楊 鵠

● （武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

基于Excel船舶穩(wěn)性的自動(dòng)化校核

楊 鵠

● （武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

介紹了用Excel自動(dòng)繪制穩(wěn)性曲線和自動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)性校核的方法，利用Excel便捷的公式設(shè)置功能和強(qiáng)大的計(jì)算及繪圖功能實(shí)現(xiàn)了船舶穩(wěn)性曲線的自動(dòng)繪制和穩(wěn)性的自動(dòng)校核。為船舶穩(wěn)性計(jì)算開辟了一條操作方便、簡(jiǎn)單易行、成本低廉的高效途徑。

Excel；穩(wěn)定性曲線；穩(wěn)性校核；自動(dòng)化

0 引言

目前，針對(duì)船舶穩(wěn)性的計(jì)算和校核主要是應(yīng)用中國船級(jí)社武漢規(guī)范所開發(fā)的軟件《船舶靜力學(xué)計(jì)算及穩(wěn)性衡準(zhǔn)系統(tǒng) V4.2》（以下簡(jiǎn)稱法則）。但一些中小型船廠和設(shè)計(jì)公司由于資金的原因無法購買或因?yàn)榧夹g(shù)水平原因不會(huì)操作，導(dǎo)致穩(wěn)性的計(jì)算和校核無法自行解決。本文利用常規(guī)的辦公軟件Excel，以高速船為例進(jìn)行穩(wěn)性曲線的自動(dòng)繪制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶穩(wěn)性的自動(dòng)計(jì)算和校核。

1 船舶穩(wěn)性曲線的繪制原理

圖1 靜穩(wěn)性曲線計(jì)算示意圖

在排水量和重心高度一定時(shí)，靜穩(wěn)性臂僅是橫傾角的函數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制成l=f(φ)曲線，稱為靜穩(wěn)性曲線[1]。

2）動(dòng)穩(wěn)性曲線。動(dòng)穩(wěn)性曲線是相應(yīng)靜穩(wěn)性曲線的一次積分曲線，可以利用梯形法積分得到動(dòng)穩(wěn)性臂與橫傾角之間的函數(shù)關(guān)系ld=H(φ)，稱為動(dòng)穩(wěn)性曲線。

2 穩(wěn)性曲線的自動(dòng)繪制

以總長(zhǎng) 13.09m的內(nèi)河玻璃鋼質(zhì)高速艇為例，利用Excel的計(jì)算和繪圖功能，自動(dòng)繪制船舶穩(wěn)性曲線。本船主要要素為：總長(zhǎng)Loa=13.09m；水線長(zhǎng)Lwl=12.29m；型寬B=2.42m，型深D=1.20m；吃水T=0.54m；航區(qū)為內(nèi)河B級(jí)；航速V=21.6 Kn；排水量Δ=7.425t。

1）穩(wěn)性力臂計(jì)算[2]。滿客出港狀態(tài)，Zg=0.926m，Δ=7.425t，1/2δθ=0.044。穩(wěn)性力臂計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 穩(wěn)性力臂計(jì)算參數(shù)

2）穩(wěn)性曲線的繪制。使用 Excel插入圖表功能，選擇xy散點(diǎn)圖標(biāo)準(zhǔn)類型。以橫傾角為x值，分別以靜穩(wěn)性臂、動(dòng)穩(wěn)性臂為y值繪制本載核穩(wěn)性曲線圖，可得靜穩(wěn)性曲線、動(dòng)穩(wěn)性曲線以及計(jì)入橫搖角的動(dòng)穩(wěn)性曲線[3]，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)性曲線的計(jì)算

3）風(fēng)壓功線等的繪制。繪制方法：航行于A級(jí)或B級(jí)航區(qū)的船舶，最小傾覆力矩或力臂應(yīng)計(jì)入橫搖的影響，當(dāng)采用動(dòng)穩(wěn)性曲線來確定最小傾覆力矩或力臂時(shí)，可用下列方法計(jì)算：

如圖3所示，將動(dòng)穩(wěn)性曲線向θ軸負(fù)值方向延伸，自原點(diǎn)向θ軸負(fù)值方向取等于所算得橫搖角θ1的一點(diǎn)，經(jīng)此點(diǎn)向上作θ軸的垂直線與動(dòng)穩(wěn)性曲線交于A點(diǎn)，由A點(diǎn)作動(dòng)穩(wěn)性曲線中斷處的割線或作與動(dòng)穩(wěn)性曲線的切線，視割線或切線對(duì)應(yīng)角何者為小，取其較小值。另外經(jīng)過A點(diǎn)作一直線平行于θ軸，自A點(diǎn)起，在此直線上量取等于1rad（57.30°）的一段長(zhǎng)度得B點(diǎn)，由B點(diǎn)向上作AB線的垂線，與上述割線（或切線）相交于C點(diǎn)，線段BC即為最小傾覆力臂。

圖3 風(fēng)壓功線繪制示意圖

Excel實(shí)現(xiàn)方法：選擇各曲線，設(shè)置趨勢(shì)線格式，選定“顯示公式”，各曲線的函數(shù)表達(dá)式可以顯示出來，如圖4所示。作圖步驟如下：

圖4 各曲線的函數(shù)表達(dá)式

1）求A點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)法則8.2.4.1要求計(jì)算橫搖角，所得結(jié)果為13.03°（取負(fù)值），計(jì)算過程從略。將x=-13.03代入計(jì)算橫搖角的動(dòng)穩(wěn)性曲線函數(shù)中計(jì)算出A點(diǎn)的坐標(biāo)為(-13.03，0.01113)。

2）57.3°線。57.3°線是通過A(-13.03，0.01113)和C(44.27，0.01113)兩點(diǎn)的直線。

3）進(jìn)水角線。查本載況橫截曲線得進(jìn)水角θj=42.5°。以進(jìn)水角為橫坐標(biāo)，以0和最大動(dòng)穩(wěn)性臂為縱坐標(biāo)繪制進(jìn)水角線。

4）風(fēng)壓功線。風(fēng)壓功線是自A點(diǎn)至進(jìn)水角線與動(dòng)穩(wěn)性曲線交點(diǎn)之間的連線。將x=θj代入動(dòng)穩(wěn)性曲線函數(shù)可得進(jìn)水角線與動(dòng)穩(wěn)性曲線的交點(diǎn)的坐標(biāo)，而A點(diǎn)坐標(biāo)已知，連接兩點(diǎn)可得風(fēng)壓功線[4]。

3 穩(wěn)性校核計(jì)算

1）動(dòng)穩(wěn)性臂校核。根據(jù)法則8.2.1.3之規(guī)定，最大復(fù)原力臂所對(duì)應(yīng)的橫傾角θm或進(jìn)水角θj中之小者等于或大于20°時(shí)，至最大復(fù)原力臂所對(duì)應(yīng)的橫傾角θm或進(jìn)水角θj或 30°中之小者的動(dòng)穩(wěn)性力臂值應(yīng)不小于計(jì)算值A(chǔ)：A=0.0468 m·rad[5](計(jì)算過程略)。將θ=30°代入動(dòng)穩(wěn)性曲線函數(shù)得：ld=0.0545m。

2）風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)。根據(jù)法則8.2.1.4之規(guī)定，風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)Kf應(yīng)符合下式：

式中：lq為計(jì)入橫搖影響的最小傾覆力臂；lf為風(fēng)壓傾側(cè)力臂。lq、lf的計(jì)算如下：

1）lq的求取。將θ=57.3o-13.03o=44.27o，代入風(fēng)壓功線函數(shù)得：lq1=0.096m；將θ=-13.03o代入風(fēng)壓功線函數(shù)得lq2=0.01006m，lq-lq1-lq2=0.0859m。

2）lf的求取。按法則 8.2.5.1風(fēng)壓傾側(cè)力臂：lf=pAf(Zf-a0d)/(9810Δ)計(jì)算(表2)。

表2 風(fēng)壓傾側(cè)力臂計(jì)算參數(shù)

4 穩(wěn)性衡準(zhǔn)結(jié)果

穩(wěn)性衡準(zhǔn)結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)性衡準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)論

利用Excel便捷的公式編輯功能和強(qiáng)大的計(jì)算及繪圖能力，通過輸入船舶主要要素、載況的重心高度、形狀力臂數(shù)值等簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)性曲線的自動(dòng)繪制和穩(wěn)性校核的自動(dòng)完成，可以大大提高工作效率和準(zhǔn)確性。

[1] 范育軍. Excel在散糧船穩(wěn)性衡準(zhǔn)計(jì)算中的應(yīng)用[J].南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2004(4): 27-30.

[2] 朱濱. 利用 EXCELL自行編制調(diào)水尺程式[J]. 航海技術(shù), 2004(1): 25-27.

[3] 王鳳琴, 王立斌. 利用 excel2000制作地下水位高程曲線圖[J]. 水利天地, 2003(3): 44.

[4] 梁昌俊. Excel在土中附加應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 重慶工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào), 2004(6): 26-29.

[5] 陳亞飛. EXCEL在貨物積載與系固評(píng)估中的應(yīng)用[J].航海教育研究, 2008(2): 59-61.

Automatic Check of Ship Stability Based on Excel

YANG Hu
(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China)

The methods of automatic drawing stability curve and realization of the automatic stability checking by Excel are introduced. Automatic drawing of ship stability curve and automatic checking stability are achieved by using convenient formula set and powerful calculation and drawing functions Excel. An efficient approach of convenient operation, which is simple and low cost,is developed for ship stability calculation.

Excel; stability curve; stability checking; automation

U665.13

A

楊鵠（1978-），男，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)。