船舶操纵02

要点回顾•船舶运动学参数–漂角、转心、航向角、速度、角速度。–船舶平面运动的特征•船舶操纵动力学参数–运动方程–船体水动力及水动力矩•水动力角与漂角β、水动力作用中心–影响船体水动力的因素•船舶的几何特征、船舶的运动特征、航行水域的几何特征船舶操纵性基础•船舶操纵性概述–船舶操纵性（maneuverability）指标及其判别–船舶必备操纵性资料–船舶操纵性指数•航向稳定性与保向性•船舶变向性能•船舶变速性能•船舶操纵性试验•船型参数对操纵性的影响船舶操纵性概述•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:–固有稳定性(Inherentdynamicstability)–保向性(Course-keepingability)–初始回转性/改向性(Initialturning/course-changingability)–首摇抑制性(Yawcheckingability)–旋回性(Turningability)–停船性(Stoppingability)船舶操纵性概述•航行环境影响下的操纵性–风中操纵性–流的影响–受限水域操纵性•浅水操纵性•岸壁效应船舶操纵性概述•船舶操纵性的判别–实船试验•旋回试验•Z形操纵试验•螺旋试验或逆螺旋试验•回舵试验•停船试验等等。–“直接判据”-试验结果–“间接(或分析)判据”-操纵性指数K、T等。•船舶必备操纵性资料–1987年11月，IMO大会通过了A601(15)决议，要求船舶配备：•引航卡；•驾驶台操纵性图；•船舶操纵手册。船舶操纵性概述•引航卡(PilotCard)–船长与引航员之间关于船舶操纵性能进行信息沟通的资料卡。–每航次由船长填写；–内容包括本船的主尺度、操纵装置性能、船在不同载况时主机不同转速下的航速以及船舶特殊操纵装置(侧推器)等信息。船舶必备操纵性资料•驾驶台操纵性图(WheelhousePoster)–详细概述船舶旋回性能和停船性能的图表资料；–置于驾驶台显著位置；–内容包括深水和浅水(＝1.2)，满载和压载情况下船舶的旋回圈轨迹图及制动性能(停船试验)资料。船舶必备操纵性资料•船舶操纵手册(ManeuveringBooklet)–详细描述船舶实船操纵性试验结果的手册；–它是重要的船舶资料之一；–内容包括旋回试验、Z形操纵试验和停船试验的试验条件、试验记录以及试验分析等；–操纵手册包括全部驾驶台操纵性图上的全部信息；–除实船试验结果之外，操纵手册中的大部分操纵信息估算结果。船舶必备操纵性资料船舶操纵性概述•船舶操纵性衡准–1993年国际海事组织(1MO)对100m及以上海船的操纵性标准提出了要求，之后，又进行了修订，具体规定如下船舶操纵性衡准•旋回性(Turningability)–旋回圈的进距应不超过4.5倍船长(垂线间长，下同)，–相应的旋回初径应不超过5.0倍船长。•初始回转性(Initialturningability)–船舶操左10º舵角或右10º舵角后，船首向角从原航向改变10º时，船舶在原航向上的纵向行进距应不超过2.5倍船长。船舶操纵性衡准•偏转抑制性能和保向性(Yaw-checkingandcourse-keepingability)–10º／10ºZ形操纵试验测得的第一超越角应不超过：•10º当L/V＜10s时；•20º当L/V＞30s时；•(5＋1/2(L/V))º当10s＜L/V＜30s时。–10º／10ºZ形操纵试验测得的第二超越角应不超过：•25º当L/V＜10s时；•40º当L/V＞30s时；•(17.5＋0.75())º当10s＜L/V＜30s时。–20º／20ºZ形操纵试验测得的第一超越角应不超过25º。船舶操纵性衡准•停船性能(Stoppingability)–船舶全速倒车停船试验中的航迹进距(CrashStoppingDistance)不超过15倍船长。–但是，对于超大型船舶，主管机关认为该标准不能满足时，可进行修订，但任何情况下不应超过20倍船长。船舶操纵性基础•船舶操纵性指数–动坐标系船舶运动方程NrIYurvmXvrumz)()(船舶操纵性指数•假设一物体的转动惯性矩为I，当它以角速度r回转时，所遭受的粘性阻尼为Nr，N是阻尼系数。此外当其尾部转过一角度后，会产生一个作用在物体上的力矩M，M表示单位角度产生的力矩，则该物体的运动方程为MNrrINMrrNIKrrT操纵性指数•船舶的旋回性指数–K（turningabilityindex），单位为1/秒；–K=M/N=单位舵角旋回力矩/单位角速度旋回阻尼；–K表示旋回性优劣，K大，旋回性好。•船舶的追随性指数–T（turninglagindex），单位为秒；–T=I/N=船舶转动惯量/单位角速度旋回阻尼；–T表示追随性优劣，T小，追随性好，应舵较快；–T如果为负值，船舶航向不稳定。运动学意义•按给定的初始条件：t=0，r=0，求解上述运动方程式，得到船舶转向角速度的表达式：•对于具有航向稳定性的船舶，T＞0，T绝对值越小，随着t的增大，e-t/T将衰减得越快。•不具有航向稳定性的船舶，T＜0，随着t增大，e-t/T不衰减，也就是说，船舶将继续旋转。)1(0TteKr运动学意义•T的运动学意义：是系统的时间常数，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，其因次为sec。••对于具有航向稳定性的船舶，t→∞时，r=Kδ，K值越大，r越大。•K的运动学意义：船舶受单位持续舵角作用下产生的最终旋回角速度，其因次为1/sec。操纵性指数•无因次化操纵性指数–K、T指数被广泛用来评价船舶的操纵性能–K参数的单位为1/s,T参数的单位为s–用无因次值K′、T′来表示•V——船速(m/s)•L——船长(m)–无因次化操纵性指数便于比较操纵性指数•K′、T′的值是通过Z形实验求得的。有10、15、20度等几种实验。一般取10度实验结果为标准。•对于一般船舶的操纵性能，K’、T’在下列范围内：•满载货轮（L=100~160m）K’=1.5~2.0•T’=1.5~2.5•满载油轮（L=150~250m）K’=1.7~3.0•T’=3.0~6.0操纵性指数•船舶操纵性能指数K、T值，将随舵角、吃水、吃水差、水深与吃水之比、船体水下线型等因素的变化而变化，且其规律较为复杂，但总体来讲，有如下关系•1.舵角增加：K、T同时减小；•2.吃水增加：K、T同时增大；•3.尾倾增加：K、T同时减小；•4.水深变浅：K、T同时减小；•5.船型越肥大：K、T同时增大操纵性指数船舶的操纵性指数K、T值是同时减小或同时增大的，即提高船舶旋回性的结果将使其追随性受到某种程度的降低，而追随性的改善又将导致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，当舵角增加时，K、T值同时减小，但T值减小的幅度要比K值减小的幅度大，因此船舶的舵效反而变好。操纵性指数•区分船舶操纵性–不同种类、结构和大小的船舶，其操纵性会有很大的不同–按照K、T指数比较船舶的旋回轨迹，可将船舶操纵性概略地区分为四类操纵性指数•操纵性指数应用–定常旋回直径D的估算•根据定常旋回运动中旋回角速度r0＝Kδ的结论，可以得到船舶定常旋回直径的估算式：•D=2R=2V/r=2V/(Kδ)操纵性指数•操纵性指数应用–推定新航向距离DNCDNC=Re+Rtg(φ/2))2tan3.572(01KtTDsNC操纵性指数•转头惯性角的估算–船舶在航行中改向操舵后，船舶的转头角速度r0到达某一定值后操正舵，船首继续转头惯性角为：=r0T航向稳定性与保向性•航向稳定性与保向性的概念–船舶运动稳定性–航向稳定性的概念–保向性的概念–航向稳定性与保向性的关系•航向稳定性的判别–直接判别参数–间接判别参数航向稳定性•稳定性定义：–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•判别：–不能回复，不具有稳定性–能回复，具有稳定性–恢复较快，稳定性好航向稳定性•稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵，船舶运动稳定性分类航向稳定性•稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵，船舶运动稳定性分类航向稳定性•稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵，船舶运动稳定性分类航向稳定性•稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵，船舶运动稳定性分类–直线运动稳定或动航向稳定：•其重心轨迹最终回复为一直线，航向发生变化–方向稳定或静航向稳定：•其重心轨迹最终回复为与原航线平行的另一直线–位置稳定：•其重心轨迹最终回复为与原航线的延长线上航向稳定性•航向稳定性含义–船舶固有的航向稳定性–直线运动稳定或动航向稳定–一般船舶都不可能具有方向稳定性和位置稳定性–要达到方向稳定，需要操舵–要达到位置稳定，需要操舵和定位航向稳定性•船舶不具有直线运动稳定性的后果：–在小舵情况下，可能出现反操现象；–保向比较困难；–在海上航行时，可能自动舵打不上；–操舵者较难以掌握操舵技术；–操舵者劳动强度增加，并且要求注意力要高度集中；–可能出现失误。航向稳定性•航向稳定性的判别–直接判别参数-实船试验结果•螺旋试验•逆螺旋试验•回舵试验–间接判别参数•操纵性指数T航向稳定性•螺旋试验结果：–把定常旋回角速度作为舵角的函数，得到如下图形：具有航向稳定性的船舶航向不稳定的船舶abcd航向稳定性•螺旋试验结果：–r与δ具有单值关系，则具有航向稳定性；r与δ关系构成一个滞后环，不具有航向稳定性。具有航向稳定性的船舶航向不稳定的船舶abcd航向稳定性•逆螺旋试验结果–航向稳定：•与螺旋试验结果相似；–航向不稳定：•逆螺旋试验结果舵角与角速度曲线出现多值对应S形曲线。航向稳定性•间接判别参数–一阶船舶操纵运动方程–船舶初始转动角速度为定值r0，正舵：–船首继续转头惯性角为：=r0TKrrT航向稳定性•间接判别参数–T指数是系统的时间常数(sec)，其符号决定船舶是否具有航向稳定性大小决定船舶航向稳定性的优劣–T为正值，船舶具有航向稳定性，T越小，航向稳定性越好，反之则越差；–T为负值，船舶不具有航向稳定性。–实际船舶操纵中，船舶转向后操正舵，如果发现船舶长时间不能稳定在新的航向上直线航行，则说明该船航向稳定性较差，即T较大；反之，则航向稳定性较好，即T较小。航向稳定性•影响航向稳定性的具体因素：–船型•方形系数、长宽比、水下侧面积、干舷及上层建筑、舵面积–载况•吃水、船舶纵倾与横倾航向稳定性与保向性•船舶保向性概念–保向性是指船舶在外力作用下（如风、流、浪等），由舵工（或自动舵）通过罗经识别船舶首摇情况，通过操舵抑制或纠正首摇并使船舶驶于预定航向上的能力。•航向稳定性与保向性的关系–航向稳定性与保向性之间既有区别又有联系航向稳定性与保向性•航向稳定性与保向性的关系–航向稳定性是船舶固有的运动性能，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，与船舶运动状态和操船者的操纵有关。–航向稳定性好的船舶其保向性也相应较好，反之则保向性较差。–不具有航向稳定性的船舶，通过频繁操舵或大舵角也可能使船舶保持直线运动，但其保向性较差。航向稳定性与保向性•影响船舶保向性的因素–航向稳定性–较高的干舷将降低船舶在风中航行时的保向性–操舵人员的技能及熟练程度–自动舵、舵机的性能–外界环境条件本节要点•船舶操纵性概述•航向稳定性与保向性–航向稳定性与保向性的概念•航向稳定性的概念、保向性的概念、航向稳定性与保向性的关系–航向稳定性的判别•直接判别参数、间接判别参数–影响船舶保向性的因素