第1章船舶操纵基础理论

1、洪碧光大 连 海 事 大 学第一章第一章 船舶操纵性基础船舶操纵性基础第五节第五节 船舶操纵性指数船舶操纵性指数 1943年，英国人年，英国人Kempf在在1943年首先提出一种衡量船舶机动年首先提出一种衡量船舶机动性能的试验方法。性能的试验方法。1957年以来野本谦作和诺宾发展了一种对年以来野本谦作和诺宾发展了一种对Z形实形实验结果进行理论分析的新方法验结果进行理论分析的新方法-K、T分析法。受到了广泛的重分析法。受到了广泛的重视和应用。视和应用。 野本认为船舶的受控运动基本上是一个质量很大的物体在舵的野本认为船舶的受控运动基本上是一个质量很大的物体在舵的作用下进行的一种缓慢的转艏运动。他略

2、去了船舶回转角速度的高作用下进行的一种缓慢的转艏运动。他略去了船舶回转角速度的高阶影响，用下列数学模型来描述船舶运动：阶影响，用下列数学模型来描述船舶运动： 一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T TCNrrI式中：式中：I 为船舶回转惯性力矩系数；为船舶回转惯性力矩系数； N 为船舶回转中所受的阻尼力矩系数；为船舶回转中所受的阻尼力矩系数； C 为舵产生的回转力矩系数。为舵产生的回转力矩系数。将上式两端同乘以将上式两端同乘以1/N，得：，得： 我们设我们设T=I/N，K=C/N，代入上式，得：，代入上式，得： 即一阶船舶操纵运动方程。野本认为即一阶船舶操纵运动方程。野本认为K、T表征船舶

3、操纵性的特表征船舶操纵性的特征参数。征参数。 一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T TNCrrNIKrrT1. 指数指数K、T的物理意义的物理意义 （1）力学意义）力学意义 由由T=I/N可见：参数可见：参数T是惯性力矩与阻尼力矩之比，是惯性力矩与阻尼力矩之比，T值越大，值越大，表示船舶惯性大而阻尼力矩小；反之，表示船舶惯性大而阻尼力矩小；反之，T值越小，表示船舶惯性小而值越小，表示船舶惯性小而阻尼力矩大。阻尼力矩大。 由由K=C/N可见：参数可见：参数K是舵产生的回转力矩与阻尼力矩之比，是舵产生的回转力矩与阻尼力矩之比，K值越大，表示舵产生的回转力矩大而阻尼力矩小；反之，值越大，表示舵

4、产生的回转力矩大而阻尼力矩小；反之，K值越小，值越小，表示舵产生的回转力矩小而阻尼力矩大。表示舵产生的回转力矩小而阻尼力矩大。 为了提高船舶的操纵性，我们总希望它惯性尽可能小，而舵产为了提高船舶的操纵性，我们总希望它惯性尽可能小，而舵产生的回转力矩尽可能大，也就是希望生的回转力矩尽可能大，也就是希望T尽量小，尽量小，K尽量大。尽量大。 一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T1. 指数指数K、T的物理意义的物理意义 （2）运动学意义）运动学意义 按给定的初始条件：按给定的初始条件：t=0，r=0，可以求解上述方程式，得到，可以求解上述方程式，得到船舶转向角速度的表达式：船舶转向角速度的表

5、达式： 对于具有航向稳定性的船舶，对于具有航向稳定性的船舶，T0，T绝对值越小，随着绝对值越小，随着t的增的增大，大，e-t/T将衰减得越快。将衰减得越快。 对于不具有航向稳定性的船舶，对于不具有航向稳定性的船舶，T0，随着，随着t的增大，的增大，e-t/T将将不衰减，也就是说，船舶将继续旋转。不衰减，也就是说，船舶将继续旋转。一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T)1 (10TeKr T 的运动学意义为：是系统的时间常数，它的符号决定了运动的运动学意义为：是系统的时间常数，它的符号决定了运动的稳定性，它的大小决定了船舶达到定常旋回角速度的时间，其因的稳定性，它的大小决定了船舶达到定常

6、旋回角速度的时间，其因次为次为sec。 对于具有航向稳定性的船舶，对于具有航向稳定性的船舶，t时，时，r =K，K值越大，值越大，r越越大。大。 K 的运动学意义为：船舶受单位持续舵角作用下产生的最终旋的运动学意义为：船舶受单位持续舵角作用下产生的最终旋回角速度，其因次为回角速度，其因次为1/sec。 一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T2. 指数指数K、T的无因次化及其量值的无因次化及其量值 （1）K、T的无因次化的无因次化 目前，目前，K、T指数被广泛用来评价船舶的操纵性能。除了上述有指数被广泛用来评价船舶的操纵性能。除了上述有因次的形式以外，为了便于比较，还可以使用无因次值因次

7、的形式以外，为了便于比较，还可以使用无因次值K、T，其，其定义为：定义为： 一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T)()(LVTTVLKK2. 指数指数K、T的无因次化及其量值的无因次化及其量值 （1）K、T的无因次化的无因次化 诺宾在此基础上进一步建议用机动性参数诺宾在此基础上进一步建议用机动性参数P来衡量船舶的机动来衡量船舶的机动性，性，P定义为：定义为： 分析上述一阶操纵运动方程的解，可以看出：分析上述一阶操纵运动方程的解，可以看出：P 值实际上是在值实际上是在操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，按一阶模拟得到的航向操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，按一阶模拟得到的航向角的

8、变化值。有的资料上称角的变化值。有的资料上称 P 为为“舵效指数舵效指数” 一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T)1 (/1 TeTTKP2. 指数指数K、T的无因次化及其量值的无因次化及其量值 （1）K、T的无因次化的无因次化 对对e-1/T展开成幂级数，则可得展开成幂级数，则可得 可见，舵效指数可见，舵效指数 P 与与K、T的比值有关。的比值有关。 一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T TTKTTTKP21)1(61)1(21322. 指数指数K、T的无因次化及其量值的无因次化及其量值 （2）K、T 的量值的量值 K 、T 的值是通过的值是通过Z形实验求得的。有形实验求得的

9、。有10、15、20度等几种实度等几种实验。一般取验。一般取10度实验结果为标准。度实验结果为标准。对于一般船舶的操纵性能，对于一般船舶的操纵性能，K、T在下列范围内：在下列范围内：满载货轮（满载货轮（L=100160m）K=1.52.0 T=1.52.5满载油轮（满载油轮（L=150250m）K=1.73.0 T=3.06.0 一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T 根据根据K、T指数，船舶旋回性可分为四种模式：如图所示。指数，船舶旋回性可分为四种模式：如图所示。 二船舶操纵性与指数二船舶操纵性与指数K、T的关系的关系 T大，大，K小小T大，大，K大大T小，小，K小小T小，小，K大大

10、横距横距纵距纵距 船舶操纵性能指数船舶操纵性能指数K、T值，将随舵角、吃水、吃水差、水深与值，将随舵角、吃水、吃水差、水深与吃水之比、船体水下线型等因素的变化而变化，且其规律较为复杂，吃水之比、船体水下线型等因素的变化而变化，且其规律较为复杂，但总体来讲，有如下关系但总体来讲，有如下关系1. 舵角增加：舵角增加： K、T同时减小；同时减小；2. 吃水增加：吃水增加： K、T同时增大；同时增大；3. 尾倾增加：尾倾增加： K、T同时减小；同时减小；4. 水深变浅：水深变浅： K、T同时减小；同时减小；5. 船型越肥大：船型越肥大： K、T同时增大同时增大 三影响三影响K、T指数的因素指数的因素

11、可见，船舶的操纵性指数可见，船舶的操纵性指数K、T值是同时减小或同时增大的，即值是同时减小或同时增大的，即提高船舶旋回性的结果将使其追随性受到某种程度的降低，而追随提高船舶旋回性的结果将使其追随性受到某种程度的降低，而追随性的改善又将导致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，当舵角性的改善又将导致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，当舵角增加时，增加时，K/、T/值同时减小，但值同时减小，但T/值减小的幅度要比值减小的幅度要比K/值减小的幅值减小的幅度大，因此船舶的舵效反而变好。度大，因此船舶的舵效反而变好。 三影响三影响K、T指数的因素指数的因素 1. 旋回滞后距离旋回滞后距离Dr的估算的估算

12、 直航船从操满舵开始到航向开始直航船从操满舵开始到航向开始改变之前船舶前进的距离，称为旋回改变之前船舶前进的距离，称为旋回滞后距离，用滞后距离，用Dr表示。表示。 其值求取用下式计算：其值求取用下式计算：其中：其中：t1转舵时间转舵时间 一般将一般将T+t1/2称为旋回滞后时间。称为旋回滞后时间。 当当T增大时，增大时，Dr随之增大；随之增大；t1增大时，增大时，Dr也随之增大。也随之增大。 四四K、T指数的应用指数的应用 ACDr)2(1tTVDr2. 新航向距离新航向距离AC的估算的估算 直航船舶操舵后，航向改变量直航船舶操舵后，航向改变量为为时，转舵开始到新航向与原航时，转舵开始到新航向

13、与原航向之交点的距离称为新航向距离向之交点的距离称为新航向距离AC。 其值求取用下式计算：其值求取用下式计算：其中：其中：舵角舵角(弧度弧度) K旋回性指数，其他符号同前。旋回性指数，其他符号同前。 当当K增大时，增大时，AC随之降低。随之降低。 四四K、T指数的应用指数的应用 ACDr)212(1tgKtTVAC3. 转向惯性角转向惯性角的估算的估算 直航船舶操舵后，当达到一定的角速度直航船舶操舵后，当达到一定的角速度rc时，操正舵，船舶继续时，操正舵，船舶继续旋转的航向角，称为转向惯性角旋转的航向角，称为转向惯性角。 其值求取用下式计算：其值求取用下式计算： = rc T 可见，当可见，当

14、T增大时，增大时，随之增大。随之增大。 四四K、T指数的应用指数的应用 4. 定常旋回直径定常旋回直径D的估算的估算 其值求取用下式计算：其值求取用下式计算： 可见，当可见，当T增大时，增大时，随之增大。可见，随之增大。可见，D与与K成反比。成反比。 四四K、T指数的应用指数的应用 KVD2第六节第六节 船舶操纵性能试验知识船舶操纵性能试验知识 引引 言言 引引 言言 一、试验条件一、试验条件 一、试验条件一、试验条件 二、观测与记录二、观测与记录 二、观测与记录二、观测与记录 二、观测与记录二、观测与记录 三、三、旋回试验旋回试验(Turning Test) 三、三、旋回试验旋回试验(Tur

15、ning Test) 三、三、旋回试验旋回试验(Turning Test) 四、四、Z形操纵试验形操纵试验(Zig-zag tests) 四、四、Z形操纵试验形操纵试验(Zig-zag tests) 四、四、Z形操纵试验形操纵试验(Zig-zag tests) First Overshoot AngleZ Z形操纵试验结果形操纵试验结果Second Overshoot Angle四、四、Z形操纵试验形操纵试验(Zig-zag tests) 五、螺旋试验五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres) 五、螺旋试验五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres) 五、螺旋试验五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres)图图1 1 具有航向稳定性的船舶具有航向稳定性的船舶图图2 2 航向不稳定的船舶航向不稳定的船舶abcd五、螺旋试验五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres)图图1 1 具有航向稳定性的船舶具有航向稳定性的船舶图图2 2 航向不稳定的