船舶稳性影响因素分析*

张 棘

（浙江交通职业技术学院 海运学院，浙江 杭州311112）

船舶稳性是指船舶受到倾斜力矩的作用会偏离其初始的平衡位置，当倾斜力矩消除之后，船舶具有能恢复到初始平衡位置的能力，这种能力就是船舶的稳性。船舶稳性是船舶抵御外力作用，达到安全航行目的的重要保障。影响船舶稳性的因素很多，除了船体主尺度设计的自身因素外，还有货物装载和移动时产生的倾斜力矩和风浪作用在船舶上所产生的外力作用，另外，旅客集中于某一舷侧、拖船的急牵、自由液面、悬挂重物、火炮的发射以及船舶回转等因素对稳性也有不利的影响，但其中货物装载方式不当是造成船舶稳性降低的主要因素。

1 船舶稳性的概述及分类

1.1 船舶稳性的概述

其中：KB为浮心高度[1]（或以浮心垂向坐标zB表示）为初稳心半径（或称横稳心半径）；KG为重心高度（或以重心垂线坐标zG表示）。

对于船舶稳性来说，稳性高也不是越大越好。稳性高过大时，船舶的复原周期会很小，船舶横摇会比较厉害，船上的人员舒适度较差，容易引起晕船。货物也会由于晃动或移位而产生毁坏，同时由于货物的移位也会对船舶稳性有不利的影响。所以针对不同的船型，船舶的初稳性高都会有一个合理的范围值。表1是不同类型船舶的参考横稳性高。

表1 不同船型初稳性高参考表

1.2 船舶稳性按不同的研究方向分类

（1）按倾角大小分：当倾角小于10°～15°时为小倾角稳性或初稳性。当倾角大于10°～15°时成为大倾角稳性。

（2）按倾斜方向分：当船舶单纯绕纵向轴x倾斜时的稳性称为横稳性[2]。当船舶单纯绕横向轴y倾斜时的稳性称为纵稳性。

（3）按作用力矩的性质[3]分：当不计及作用力矩引发的船舶倾斜时产生的角加速度和惯性矩的稳性称为静稳性。相反，计及作用力矩引发的船舶倾斜时产生的角加速度和惯性矩的稳性称为动稳性。

（4）按船舱状态完整性分：船舱为完整状态时的稳性称为完整稳性。船舱破舱进水时的稳性称为破舱稳性。

2 船舶稳性影响因素分析

2.1 货物装载对船舶稳性分析

船舶稳性与许多因素有关，除了船舶主尺度、空船重心高度位置、甲板上浪、船舶水下线型以及船舶甲板以上受风面积大小等因素以外，船舶装载方式与船舶稳性也有紧密联系。船造好了以后，船舶主尺度就是定值了，基本不会改变了，但船舶装载却是个变量，会随船舶营运情况的不同而不同，因而导致船舶稳性也在发生变化。也可以说装载情况是否得当直接影响到船舶稳性和船舶的安全。近年来，我国发生的几起船舶翻沉重大事故除了天气恶劣和人员操作不当等原因以外，船舶装载不当导致的船舶失稳或船舶稳性不足也是造成事故的重要原因。

船舶装载不当引起船舶稳性变差主要有三种情况。第一种情况是超载。船舶超载之后，吃水加大，储备浮力变小，舱室进水角减小。第二种情况是货物装载位置偏高或在甲板上装货，同时又未做适当的压载，因而造成船舶重心提高，船舶受风面积增大。第三种情况是货物出港前未进行必要的绑扎而造成滑动或滚动，使船舶在航行过程中受外力倾斜进而又引起货物的移位，再次增大了船舶的倾斜，形成恶性循环。

2.2 装卸货实船计算初稳性比较分析

2.2.1 船舶稳性计算步骤

在船上（x，y，z）位置装载W货物，船舶稳性计算如下：（1）先假定重量为W的货物装在A（坐标xF，0，z）处，则

（2）再将重量W的货物自A（坐标xF，0，z）移至A1坐标x，y，z）处，则

船舶的横倾角φ为：

船舶的纵倾角θ为：

2.2.2 实船计算稳性比较分析

某海船参数如下：船长L＝100m，船宽B＝16.0m，艏吃水dF＝3.75m，艉吃水dA＝4.45m，平均吃水dm=4.1m，排水Δ＝3400t，横稳性高GM=0.76m，纵稳性高GML=101m，水线面面积AW=940m2，xF=-3.66m，现假设有一重量为W吨的货物，要装在重心坐标均在x＝3.5m，y＝3.5m，z＝7m的位置。

（1）通过计算比较随W的改变船舶初稳性高和横倾角的变化程度，详见表2。

从表2可以看出，当货物位置不变时，初稳性高GM随货物重量的增加呈近似线性递减的趋势。当货物横向位置y比较大时，横倾角φ随货物重量的增加呈显著增加的趋势，因此装货时应十分重视货物的位置是否得当，不应离船舶中心线过远。

表2 船舶初稳性高和横倾角随W的变化值

（2）当W（设W=100t）为固定值时，通过计算比较随横坐标y的改变，船舶横倾角的变化趋势，详见表3。

表3 横倾角随y的变化值

（3）通过计算比较当W（设W=100t）为固定值时，随货物重心垂向坐标z的改变，船舶初稳性高的改变程度，详见表4。

表4 横倾角随GM的变化值

2.3 横浪作用甲板水对船舶稳性影响分析

船舶在航行过程中会遇到风浪的作用，部分海水打到甲板上，这种现象称为甲板上浪。甲板上浪的危害是很大的，比如淹湿或毁坏甲板上的货物、损坏甲板上的设备等等。如果浪比较大，打到甲板上的速度比较快时还会引起船体的震动效应。甲板上浪根据方向不同，可以分为迎浪和横浪，迎浪甲板水可视为左右舷水量对称，所以不会对船舶横稳性产生影响。当横浪发生时，由于上浪水左右舷不对称，会对船舶横稳性产生一定的影响。

2.3.1 横浪作用甲板水重量计算

当上浪速度不大时，可假设船体一侧上浪以后上浪水为静态，应用切片理论计算上浪水的重量和重心位置。在计算甲板上浪水对船舶稳性的影响时，可以静态化处理的甲板上浪水，根据船舶少量装卸货时的稳性计算方法来计算甲板上浪水对船舶稳性的影响。

设每站距长为ΔL，第n站上浪水宽度为bn，第n+1站上浪水宽度值为bn+1，甲板上浪水平均高度为Δh，则可得出每站距甲板上浪水的总重量为:

其重心坐标为（xn，yn，zn）。

甲板总上浪水的重量W可叠加生成为：

其中：n+j为船舶的最大站号；j最小值为0，ω为海水的密度。

2.3.2 横浪作用甲板水重心位置计算

设甲板水重心坐标为（x，y，z），则根据静力学原理可知：

2.4 大货量装载对船舶稳性的影响分析

当船上装卸的货物重量超过排水量Δ的10%时，在计算船舶初稳性和浮态时就不能用前述有关公式来进行了。这是因为小货量装卸时，初稳性的计算公式推导过程中运用了很多近似假设，比如第一，船舶左右舷出水、入水等体积横倾假设。第二，浮心移动时是假设以稳心为圆心，以稳心半径为半径[4]画弧移动的。第三，在推导复原力矩时，把浮心移动曲线按直线处理，并做了直角三角形假设。而所有这些假设都是源于装卸少量的货物时，船舶横倾角很小，吃水的改变量较小，新水线与原来水线面的面积、漂心位置改变不大，可以假设两个水线面面积近似重叠。

但当装卸货物量较大，大于排水量的10%时，船舶吃水的改变量也比较大，上述所作的三个假设就都不成立了。新水线面和原水线面的面积及漂心位置都发生了较大的改变，所以再用小货量装卸时的稳性及浮态计算公式就不准确了。

因此，当装卸货量大于排水量的10%时，可以根据船舶静水力曲线图中有关资料进行计算，大体有三步：

第一步确定装载后船舶重心位置

第二步计算新的初稳性高

第三步计算横倾角

3 其他影响因素分析

3.1 自由液面对船舶稳性的影响

自由液面指的是可以自由流动的液面，船上的很多液体，如淡水舱、燃油舱、压载水舱等舱柜，如果舱柜里的液体没有装满就会形成自由液面。淡水和燃油都是易耗品，随着船舶航行的时间推移，原来装满的淡水舱和燃油舱在消耗一段时间后就会形成自由液面。自由液面会随着船舶的倾斜而流动，最终液面保持与水面平行。液体的流动会使液体形状发生改变，液体的重心移向船舶倾斜的一侧，从而产生与复原力矩反向的倾斜力矩，其最终结果就是降低船舶的稳性。

自由液面的存在降低了船舶的初稳性。如果自由液面的面积很大，也可能使船失掉初稳性。为了减小自由液面对初稳性的不利影响，最有效的办法是在船内设置纵向舱壁。虽然设置纵向舱壁是减小自由液面非常有效的办法，但纵向舱壁设置不当也会给船舶性能带来不利影响。比如纵向舱壁设置过多会加大船舶重量、带来作业操作的不便、船体内有效空间利用率低等问题。

3.2 悬挂重物对船舶稳性的影响

船舶的悬挂重物包括悬挂未固定的救生艇、用吊杆起货，以及未加固定的悬挂重量等。在船舶发生倾斜时，它们对稳性均会产生不利影响，因此船舶在航行过程中要尽量收回吊杆以及吊杆上的悬挂物，减少悬挂重物对船舶稳性的影响。

3.3 船宽对船舶稳性的影响

在船舶主尺度中，船宽是影响船舶稳性的量值之一，从稳性要求看，船宽增大对提高船舶的稳性有显著的效果[5]。船宽增大以后，横稳心半径BM增大，而船舶重心垂向位置到基线的距离KG没改变的情况下，横稳心高GM就增加。由于船宽对船舶稳性的影响相对较大，所以在造船规范中会有航海界根据经验，并以横摇周期不小于9s为限所提出的初稳性高与船宽的比值GM/B值参考数据，具体如表5。

表5 GM/B值参考数据

4 结论

船舶稳性影响因素很多，但其中船舶装载不当引起的船舶稳性不足或失稳现象带来的危险性是很大的，多次事故分析表明，船舶从发生险情到沉没时间间距很小，可能只有短短几分钟的时间，船上人员来不及自救，船上救生设备来不及启用船就沉没了。因此船舶的装载与稳性，特别是中小型船舶，因其抗沉性较小，更应该引起重视。建议在船舶的运营过程中应注意以下几点：

（1）严格按船舶检验证书上核定的参考载重量或核定乘客定额进行装货或载客，以确保船舶有足够的储备浮力、稳性和抗沉性。

（2）对易滑动的货物在开航前要进行牢固的绑扎，防止船舶航行过程中因货物滑动或移位造成船舶倾斜，对船舶稳性和浮态产生不利的影响。

（3）装载货物时应注意尽量降低船舶重心的高度，或适当压载。同时，货物不要过远地离开船舶中心线位置，以避免产生过大的倾斜力矩，要确保船舶稳性能达到规范要求。