02航向稳定性和回转性-邱磊讲解课件

船舶操纵性与耐波性

第2章航向稳定性和回转性邱磊qiu-lei01@163.com船舶操纵性与耐波性

第2章航向稳定性和回转性邱磊1《船舶操纵性与耐波性》课件船舶有哪些操纵方面的性能？1固有动稳性(也称直线运动稳定性)(Inherentdynamicstability,alsocalledstraightlinestability)2方向稳定性或保向性(Course-keepingability,alsocalleddirectionalstability)3初始转首性能(Initialturning/course-changingability)4偏转抑制性能(Yawcheckingability)5回转性能(Turningability)--—大舵角下6停船性能(Stoppingability)《船舶操纵性与耐波性》课件船舶有哪些操纵方面的性能？1固有动2《船舶操纵性与耐波性》课件固有动稳性(直线运动稳定性)《船舶操纵性与耐波性》课件固有动稳性(直线运动稳定性)3《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性能(保向性)《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性能(保向性)4《船舶操纵性与耐波性》课件初始转向性能与航行安全的关系《船舶操纵性与耐波性》课件初始转向性能与航行安全的关系5《船舶操纵性与耐波性》课件回转性能与航行安全的关系《船舶操纵性与耐波性》课件回转性能与航行安全的关系6《船舶操纵性与耐波性》课件停船操纵--停船性能《船舶操纵性与耐波性》课件停船操纵--停船性能7《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性1.航向稳定性2.船舶回转性3.回转运动的耦合特性《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性1.8《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性稳定性的概念：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；当干扰去除后，经过一定的过渡过程，看是否具有回复到原定常运动状态的能力。若能回复，则称原运动状态是稳定的。(a)直线运动稳定性(b)方向稳定性(c)位置稳定性《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性稳定9《船舶操纵性与耐波性》课件DirectionallyunstableshipsAnincreasingnumberofnewshipsaredirectionallyunstableundercertainconditionsoftrimandaredifficulttosteermanuallySteadysteeringisonlyachievedbycontinuallyapplyingsmallshortalternatinghelmactionsDespiteitsproblems,directionalinstabilitydoesallowashiptomaketightturnsButitisimportantthatthepilotormasterisfamiliarwiththeship'sbehaviourandplansanaltercoursetoallowforthis《船舶操纵性与耐波性》课件Directionallyuns10《船舶操纵性与耐波性》课件影响方向稳定性的因素(Factorsaffectingdirectionalstability)Neitherthecentreofthehydrodynamichullforce,pointA,northeneutralsteeringpoint(N0)arefixedinpositionforasinglevesselThelocationofN0dependsuponthecentripetalforcerelativetotheturningmomentrequiredforagivenrateofturnandhullformThepositionofAdependsupon压力足以的位置取决于：theflowconditionsaroundtheimmersedhullformitsforeandaftdistributionofsurfaceareaSo,themainfactorsaffectingthedirectionalstabilityare影响方向稳定性的主要因素有:Trim纵倾Hullform船型aheadspeed前进速度《船舶操纵性与耐波性》课件影响方向稳定性的因素(Factor11《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoestrimaffectthedirectionalstability?Bothheadandsterntrimincreasetheship‘smomentofinertia首倾和尾倾都增大了船舶的惯性矩SotherequiredmomentforagivenrateofturnisincreasedbytrimandthepointN0ismovedfurtherforwardMoreimportantisthatthetrimalsoalterstheforeandaftdistributionofimmersedhullsurfaceandthusthepositionofA(seenextpage)更为重要的是纵倾也改变了首尾湿表面积的分布和压力中心A的位置sterntrimheadtrim《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoestrimaff12《船舶操纵性与耐波性》课件SterntrimmovesAfurtheraftPointAiswellaftoftheN0-pointsotheshipneedsalargehelmforcetomaintaintheturntheshipwillsteadyupquicklywithmidshipshelmThus,directionalstabilityisincreasedHeadtrimmovesAfurtheraheadPointAisjustaftoftheN0-pointsoonlyasmallhelmforceisneededtomaintaintheturnbuttheshipwillbeslowtosteadyupwithmidshipshelmThus,directionalstabilityisdecreased《船舶操纵性与耐波性》课件Sterntrimmoves13《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoesthehullformaffectthedirectionalstability?ModeratelyhighCB-hullshavearelativelylargemomentofinertiaabouttheverticalaxessopointN0willtendtobefurtherforwardthanforfinerlinedshipsVeryfull-bodiedhulls:pointAtendstobeevenfurtherforwardthanN0sotheseshipsarelikelytobedirectionallyunstableatsmallrudderanglesTheswingoftheshipcandistorttheboundarylayertotheextentthatflowisdirectedtothewrongsideoftherudderandtherudderforceisreversed《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoesthehull14《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoestheship'saheadspeedaffectdirectionalstability?Increasingaship'saheadspeedforagivenrudderanglewillmovetheN0-pointfurtheraft,thusthedirectionalstabilityisdecreasedAreductioninspeedthustendstoincreaseaship'sdirectionalstabilityforagivenrudderangleButiftheshipismovingtooslowtherewillbeinsufficientflowfortheruddertobeeffectiveandtheshiphaslost“steerageway”.《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoestheship15《船舶操纵性与耐波性》课件Thedirectionalstabilitycanbeimprovedbyusingmore“deadwood”atthestern在船尾安装呆木analogoustothefeathersonanarrowordart!ExamplesofwaysofincreasingthedeadwoodSkegs尾鳍Fixedfins(submarine“stabilizers”)稳定鳍Othersternappendages其他附体Waysofimprovingdirectionalstability如何提高方向稳定性？《船舶操纵性与耐波性》课件Thedirectionals16《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性物体的运动状态是否稳定，不仅取决于物体的性质，也取决于所考察的运动状态和运动参数

1需针对某运动状态，或某一运动参数来分析其稳定性

2具有位置稳定性的船舶必具有直线稳定性和方向稳定性；具有方向稳定性的船舶必具有直线稳定性

3按是否操舵，稳定性又分为自动(固有)稳定性(取决于船体几何)和控制稳定性(取决于闭合回路)

4对于通常的水面舰船，若不操舵，不具备方向稳定性和位置稳定性，最多具有直线稳定性，也可能不具稳定性

5对稳定性概念的理解《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性物体17《船舶操纵性与耐波性》课件(2-1)小扰动方程为对稳定性作定量分析，采用“运动稳定性理论”分析方法。设船舶初始运动状态：u1=const=U,v1=r1=0.扰动后引起的扰动运动参数：由于对初始状态是小扰动，故可采用线性操纵运动方程(1-25)式来描述。因不操舵，.将式(2-1)代入式(1-25)，(1-25)《船舶操纵性与耐波性》课件(2-1)小扰动方程为对稳定性作定18《船舶操纵性与耐波性》课件其中，第一式与后两式无关.第一式可重写为：小扰动方程即可求得小扰动方程：(2-2)(2-3)第一式对应的特征方程为：《船舶操纵性与耐波性》课件其中，第一式与后两式无关.第一式可19《船舶操纵性与耐波性》课件小扰动方程特征根为：故式(2-3)的解为：总为负值，故对纵向速度扰动总具有稳定性。因此，船舶在水平面内的航向稳定性主要取决于方程(2-2)的后二式。分母为正，分子为负。(2-4)(2-5)(2-3)《船舶操纵性与耐波性》课件小扰动方程特征根为：分母为正，(220《船舶操纵性与耐波性》课件二元一阶常系数微分方程组(2-7)(2-8)(2-6)小扰动方程《船舶操纵性与耐波性》课件二元一阶常系(2-7)(2-8)(21《船舶操纵性与耐波性》课件特征方程特征根角速度扰动方程(2-7)的解为:(2-9)(2-10)速度v的小扰动方程的解为:(2-11)《船舶操纵性与耐波性》课件特征方程特征根角速度扰动方程(2-22《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析接下来我们进行航向稳定性分析其根为：于是有：可见：《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析接下来我们进行航向稳23《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析皆为负实部的必要条件是：两根将皆为实数，且必有一个正根《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析皆为负实部的必要条件24《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析皆为负实部的必要条件是：《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析皆为负实部的必要条件25《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析可见，航向稳定性条件可归结为：《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析可见，航向稳定性条件26《船舶操纵性与耐波性》课件水动力导数分析较大的负值不定符号的小量图2-3当具有横向加速度扰动时《船舶操纵性与耐波性》课件水动力导数分析较大的负值不定符号的27《船舶操纵性与耐波性》课件不定符号的小量较大的负值图2-4当具有回转加速度扰动时《船舶操纵性与耐波性》课件不定符号的小量较大的负值图2-4当28《船舶操纵性与耐波性》课件受侧向扰动速度v作用时较大的负值不很大的负值图2-5《船舶操纵性与耐波性》课件受侧向扰动速度v作用时较大的负值不29《船舶操纵性与耐波性》课件由角速度r引起的力和力矩不定符号的小量较大的负值图2-6《船舶操纵性与耐波性》课件由角速度r引起的力和力矩不定符号的30《船舶操纵性与耐波性》课件稳定性衡准数C《船舶操纵性与耐波性》课件稳定性衡准数C31《船舶操纵性与耐波性》课件稳定性衡准数C《船舶操纵性与耐波性》课件稳定性衡准数C32《船舶操纵性与耐波性》课件C>0船舶在水平面的运动具有直线稳定性；C<0不具有直线稳定性转首稳定力臂（抗干扰力臂）偏航力臂（或干扰力臂）稳定性衡准数C《船舶操纵性与耐波性》课件C>0船舶在水平面的运动具有33《船舶操纵性与耐波性》课件图2-7转首稳定力臂偏航力臂《船舶操纵性与耐波性》课件图2-7转首稳定力臂偏航力臂34《船舶操纵性与耐波性》课件影响航向稳定性的因素(1)为改善其航向稳定性，应使Nr、Yv二者的负值增加，从C的表达式可见，此二者之乘积的正值就越大，显然有利于改善稳定性。(2)Nv对稳定性的影响较大。虽然Nv是个符号不定的小量，但在C表达式中是以Nv(Yr-mu1)形式出现的，而括号内的值是个大量，以便Nv值变化对C值影响较大。对一般船舶Yv、Nr皆为负值，Yr是个不定符号的数，所以只要Nv为正值，船舶就能保证航向稳定性。(3)若沿船纵向设置升力面(如鳍、舵等能产生升力的物体)，则将其加在首或尾部都能使Nr的负值增加，但若加在首部会使Nv增加负值，而加在尾部会使Nv变正，故升力面设置在尾部可使Nr负值增加的同时又使Nv值变正，故对航向稳定性的贡献比设置在首部要大。《船舶操纵性与耐波性》课件影响航向稳定性的因素(1)为改善其35《船舶操纵性与耐波性》课件与船体几何形状的关系：增加船长可使Nr负值增加，增加船舶纵中剖面的侧面积可使Nr、Yv的负值增加，增加Nv的有效方法是，增加纵中剖面尾部侧面积，可采用增大呆木，安装尾鳍，使船产生尾倾，削去前踵等，如图2-8所示。图2-8《船舶操纵性与耐波性》课件与船体几何形状的关系：增加船长可使36《船舶操纵性与耐波性》课件《船舶操纵性与耐波性》课件37《船舶操纵性与耐波性》课件《船舶操纵性与耐波性》课件38《船舶操纵性与耐波性》课件《船舶操纵性与耐波性》课件39《船舶操纵性与耐波性》课件水深变化对航向稳定性的影响图2-9由于浅水影响，可使在深水中不稳定的船，在浅水中成为稳定。在深水中稳定的船，到浅水中变得更稳定。但对某些肥大型船，存在某一危险水深，此时稳定性低于深水状态;随着水深进一步变浅，超过危险水深后，又会使稳定性好转。《船舶操纵性与耐波性》课件水深变化对航向稳定性的影响图2-940《船舶操纵性与耐波性》课件水深变化对航向稳定性的影响水深变化将影响船舶的航向稳定性。由式(2-13)可知，当Ir>Iv时，船舶具有航向稳定性。试验结果表明，对一般排水量船舶lv>0，即位置力的压力中心总位于船中前，随水深变浅，lv变化不大，而lr

的变化甚大，原因是随水深变浅，Yr增加而引起，见图2-9。图2-9《船舶操纵性与耐波性》课件水深变化对航向稳定性的影响水深变化41《船舶操纵性与耐波性》课件开始操舵时，船舶重心的瞬时位置为回转运动的起始点，称之为执行操舵点。回转圈的主要特征参数为：

1)反横距——从船舶初始的直线航线至回转运动轨迹向反方向最大偏离处的距离为S1。

2)正横距——从船舶初始直航线至船首转向90度时，船舶重心所在位置之间的距离为S2。该值越小，则回转性就越好。《船舶操纵性与耐波性》课件开始操舵时，船舶重心的瞬时位置为回42《船舶操纵性与耐波性》课件回转圈的主要特征参数为：

3)纵距——从转舵开始时刻船舶重心G点所在的位置，至船首转向90度时船舶纵中剖面，沿原航行方向计量的距离S3。一般船舶纵距约为3、4倍船长。其值越大，表示船舶对初始时刻的操舵反应越迟钝，即应舵较慢。《船舶操纵性与耐波性》课件回转圈的主要特征参数为：3)纵距43《船舶操纵性与耐波性》课件

4)战术直径——从船舶原来航线至船首转向180度时，船纵中剖面所在位置之间的距离DT。其值越小，则回转性越好。对一般普通船DT约为3—6倍船长，回转性较差者可达7－8倍船长。回转圈的主要特征参数为：《船舶操纵性与耐波性》课件4)战术直径——从船舶原来航线至44《船舶操纵性与耐波性》课件

5)定常回转直径——定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹的直径D。一般D＝0.9DT。通常采用相对回转直径D／L代表回转性优劣。通常认为回转性好的船，最小相对回转直径为3左右，回转性差的船约为10左右，大多数船在5～7的范围内。回转圈的主要特征参数为：《船舶操纵性与耐波性》课件5)定常回转直径——定常回转阶段45《船舶操纵性与耐波性》课件6）进程R‘——自执行操舵点起至回转圈中心的纵向距离；R’=S3-R；它表示船舶对舵作用的应答性，R’越小则应答性越好，通常R’/L数值约为l~2。回转圈的主要特征参数为：《船舶操纵性与耐波性》课件6）进程R‘——自执行操舵点起至回46《船舶操纵性与耐波性》课件

船舶回转过程中，在船上还存在一个横向速度分量为零的点，称为枢心点p，由图可见，枢心点前后横向速度反向。一般在初始操舵瞬时，枢心处于船体之撞击中心，约在船舶重心前1/10船长处。以后随回转过程的发展，枢心点位置向船首移动，直至定常回转状态，枢心位置稳定在重心前1/6—1/3船长处。所以，当船舶回转时，若驾驶人员站在枢心点p上，则可看到一方面船以Vp速度平移，另一方面船上前后各点以角速度r绕p点旋转。这样在操纵时可清晰地观察船舶的运动情况。所以，在条件许可时，驾驶室的位置最好设在枢心附近。《船舶操纵性与耐波性》课件船舶回转过程中，在船上还存在一个47《船舶操纵性与耐波性》课件回转圈(TurningCircle)最小回转直径是度量船舶操纵性能的一个重要参数(Theminimumturningdiameterisonemeasureofaship'smanoeuvringcharacteristics)影响最小回转直径的因素主要有(Theminimumturningdiametervarieswith,forexample):舵角、船速、船舶尺度、水深和纵倾《船舶操纵性与耐波性》课件回转圈(TurningCircl48《船舶操纵性与耐波性》课件影响最小回转直径的一些因素(Examplesoffactorseffectingtheminimumturningdiameter)速度(Speed):舵角不变，船速增大，回转圈随之增大(Withconstantrudderangle,anincreaseinspeedresultsinanincreasedturningcircle)船速很低时由于舵效降低回转圈增大Verylowspeed(thoseapproachingbaresteerageway)alsoincreasesthe

turningcirclebecauseofreducedrudder

effect船舶尺度(Vesselsize):回转直径随着船舶尺度增大而增大(Theturningdiametertendstoincreasewithvesselsize)水深(Waterdepth)：水深极浅的情况下，最小回转直径可能倍增(Minimumturningdiametermaymorethandoubleinveryshallowwater)!Smallerright-handedscrewvesselsmayshowabiasinturningatightercircletoportthantostarboard,duetothetransversethrusteffectthiseffectisoftennegligibleinlargerships《船舶操纵性与耐波性》课件影响最小回转直径的一些因素(Exa49《船舶操纵性与耐波性》课件PROPELLERFORCESLONGITUDINALTHRUSTTRANSVERSETHRUST(SIDEFORCEORPADDLEWHEELFORCE)COUPLE(TWIST)STERNWALKSTHESAMEDIRECTIONPROPELLERTURNS《船舶操纵性与耐波性》课件PROPELLERFORCESL50《船舶操纵性与耐波性》课件Visualizethelowerbladeswalkingalongthebottom.SideForce单桨(SINGLEPROPELLER)STERNWALK《船舶操纵性与耐波性》课件Visualizethelow51《船舶操纵性与耐波性》课件调距桨CONTROLLABLEPITCHPROPELLERSSTERNWALKSTOSTBDFFGDD/CG/MCMDD/CGDEVELOPSTERNWAY@0%PITCHANDWHENTWISTING

DDG51《船舶操纵性与耐波性》课件调距桨CONTROLLABLEP52《船舶操纵性与耐波性》课件Turningcircle-terminology纵距(Advance)Distancegainedtowardthedirectionoftheoriginalcourseaftertherudderisputover.正横距(Transfer)Distancegainedperpendiculartotheoriginalcourseaftertherudderisputover.反横距(Kick)Momentarymovement,atthestartofaturn,oftheship’ssterntowardthesideoppositetothedirectionoftheturn定常回转直径(FinalDiameter)Diameteroftheship’sturningcircle战术直径(TacticalDiameter)Perpendiculardistancebetweenthepathoftheshiponoriginalcourseandfinalcourseaftera180°turn《船舶操纵性与耐波性》课件Turningcircle-53《船舶操纵性与耐波性》课件枢心点(Thepivotpoint)枢心点是船舶纵中线上的一个点，操舵后船舶绕通过该点的垂轴旋转(Aship's(dynamic)pivotpointisapointinthecentreline aboutwhichtheshipturnswhentherudderisputover)它是船舶纵中线上唯一的漂角为零的点船舶在稳定地直航时，不存在枢心点枢心点仅仅是因为船舶转向而存在的!正车前进：枢心点几乎总是位于距船首1/3船长处；倒车后退：枢心点位于船尾附近(Aship'spivotpointisnearlyalwayslocatedaboutone-thirdoftheship'slengthfromherbowwhenmovingahead,andatornearhersternwhenmovingastern)船舶加速时，枢心点会向船舶运动的方向移动《船舶操纵性与耐波性》课件枢心点(Thepivotpoi54《船舶操纵性与耐波性》课件枢心点(PIVOTPOINT)HEADWAY,STEADYCOURSE&SPEEDAHEADBELLFROMDIW...LONGSTEERINGLEVERFROMPROPS/RUDDERSASTERNBELLFROMDIW...NOEFFECTIVESTEERINGLEVERUNTILSOMESTERNWAY《船舶操纵性与耐波性》课件枢心点(PIVOTPOINT)H55《船舶操纵性与耐波性》课件Ship'sTacticalDataFolder

#ofScrews#ofRuddersLength/BeamPivotPointTurn

DiagramsAcceleration/

DecelerationAdvance/

TransferNavigational

Draft《船舶操纵性与耐波性》课件Ship'sTacticalD56《船舶操纵性与耐波性》课件枢心点–

船体外漂(indicationofthebodilyoutwarddrift)操船者利用枢心点的位置来判断操舵后船舶外漂究竟有多远(Shiphandlersusethepositionofthepivotpointtoindicatehowfartheshipwilldriftbodilyoutwardwhentherudderisputover)知道在限制水域中转向操船的余裕空间(Toknowhowmuchsearoomthatmustbeallowedforwhenmakingcoursechangesinrestrictedwaters)枢心点在重心之前，标示在产生非对称流和向心力过程中船舶重心外漂有多远(Thepivotpointisforwardofthecentreofgravityandindicateshowfaroutwardsthecentreofgravityhasdriftedduringthebuildupoftheasymmetricalflowandcentripetalforce)《船舶操纵性与耐波性》课件枢心点–船体外漂(indica57《船舶操纵性与耐波性》课件漂角和枢心点(Driftanglesanddynamicpivotpoint)定常回转条件下漂角沿船舶纵中线是变化的：外漂，在船尾处达到最大，向船首部递减，在动枢心点处为零；然后是内漂，向船首逐渐增大(Ashipinsteadyturnconditionsdevelopsoutwarddriftanglesalongitscentrelinethatisgreatestatthestern,steadilydecreasetozeroatthedynamicpivotpoint,thenturnsinwardandincreasestowardsthebow)枢心点前移的结果是在船舶中部区域产生了一个净外漂角(Theforwardpositionofthepivotpointproducesanetoutwarddriftangleatthecentreofgravityinthemidshipregion)《船舶操纵性与耐波性》课件漂角和枢心点(Driftangl58《船舶操纵性与耐波性》课件静枢心点(Staticpivotpoint)静枢心点为船舶初始旋转围绕的点(Thestaticpivotpointisthepointaboutwhichtheshipstartstorotate).这时只有船尾的舵力使在水中静止不动的船舶开始旋转(Atthattime,thereisasingleforceatthesternthatactsontheruddertoswingashipthatisstoppedinwater)船舶仍然不动，舵力矩使船尾开始旋转起来(Thus,theshipisstationary,buthelmisusedtogeneratemomentaryswingsofthesternbygivingshortburstsofaheadthrustagainsttherudder,forexamplewhenmanoeuvringashipalongside)当船舶绕静枢心点开始旋转时(Whentheshipstartstorotateaboutitsstaticpivotpoint):横向速度增加时重心外移一定距离(itscentreofgravitywillmoveacertaindistanceoutwardasitincreasesitsoutwardlateralvelocity)然后船舶绕另一个枢心点旋转(thentheshipappearstorotatearoundanotherpivotpoint)这就是动枢心点(Thisisdynamicpivotpoint)!《船舶操纵性与耐波性》课件静枢心点(Staticpivot59《船舶操纵性与耐波性》课件静枢心点的位置(Locationofthestaticpivotpoint)静枢心点的位置取决于(ThelocationofthestaticPivotpointdependson)

惯性矩(themomentofinertia)决定于船舶质量的分布(determinedbytheship'smassdistribution)舵力臂(therudderleverage)determinedbythedistancebetweentherudderandthecentregravity影响船舶惯性矩和舵力臂最重要的因素是方形系数Themostimportantfactoraffectingthemomentofinertiaandtherudderleverageistheblockcoefficient(CB)纵倾对惯性矩和舵力臂也有影响(However,trimalsoaffectsthemomentofinertiaandtherudderleverage)《船舶操纵性与耐波性》课件静枢心点的位置(Location60《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoeshullformaffectthelocationofstaticpivotpoint?方形系数大的船舶其惯性矩大，而舵力臂小(ShipswithahighCB-valuewillhaveahighmomentofinertiaandasmallrudderleverage)表明枢心点更靠近船首(meansthatthepivotpointismovedclosertothebow)方形系数小的船舶其惯性矩小，而舵力臂大(ShipswithalowCB-valuewillhavealowermomentofinertia(moremassconcentratedinthemidship)andalargerrudderleverage)表明枢心点更靠近重心(meansthatthepivotpointismovedclosertothecentreofgravity)《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoeshullfor61《船舶操纵性与耐波性》课件纵倾对静枢心点位置的影响如何

(Howdoestrimaffectthelocationofstaticpivotpoint)?艉倾使得重心更靠近舵(Asterntrimmovesthecentreofgravityclosertotherudder,whichmeansthat)惯性矩增大，因船首质量离重心越远(themomentofinertiaisincreased,sincethemassinthebowbecomesfurtherawayfromthecentreofgravity)舵力臂减小(therudderleverageisdecreased)艏倾使得静枢心点移向船首(Asterntrimthusmovesthestaticpivotpointforward,closertothebow)艏倾使得重心移向船首(Aheadtrimmovesthecentreofgravityclosertothebow)舵力臂增大(therudderleverageisincreased)惯性矩也增大(BUTthemomentofinertiaisalsoincreased).艏倾使得静枢心点向船尾方向移动靠近重心(Howeveraheadtrimtendstomovethestaticpivotpointaft,towardsthecentreofgravity)《船舶操纵性与耐波性》课件纵倾对静枢心点位置的影响如何

(H62《船舶操纵性与耐波性》课件纵倾对静枢心点位置的影响分析sterntrimheadtrim《船舶操纵性与耐波性》课件纵倾对静枢心点位置的影响分析ste63《船舶操纵性与耐波性》课件CriteriaaffectingthelocationofthepivotpointMovingthepivotpointforwardsmalllengthtobeamratiotrimmedbytheheaddirectionallyunstableshipthewindforceacts withtherudderforce“high-liftrudders”ThePivotPointcanbesituatedaheadofthevesselwhenoneormoreofthecriteriamovingthepivotpointforwardiscombinedwithahighvesselspeedMovingthepivotpointaftlargelengthtobeamratiotrimmedbythesterndirectionallystableshipthewindforcecounteracts therudderforcetheturnisconductedinshallowwaterwithasmallunder-keelclearance《船舶操纵性与耐波性》课件Criteriaaffectin64《船舶操纵性与耐波性》课件枢心点PIERPIERPIERDIW-BOTHTUGSEQUALLEVERAGESLOWHEADWAY-AFTTUGHASMORELEVERAGESLOWSTERNWAY-FWDTUGHASMORELEVERAGE《船舶操纵性与耐波性》课件枢心点PIERPIERPIERDI65《船舶操纵性与耐波性》课件回转试验《船舶操纵性与耐波性》课件回转试验66《船舶操纵性与耐波性》课件回转过程分析1．转舵阶段分母第二项总比第一项绝对值小得多；分子第一项比第二项小得多，《船舶操纵性与耐波性》课件回转过程分析1．转舵阶段分母第二项67《船舶操纵性与耐波性》课件Cp表示转单位舵角后，在回转的初始阶段所能产生的回转角加速度。显然Cp是船舶开始回转得快慢的一种标志。Cp越大，则转舵后越能迅速进入回转运动。近似认为，阶跃操舵后(指操舵速度很大的操舵)，初始阶段船舶的回转是等角加速运动的，首向角变化为：(2-16)《船舶操纵性与耐波性》课件Cp表示转单位舵角后，在回转的初始68操右舵的情形(以向右舷回转为例)《船舶操纵性与耐波性》课件操右舵的情形(以向右舷回转为例)《船舶操纵性与耐波性》课件69由于边界层的存在，艉部产生的压差要小于艏部，故船体的水动力作用中心A通常在船舯和船舶重心G之前水动力产生了回转力矩，加速了船舶的回转角速率A的位置越靠前，回转速度越快，回转圈越小向心力FC是船体水动力和舵侧向力(升力)fL的合力.由于边界层的存在，艉部产生的压差要小于艏部，故船体的水动力作70《船舶操纵性与耐波性》课件2．过渡阶段(或渐变阶段)《船舶操纵性与耐波性》课件2．过渡阶段(或渐变阶段)71《船舶操纵性与耐波性》课件3．定常回转阶段经过渡过程的发展变化，当作用于船体的力和力矩相平衡时,船舶就以—定的侧向速度v和回转角速度r绕固定点作定常圆周运动。(2-19)《船舶操纵性与耐波性》课件3．定常回转阶段经过渡过程的发展变72《船舶操纵性与耐波性》课件定常回转阶段当转过一舵角后，船舶各运动参数随时间的变化如图2－13所示图2-13《船舶操纵性与耐波性》课件定常回转阶段当转过一舵角后，船舶73《船舶操纵性与耐波性》课件回转过程各阶段的特点《船舶操纵性与耐波性》课件回转过程各阶段的特点74《船舶操纵性与耐波性》课件(2-20)无因次形式为(2-19)《船舶操纵性与耐波性》课件(2-20)无因次形式为(2-1975《船舶操纵性与耐波性》课件对具有直线运动稳定性的船舶，“左舵左旋，右舵右旋”；不具有稳定性的船舶，“右舵左旋，左舵右旋”——反操现象各水动力导数之值对定常回转运动的影响《船舶操纵性与耐波性》课件对具有直线运动稳定性的船舶，“左舵76《船舶操纵性与耐波性》课件《船舶操纵性与耐波性》课件77《船舶操纵性与耐波性》课件船舶回转过程中，船体上承受的侧向力其作用点高度各不相同，于是形成对ox轴的倾侧力矩，这是产生回转过程横倾运动的根本原因。船舶在水平面内作回转运动时，还会同时产生横摇、纵摇、升沉等运动，以及由于回转过程阻力的增加引起的速降。以上所述可理解为回转运动的耦合，其中以回转横倾与速降最为明显。《船舶操纵性与耐波性》课件船舶回转过程中，船体上承受的侧向力78《船舶操纵性与耐波性》课件船舶横摇运动方程过渡阶段中，横倾角随时间的变化是振动的，体现出横摇特性。同时由于动力作用，最大的横倾角出现在过渡阶段，一般是稳定回转倾角的1.3—2.2倍左右。回转过程中的横倾将会降低船舶的横稳性，需估算定常回转阶段的稳定横倾角。《船舶操纵性与耐波性》课件船舶横摇运动方程过渡阶段中，横倾角79《船舶操纵性与耐波性》课件R0=2.6L;V0=0.7u1《船舶操纵性与耐波性》课件R0=2.6L;V0=0.7u80回转对螺旋桨的影响回转过程中舵力的阻力部分和船体阻力的增加部分在降低航速的同时，增大了螺旋桨的负荷船舶在全速前进时,满舵只能在紧急情况下使用atightturncanoverloadtheengine回转对螺旋桨的影响回转过程中舵力的阻力部分和船体阻力的增加部81《船舶操纵性与耐波性》课件费尔索夫速降公式回转过程速降《船舶操纵性与耐波性》课件费尔索夫速降公式回转过程速降82《船舶操纵性与耐波性》课件回转速降估算线性的操纵理论求不出回转过程的速降，需采用非线性方法确定。通常用近似方法估算。回转速降系数与相对回转直径之间的经验关系《船舶操纵性与耐波性》课件回转速降估算线性的操纵理论求不出回83《船舶操纵性与耐波性》课件回转速降估算费加耶夫斯基用下式估算回转速降《船舶操纵性与耐波性》课件回转速降估算费加耶夫斯基用下式估算84ThankYou!ThankYou85船舶操纵性与耐波性

第2章航向稳定性和回转性邱磊qiu-lei01@163.com船舶操纵性与耐波性

第2章航向稳定性和回转性邱磊86《船舶操纵性与耐波性》课件船舶有哪些操纵方面的性能？1固有动稳性(也称直线运动稳定性)(Inherentdynamicstability,alsocalledstraightlinestability)2方向稳定性或保向性(Course-keepingability,alsocalleddirectionalstability)3初始转首性能(Initialturning/course-changingability)4偏转抑制性能(Yawcheckingability)5回转性能(Turningability)--—大舵角下6停船性能(Stoppingability)《船舶操纵性与耐波性》课件船舶有哪些操纵方面的性能？1固有动87《船舶操纵性与耐波性》课件固有动稳性(直线运动稳定性)《船舶操纵性与耐波性》课件固有动稳性(直线运动稳定性)88《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性能(保向性)《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性能(保向性)89《船舶操纵性与耐波性》课件初始转向性能与航行安全的关系《船舶操纵性与耐波性》课件初始转向性能与航行安全的关系90《船舶操纵性与耐波性》课件回转性能与航行安全的关系《船舶操纵性与耐波性》课件回转性能与航行安全的关系91《船舶操纵性与耐波性》课件停船操纵--停船性能《船舶操纵性与耐波性》课件停船操纵--停船性能92《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性1.航向稳定性2.船舶回转性3.回转运动的耦合特性《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性1.93《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性稳定性的概念：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；当干扰去除后，经过一定的过渡过程，看是否具有回复到原定常运动状态的能力。若能回复，则称原运动状态是稳定的。(a)直线运动稳定性(b)方向稳定性(c)位置稳定性《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性稳定94《船舶操纵性与耐波性》课件DirectionallyunstableshipsAnincreasingnumberofnewshipsaredirectionallyunstableundercertainconditionsoftrimandaredifficulttosteermanuallySteadysteeringisonlyachievedbycontinuallyapplyingsmallshortalternatinghelmactionsDespiteitsproblems,directionalinstabilitydoesallowashiptomaketightturnsButitisimportantthatthepilotormasterisfamiliarwiththeship'sbehaviourandplansanaltercoursetoallowforthis《船舶操纵性与耐波性》课件Directionallyuns95《船舶操纵性与耐波性》课件影响方向稳定性的因素(Factorsaffectingdirectionalstability)Neitherthecentreofthehydrodynamichullforce,pointA,northeneutralsteeringpoint(N0)arefixedinpositionforasinglevesselThelocationofN0dependsuponthecentripetalforcerelativetotheturningmomentrequiredforagivenrateofturnandhullformThepositionofAdependsupon压力足以的位置取决于：theflowconditionsaroundtheimmersedhullformitsforeandaftdistributionofsurfaceareaSo,themainfactorsaffectingthedirectionalstabilityare影响方向稳定性的主要因素有:Trim纵倾Hullform船型aheadspeed前进速度《船舶操纵性与耐波性》课件影响方向稳定性的因素(Factor96《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoestrimaffectthedirectionalstability?Bothheadandsterntrimincreasetheship‘smomentofinertia首倾和尾倾都增大了船舶的惯性矩SotherequiredmomentforagivenrateofturnisincreasedbytrimandthepointN0ismovedfurtherforwardMoreimportantisthatthetrimalsoalterstheforeandaftdistributionofimmersedhullsurfaceandthusthepositionofA(seenextpage)更为重要的是纵倾也改变了首尾湿表面积的分布和压力中心A的位置sterntrimheadtrim《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoestrimaff97《船舶操纵性与耐波性》课件SterntrimmovesAfurtheraftPointAiswellaftoftheN0-pointsotheshipneedsalargehelmforcetomaintaintheturntheshipwillsteadyupquicklywithmidshipshelmThus,directionalstabilityisincreasedHeadtrimmovesAfurtheraheadPointAisjustaftoftheN0-pointsoonlyasmallhelmforceisneededtomaintaintheturnbuttheshipwillbeslowtosteadyupwithmidshipshelmThus,directionalstabilityisdecreased《船舶操纵性与耐波性》课件Sterntrimmoves98《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoesthehullformaffectthedirectionalstability?ModeratelyhighCB-hullshavearelativelylargemomentofinertiaabouttheverticalaxessopointN0willtendtobefurtherforwardthanforfinerlinedshipsVeryfull-bodiedhulls:pointAtendstobeevenfurtherforwardthanN0sotheseshipsarelikelytobedirectionallyunstableatsmallrudderanglesTheswingoftheshipcandistorttheboundarylayertotheextentthatflowisdirectedtothewrongsideoftherudderandtherudderforceisreversed《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoesthehull99《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoestheship'saheadspeedaffectdirectionalstability?Increasingaship'saheadspeedforagivenrudderanglewillmovetheN0-pointfurtheraft,thusthedirectionalstabilityisdecreasedAreductioninspeedthustendstoincreaseaship'sdirectionalstabilityforagivenrudderangleButiftheshipismovingtooslowtherewillbeinsufficientflowfortheruddertobeeffectiveandtheshiphaslost“steerageway”.《船舶操纵性与耐波性》课件Howdoestheship100《船舶操纵性与耐波性》课件Thedirectionalstabilitycanbeimprovedbyusingmore“deadwood”atthestern在船尾安装呆木analogoustothefeathersonanarrowordart!ExamplesofwaysofincreasingthedeadwoodSkegs尾鳍Fixedfins(submarine“stabilizers”)稳定鳍Othersternappendages其他附体Waysofimprovingdirectionalstability如何提高方向稳定性？《船舶操纵性与耐波性》课件Thedirectionals101《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性物体的运动状态是否稳定，不仅取决于物体的性质，也取决于所考察的运动状态和运动参数

1需针对某运动状态，或某一运动参数来分析其稳定性

2具有位置稳定性的船舶必具有直线稳定性和方向稳定性；具有方向稳定性的船舶必具有直线稳定性

3按是否操舵，稳定性又分为自动(固有)稳定性(取决于船体几何)和控制稳定性(取决于闭合回路)

4对于通常的水面舰船，若不操舵，不具备方向稳定性和位置稳定性，最多具有直线稳定性，也可能不具稳定性

5对稳定性概念的理解《船舶操纵性与耐波性》课件第二章航向稳定性和回转性物体102《船舶操纵性与耐波性》课件(2-1)小扰动方程为对稳定性作定量分析，采用“运动稳定性理论”分析方法。设船舶初始运动状态：u1=const=U,v1=r1=0.扰动后引起的扰动运动参数：由于对初始状态是小扰动，故可采用线性操纵运动方程(1-25)式来描述。因不操舵，.将式(2-1)代入式(1-25)，(1-25)《船舶操纵性与耐波性》课件(2-1)小扰动方程为对稳定性作定103《船舶操纵性与耐波性》课件其中，第一式与后两式无关.第一式可重写为：小扰动方程即可求得小扰动方程：(2-2)(2-3)第一式对应的特征方程为：《船舶操纵性与耐波性》课件其中，第一式与后两式无关.第一式可104《船舶操纵性与耐波性》课件小扰动方程特征根为：故式(2-3)的解为：总为负值，故对纵向速度扰动总具有稳定性。因此，船舶在水平面内的航向稳定性主要取决于方程(2-2)的后二式。分母为正，分子为负。(2-4)(2-5)(2-3)《船舶操纵性与耐波性》课件小扰动方程特征根为：分母为正，(2105《船舶操纵性与耐波性》课件二元一阶常系数微分方程组(2-7)(2-8)(2-6)小扰动方程《船舶操纵性与耐波性》课件二元一阶常系(2-7)(2-8)(106《船舶操纵性与耐波性》课件特征方程特征根角速度扰动方程(2-7)的解为:(2-9)(2-10)速度v的小扰动方程的解为:(2-11)《船舶操纵性与耐波性》课件特征方程特征根角速度扰动方程(2-107《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析接下来我们进行航向稳定性分析其根为：于是有：可见：《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析接下来我们进行航向稳108《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析皆为负实部的必要条件是：两根将皆为实数，且必有一个正根《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析皆为负实部的必要条件109《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析皆为负实部的必要条件是：《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析皆为负实部的必要条件110《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析可见，航向稳定性条件可归结为：《船舶操纵性与耐波性》课件航向稳定性分析可见，航向稳定性条件111《船舶操纵性与耐波性》课件水动力导数分析较大的负值不定符号的小量图2-3当具有横向加速度扰动时《船舶操纵性与耐波性》课件水动力导数分析较大的负值不定符号的112《船舶操纵性与耐波性》课件不定符号的小量较大的负值图2-4当具有回转加速度扰动时《船舶操纵性与耐波性》课件不定符号的小量较大的负值图2-4当113《船舶操纵性与耐波性》课件受侧向扰动速度v作用时较大的负值不很大的负值图2-5《船舶操纵性与耐波性》课件受侧向扰动速度v作用时较大的负值不114《船舶操纵性与耐波性》课件由角速度r引起的力和力矩不定符号的小量较大的负值图2-6《船舶操纵性与耐波性》课件由角速度r引起的力和力矩不定符号的115《船舶操纵性与耐波性》课件稳定性衡准数C《船舶操纵性与耐波性》课件稳定性衡准数C116《船舶操纵性与耐波性》课件稳定性衡准数C《船舶操纵性与耐波性》课件稳定性衡准数C117《船舶操纵性与耐波性》课件C>0船舶在水平面的运动具有直线稳定性；C<0不具有直线稳定性转首稳定力臂（抗干扰力臂）偏航力臂（或干扰力臂）稳定性衡准数C《船舶操纵性与耐波性》课件C>0船舶在水平面的运动具有118《船舶操纵性与耐波性》课件图2-7转首稳定力臂偏航力臂《船舶操纵性与耐波性》课件图2-7转首稳定力臂偏航力臂119《船舶操纵性与耐波性》课件影响航向稳定性的因素(1)为改善其航向稳定性，应使Nr、Yv二者的负值增加，从C的表达式可见，此二者之乘积的正值就越大，显然有利于改善稳定性。(2)Nv对稳定性的影响较大。虽然Nv是个符号不定的小量，但在C表达式中是以Nv(Yr-mu1)形式出现的，而括号内的值是个大量，以便Nv值变化对C值影响较大。对一般船舶Yv、Nr皆为负值，Yr是个不定符号的数，所以只要Nv为正值，船舶就能保证航向稳定性。(3)若沿船纵向设置升力面(如鳍、舵等能产生升力的物体)，则将其加在首或尾部都能使Nr的负值增加，但若加在首部会使Nv增加负值，而加在尾部会使Nv变正，故升力面设置在尾部可使Nr负值增加的同时又使Nv值变正，故对航向稳定性的贡献比设置在首部要大。《船舶操纵性与耐波性》课件影响航向稳定性的因素(1)为改善其120《船舶操纵性与耐波性》课件与船体几何形状的关系：增加船长可使Nr负值增加，增加船舶纵中剖面的侧面积可使Nr、Yv的负值增加，增加Nv的有效方法是，增加纵中剖面尾部侧面积，可采用增大呆木，安装尾鳍，使船产生尾倾，削去前踵等，如图2-8所示。图2-8《船舶操纵性与耐波性》课件与船体几何形状的关系：增加船长可使121《船舶操纵性与耐波性》课件《船舶操纵性与耐波性》课件122《船舶操纵性与耐波性》课件《船舶操纵性与耐波性》课件123《船舶操纵性与耐波性》课件《船舶操纵性与耐波性》课件124《船舶操纵性与耐波性》课件水深变化对航向稳定性的影响图2-9由于浅水影响，可使在深水中不稳定的船，在浅水中成为稳定。在深水中稳定的船，到浅水中变得更稳定。但对某些肥大型船，存在某一危险水深，此时稳定性低于深水状态;随着水深进一步变浅，超过危险水深后，又会使稳定性好转。《船舶操纵性与耐波性》课件水深变化对航向稳定性的影响图2-9125《船舶操纵性与耐波性》课件水深变化对航向稳定性的影响水深变化将影响船舶的航向稳定性。由式(2-13)可知，当Ir>Iv时，船舶具有航向稳定性。试验结果表明，对一般排水量船舶lv>0，即位置力的压力中心总位于船中前，随水深变浅，lv变化不大，而lr

的变化甚大，原因是随水深变浅，Yr增加而引起，见图2-9。图2-9《船舶操纵性与耐波性》课件水深变化对航向稳定性的影响水深变化126《船舶操纵性与耐波性》课件开始操舵时，船舶重心的瞬时位置为回转运动的起始点，称之为执行操舵点。回转圈的主要特征参数为：

1)反横距——从船舶初始的直线航线至回转运动轨迹向反方向最大偏离处的距离为S1。

2)正横距——从船舶初始直航线至船首转向90度时，船舶重心所在位置之间的距离为S2。该值越小，则回转性就越好。《船舶操纵性与耐波性》课件开始操舵时，