船舶操作课件第一章.

船舶值班操纵与避碰任课教师：杨盐生(2003.3~2003.6)绪论何为船舶操纵？何为船舶操纵系统？船舶操纵系统的组成部分？何为船舶操纵性？一、船舶操纵操纵：为了保障达到确定的目的而控制某种过程的组织方法。船舶操纵：在人、船、环境系统中，操船者利用船舶本身或其他手段如车、舵、锚、缆、拖轮等，以保持或改变船舶运动状态为目的而进行的必要观察、判断、指挥、实施等。船舶操纵的一般任务：需要将船舶沿给定的航迹从水面上的一点开往另一点。操纵任务分解：一般都将总任务分解成若干子任务，为了完成某一子任务，有目的地操纵船舶。一般来看，操纵船舶的目的总是为了保持或改变某一决定船舶的运动量。作为操纵目的而必须保持或改变的的那个量称为被控坐标。AA'B'BCDEGH操纵目的第一，船舶必须在横向上移动直线A-A’到B-B’之间的距离；第二，要求最终保持船舶纵中剖面的初始方向；第三，船舶要停在B点这三个目的的被控坐标：横向位移y1，航向角和纵向位移x1船舶操纵的被控坐标船舶运动的船首方向船舶运动的转首角速度船舶运动的纵向距离船舶运动的纵向速度船舶运动的横向距离船舶运动的横向速度二、船舶操纵系统操纵对象（即要操纵的是什么）操纵设备（即用什么来进行操纵）操纵装置（即由什么来实现操纵）观测坐标被控坐标操纵对象操纵设备敏感元件转换元件执行元件操纵装置反馈大洋航行情况动态规划船舶操纵设备操纵装置航迹规划信息量测静态规划人，驾驶员航向，航迹自动舵舵，车方向量测：磁罗径，电罗径位置量测：天文定位、地言定位、GPS等航向，位置操纵对象和操纵设备的性质与操纵装置的必要完善程度之间存在着联系。几个例子：例1：自行车被控系统，可见自行车为被控对象：三轮自行车，二轮自行车，一轮自行车第一种自行车在纵向平面和横向平面里都是稳定的第二种自行车在纵向平面里是稳定的第三种自行车在纵向平面和横向平面里都是不稳定的被控对象的性质不同操纵装置或操纵的人是无法使其完善例2：具有良好操纵性的船舶，航行在狭水道中，并且进入浓雾地带。船上没有雷达，当完全失去能见度时，船长作出决定：主机停车并抛锚。操纵装置不完善所致，即船舶的方向量测设备失去了作用。例3:小舢舨船，小吨位船,万吨级船，VLCC响应时间，船舶运动的范围为了能够完成操纵任务了解船舶的操纵特性----了解操纵对象的性质了解船舶操纵设备的性能和特性----了解操纵设备的性质学习船舶在港内、狭水道中操纵的方式方法了解船舶在不同外界环境中的操纵特性外界环境:风、流、浪特殊环境下的操船----完善操纵装置提高操纵人员的水平三、船舶操纵性船舶操纵性能（maneuverability）是指船舶对驾引人员实施操纵的响应能力总称船舶操纵性能内容:船舶的旋回性船舶运动稳定性船舶的机动性船舶的惯性性能，包括改向性及保向性以及船舶的变速运动性能等。第一章船舶操纵性能第一节船舶旋回性能在实际操船中，对舵的使用大致可分为小舵角的保向操纵、一般舵角的转向操纵及大舵角的旋回操纵三种。匀速直航时，转舵使船舶作圆弧运动的性能,称为船舶回转性。它是船舶操纵性当中极为重要的一种性能。因为回转性与船舶避让、靠离泊、灵活调头等操纵密切相关。主要内容船舶旋回运动过程分析旋回圈（turningcircle）的大小及其要素描述船舶旋回运动状态的运动要素影响旋回圈大小的因素旋回圈要素在实际操船中的应用一、船舶旋回运动过程分析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1－1所示。图1－1船舶旋回的运动过程1．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。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）CYddrmurmxvmG0++&&++rYvYrvrYvYrv&&&&+GKddY()rmxvmG&&+-rYvYrv&&&&+GKCYddrmu0rYvYrv+GK转舵阶段过度阶段定常阶段2．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：v0,r0,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3．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转舵阶段过渡阶段定常阶段dvv&rr&r&v&-rv-dttfdfbf0f二、旋回圈（turningcircle）的大小及其要素定速直航（一般为全速）时，操一定的舵角（一般为满舵）后，其重心G的运动轨迹叫做旋回圈。表征旋回圈大小的几何要素：反移量、进距、横距、旋回初径、旋回直径、滞距等，如图1－2所示。图1－2旋回圈的尺度与名称DTD0TrLkAdVVbbRe1.反移量（Kick）反移量亦称偏距是指船舶重心在旋回初始阶段向操舵相反一舷横移的最大距离。通常，该值较小，其最大量在满载旋回时仅为船长的1/2~1B左右。但操船中应注意的是，船尾的反移量却不容忽视，其最大量约为船长的1／10～1／5，约出现在操舵后船舶的转头角达一个罗经点左右的时刻。反移量的大小与船速、舵角、操舵速度、排水状态及船型等因素有关；船速、舵角越大，反移量越大。2.进距（Advance）进距也称纵距，是指从从转舵开始时刻船舶重心Ｇ点所在的位置，至船首转向900时船舶纵中剖面的距离Ad。它约为3~4L，约为旋回初径DT的0.6～1.2倍其数值越大，表示船舶对操舵反映越迟钝，即应舵较慢。3.横距（Transfer）船舶从操舵开始转首900时，重心Ｇ距原航线的距离，该值越小，则回转性就越好。并以Tr表示之，它大约为旋回初径DT的一半。4.旋回初径（Tacticaldiameter）从船舶原来航线至船首转向1800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。对一般船舶DT约为3~6L，回转性较差者可达7~8L。5.旋回直径（Finaldiameter）定常旋回直径旋回直径是指船舶作定常旋回时重心轨迹圆的直径，亦称旋回终径，并以D表示之。它大约为旋回初径DT的0.9～1.2倍。6.滞距（Reach）亦称心距。从发令位置起，船舶重心至定常旋回曲率中心的纵向距离。正常旋回时，船舶旋回直径的中心O总较操舵时船舶重心位置更偏于前方。滞距是该中心O的纵距，并以Re代表之，大约为1～2L，它表示操舵后到船舶进入旋回的“滞后距离”，也是衡量船舶舵效的标准之一。上述六个尺度，各从不同的角度在实际上规定着旋回圈的形状及大小。在航海实践中，旋回圈的大小常常用其旋回初径D表示。有的也采用其旋回初径与其船长L（一般为两柱间长）的比值D／L来表示，称为相对旋回初径。表2-3-1各类船舶相对回转直径统计表船舶种类最大舵角时定常回转LD0大型货船5~6.5中小型货船4~5油轮2.5~7.5大型远洋客船7.5~8.0中小型海上客船4~5大型客货船5~7中小型客货船4~5拖轮1.5~3巡洋舰3~5驱逐舰5~10潜艇3~5三、描述船舶旋回运动状态的运动要素表征船舶旋回运动状态的运动要素主要有漂角、转心及其位置、旋回中的降速和旋回中的横倾等，它们与船舶的旋回性能有着密切的关系。1.漂角（Driftangle）船舶首尾线上某一点的线速度与船舶首尾面的交角叫做漂角，如图1－3所示。用β表示之。一般船舶重心漂角大约在30～250之间。漂角越大的船舶，其旋回性越好，旋回直径也越小。超大型船舶较一般货船的方形系数值较高，长宽比较低，有着较好的旋回性，它在定常旋回中的漂角也较大，最大可达到250左右。图1－3船舶首尾面上各点的漂角2.转心（pivotingpoint）及其位置旋回中的船舶可视为一方面船舶以一定的速度前进，同时绕通过某一点的竖轴而旋转的运动的叠加，这一点就是转心，通常以P代表之。从几何学上讲，转心P的位置是旋回圈的曲率中心O作船舶首尾面的垂线的垂足。对于不同船舶而言，该点的位置大约在离船首柱后1/3～1/5船长处。船处于后退中，转心位置则在船尾附近。旋回性能越好、旋回中漂角β越大的船舶，其旋回时的转心越靠近船首。3.旋回中的降速原因：1）舵阻力；2）船体的斜航阻力；3）主机特性船舶在旋回中，主要由于船体斜航（存在漂角）时阻力增加，以及舵阻力增加和推进效率降低等原因，将会出现降速现象。一般从操舵开始到船首转过900左右船舶进入定常旋回后，速度不再下降。减速的幅度与旋回初径DT与船长L的比值有密切的关系，DT/L值越小，旋回性越好，减速越显著。图1－4是定常旋回时的船速（turningspeed）与操舵前的船速(approachspeed)的比值随相对旋回初径而变化的情况。一般船舶旋回中的降速幅度大约为旋回操舵前船舶速度的25%～50%，而旋回性能很好的超大型油轮在旋回中的降速幅度最大可达到原航速的65%。图1－4船舶旋回中的降速情况4.旋回中船舶出现的横倾（list）船舶操舵不久，将因舵力横倾力矩而出现少量内倾；接着由于船舶旋回惯性离心力矩的作用，内倾将变为外倾，并且因横向摇摆惯性的存在将产生最大的外倾角θmax，最大外倾角一般为定常外倾角的1.2～1.5倍，θmax的大小与操舵时间有关，操舵时间越短，θmax越大。达到最大外倾角后，船舶经过1～2次摇摆，最后稳定于某一定常外倾角θ上。图1一3是旋回中船舶发生横倾的模式。船舶旋回中定常外倾角θ的大小与船速、所操的舵角、船舶的旋回性能和船舶的初稳性高度GM等有关，船速越高、船舶的旋回直径越小、船舶的初稳性高度越低，定常外倾角θ越大。一般货船满舵旋回时的外倾在静水中可达30～50左右。然而，恢复力矩较小的船舶高速航进中操大舵角时，将会产生较大横倾，船速大于30节的高速船，定常外倾角可达120～140。()of501001500100-10-20-30-40-50st1.5m1.2m0.85m0.6mGM=Zenobia号集装箱船，初始航速V=10.8m/s.5.旋回时间旋回时间是指船舶旋回3600所需的时间。它与船舶的排水量有密切关系，排水量大，旋回时间增加。万吨级船舶快速满舵旋回一周约需6min，而超大型船舶的旋回时间则几乎要增加一倍。四、影响旋回圈大小的因素旋回圈的大小与船型、舵面积、所操舵角、操舵时间、载态、水深、船速、船舶的纵倾和横倾、螺旋桨转速等密切相关。另外，受风、流的影响，旋回圈的大小也有很大变化。这里将仅仅讨论无风流等外力作用的情况下影响旋回初径、进距、横距的主要因素。1．方形系数Cb（blockcoefficient）如图1一6所示，方形系数较低的瘦形高速船（Cb≈0.6）较方形系数较高的肥形船（Cb≈0.8）的旋回性能差得多。即船舶的方形系数越大，船舶的旋回性越好，旋回圈越小。图1－6方形系数对旋回初径的影响2．船体水线下侧面积形状及分布就整体而言，船首部分分布面积较大如有球鼻首者，或船尾比较瘦削的船舶，旋回中的阻尼力矩小，旋回性较好，旋回圈较小，但航向稳定性较差；而船尾部分分布面积较大者如船尾有钝材，或船首比较削进（cutup）的船舶，旋回中的阻尼力矩比较大，旋回性较差，旋回圈较大，但航向稳定性较