船舶运动学重要概念、简答(操纵性、耐波性)

1、首向角：船舶纵剖面与OoXo轴的交角。漂角：重心速度与GX轴正方向夹角。航速角：重心瞬时速度矢量与OoXo轴夹角。船舶操纵性是指船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态 的性能，即船舶能保持或改变其航速、航向和位置的性能。包括小舵角的航向稳定性、中舵角的航向机动性和大舵角的紧急规避性。内容如下：1. 航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡 状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。2回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。3转首性和跟从性： 表示船舶应舵转首及迅速进入新的稳

2、定运动状态的性能。4. 停船性能： 船舶对惯性停船和盗车停船的相应性能。枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。附加惯性力：作不定常运动的船舶，除本身受到与加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度，根据作用与反作用力原理，水对船体存在反作用力，这个力称为。附加质量：附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为。水动力导数：位置导数 Yv ,Nv：船体受到一个升力Yvv，船体首部和尾部长力方向一致，都都指向v的负方向，因此合力是一个较大的负值，Yv是一个较大的负值，而水动力矩由于首尾作用相抵消，其绝对值不会很大，因机翼的水动力中心在形成之前，首部作用占优，Nv是一个不

3、大的负值。加速度导数：Yv点是水动力Y相对于加速度在平衡状态下的变化率，正的加速度的船舶经受一个与加速度相反方向的水反作用力，因此Yv点是一个相当大的负值。由于船首和船尾对Z轴产生的水动力力矩方向相反，因此水动力矩导数Nv点是一个不大的数值，其符号取决于船型。旋转导数Yr ,Nr：由于船首和船尾水动力方向相反，因此水动力导数Yr的绝对值不是很大，其符号取决于船型，可正可负。由于船体回转产生的水动力矩在船首尾有相同的方向，都是阻止船舶回转的，因此水动力矩导数Nr是一个很大的负值。旋转加速度导数：由于船首和船尾存在方向相反的水动力，合力较小，Yr点是小量，其符号取决于船型；Nr点是一个大负值。舵角

4、的控制导数：正的产生负的舵力，所以Y0，而舵力使船右转，是正的，故N0.稳定性:对处于定常运动状态的物体(或系统),若受到极小的外界干扰作用,而偏离原定常运动状态,当干扰去除之后,经过一定的过渡,若物体(或系统)能回复到原定常运动状态,则称原运动状态是稳定的.物体的运动状态是否稳定既取决于物体本身的性质,而且也取决于所考察的运动状态和运动参数.直线运动稳定性:船舶受瞬时扰动后，其重心轨迹终将恢复为一直线，但航向发生了变化。方向稳定性:船舶受扰并在扰动消除后，其重心轨迹最终将恢复为与原来航线相平行的另一直线。位置稳定性:船舶受扰后，其重心运动轨迹将恢复为原航线的延长线。稳定性分类：按是否操舵,稳

5、定性可分为固定稳定性和控制稳定性.固前者取决于船体几何形状,后者取决于整个闭合回路的特性.固定稳定性越好的船,控制稳定性也越好.对于通常的水面船舶,只有通过操舵控制才可能使之具备方向稳定性和位置稳定性. 如果不操舵,最多具备直线稳定性.航向稳定性改善措施：1、水动力导数是与船体几何形状密切相关的2、增加船长可使N r负值增加3、增加船舶中纵剖面的侧面积可使 Nr,Yv 的负值增加4、增加Nv的有效方法是：增加纵中剖面的尾部侧面积；可采用增大呆木；安装尾鳍；使船产生尾倾；削去前踵等 。任何船舶不操舵都不具有方向和位置稳定性：船舶受到外界扰动，一旦偏离了原来航向，船后浆的推力方向和船速方向都发生了

6、改变，对于具有直线稳定性的船虽然恢复原来的运动状态，但无法改变桨的推力方向而恢复原来的航向，更无法自动回到原来的航线。回转性：转舵使船舶作圆弧运动的能力。用回转直径来表示。与船舶避让避碰.靠离码头.灵活掉头有关。定常回转圈是操纵性的指标。衡量转首性和回转性的直观方法。回转圈：船舶在不同舵角条件下作圆周回转时重心的航行轨迹。定常回转直径Dc：定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹。战术直径DT：从船舶原来航线至船首转向180°时，船总中剖所在位置之间的距离。Dt= (0.91.2)D纵距L1(Ad)：从转舵开始时刻船舶重心G所在的位置,至船首转向 90°时船舶纵中剖面沿原航行方向前进

7、的距离。正横距L2(T)：从船舶初始直航线至转向90°时，船舶重心所在位置之间的距离。反横距L3(K)：从船舶初始的直线航线至回转轨迹反方向最大偏离处的距离。K = (00.1)D进程：纵距L1减去定常回转半径 R。转舵阶段：指从开始转舵至规定角度为止；船体惯性很大舵力很小，转舵阶段中漂角和回转角速度都很小，舵力起主要作用，几乎按原航向航行。过渡阶段：转舵结束到进入定常回转运动为止。加速度、角加速度 、V、r都不为零，随时间变化，唯有舵角保持常数。定常回转阶段，作用在船上诸力矩达到平衡，航向以一定角速度回转，重心轨迹成圆形。回转运动的耦合特性：船舶在水平面内作回转运动时会同时产生横摇

8、、纵摇、升沉等运动,以及由于回转过程中阻力增加引起的速降。其中以回转横倾与速降最为明显。回转横倾：在回转过程中，船体承受侧向力其作用点高度各不相同，于是产生了对Ox轴的倾侧力矩过渡阶段横倾角随时间变化而振动，最大横倾角出现在过渡阶段。回转直径越小，回转漂角越大，回转速降越大。转首性指数P,它表征操舵后船舶行驶一倍船长,单位舵角引起的首向角改变量. P=K/2T。P越大，转首性越好。指数K、T的物理意义：K表示了回转性（越大越好）,T表示了应舵性和航向稳定性（越小越好）。（1）力学意义：参数T是惯性力矩与阻尼力矩之比，T值越大，表示船舶惯性大而阻尼力矩小。参数K是舵产生的回转力矩与阻尼力矩之比，

9、K值越大，表示舵产生的回转力矩大而阻尼力矩小。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T尽量小，K尽量大。（2）运动学意义：K表示船舶受单位持续舵角作用下产生的最终回转角速度，T表示船舶的稳定性，其大小决定了船舶达到定常回转角速度的时间。 K、T的变化：舵角增加， K、T同时减小；吃水增加：，K、T同时增大；尾倾增加， K、T同时减小；水深变浅：，K、T同时减小；船型越肥大，K、T同时增大。舵效：操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，取得转向角大小的性能。船模试验：自航模；约束模操纵性试验：回转试验、螺线及逆螺线试验、回舵试验、Z形试验、变首向试验

10、、频率响应试验、以及关于启动、停车、倒退等专门试验。舵效指数P影响因素：1、舵角越大舵力越大舵效越好。2、排水量越大，P值越小，舵效越差。3、首倾比尾倾舵效差，横倾时向低弦转向比向高弦转向舵效差。4、转舵越快舵效越好。5、顺风顺流比顶风顶流舵效差，浅水比深水舵效差。Z形操纵试验是一种评价船舶操舵响应的试验方法，同时，可通过Z形操纵试验结果求取操纵性指数K、T。航向超越角：每次进行反向操舵后，船首向操舵相反一侧继续转动的增加值。航向超越角是从航向变化量方面对船舶转动惯性的一种度量。超越角越大，船舶转动惯性越大。一般用第一超越角和第二超越角作为衡量船舶惯性的参数。转首滞后：航向超越时间指每次进行反

11、向操舵时刻起至船首向开始向操舵一侧转动的时刻之间的时间间隔。操纵性船模试验满足条件：1自航船模与实船保持几何形状相似；2保持无因次速度、加速度参数相等；3满足傅汝德数Fn相等，但是无法满足雷诺数Rn相等。尺度作用的差异的主要原因：为了平衡船模过大的摩擦阻力，必须提高螺旋桨的负荷，以致船模尾部形成强尾流，而提高了舵的转船力矩和舵的阻尼。肥大油船的尺度作用：异常尺度现象的发生表明船模尾部的流场与实船的不同，由于船模雷诺数较低，因此由粘性引起的尾部涡流情况不同，这是引起异常现象的主要原因。若采用15m左右的大船模进行自由自肮试验，就很少发生此类异常现象。船舶配备引航卡、驾驶台操纵性图及船舶操纵手册三

12、种形式的随船资料。横摇固有周期特点：1、两艘相近的船舶，横摇角近似与固有周期的平方成反比。2、T越大，船在波浪上摇荡越缓和，使船舶 摇幅减小，又可以增加舒适性。3、提高 T途径： Ix1增大或者h减小。4、一艘船的惯性矩变化范围不大，只有减小初稳性高度。即在稳性范围内尽可能小的取h值。摇荡运动可以分解为三种角位移和三种线位移，分别称为横摇、纵摇、首摇和纵荡、横荡、垂荡。耐波性影响对舒适性的影响 对航行使用性的影响 对安全性的影响消灭曲线 为分析摇减幅运动情况,假定第i次的幅值为i,相隔半个同期的下一次横幅幅值为i+1，则相邻两次横摇幅值之差为=i-i+1，而平均横摇角为m=1/2*(i+i+1

13、)。以m为横轴，为纵轴，绘一曲线，表征贡摇角随振幅的衰减情况，称为消灭曲线。 有效波面：在吃水范围内波浪的轨圆半径随水深急剧减少，因此船舶受的表观重力不是垂直于波表面 ，而是垂直于某一深度的次波面 ，该次波面也称为有效波面， 对应的波倾角称为有效波倾角（表示波形的切线与水平线之间的夹角）摩擦阻尼：由水的粘性摩擦产生，与角速度的 平方成比例。所占比重较小，可以忽略。兴波阻尼：船体运动形成水平面波浪，消耗了本身的能量而产生，与角速度的一次方成比例。旋涡阻尼：船体弯曲部分附近形成旋涡，损失部分能量而产生，与角速度平方成比例。有义波高：将波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的1/3部分波高的平均值称

14、为有效波高。叠加原理：假定不规则波是由许多不同波长、波幅和相位随机的微幅单元规则波叠加而成。海浪的各态经历经历性校集中每一个现实的统计特性相等。 校集的统计特性等于一个现实的统计特性。海浪及海浪引起的摇荡运动都看成是具有各态历经性的随机过程。海浪谱密度函数：表征不规则波的能量在不同频率单元波上的分布情况，称为海浪谱密度函数。谱密度曲线下的面积等于随机过程的方差。不规则波的谱密度表示了不规则波内各单元波的能量分布情况，它表明了组成不规则波的哪些频率的单元波起主要作用，哪些起次要作用，清楚的表明了不规则波的内部结构，是描述海浪谱强有力的工具。海浪谱随风速和有义波高的增大而变高。风浪三要素：表观波长

15、：任意两相邻的上穿零点（波峰）在空间基线上的距离。表观波幅：相邻的波峰与波谷间的垂向距离称为表观波高，由静水面至波峰或波谷的垂向距离称为表观波幅。表观周期：任意两相邻上穿零点（波峰）在时间基线上的距离。风浪要素大小取决于：1.风速: 在水面规定高度上风的前进速度；2.风时: 即稳定状态的风在水面上吹过的持续时间；3.风区长度: 即风接近于不变的方向和速度时在开敝的水面上吹过的距离。浪级的划分是按波浪尺度而定。风浪的级别由波高大小决定，波高越大、浪级越高。风级是按风速大小而定海况是描述海面的外形，不仅反映波浪的尺度变化，同时还反映海面其他变化频率响应函数:单元波作用于船体引起的同频率的单元摇荡运

16、动幅值与规则单元波的波幅之比。谱分析法：通过对随机取样在频率区域内的谱分析，结合瑞利分布的特性，对船舶的不规则统计值进行预报。用谱分析法预报船舶在不规则波中的运动统计值。1。根据航区资料，确定估算海区的三一平均波高或风速以及波浪特征周期，选定相应的海浪谱公式。2。确定频率响应函数。3。计算遭遇频率： 4。计算运动谱密度对原点的n阶谱矩。（用遭遇频率代替自然频率）5。计算谱宽参数6。计算修正后的方差7。计算摇荡的统计值最大能量单元波：对应谱密度曲线峰点的单元波，在不规则波中含有最大的能量，称为最大能量单元波 。最大有义单元波：波长超过一定范围的波，它在整个单元波中占有很小的比例，所有波长大于最大

17、有义单元波的能量占总能量的5%主成份波：海浪谱密度等于最大能量单元波谱密度的80%区间的单元波。（3050）亚临界区:以某一航速航行的船舶，当谐摇波长小于34船长时，则定义该船舶处于亚临界区。（大于2B）临界区域:当船舶的谐摇波长位于成分波区间时，这时波浪给予船舶较多的能量、因而产生激烈的运动，称为。（3050）超临界区：谐摇波长大于最大有义波长。不规则波中的横摇：平均横摇周期接近船舶固有周期；不规则波横摇幅值变化平缓。不规则波中的纵摇：船在不规则波中的纵摇平均周期接近不规则波的平均周期；不规则波中迎浪航行时，有一最佳速度范围使纵摇较小。正态分布：风浪，船舶摇荡，风浪引起的船体应力。瑞利分布：瞬时值服从正态分布的平稳随机过程，其幅值服从瑞利分布。泊松分布：船舶砰击和甲板上浪服从泊