船舶操纵 第二章 操纵性能好

WUTNCYangyadong第二章船舶操纵性能第一节船舶操纵性能概述一船舶操纵性船舶操纵性(shipmanoeuvrabilityorshipmanoeuvringcharacteristics)是指船体、螺旋桨和舵在水中作相对运动所产生的水动力，使船舶保持和改变其运动状态的性能。或者说船舶对驾驶人员实施操纵的响应能力。船舶操纵性是一门新兴的年青学科。船舶操纵性可分为固有操纵性和控制操纵性两种概念。固有操纵性是指船舶不考虑外界环境条件、操舵装置性能、驾驶入员的技术水平而自身固有的操纵特性，而控制操纵性则是考虑上述因素基础上船舶所表现出来的操纵性能。船舶固有操纵性包括船舶变向性能和船舶变速性能两大方面。船舶变向性能，又称船舶方向性，它包含船舶定常回转性、船舶追随性和船舶航向稳定性三个性能，这是一般所指的船舶操纵性，实际上是一个狭义上的概念。广义研究船舶操纵性则必须将船舶变速性能包括进去。WUTNCYangyadong第一节船舶操纵性能概述(一）变向性的三要素驾驶人员操纵时要求船舶具有良好的操纵性，则必须要求施舵后所表现出的舵效反应特性好以及正舵时几乎能直线航行的航向稳定性良好。前者是避让来船的重要性能，后者则是船舶直航时的必要性能。变向性可用三个要素来评价。l.船舶追随性(yawquickresponsibility)船舶追随性是指当船舶施舵后，船首是否能很快转头；以及回至正舵时是否很快转入直进状态的性能。它表示船舶追随操舵而进行转头的容易程度。2.船舶定常回转性(steadyturningability)船舶定常回转性是指当船舶向左(右)操舵后，船舶进入定常旋回时是否具有较小的旋回圈、是否较快地进行旋回的性能。它表示船舶在一定舵角下旋回力的强度。3.船舶航向稳定性(coursest汕ility)航向稳定性是指在较短时间内不操舵，而船舶仍可保持直航的性能。航向稳定性亦称方向稳定性，追随性好的船其方向稳定性也好。),,,()(倒车制动停船停车加减速启制动能力航向稳定性机动性追随性定常旋回性船舶操纵灵活性方向性船舶固有操纵性WUTNCYangyadong第一节船舶操纵性能概述由于这三个因素随着船舶水线下形状，以及作用于船体的水动力及回转力矩的变化而变化的。所以，船舶旋回性能与追随性和方向稳定性不是一致的，应综合实际需要加以选择。总的说来，方形系数Cb小的船，如集装箱船等，其追随性和航向稳定性较优，而旋回性较差；Cb大的船，如油轮尤其是超大型油轮等，其旋回性较好，但追随性和航向稳定性则较差。（二）影响操纵性优劣的因素：a．船体对称与否（关于中纵剖面的船体线型、螺旋桨推力轴线、舵的数目及安）；b．螺旋桨的推力、拉力，螺旋桨数目、旋转方向；c．舵面积系数：；d．船体长宽比（）：；e．船舶排水量、货物配载、浮态；f．船舶水线上侧面积、水线下侧面积。WUTNCYangyadong第一节船舶操纵性能概述控制操纵性能在不同外界环境条件下，根据实际操船需要，船舶应具有以下的良好控向性能。即控制变向操纵性，它与上述固有操纵性密切相关，但又不是完全相同的概念。l.船舶改向性(coursechangingability)：表示船舶改向灵活的程度。通常由船舶改向试验所表现的由原航向改驶新航向时到新航向的距离来表示改向性的优劣。2.船舶旋回性(turningability)：与前面所述的定常旋回性不同，它不仅包括定常旋回，也包括了定常旋回前的加速旋回的过程。3．船舶保向性(courseKeepingability)：不仅决定于航向稳定性，也受舵工技术水平、操舵装置功能的优劣所影响。虽然保向性与航向稳定性并非同义词，但由于一般舵工技术、操舵装置性能无甚差异，因此方向稳定性直接决定着保向性的好坏。航向稳定性和回转性是相互矛盾的：远洋——航向稳定性；内河、狭水道——安全性。所以：保持——稳定性——经济性改变——避开——安全性WUTNCYangyadong第一节船舶操纵性能概述二、船舶变速性能船舶在自身车、船体条件下，所具有的变速性能包括：加速性能、减速性能、停车性能和倒车性能称之为固有操纵性的变速性能。而船舶在不同外界条件下如风流、航道，包括船舶在操舵控制下，所表现出的变速性能，即控制变速性能。其中停车性能和倒车性能统称为停船性能，是变速性能中最为重要的性能。WUTNCYangyadong第一节船舶操纵性能概述三、船舶操纵性能标准1987年11月IMO大会通过了A601（15）决议，要求船舶配备的操纵资料包括有引航卡(pilotcard)、驾驶台张贴的有关本船操纵性能的试验结果和模拟结果的驾驶台操纵性图(Wheelhouseposter)和船舶操纵手册(ManoeuvringBooket)三种。引航卡应记入引航员登船后可立即掌握的最低限度的重要性能资料,每航次由船长填写，内容包括船舶主尺度、操纵装置性能、船舶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，驾驶台操纵性图也是一种较详尽的性能资料，使驾驶人员能充分了解本船操纵性能的资料，其内容包括深水和浅水，满载和压载情况下船舶的旋回圈轨迹图及制动性（停船试验）资料，船舶操纵手册则是最详尽地记入本船操纵性能。．操纵性试验测定条件考虑为深水宽敞水域、无风、流的外界环境，船舶满载平吃水，稳定的初始试验速度。WUTNCYangyadong第一节船舶操纵性能概述IMO1993年11月4日第18届大会通过的“船舶操纵性临时标准”确定了船舶操纵性的标准，这个标准适用于1994年7月1日或之后建造的舵桨推进方式、L≥100m的船舶。化学品油轮及液化气船不限长度。IMO一方面建议各国政府鼓励那些承担设计、建造、修理及操纵船舶的人员去应用这个标准，另一方面要求各国收集应用后的数据，整理并报告IMO，以便海上安全委员会在此基础上对标准作出评估，必要时作出修改。IMO船舶操纵性能标准：旋回性:用35°或最大舵角以试航速度回转时，进距≤4.5L，回转初径≤5L。初始回转性:操左/右10°舵角时，船首方位转过10°以上角度时，航进距离≤2.5L。抑制偏摆性:用第一惯性转头角衡量保向性:用第二惯性转头角衡量停船性能:倒车冲程≤15L（大型船舶可修正）(见P17)WUTNCYangyadong第二节船舶运动方程和K/T指数一、操纵运动一般方程——船舶在水面运动的特点：复合运动——复合坐标系称为操纵运动一阶K—T方程，也称野本谦作（Nomoto）方程。它既能抓住其响应特性本质，又能比二阶方程更为简化。其中：K，T－－操纵性指数。KdtdT回转运动横移运动纵向运动运动坐标系固定坐标系WUTNCYangyadong第二节船舶运动方程和K\T指数二．K、T指数的物理意义野本谦作类比：假设一物体（船舶）的的转动惯性矩为，当它以角速度回转时，所遭受的粘性阻矩为（其中——系数，每单位回转角速度的粘性阻矩），此外船尾的舵转过一舵角后，会产生一个作用于其上的力矩（其中——系数，每单位舵角的回转力矩），则该物体的运动方程可写作：移项，两边同除以，可得：将上式与一阶操纵方程对比，有：性阻矩每单位回转角速度的粘每单位舵角的转船力矩船舶回转阻矩系数船舶转船力矩系数NMK性阻矩每单位回转角速度的粘船舶惯性矩船舶回转阻矩系数船舶惯性矩NITNMINMNIKTWUTNCYangyadong第二节船舶运动方程和K\T指数2．、值作为操纵性指数的意义为进一步对船舶操纵性指数K、T进行了解，对一阶方程进行求解：设时，，所操舵角，由一阶方程解得：所以角加速度和转向角度通过上式的微分积分可以求得：0t00)1(0TteKTteTK0)(0TteTTtKWUTNCYangyadong由、、在阶跃操舵条件下随时间而在于变化的曲线图A、B、C可知：（1）当，时：；（图B），（图A），而（图C）达到最大值。（2）当时：（图B），（图A），而（图C）。（3）当时：（图B），（图A），而（图C）。因为：K、T值的大小决定船舶操舵后任意时刻所具有的、、的值，因此可用K、T来表示船舶操纵性，故称K、T为操纵性指数。0T0t0000TKTt037.0K063.0K037.0TKt0K0WUTNCYangyadong☆K、T的意义：K——旋回性指数（又称增益常数），定常旋回时，，所以实质上是定常旋回中的船舶每单位舵角所能给出的转首角速度值，是表示操舵后船舶回转角速度大小的要素。，K大，表示转船力矩系数大而阻矩系数小，可使船舶获得较大的。船舶定常回转时，则。T——追随性指数，表明船舶操舵后对舵角响应时间滞后的一种指数，表示从操舵开始达到相应舵角所对应的稳定旋回角速度时止所需时间长短。，T小，表示船舶惯性小而阻矩系数大，因为：，所以：T小，则衰减快，船舶稳定在某一上就快，所以：船舶达到稳定旋回角速度的快慢，要用T确定。;T——航向稳定性指数;0KNMK0K船舶旋回性KNITTteTK0追随性T航向稳定快小超越角小)(0TTov航向稳定慢大超越角大)(0TTovWUTNCYangyadong四．K，T值的应用1．评价操纵性的优劣1）K，T值对船舶的操纵性能有全面的描述2）K，T值的无因次化，：消去了船长和船速的影响，比较不同船舶的回转性和追随性。满载货船：，，满载油船：，，3）影响，的因素sVLKKLVTTsmmL160~1000.2~5.1K5.2~5.1TmmL250~1200.3~7.1K0.6~0.3TKTWUTNCYangyadong（1）舵角：当，（2）舵面积：（3）吃水：（4）水线下侧面形状：尾鳍大，首鳍小纵倾：（5）水深变浅：（6）船型系数：（7）船速：TK,TKAR,TKd,T，K，T，K首纵倾平吃水尾纵倾TKdH,2TKBLCb,TKVs,010WUTNCYangyadong2．估算船舶定常旋回直径(或半径)因为，又因为，所以，式中取弧度，取m/s3．估算船舶纵距因为所以RVs0K0KVRs0sVdA)2(1tTVRse0KVRs)12()2(0101KtTVKVtTVAsssdWUTNCYangyadong4．计算新航向距离:新航向距离：原航向线上的转舵点至转向点的距离。)2(1tTVRGBse2tan2tan0CKVCRBCs)2tan12(2tan)2(0101CKtTVCKVtTVDsssNC2)2tan3.57(10''tvCKTLsWUTNCYangyadong船舶旋回性能：定速直航的船舶操某一大舵角后进入定常旋回的运动性能。一．船舶旋回的运动过程(三个阶段的划分)1．转舵阶段(内倾阶段）：开始转舵——船首开始转动(一般约为8-15s)运动参数：∵，∴（1）船速下降，（2）反向横移，即船舶重心有向操舵相反一侧横移的趋势。（3）船首有朝操舵一侧偏转的趋势，即回转角加速度为正。（4）船舶朝操舵一侧横倾（内倾），∵舵力位置较船舶重心位置低。第三节船舶定常旋回性0,0,0,0,0cfbRRRRR0WUTNCYangyadong第三节船舶定常旋回性2．过渡阶段：回转运动时起——定常旋回时止（1）船速继续下降，仍为负加速度。（2）船舶加快向操舵一侧偏转，即回转角加速度仍为一正值且比转舵阶段要大。水动力转船力矩仍大于回转阻矩。（3）船舶重心由反向横移变为正向横移。（4）船体由内倾变为外倾。3．稳定阶段（定常旋回阶段）：船舶作圆周运动时起——