2-4自由自航船舶操纵性试验

2-4自由自航船舶操纵性试验船舶操纵性试验目的----求取船舶操纵性衡准及各运动要素，从而评价操纵性优劣。实船船模自航模约束模回转试验螺旋与逆螺旋试验Z型操舵试验所测数据代表各项流体动力综合影响直线拖曳试验位置导数悬臂试验回转导数平面运动机构试验加速度导数在约束模试验中，通过各专门装置强迫船模进行精确控制下的运动，每次可变换一个参数，令其他参数为零，可分别求得此单一参数下的流体动力（力矩）导数第九章垂直平面运动机构水平面运动机构PMMTEST(平面运动机构试验）回转臂水池回转臂水池---中国船舶研究中心绪论在前几章中，我们基于线性操纵运动方程，分析了船舶航向稳定性和回转性，以及对操舵的转首响应特性，若能知道数学模型中的系数，就能确定其响应运动及其有关的操纵特性。这是操纵性研究的理论方法。此外，也常采用试验方法进行研究。理论方法：绪论实船和无线电遥控自航船模操纵性试验均属无约束的自由自航试验。在操纵性试验中，可以直接测得各种运动参数，能较直观地分析比较船舶的操纵性能，长期以来被广泛应用。目前为止，操纵性试验方法有很多，主要有：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、频率响应试验、以及关于启动、停车、倒退等专门试验。试验方法：2-4自由自航船舶操纵性试验第一节回转试验2-4-1船舶回转试验回转试验回转试验是指在试验船速直航条件下，操左35°舵角和右35°舵角或设计最大舵角并保持之，使船舶进行左、右旋回运动的试验。大舵角的回转模拟了实船航行时紧急规避时的操纵。通过回转试验可评价回转运动的迅速程度和所需的水域大小。求船舶的回转要素。其中包括：纵距Ad（advance）横距Tr（transfer）回转初径DT（tacticaldiameter）回转直径D（finaldiameter）进程Re（reach）回转时间T（time）回转试验1.试验目的2.试验方法(1)保持船舶直线定常航速；(2)回转之前一个船长时，测量记录初始船速、航向角、初始舵角及推进器转速等；(3)发令，迅速转舵到指定的舵角，并维持该舵角；(4)随着船舶的转向，每隔不超过20秒的时间间隔，记录轨迹、航速、横倾角、及螺旋桨转数等数据。(5)在整个船舶回转中，保持各种控制不变，直至船舶首向角改变至540°时，可结束一次试验。回转试验—步骤光学跟踪的绕标方法。测量航速及首向角的积分方法。岸上设置固定观察站。回转试验3.回转试验测量轨迹的3种方法。船舶重心所描绘的轨迹称为回转圈。它是船舶回转性能的重要指标。回转圈越小，回转性能越好。在各种状态下测得回转轨迹图上，直接量出特征参数，如:纵距、正横距、战术直径、定常回转直径。从横倾角的测量中得到定常回转横倾角和最大动力横倾角。以上参数可从试验结果直接测量得到。对回转试验结果也能进行K、T分析。回转试验4.对回转试验的结果进行分析。K、T分析:运动有非线性影响，K、T是一个平均概念。如图所示：当t很大时，转首角随时间的变化呈直线关系斜率Kδ0=tgβ。回转试验4.对回转试验的结果进行分析。K、T分析:运动有非线性影响，K、T是一个平均概念。如图所示：切线交t轴于t2量得：其中t1为操舵时间。回转试验4.对回转试验的结果进行分析。回转试验5.测量轨迹的积分方法(1)把记录的船速和首向角以时间为横坐标绘成下图的所示形式，对测量值进行初步的校核。回转试验（2）按式，以枢心代替重心，计算枢心P的轨迹。枢心速度计程仪在X方向的速度，枢心处航速角就等于首向角。P点为：5.测量轨迹的积分方法回转试验（3）对上式积分采取梯形法进行近似计算，然后根据计算结果来绘制枢心轨迹，如图所示：5.测量轨迹的积分方法回转试验（4）假定枢心P位于重心前0.4L处：。然后在枢心的每个轨迹点处画上船体的首尾线，如图所示，在每条首位线上求出重心G的位置，绘出重心轨迹——回转圈。5.测量轨迹的积分方法回转试验（5）根据上述所得的回转圈量取各回转要素，并算出K、T指数。请参照下图：5.测量轨迹的积分方法回转圈及其要素AdmaxTrAdDTTrmaxreachSternkickGGGGGGGβ武汉理工大学船模操纵性水池长80m，水面宽60m，最大水深1.5m，池底平整可做深浅水自由自航船模操纵性试验，拥有计算机数据实时采集显示处理系统。.武汉理工大学深浅两用露天船模操纵性水池双RTK的GPS船模运动轨迹实时摇测系统，可实时测量船舶运动的轨迹、航速、漂角。综合分析可得出船舶的操纵性指数、倒航操纵性。船舶回转性---影响回转圈大小的因素1、水线下的船型因素①方型系数：Cb越大，回转性越好，回转圈也越小；②水线下侧面积：首部多有利于减小回转圈，尾部多有利于提高航向稳定性；③舵面积比：船舶回转性---影响回转圈大小的因素2、船舶的吃水状态①吃水：吃水较大的满载船进矩将有较大增长。旋回初径和横矩有某种程度的降低；②纵倾：首倾每增加1%L，回转初径DT可减小10%左右；尾倾每增加1%L，回转初径DT则增加10%左右；空船与满载时的回转圈大小相差不多③横倾：总的来说，横倾对回转圈影响不大。3、操船方面的影响①舵角：一般操15°舵角与满舵相比，DT将增加到130%~170%，而掉头时间则可能增加到140%左右；②操舵时间：自一舷35°转至另一舷30°应不超过15s;③船速：船速越快，回转时间大大缩短，而DT影响小。船舶回转性---影响回转圈大小的因素4、外界环境的影响①浅水：回转圈随着水深的变浅而逐渐增大。当水深与吃水之比小于2时，旋回圈将明显增大。②污底和风流：污底越多摩擦阻力增加，旋回圈变大，但影响很小。顶风顶流将使纵矩减小。船舶回转性---影响回转圈大小的因素2-4自由自航船舶操纵性实验2-4-2Z形操舵试验从船舶的实际操纵情况，象回转试验那样长时期保持一定舵角情况是不多的，经常地情况是比较小的舵角左左右右的不断的操舵，Z形操纵舵试验正是模拟这种操纵，分析其试验结果可以得到更符合实际的操纵资料。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。Z形操纵试验被公认为是确定K，T指数的标准方法。Z形操舵试验以10°/10°(分子表示舵角，分母表示进行反向操舵时的航向角)Z形操纵试验为例，试验方法简述如下：1.试验方法(1)保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角、及推进器转速等；(2)发令，迅速转右舵到指定的舵角(10°)，并维持该舵角；Z形操舵试验1.试验方法(3)船舶开始右转，当船舶航向改变量与所操舵角相等时，迅速转左舵到指定的舵角(10°)，并维持该舵角；(4)当船舶向左航向改变量与所操左舵角相等时，迅速转右舵到指定的舵角(10°)，并维持该舵角；(5)如此反复进行，操舵达5次时，完成一次试验。Z形操舵试验2.特征参数Z形操纵试验结果可以下图形式表示。纵坐标为航向角或舵角，横坐标为时间。ψδψδFirstOvershootAngleZ形操纵试验结果SecondOvershootAngleZ形操舵试验2.特征参数(1)航向超越角(OvershootAngle)航向超越角指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。是操反舵瞬时首向角和最大首向角之间的差值。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。Z形操舵试验定义2.特征参数(1)航向超越角(OvershootAngle)航向超越角在船舶避碰机动中有重要意义超越角越小，船舶越易于回转，超越角正比于指数K和T的乘积因此，跟从性好和回转性差，与跟从性差和回转性好的船具有相同的超越角。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。Z形操舵试验物理意义Z形操舵试验2.特征参数(2)转首滞后TL(OvershootTime)转首滞后指每次进行反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。表示回复到正舵时刻到最大转首角瞬时的时间间隔。一般用第一超越时间和第二超越时间作为衡量船舶惯性的参数。定义Z形操舵试验2.特征参数(2)转首滞后(OvershootTime)转首滞后（航向超越时间）是从时间方面对船舶转动惯性的一种度量。超越时间越长，船舶转动惯性越大。它意味着零舵角之后出现零角速度的时间滞后。TL越小跟从性越好。物理意义超越角转首滞后3.K—T的标准算法a.分析原理试验中运动描述方程为：试验所得ψ曲线满足上述方程。方程两端积分：Z形操舵试验dtKdtdtdtdTr)(Z形操舵试验6个特征点Ψ(t2)=δ1Ψ(t4)=δ2Ψ(t6)=δ3)0()()()(eeetttb。t=0处作ψ曲线切线，斜率为，然后作该切线的平行线，分别与波峰相切于e、e’、e’’……点，对应的时间为te,te’,te’’……等。所有参数如下图所示：264dtKdtdtdtdTr)(对记录曲线进行分析（整个计算过程针对6个特征点）（1）将上述描述方程分别在两个区间[0，t’e]，和[0，t’’e]积分可得：KZ形操舵试验[0，te][0，t’e][0，t’’e][t2，te][t4，t’e][t6，t’’e]dtKdtdtdtdTr)(6个积分区间KT3.K—T的标准算法c.对记录曲线进行分析（2）将上述描述方程在区间[0，te]积分可得：Z形操舵试验3.K—T的标准算法c.对记录曲线进行分析（3）将上述描述方程在区间[t2，te]积分可得：Z形操舵试验3.K—T的标准算法c.对记录曲线进行分析（4）将上述描述方程分别在两个区间[t4，t’e]，和[t6，t’’e]积分可得：Z形操舵试验3.K—T的标准算法c.对记录曲线进行分析（5）上述分别求得在最初一个峰区和后两个峰区的K、T指数，取两者平均值为本船的指数：Z形操舵试验2-4自由自航船舶操纵性实验2-4-3螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺旋试验：测定船舶的航向稳定性和回转运动稳定性的间接的试验方法它是由迪厄顿尼在20世纪40年代提出的。1、目的:评价船舶的航向稳定性和回转稳定性。这是回转试验和Z型操舵试验所不能充分反映的。螺线试验与逆螺线试验(1)保持船舶直线定常航速，操舵开始前，记录初始船速、航向角、及推进器转速等；(2)发令，迅速转舵到一舷指定的舵角，并保持该舵角，使船舶进入回转状态；(3)待回转角速度达到定常值时，记录相应的角速度r和舵角δ；2.试验方法(4)将舵角改变一个规定的角度，再重复测量角速度r和舵角δ，以15°舵角为例，依次改变舵角从右15°→右10°→右5°→右3°→右1°→0°→左1°→左3°→左5°→左10°→左15°→左10°→左5°→左3°→左1°→0°→右1°→右3°→右5°→右10°→右15°，舵角变化一周，回到开始值时，可结束一次试验。螺线试验与逆螺线试验2.试验方法3.试验特征参数表达舵角相当于一种干扰，当干扰逐渐减小或消失后，试验结果可把定常回转角速度作为舵角的函数。图1具有航向稳定性的船舶图2航向不稳定的船舶abcdγ－δ操纵性特征曲线δγδγ图1中r与δ具有单值关系，船舶具有航向稳定性。螺线试验与逆螺线试验δγ图2中r与δ不具有单值关系。在舵角处于a、b之间时，角速度约在c、d之间，r与δ关系构成一个回环，通常称为螺旋试验的迟滞回环。螺线试验与逆螺线试验δγ在滞后环范围内，舵角由右舵变化到0时，对应的角速度不等于0，而为c点之值，船舶仍然向右转动。而当舵角变为左舵时，只要δ＜a，船舶仍具有右转的角速度。这就是常说的反操现象。直到δ达到a时，船舶突然开始向左转向，其后进入正常的左舵左转状态。反之，船舶从左向右变化时，又重复上述过程。螺线试验与逆螺线试验滞后环的宽度和高度是衡量船舶运动稳定性的标志在滞后环以外，船舶运动是稳定的。螺线试验与逆螺线试验滞后环的高度滞后环的宽度对于某些不稳定环宽和环高相当大的肥大船型，进入定常回转的时间特别长，因此在航向保持操舵中，实际的航向不稳定环宽和环高并