都会有风和浪，风浪级数甚至能达到12级或者以上[2]。国家根据风量的大小、速度和破坏性程度将风力分成了13级，0级的风速是0到0.2m/s，基本上是感觉不到风吹的，12级的风速范围是32.7到36.9m/s，它的危害程度是很大的，基本上在陆地上是看不见的，偶见于海上。再高级的风比如说龙卷风、台风等也是有的，不过就更为少见了。高于12级的风力，就已经造成了灾难性的毁灭，如果是发生在海上的，它会将船舶打翻，即使船舶的重量高达上千吨或以上。船舶在海上行驶，难免会遇到有风浪的时候，有的时候只是小风小浪，但是有的时候甚至是飓风大浪，如果面对的是大浪，那么对船舶的结构、布置等伤害是不可避免的。这种情况下，就要求船舶一定要有相当好的质量和结构，才能抵挡住飓风大浪。在船舶的设计过程，风浪是考虑的一大因素，我们还要对相应海域的风浪进行长期的分析，尽可能的找出它的相应变化。

1.2 深水压力

在水中，存在一定的压力，这是众所周知的，但是在深水中压力，我们可能没有接触过，对此不了解。经过相应的运算，最终得出：如果深水的深度在m，那么需要承受的压力为，600m深度的潜艇的压力是6.08MPa[3]。

1.3 同海底礁石和海冰的相对高速碰撞与冲击

古往今来，历史上发生的撞船事假已经不止一个，最为人知应该就要数泰坦尼克号了，它当时是在高速行驶过程中，撞向了冰山的一角，最后造成了大量的人员伤亡。还有在1967年的油船撞击事件，它也是在行驶过程中撞向了相应的障碍物，造成了大量的原油洒在海里，造成了很大的经济损失。除了撞击对船舶造成相应的伤害之外，海水、动植物也会对船舶造成相应的影响。

2 船舶工程中的主要力学问题

就造船工业来说，船舶工程中所涉及的力学问题，不仅对造船具有重要的影响，而且还影响着我国航运事业的发展。因此，本部分针对船舶工程中的主要力学问题，从船舶的稳定性、船舶的推进和阻力以及海洋气象结构中的气流问题进行探讨，旨在进一步理清船舶工程中的一些重要力学问题。

2.1 船舶的稳定性

船舶的稳定性首先考虑的就是，要是船舶漂浮在水面上，这就需要船舶产生一定的浮力，支撑起整个船只的重量[4]。除了保证船舶的漂浮之外，还要保证在一定风量的作用下船舶不会产生太大的晃动，要不然太大的晃动会使船舱内进水。船身的晃动会造成相应的倾斜，有可能是侧倾，也有可能是纵倾。当船舶发生侧倾时，这时候整个船的重心也会发生倾斜，偏向于倾斜的那边，此时船舶的浮力和重力之间就回产生相应的距离，用符号h来表示。想要判定此时船舶是否稳定，需要判定船舶的稳心和重心之间的高低和浮力与距离的乘积，如果稳心高，且乘积要大于此时船舶的倾斜力矩时，就能够认定此时船舶是稳定的。这两个条件有一个不能满足，也认定是不稳定的。对稳定性的分析主要就是想要在造船的过程中从相应的方面设计，比如说增加倾角或者改变结构等，尽可能的是船舶在航海过程中足够的稳定。

现在对船舶的分类有单体船和双体船，两者各有自己的优点。单体船在行驶过程中能够保证行驶的速度，但是在遇见风浪时的稳定性是很差的。如果稳定性不能够保证的话，船舶在适用上是不合理的。针对单体船的这个缺点，才提出了双船体的想法。经过多年的理论研究和实践测试，在1973年推出了第一个双体船，代号为S WATH，该船体有较好的稳定性。该船体的结构分为水上平台和水下细长体，这种结构保证了船舶的稳定性，即使有风浪时，船舶的也不会有太大的晃动。现在，相应的船舶专家提出了一个大胆的设想--多体船，如果该类型船的成功设计，或许对现在的军舰都会产生相应的影响。

2.2 船舶的推进和阻力分析

对于现在的船舶来说，除了要保证船舶的稳定性之外，还要保证相应的运行速度和控制上的灵活性。在船舶的前进过程中主要是靠的是船体的推进器的作用，推进器作用于水，水反作用于推进器[5]。现在常用的推进器是水下轴流式螺旋桨，它主要是靠柴油机进行带动的，并且使用螺旋桨的目的就是在行驶过程中对水的阻力小，运行效率高。船舶设计好之后，它的最大推力就已经是固定的了。在船舶行驶的速度加快时，对水的阻力也会增大，这样所需要的船舶推力也会增大，当速度达到一定值，船舶的推力也会达到最大值，此时的速度值成为速度极限值。但是对于船舶来说，我们一般不会使船舶行驶在速度极限值，这样对船舶的伤害是极大地，而且不可恢复。制约船舶前进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气和风的阻力，水下阻力主要是水的阻力。

文章来源：《工程力学》 网址: http://www.gclxzz.cn/qikandaodu/2020/1210/440.html