復原性

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浮力(B)、浮力中心(CB)、重心(CG)、重量(W)の安定および不安定なダイナミクスを説明する復原性の図

復原性は、船舶が無傷であるか損傷しているかにかかわらず、静水中と波の両方で海上でどのように振る舞うかを扱う造船と船の設計領域です。安定性の計算は、重力中心、浮力の中心、血管のメタセンター、およびこれらがどのように相互作用するかに焦点を当てています。

歴史

ニューカッスル大学の曳航タンクテストされているモデルヨット

船舶の復原性は、造船に関係するため、何百年もの間考慮されてきました。歴史的に、復原性の計算は経験則の計算に依存しており、多くの場合、特定の測定システムに関連付けられていました。これらの非常に古い方程式のいくつかは、今日でも造船の本で使用され続けています。ただし、安定性を決定する微積分ベースの方法の出現、特に1740年代の船型曳航船におけるメタセンターの概念のピエールブーゲの導入により、はるかに複雑な分析が可能になります。

過去のマスター造船所は、適応型およびバリアント設計のシステムを使用していました。多くの場合、船はわずかな変更を加えるだけで世代から世代へとコピーされました。安定した設計を複製することにより、通常、深刻な問題は回避されました。今日の船は今でもこの適応と変化のプロセスを使用しています。ただし、計算流体力学、船体モデルのテスト、および流体と船体運動の全体的な理解により、はるかに多くの分析設計が可能になりました。

横方向および縦方向の防水隔壁は、1860年から1880年代にかけて鉄壁の設計で導入され、衝突防止隔壁は1860年以前に 英国の蒸気商船で義務付けられていましたその全長。横隔壁は高価ですが、損傷を受けていない区画から分離した破損した区画に洪水を制限することにより、船体が損傷した場合に船が生き残る可能性を高めます。縦隔壁にも同様の目的がありますが、過度のヒーリングを排除するために、損傷した安定性の影響を考慮に入れる必要があります今日、ほとんどの船には、左舷と右舷のセクション(クロスフラッディング)の水を均等化する手段があります。これは、構造的なストレスや船のかかとやトリムの変化を制限するのに役立ちます。

アドオン安定性システム

アドオンの安定性システムは、波や突風の影響を減らすように設計されています。それらは穏やかな海での船舶の安定性を高めません。国際海事機関喫水線に関する国際条約は、安定性を確保する方法としてアクティブな安定性システムを挙げていません。船体は、アクティブなシステムがなくても安定している必要があります。

パッシブシステム

ビルジキール

ビルジキール

ビルジキールは、ビルジの曲がり角で船の長さに沿って溶接された、長い、多くの場合V字型の金属フィンです。ビルジキールはペアで使用されます(船の両側に1つずつ)。まれに、船の片側に複数のビルジキールがある場合があります。ビルジキールは、船が転がるときに流体力学的抵抗を増加させ、転がる量を制限します。

アウトリガー

浮力のあるフロートを沈めるのに必要な力または流体力学的フォイルのいずれかによって、転がりを減らすためにアウトリガーを船舶に使用することができます。場合によっては、これらのアウトリガーは、船舶をトリマランとして分類するのに十分なサイズです。他の船舶では、それらは単にスタビライザーと呼ばれることがあります。

アンチローリングタンク

アンチローリングタンクは、タンクの左舷側から右舷側への水の移動速度を遅くするためのバッフルが取り付けられた内部タンクです。船体の高い側に大量の水が溜まるように設計されています。これは、自由表面効果とは逆の効果を持つことを目的としています

機雷掃討器

機雷掃討器は、漁船などの動きの遅い船で使用して、横揺れを減らすことができます。

アクティブなシステム

多くの船舶に見られるアクティブスタビリティシステムでは、ポンプ、油圧ピストン、または電動アクチュエータの形でシステムにエネルギーを適用する必要があります。それらには、容器の側面に取り付けられたスタビライザーフィン、または容器の動きに対抗するために流体がポンプで送られるタンクが含まれます。

スタビライザーフィン

アクティブフィンスタビライザーは、航行中、または最近では静止中に船舶が経験するロールを低減します。それらは喫水線の下の船体を超えて伸び、ヒール角と船の回転速度に応じて迎え角を変更し、飛行機のエルロンと同様に動作します。クルーズ船ヨットは、このタイプの安定化システムを頻繁に使用します。

フィンが格納式でない場合、フィンは船体への固定付属物を構成し、おそらくビームまたはドラフトエンベロープを延長し、追加の船体クリアランスに注意を払う必要があります。

典型的な「アクティブフィン」スタビライザーは、進行中の船舶のロールを効果的に打ち消しますが、一部の最新のアクティブフィンシステムは、船舶が航行していないときにロールを減らすことができます。ゼロスピードまたは静止時の安定化と呼ばれるこれらのシステムは、効果的なロールキャンセルエネルギーを生成するために十分な加速とインパルスタイミングで特別に設計されたフィンを動かすことによって機能します。

ラダーロールスタビライザー

船が進行中の場合、舵をすばやく変更すると、船首方位が変更されるだけでなく、船が横転します。フリゲート艦などの一部の船では、この効果が非常に大きいため、制御アルゴリズムで使用して、船の横揺れを減らしながら同時に操舵することができます。このようなシステムは通常、「ラダーロール安定化システム」と呼ばれます。"。その有効性はスタビライザーフィンと同じくらい良い場合があります。ただし、それは船の速度(高いほど良い)と、舵位置決めシステムの位置、サイズ、品質などのさまざまな船の設計面に依存します(スタビライザーフィン)また重要なのは、高品質のステアリングギアと船の船尾の強化に高いコストがかかるにもかかわらず、船が舵の動きにロールモーション(速い方が良い)と回転速度(遅い方が良い)でどれだけ速く反応するかです。 、この安定化オプションは、スタビライザーフィンよりも優れた経済性を提供します。必要な設置が少なく、脆弱性が低く、抗力が少なくなります。さらに優れた点として、必要な高品質のコンポーネントは、ロールリダクションが不要な期間でも優れたステアリング特性を提供します。水中ノイズの大幅な削減。この安定化ソリューションを備えた既知の海軍艦艇は、F124(ドイツ)、M-fregat、LCF(両方ともオランダ海軍)です。

ジャイロスコープ内部スタビライザー

船に搭載された最初の安定化ジャイロスコープ、USSヘンダーソン(AP-1)(1917年)。

ジャイロスコープは、1920年代後半から1930年代初頭にかけて、軍艦、次に客船の船の横揺れを制御するために最初に使用されました。船の横揺れを制御するための大型ジャイロの最も野心的な使用は、イタリアの客船、SSコンテディサボイアであり、3つの大型スペリージャイロが船の前部に取り付けられていました。西行きのトリップでロールを大幅に減らすことに成功したことが証明されましたが、安全上の理由から、システムは東行きの区間で切断する必要がありました。これは、次の海(およびこれが生成する深いスローロール)では、システムがオンになっていると船が「ぶら下がる」傾向があり、それが生成する慣性により、船が重いロールから立ち直るのが難しくなったためです。[2]

ジャイロスタビライザーは、回転するフライホイールと、船体構造にボートの立ち直りトルクを加えるジャイロスコープの歳差運動で構成されています。ジャイロのフライホイールの角運動量は、外部トルクの影響を受けない限り、フライホイールがその軸を中心に回転し続ける程度の尺度です。角運動量が大きいほど、外部トルクに対するジャイロの抵抗力が大きくなります(この場合、ボートのロールをキャンセルする能力が高くなります)。

ジャイロスコープには、スピン軸、入力軸、出力軸の3つの軸があります。スピン軸は、フライホイールが回転している軸であり、ボートジャイロの場合は垂直です。入力軸は、入力トルクが適用される軸です。ボートの場合、主入力軸はボートの縦軸です。これは、ボートがその周りを転がる軸であるためです。主な出力軸は、入力に反応してジャイロが回転または歳差運動する横(アスワートシップ)軸です。

ボートが転がるとき、回転はジャイロへの入力として機能し、スピン軸が回転して入力軸と整列するように、ジャイロが出力軸を中心に回転を生成します。この出力回転は歳差運動と呼ばれ、ボートの場合、ジャイロは出力軸またはジンバル軸を中心に前後に回転します。

角運動量は、ジャイロスタビライザーの有効性の尺度であり、ディーゼルエンジンの馬力定格または発電機のキロワットに類似しています。ジャイロスタビライザーの仕様では、総角運動量(慣性モーメントにスピン速度を掛けたもの)が重要な量です。最新の設計では、出力軸トルクを使用してスタビライザーフィンの角度を制御し(上記を参照)、ボートのロールを打ち消すことができるため、小さなジャイロスコープのみが必要になります。船のフィンスタビライザーをジャイロ制御するというアイデアは、1932年にゼネラルエレクトリックの科学者であるアレキサンダーソン博士によって最初に提案されました。彼は、スタビライザーフィンの電気モーターへの電流を制御するためのジャイロを提案しました。作動命令はサイラトロン真空管によって生成されます。[3]

計算された安定条件

船体が設計されると、船の無傷状態と損傷状態に対して安定性の計算が実行されます。船は通常、船級協会によってテストされているため、安定性の要件(下記)をわずかに超えるように設計されています。

無傷の安定性

船が直立し、片側にかがんだ状態での重心(G)、浮力の中心(B)、およびメタセンター(M)を示す船の復原性図。船の負荷が安定している限り、Gは固定されます。小さな角度の場合、Mは固定されていると見なすことができ、Bは船のかかととして移動します。

無傷の安定性の計算は比較的簡単で、船上の物体のすべての重心を取得し、それを計算/計算して、船の重心と船体の浮力の中心を特定します。通常、貨物の配置と積み込み、クレーンの操作、および設計海況が考慮されます。右の図は、重心が浮力の中心よりかなり上にあることを示していますが、船は安定しています。船体がかかとを始めると、船体の片側が水面から上昇し始め、反対側が水没し始めるため、船は安定しています。これにより、浮力の中心が水中の低い側に移動します。造船技師の仕事は、浮力の中心が船のかかととして重心の外側に移動することを確認することです。浮力の中心からわずかにヒールされた状態で垂直に引かれた線は、メタセンターと呼ばれる点で中心線と交差します。メタセンターが重心よりもキールより上にある限り、船は直立状態で安定しています。

ダメージ安定性(ダメージ状態での安定性)

損傷安定性の計算は、無傷の安定性よりもはるかに複雑です。数値法を利用するソフトウェアは、他の方法を使用して計算するのに面積と体積がすぐに面倒で長くなる可能性があるため、通常使用されます。

洪水による安定性の喪失は、一部には自由表面効果が原因である可能性があります。船体に溜まった水は通常ビルジに流れ込み、重心が下がり、実際にはメタセンター高さが減少します(水はGMを増加させることで底重量として追加されるため、増加と読み替えてください) 。これは、船が静止して直立していることを前提としています。ただし、船がある程度傾くと(たとえば、波が船に当たると)、ビルジ内の流体は低い側に移動します。これにより、リストが作成されます。

空のタンクが海水で満たされている場合など、洪水でも安定性が失われます。タンクの浮力が失われると、船のその部分がわずかに水中に沈みます。これにより、タンクが船舶の中心線上にない限り、リストが作成されます。

安定性の計算では、タンクがいっぱいになると、その内容物が失われ、海水に置き換わると想定されます。これらの内容物が海水よりも軽い場合(たとえば軽油)、浮力が失われ、それに応じてセクションが水中でわずかに下がります。

商船の場合、そしてますます旅客船の場合、損傷安定性の計算は確率的な性質のものです。つまり、1つのコンパートメントの故障について船を評価する代わりに、2つまたは最大3つのコンパートメントが浸水している状況も評価されます。これは、コンパートメントが損傷する可能性と船への影響が組み合わされて、特定の規制に準拠する必要のある損傷安定性指数をもたらすという概念です。

必要な安定性

ビューローベリタスアメリカ海運局ロイド船級協会、韓国船級協会、デットノルスケベリタスなどの船級協会に受け入れられるためには、船級協会による独立した審査のために船の青写真を提供する必要があります。船舶にフラグを立てる予定の国の規則に概説されている構造に従う計算も提供する必要があります。

この枠組みの中で、さまざまな国が満たさなければならない要件を確立しています。米国籍船の場合、設計図と安定性の計算は、米国連邦規則集および海上における人命の安全のための国際条約(SOLAS)に照らしてチェックされます。船舶は、損傷を受けていない状態と損傷を受けた状態の両方で、設計された状態で安定している必要があります。設計に必要な損傷の程度は、規則に含まれています。想定される穴は、船の長さと幅の割合として計算され、船の復原性に最も大きなダメージを与える可能性のある船の領域に配置されます。

さらに、米国沿岸警備隊の規則は、米国の港および米国の海域で運航する船舶に適用されます。一般に、これらの沿岸警備隊の規則は、最小のメタセンター高さまたは最小の立ち直りモーメントに関係しています。国によって最小メタセンター高さの要件が異なる可能性があるため、ほとんどの船には、貨物または乗組員の積載量に基づいてこの距離をその場で計算する安定性コンピューターが装備されています。このタスクに使用される多くの市販のコンピュータプログラムがあります。

も参照してください

参照

  1. ^ DKブラウンによる戦士からドレッドノートへ、チャタム出版(1997年6月)
  2. ^ 「波に逆らうイタリアのライナー」 ポピュラーメカニクス、1931年4月
  3. ^ 「転がりを防ぐために大きいライナーのために意図されたフィン」ポピュラーメカニクス、1932年8月