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[设计理论] AVS简单估算公式介绍

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发表于 2021-9-22 09:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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帆船设计中经常会提到AVS角度问题。详细的计算方法现在一般用计算机可以准确计算,但这要建立精确的三维模型后才能进行。这对于现场评估来说(比如海警临检),或者我们设计之前的预估,需要一个更加简单的估算方法。

https://www.yachtdatabase.com/en/encyclavs.jsp

What is Angle of Vanishing Stability?
The Angle of Vanishing Stability represents a fundamental measure of the boat's ability to recover quickly from the impact of a breaking wave.
The Angle of Vanishing Stability figures strongly in the certification requirements for safety regulations for offshore racing yachts and the international safety standards for production yachts.


How to calculate Angle of Vanishing Stability?
Formulas used to estimate the Angle of Vanishing Stability. The formulas are reproduced from the UK Maritime and Coastguard Agency (MCA)[1] Rules for Sailing Yachts.

formulaAVS.jpg
Angle of Vanishing Stability (AVS)


formulaSSV.jpg
Screening Stability Value (SSV)


The displaced volume depends on the weight of the displaced water, i.e. the density of the water. Seawater (1025 kg/m3) is more dense than fresh water (1000 kg/m3).

Seawater: displaced volume = Total Weight / (1025 kg/m3)


Fresh water: displaced volume = Total Weight / (1000 kg/m3)


Abrev.
Unit
Description
AVS
deg
Angle of Vanishing Stability
Beam
m
Greatest beam measured, excluding rubbing strips
BR
none
Ballast Ratio. (Keel Weight / Total Weight)
DCB
m
Draft of Canoe Body. Maximum draft at the 1/8 of the full beam from the centerline in way of the transverse section of greatest beam.
DV
m3
Displaced Volume
SSV
none
Screening Stability Value
Total Weight
kg
Total weight of the boat


Note: Many authors use - incorrectly - the hull draft (HD) as in the formula in stead of DCB. DCB is always less than HD. HD is only equal to DCB if the boat has a flat bottom, which never happens. If the hull shape is round, using the HD will introduce a 6-10% error. If the bottom has V-shape then the error may be considerable larger; dependent of the V-shape/deadrise of course.

Note: The formula is only an approximation based on the actual results of inclining tests and calculations on a number of typical sailing yachts. The calculated estimate may over/under estimate up to 10-15 degrees in certain cases. But - as Adlard Coles writes[2] - "Nevertheless it offers a good guide."


AVS
Interpretation
0
-
80
This indicates a boat suitable for calm water only.
80
-
100
This indicates a boat for inland water only.
100
-
120
This indicates a boat for offshore sailing.
120
-
140
Boats with this angle will usually be left floating upside down once capsized.
140
-
+
Boats with this angle will usually right themselves

110 degrees for near shore racers and 120 degrees for ocean racers are generally accepted standards.


Other capsize indicators
There are some better indicators of a vessel’s likelihood of capsize.
STIX: The EU developed their own stability index called STIX[3], a series of formulas which considered a wide range of factors and provides a reasonable sense of how a boat might perform in extreme conditions. Unfortunately meaningful results require a lot more information than most folks have access to for any specific design.


References
[Ref 1]: Maritime and Coastguard Agency (MCA)
[Ref 2]: K. Adlard Coles and Peter Bruce (eds.) Adlard Coles’ Heavy Weather Sailing, 6th edition, International Marine/Ragged Mountain Press; 6 edition (2008), ISBN-13: 978-0071592901
[Ref 3]: ISO 12217-2




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 楼主| 发表于 2021-9-22 09:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 begun 于 2021-9-22 10:31 编辑

下面是机翻的,个别地方我人工修正过,有些不通畅的地方可以对照前面的英文来看。蓝色字体部分是我自己加的注释。


什么是稳定消失角?
消失稳定性角度代表了船只从破浪冲击中快速恢复的能力的基本衡量标准。
消失稳定角在近海竞赛游艇安全法规的认证要求和生产游艇的国际安全标准中占有重要地位。


如何计算消失稳定角?
用于估计消失稳定角的公式。这些公式复制自英国海事和海岸警卫局 (MCA) [1] 帆船规则

formulaAVS.jpg
消失稳定角 (AVS)


formulaSSV.jpg
筛选稳定性值 (SSV)


置换体积取决于置换水的重量,水的密度。海水 (1025 kg/m3) 比淡水 (1000 kg/m3) 密度大。

海水:置换体积 = 总重量 / (1025 kg/m 3 )
淡水:置换体积 = 总重量 / (1000 kg/m 3 )
(注:简单估算无需考虑海水密度更大的情况)

缩写。
单元
描述
AVS
度数
消失稳定角
Beam
测量的最大船宽,不包括摩擦条
BR
没有任何
压载比。(龙骨重量/总重量)
(注:巡航船通常是30%)
DCB
单体船的吃水。从最大梁横断面中心线处的全梁的 1/8 处的最大吃水。
(注:这段翻译非常难以理解,我看英文原文也非常不通畅,我理解的意思是在船体最宽处,到船底为1/8船宽处的吃水。显然平底船的平底通常比船宽1/8更大,所以平底船中DCB就等于船壳吃水(Hull Drift)。而对于尖底船来说,DCB肯定是比HD小一些)
DV
米3
置换体积
SSV
没有任何
筛选稳定值
总重量
公斤
船的总重量


注意:许多作者错误地使用公式中的船壳吃水 (HD) 代替 DCB。DCB 总是小于 HD。如果船底是平的,那么 HD 仅等于 DCB,而这种情况永远不会发生。如果船体形状为圆形,使用 HD 将引入 6-10% 的误差。如果底部是V字形,那么误差可能会大很多;当然取决于 V 形/死角。
(注:其实没多少误差,或者你直接弄个固定的10%差值)

注:该公式只是根据多艘典型帆船的倾斜试验和计算的实际结果的近似值。在某些情况下,计算出的估计值可能高出/低出 10-15 度。但是 - 正如 Adlard Coles 所写[2] - “尽管如此,它还是提供了一个很好的指南。”


AVS
解释
0
——
80
这表示只适用于平静水域的船。
80
——
100
这表示仅适用于内陆水域的船。
100
——
120
这表示用于海上航行的船。
120
——
140
一旦倾覆,具有这个角度的船只通常会倒置漂浮。
140
——
+
有这个角度的船通常会自行调整

近岸赛手的 110 度和远洋赛手的 120 度是普遍接受的标准。
(注:游艇设计规范中的计算公式显示较小的船要求较大的AVS角度,而较大的船允许较小的角度)

其他倾覆指标
有一些更好的指标可以表明船舶倾覆的可能性。
STIX:欧盟制定了自己的稳定性指数,称为 STIX [3],这是一系列公式,考虑了广泛的因素,并为船只在极端条件下的表现提供了合理的认识。不幸的是,有意义的结果需要比大多数人获得的任何特定设计更多的信息。


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 楼主| 发表于 2021-9-22 10:30 | 显示全部楼层
本帖最后由 begun 于 2021-9-22 11:41 编辑

公式的意义:
从数据可以判明:
船体相对越宽,AVS角度越小。船体吃水越深,AVS角度越大。压载比越大,AVS角度越大。

我们来估算一艘8m帆船的AVS,船壳吃水是0.4m(平底船),船宽3.2m,排水量3400kg, 压载比0.3


干脆做了个excel计算公式自动计算
image.png
可见这个公式的基础数据就4个,除此之外它啥都不考虑了。

当然这个计算结果是错的。实际这船AVS大概有165度。

这个公式没考虑过重心位置的情况。显然,这个公式是给那些没凸出龙骨压载的船来算的(压载在船体之内)。我们把压载移动到船体之下就可以获得比这个公式估算出来的大得多的AVS角度。同时这个公式也没考虑过型深和船壳甲板上构造的形状(其实这个形状对超过90度后有致命性影响),它可能考虑的是个宽高比较大(扁平的)的平甲板船。

我们用个简单的逻辑指明其中的错误:假设船体是个圆筒,两端封闭,压载固定于船底,显然,不需要任何计算就可以得知此船AVS必须是180度。而用这个公式算这样的船,可以得到不同的各种数据。

总的来说这个公式仅有有限估测能力。它可能基于大多数帆船的一个统计数据,而非正确的精确计算。

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