二、结果分析

二、结果分析

1. 计算结果

(1)按照国内法规校核

国内法规校核结果中,初稳性高、横摇角为30°或进水角(取其小者)处的复原力臂、最大复原力臂所对应的横倾角、复原力臂曲线的消失角均符合法规要求。而稳性衡准数K值计算结果中,只有5级风和6级风条件下,任意张帆高度和角度都是满足K值大于1的。风级越大,张帆高度越高,角度越小,K值就越小。

图6-12为八级风时的K值计算结果,横坐标代表帆面与船体中线面夹角,纵坐标为K值。可以看出,较大风级时不能满帆航行。

图6-12 八级风K值

(2)按照国外法规校核

① 按照英国Lloyd帆船稳性规范

郑和宝船在横倾角90°或以上,帆船的复原力臂在满载工况时大于0,空载工况小于0。郑和宝船的DWHL曲线,如图6-13所示。

图6-13 DWHL曲线

图中,DWHL曲线与GZ曲线的交点处对应的横倾角θd在满载和空载时分别为10.84°和13.52°,均不符合规定中的大于15°的要求。

表6-4 按Lloyd规范校核结果

② 按照GL(Germanischer Lloyd)帆船稳性规则

满载时,0°—22.2°(入水角)间的复原力臂曲线下的面积为1.75,对应角度下的风倾力矩曲线下的面积(按10级风风压下)为0.14;空载时,0°—30.4°(入水角)间的复原力臂曲线下的面积为3.2,对应角度下的风倾力矩曲线下的面积(按10级风风压下)为0.23。均满足0°—θf(入水角)间的复原力臂曲线下的面积应不小于1.4倍的对应角度下的风倾力矩曲线下的面积的要求。但空载时稳性消失角为82.25°,小于90°,故郑和宝船并不完全满足GL帆船稳性规则。

表6-5 按GL规范校核结果

2. 结果分析

(1)复原力臂曲线特征

图6-14所示为满载和空载时的复原力臂曲线。一般复原力臂曲线的特征包括:曲线在原点的斜率;最大复原力臂对应的横倾角;稳性范围和稳性消失角;稳性力臂曲线下包含的面积。

这些特征对判断船舶稳性有着重要意义,也是各个法规校核的重点。

① 曲线在原点的斜率

复原力臂曲线在原点处的斜率代表该排水量下的初稳性高GM0。GM0的值与船宽的关系最为密切。郑和宝船的船宽大,故初稳性高也大,这代表小角度横摇时能很快地使船体回复到平衡位置。

图6-14 复原力臂曲线

② 最大复原力臂对应的横倾角

最大复原力臂对应的横倾角是衡量大倾角稳性的重要指标。郑和宝船除了船宽大,还有干舷大、排水量大的特点,造成出现最大复原力臂出现的角度较一般现代船舶大,表示其能承受极大的横倾角,在海上有很好的安全性。

③ 稳性范围和稳性消失角

稳性范围和稳性消失角也为显示船舶稳性好坏的指标,因为当船舶的横倾角超过稳性消失角后,复原力臂为负值,此时外力会促使船舶继续倾斜直至倾覆。稳性消失角与中剖面系数CM、棱形系数CP有关,即与水下船体的形状有关。郑和宝船的棱形系数小,且宽深比大,所以稳性消失角大。

④ 稳性力臂曲线下包含的面积

由力学知识可知,稳性力臂曲线下包含的面积即为复原力臂乘以角度所做的功,到某一角度下的面积即是对应角度的动稳性力臂。面积越大则稳性越好。该面积与船宽、排水量、吃水和干舷有关,郑和宝船吃水深,但船宽大、排水量大、干舷大,使最大复原力臂出现较早,曲线下面积大,稳性很好。

(2)稳性衡准数K值

按照国内《海船法定检验技术规则》校核,郑和宝船在七级及以上级风条件下,就出现稳性衡准数小于1、不符合规范的状况,而实际操作中,在大风浪时应根据当时具体情况降帆并调整角度,这就需要先进的航海技术。由于其尺度特殊性,以及较大的帆面积和高度,郑和宝船需要大量的压载。在今天看来,这减小了船舶的经济性,但据考证古船有用重木等材料替代沙石,这就极大地提高了船上空间的利用率。从稳性方面考虑,郑和宝船具有足够的能保存其稳性的压载空间,并利用有多余的压载空间能在不同的载况下调整浮态。

同时,从计算结果中的K值看来,帆船张帆的角度、高度与稳性有很大关系,所受风力的大小及作用点也影响行驶速度和方向,这就需要船舶的操纵者有足够的经验来根据不同的载况调整帆的状态。此外,帆高对K值的影响比张帆角度对K值的影响大,这是因为角度影响受风面积,帆高不仅影响面积还影响受风面积作用点高度从而影响了计算风压。以十级风时的计算结果为例,可以直观地看出,如图6-15所示,其中,图(1)中横坐标为张帆角度,图(2)中横坐标为张帆高度比。

图6-15 十级风K值

(3)国外规范不满足的参数

国外规范校核中,有部分项不满足,问题集中在稳性消失角在空载时略小于90°、最大复原力臂出现角度比较小上。但这个角度仍比现代客船和货船等船型的稳性消失角大。出现这个结果是因为现代帆船稳性要求极高,可能有水下形状瘦削、排水量相对很小的缘故。因此,针对现代帆船的校核规范并不完全适用与中国古代帆船。