船舶操纵第二章

第二章船舶操纵性基础操船者关心的问题？实施操纵后船舶对操纵的反应船舶的运动性能如何船舶操纵性就是研究运动性能的科学1第一节船舶操纵性概述定义：船舶操纵性是指船舶对外界干扰或操纵者操纵的反应能力第二章船舶操纵性基础狭义：船舶操纵性是保持和改变航向的性能广义：不但包括航向控制，而且还包括：加速、减速、停船等变速的控制。2船舶固有运动性能

船舶操纵运动性能

一、船舶操纵性指标及其判别第二章船舶操纵性基础船舶操纵性分为：如何评价船舶操纵性能？1、船舶操纵性指标IMO船舶操纵性标准中将船舶的6个显著操纵运动性能作为评价船舶操纵性的指标31）固有稳定性——船舶自动保持直线运动的性能指标第二章船舶操纵性基础2）保向性——操舵时船舶保持直线运动的性能指标3）初始回转性/改向性——船舶改变航向的性能指标4）首摇抑制性——操舵时抑制船舶转动惯性的性能指标5）旋回性——操满舵时船舶回旋轨迹所占水域大小的性能指标6）停船性——船舶纵向运动动惯性的性能指标船舶控制操纵性船舶固有操纵性42、航行环境影响下的操纵性1）实船试验旋回试验Z形试验3）浅水操纵性2）受限水域操纵性1）风中操纵性螺旋试验第二章船舶操纵性基础3、船舶操纵性的判别逆螺旋试验停船试验回舵试验52）试验测定参数直接判据间接判据1987年11月，IMO大会通过了A.601(15)决议，要求船舶配备以下随船资料：1、引航卡2、驾驶台操纵性图第二章船舶操纵性基础二、船舶必备操纵性资料3、船舶操纵手册6三、船舶操纵性指数1、一阶船舶运动方程第二章船舶操纵性基础式中：—船舶回转惯性力矩系数—船舶回转阻尼力矩系数—舵的回转力矩系数将上式两端同除以得到：7K、T是一种可以表征船舶操纵性的特殊参数第二章船舶操纵性基础设得：2、无因次化船舶操纵性指数8第二章船舶操纵性基础3、操纵性指数的应用在实际操船中，操船者总是希望T越小越好，K越大越好，为什么？9第二章船舶操纵性基础第二节航向稳定性与保向性一、航向稳定性与保向性的概念1、船舶运动稳定性船舶运动稳定性稳定性，指物体在受外界干扰，使其偏离原定常运动状态，当干扰消失后，物体是否具有回复到原定常运动状态的能力。能回复，具有稳定性不能回复，不具有稳定性就船舶运动方向性来说有三种运动稳定性情况：10第二章船舶操纵性基础船舶运动稳定性的种类：直线稳定方位稳定位置稳定11第二章船舶操纵性基础1）直线运动稳定性：干扰消失后，其重心轨迹最终回复为一直线，航向发生变化2）方向稳定性：干扰消失后，其重心轨迹最终回复为与原航线平行的另一直线3）位置稳定性：干扰消失后，其重心轨迹最终回复为与原航线的延长线上12第二章船舶操纵性基础2、航向稳定性的概念船舶在直线航行过程中受到某种扰动而改变了原航向，当扰动消失候后，不经过操纵就能在新航向上恢复直线运动，这样的船舶就具有航向稳定性，也称固有稳定性。3、保向性的概念船舶保持原航向的性能。即使船舶具有航向稳定性，但不对其操纵，一般也不具有保持航迹的性能。因此，保向性是操舵保持船舶直线运动的性能。13第二章船舶操纵性基础4、航向稳定性与保向性的关系航向稳定性与保向性既有区别又有联系区别：航向稳定性是船舶固有的运动性能。与船舶的几何尺度和运动状态有关，而与操船者的操纵无关。保向性是船舶受控状态下的运动性能，即对操纵的反应能力。联系：航向稳定性好的船舶保向性也相应的好；反之较差。14二、航向稳定性的判别第二章船舶操纵性基础1、直接判别参数可通过实船试验直接获得。航向稳定性的判别螺旋试验回舵试验具备航向稳定性不具备航向稳定性不具备航向稳定性具备航向稳定性有关直线运动稳定性的判别祥见船舶操纵性试验。152、间接判别参数第二章船舶操纵性基础可根据船舶操纵性指数判断一阶船舶操纵运动方程：对该方程求解得：具有航向稳定性不具有航向稳定性16一、变向性能概述第三节船舶变向性能第二章船舶操纵性基础船舶的变向性能包括首摇抑制性初始回转性旋回性是衡量船舶回转运动所占最小水域范围大小的性能指标定义：操满舵使船舶进行回转运动的性能1、旋回性船舶以一定速度u直航中操满舵并保持之，船舶重心所描绘的轨迹俗称“旋回圈”。17第二章船舶操纵性基础Ad——进距（Advance）LK——反移量（Kick）

Tr

——横距（Transfer）

DT——旋回初径（Tacticaldiameter）

D——旋回直径（Finaldiameter）18第二章船舶操纵性基础2）旋回性与初始回转性能的区别与联系2、初始回转性是衡量直航船舶改变航向能力的性能指标1）定义：船舶对中等舵角的反应能力，即操中等舵角时船舶航行单位距离内航向角变化大小的性能，或在给定航向角变化量时船舶所航行的距离长短的性能。区别：评价目的不同，舵角不同。联系：操纵性能之一，都是改变航向的性能。19第二章船舶操纵性基础3、首摇抑制性2）初始回转性能与首摇抑制性能的区别与联系1）定义：船舶进入旋回状态，角速度达到一定时向旋回相反方向操舵，船首向对舵的反应能力的性能，即指操反舵后船首向对舵的相应迅速程度的能力。区别：前者是由静到动，后者由动到静。联系：都是船舶转动惯性的一种度量20第二章船舶操纵性基础船舶以一定航速直进当中操某一舵角并保持之，船舶将进入旋回过程。根据船舶在旋回运动过程中所受外力特点之变化，以及运动状态之不同，可将船舶旋回过程划分为三个阶段，如图所示。二、旋回运动过程211、第一阶段（转舵阶段）

转舵阶段:

指从转舵开始到舵转至规定角度为止，时间很短(约15s)受力情况：随着舵的转动，由舵角引起横向力和力矩，使船产生横向加速度和回转角加速度。时间(约15s)运动特点：由于船体本身的惯性很大，由于转舵阶段的时间很短，还来不及产生明显的横向速度和回转角速度。

v’0,r’0,v=r=0船舶运动分析：船舶重心G操舵相反一舷的小量横移船舶横向向操舵一舷倾斜（内倾）222、第二阶段（过渡阶段）过渡阶段：指从转舵结束起到船舶进入定常回转运动为止的动态过程受力情况：操舵后，随着船舶横移速度增加，漂角增大，流体产生作用于船体的力和力矩，将使船舶的旋回运动进入加速旋回运动特点：v<0,r>0,v’0,r’0船舶运动分析：船舶的运动速度矢量将逐渐偏离首尾面而向外转动，越来越明显的斜航运动将使船舶的旋回运动进入加速旋回阶段船舶的横向运动由内倾渐渐向外倾变化233、第三阶段—定常阶段（steadyturning）受力情况：经过过渡过程的发展变化，作用于船体的力和力矩将最后达到平衡，船舶以一定的横向速度和回转速度绕固定点作定常回转运动。运动特点：

v’=0,r’=0,v=const.,r=const.船舶运动分析：船舶的横向运动为外倾24船舶旋回的三个阶段图示25旋回运动过程中运动参数变化26第二章船舶操纵性基础三、旋回性的直接判断1、进距（Advance）—Ad

2、横距（Transfer）—Tr

航向角变化90度时船舶重心的纵向移动距离。

判断旋回过程中船舶纵向占用水域范围的依据。

一般运输船舶的Ad

/L为2.8~4。航向角变化90度时船舶重心的横向移动距离。

判断旋回过程中船舶横向占用水域范围的依据。

一般运输船舶的AT/L为2.8~4.2。27第二章船舶操纵性基础航向教角变化180度时,船舶重心横向移动的距离.

判断旋回过程中船舶横向占用水域范围的依据。

一般运输船舶的DT/L为2.8~4.2。船舶进入定常旋回时的旋回圈直径.

判断船舶进入定常旋回时,占用水域范围的依据.

一般D≈0.9DT;D/L为3左右.3、旋回初径（Tacticaldiameter）—DT4、旋回直径（Finaldiameter）—D28第二章船舶操纵性基础在旋回转舵阶段,由于船舶转动惯量很大,还来不及长生较大旋转角速度,则在转舵产生的横向力作用下,船舶重心产生向转舵相反的方向上的横移量.

5、反移量（Kick）—LK一般情况下,LK≈0.01L,船尾的反向横移量约为船长的1/10~1/5.29第二章船舶操纵性基础四、变向性的间接判断一阶船舶运动方程：

通过对K、T指数的分析可以判断船舶旋回性的优劣。

初始条件t=0,r=0的解：

舵角δ一定时旋转角速度r取决于操纵性指数K、T。1、旋回性的间接判断：

30对T值分三种状态讨论：第二章船舶操纵性基础这种情况为理想状态，实际中不存在。船舶最终进入定常旋回，T越小，进入定常角速度的时间越短。船舶最终不能达到定常旋回。那么船舶将作何种运动？31对K值的讨论：第二章船舶操纵性基础船舶最终进入定常旋回。1）T是时间常数(s),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。T越小，进入定常角速度的时间越短，即船首向“追随”舵角的能力越好，故T为“追随性指数”。结论：32第二章船舶操纵性基础2）K是旋回角速度(1/s),它的大小决定了船舶达到定常旋回角速度的大小。K越大，进入定常旋回的角速度越大，即船舶旋回效率越高，故K为“旋回性指数”。3）按K、T指数区分船舶操纵性的四种情况：33第二章船舶操纵性基础2、改向性的间接判断：

改向性可用旋回滞后距离D0和新航向距离DC判断：

结论：新航向距离越小，改向性越好；反之越差。

当T值小，K值大时，改向性好，反之改向性差。34第二章船舶操纵性基础2、改向性的间接判断：

五、旋回过程中的其他运动参数1、旋回过程中的转心

2、旋回过程中的漂角

3、旋回降速

4、旋回时间

5、旋回横倾角

35转舵阶段定常阶段第二章船舶操纵性基础3637第四节船舶变速性能第二章船舶操纵性基础船舶的变速性能包括停船减速加速加速过程中船舶航向的控制能力逐渐增强；而减速过程中船舶航向的控制能力逐渐减弱。因此，从船舶操纵安全的角度出发，船舶的减速和停船性能更值得关注。倒航38一、船舶变速性能及其判别第二章船舶操纵性基础1、定义：船舶对变速操纵的反应能力。2、度量船舶运动惯性的技术指标。惯性时间：惯性距离：具体计算很复杂，一般采用估算公式和实船试验结果来判断变速性能。39二、各种变速操纵性能第二章船舶操纵性基础1、加速性能：船舶从静止或某一速度增加到更高速度的性能。2、减速性能：减速操纵后船速递减过程中的运动性能。3、停船性能：船舶在任意前进速度时使用倒车使船舶停止的性能40三、最短停船距离的估算第二章船舶操纵性基础1、根据动能定理确定任意速度的停船距离假设条件：1）阻力与船速平方成正比

2）倒车拉力是一个常量

3）不考虑主机换向时间41第二章船舶操纵性基础2、IMO推荐的估算公式：式中：s——倒车冲程(m);

LPP——船长(m);

A——船舶质量与船舶阻力之比；

B——倒车前阻力与停船时拉力之比；

C——倒车拉力作用时间与初始速度乘积。42第五节船舶操纵性试验第二章船舶操纵性基础船舶操纵性的研究方法：试验（实船或船模）理论（船舶运动方程）理论方法的缺点：存在假设条件，结果近似，近似程度不能确定。试验方法的缺点：不能一一进行实验试验方法的要求：1）具有普遍和实际意义；

2）便于理论分析；

3）便于直接观测，减小场地和设备的要求。常用的操纵性试验：旋回、回舵、Z形、螺旋或逆螺旋、制动等。43第二章船舶操纵性基础IMO安全委员会对试验水深、水域宽度、气象条件、水文条件有详细规定2、船舶载况和吃水差1、水深、水域宽度一、实船试验条件水深大于4倍船舶平均吃水；水域宽度不受限；遮蔽条件较好。船舶满载（夏季吃水）；平吃水；螺旋桨有足够的沉深。44第二章船舶操纵性基础3、气象与海况4、试验船速1）风力不超过5级（19kn）；2）海浪不超过4级（有义波高1.9m，最大波周期8.8s）；3）流场比较均匀（流速、流向稳定）。1）船速应达到海上速度的85%;2）主机功率达到最大输出功率的90%。45第二章船舶操纵性基础2、记录内容1、试验观测手段二、观测与记录位置：差分GPS方向：罗经或姿态测量仪1）船舶数据2）环境条件3）试验数据46第二章船舶操纵性基础2、旋回圈及特征参数1、试验方法三、旋回试验旋回圈越小，旋回性能越好。是指在试验船速直航条件下，分别操左和右满舵，并保持之，使船舶进行左和右旋回运动。5）保持舵角转速不变直至航向角变化3600以上。4）每隔不超过20s时间间隔记录：船位、航速、横倾角及转速。1）保持船舶直线定常航速。2）旋回前一个船长时，记录：初始船速、航向及转速。3）发令，迅速转满舵并维持之。47第二章船舶操纵性基础1、试验方法四、Z形试验可通过Z形试验求取K、T指数，分别可作50/50、100/100和200/200试验。48第二章船舶操纵性基础2、特征参数1）航向超越角2）航向超越时间航向超越角和航向超越时间都是对船舶转动惯性的一种度量其越大船舶转动惯性越大。49第二章船舶操纵性基础1、试验方法1）保持船舶直线定常航速。2）发令，将主机由进车改为全速倒车。是指船舶在试验速度时，进行全速倒车，直至船舶对水完全停止的试验。评价船舶的停止惯性。3）船舶开始减速，当船舶对水速度为零时试验结束。五、停船试验50第二章船舶操纵性基础2、特征参数1）纵向进距（Headreach）2）横向偏移量（Lateraldeviation）

3）航迹进距（Trackreach）

4）航向变化量（Headingdeviation）51第二章船舶操纵性基础1、旋回性旋回圈进距不超过4.5倍船长，旋回初径不超过5倍船长是对船舶操纵性的一种物理模拟，由试验求得特征参数，以定量的数据来评价船舶操纵性的优劣。2、初始回转性六、船舶操纵性衡准IMO对100米及以上海船的要求如下：操左或右舵10度后，船首向改变10度时，船舶在原航向上的纵向行进距离不超过2.5倍船长。52第二章船舶操纵性基础3、首摇抑制性能和保向性100L/V<10s时；200L/V>30s时；(5+1/2(L/V))10s<L/V<30s时。1）100/100Z形试验测得的第一超角应不超过：2）100/100Z形试验测得的第二超角应不超过：3）200/200Z形试验测得的第一超角应不超过250。250L/V<10