船舶操縱課件--第1章 船舶操縱基礎(chǔ)理論

1、洪碧光 大 連 海 事 大 學,船 舶 操 縱,第一章 船舶操縱性基礎(chǔ),一、船舶操縱性指數(shù)K、T 二、船舶操縱性與指數(shù)K、T的關(guān)系 三、影響K、T指數(shù)的因素 四、K、T指數(shù)的應(yīng)用,第五節(jié) 船舶操縱性指數(shù),1943年，英國人Kempf在1943年首先提出一種衡量船舶機動 性能的試驗方法。1957年以來野本謙作和諾賓發(fā)展了一種對Z形實 驗結(jié)果進行理論分析的新方法-K、T分析法。受到了廣泛的重 視和應(yīng)用。 野本認為船舶的受控運動基本上是一個質(zhì)量很大的物體在舵的 作用下進行的一種緩慢的轉(zhuǎn)艏運動。他略去了船舶回轉(zhuǎn)角速度的高 階影響，用下列數(shù)學模型來描述船舶運動：,一船舶操縱性指數(shù)K、T,式中：I 為船舶

2、回轉(zhuǎn)慣性力矩系數(shù)； N 為船舶回轉(zhuǎn)中所受的阻尼力矩系數(shù)； C 為舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩系數(shù)。 將上式兩端同乘以1/N，得： 我們設(shè)T=I/N，K=C/N，代入上式，得： 即一階船舶操縱運動方程。野本認為K、T表征船舶操縱性的特 征參數(shù)。,一船舶操縱性指數(shù)K、T,1. 指數(shù)K、T的物理意義 （1）力學意義 由T=I/N可見：參數(shù)T是慣性力矩與阻尼力矩之比，T值越大，表示船舶慣性大而阻尼力矩??；反之，T值越小，表示船舶慣性小而阻尼力矩大。 由K=C/N可見：參數(shù)K是舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩與阻尼力矩之比，K值越大，表示舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩大而阻尼力矩??；反之，K值越小，表示舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩小而阻尼力矩大。 為了提高

3、船舶的操縱性，我們總希望它慣性盡可能小，而舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩盡可能大，也就是希望T盡量小，K盡量大。,一船舶操縱性指數(shù)K、T,1. 指數(shù)K、T的物理意義 （2）運動學意義 按給定的初始條件：t=0，r=0，可以求解上述方程式，得到 船舶轉(zhuǎn)向角速度的表達式： 對于具有航向穩(wěn)定性的船舶，T0，T絕對值越小，隨著t的增 大，e-t/T將衰減得越快。 對于不具有航向穩(wěn)定性的船舶，T0，隨著t的增大，e-t/T將 不衰減，也就是說，船舶將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。,一船舶操縱性指數(shù)K、T,T 的運動學意義為：是系統(tǒng)的時間常數(shù)，它的符號決定了運動 的穩(wěn)定性，它的大小決定了船舶達到定常旋回角速度的時間，其因 次為sec。 對

4、于具有航向穩(wěn)定性的船舶，t時，r =K，K值越大，r越 大。 K 的運動學意義為：船舶受單位持續(xù)舵角作用下產(chǎn)生的最終旋 回角速度，其因次為1/sec。,一船舶操縱性指數(shù)K、T,2. 指數(shù)K、T的無因次化及其量值 （1）K、T的無因次化 目前，K、T指數(shù)被廣泛用來評價船舶的操縱性能。除了上述有 因次的形式以外，為了便于比較，還可以使用無因次值K、T，其 定義為：,一船舶操縱性指數(shù)K、T,2. 指數(shù)K、T的無因次化及其量值 （1）K、T的無因次化 諾賓在此基礎(chǔ)上進一步建議用機動性參數(shù)P來衡量船舶的機動 性，P定義為： 分析上述一階操縱運動方程的解，可以看出：P 值實際上是在操單位舵角后，船舶航行一

5、個船長距離時，按一階模擬得到的航向角的變化值。有的資料上稱 P 為“舵效指數(shù)”,一船舶操縱性指數(shù)K、T,2. 指數(shù)K、T的無因次化及其量值 （1）K、T的無因次化 對e-1/T展開成冪級數(shù)，則可得 可見，舵效指數(shù) P 與K、T的比值有關(guān)。,一船舶操縱性指數(shù)K、T,2. 指數(shù)K、T的無因次化及其量值 （2）K、T 的量值 K 、T 的值是通過Z形實驗求得的。有10、15、20度等幾種實驗。一般取10度實驗結(jié)果為標準。 對于一般船舶的操縱性能，K、T在下列范圍內(nèi)： 滿載貨輪（L=100160m）K=1.52.0 T=1.52.5 滿載油輪（L=150250m）K=1.73.0 T=3.06.0,一

6、船舶操縱性指數(shù)K、T,根據(jù)K、T指數(shù)，船舶旋回性可分為四種模式：如圖所示。,二船舶操縱性與指數(shù)K、T的關(guān)系,船舶操縱性能指數(shù)K、T值，將隨舵角、吃水、吃水差、水深與吃水之比、船體水下線型等因素的變化而變化，且其規(guī)律較為復(fù)雜，但總體來講，有如下關(guān)系 1. 舵角增加： K、T同時減??； 2. 吃水增加： K、T同時增大； 3. 尾傾增加： K、T同時減?。?4. 水深變淺： K、T同時減?。?5. 船型越肥大： K、T同時增大,三影響K、T指數(shù)的因素,可見，船舶的操縱性指數(shù)K、T值是同時減小或同時增大的，即提高船舶旋回性的結(jié)果將使其追隨性受到某種程度的降低，而追隨性的改善又將導(dǎo)致船舶旋回性的某些降

7、低。值得注意的是，當舵角增加時，K/、T/值同時減小，但T/值減小的幅度要比K/值減小的幅度大，因此船舶的舵效反而變好。,三影響K、T指數(shù)的因素,1. 旋回滯后距離Dr的估算 直航船從操滿舵開始到航向開始 改變之前船舶前進的距離，稱為旋回 滯后距離，用Dr表示。 其值求取用下式計算： 其中：t1轉(zhuǎn)舵時間 一般將T+t1/2稱為旋回滯后時間。 當T增大時，Dr隨之增大；t1增大時，Dr也隨之增大。,四K、T指數(shù)的應(yīng)用,2. 新航向距離AC的估算 直航船舶操舵后，航向改變量 為時，轉(zhuǎn)舵開始到新航向與原航 向之交點的距離稱為新航向距離AC。 其值求取用下式計算： 其中：舵角(弧度) K旋回性指數(shù)，其

8、他符號同前。 當K增大時，AC隨之降低。,四K、T指數(shù)的應(yīng)用,3. 轉(zhuǎn)向慣性角的估算 直航船舶操舵后，當達到一定的角速度rc時，操正舵，船舶繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的航向角，稱為轉(zhuǎn)向慣性角。 其值求取用下式計算： = rc T 可見，當T增大時，隨之增大。,四K、T指數(shù)的應(yīng)用,4. 定常旋回直徑D的估算 其值求取用下式計算： 可見，當T增大時，隨之增大?？梢?，D與K成反比。,四K、T指數(shù)的應(yīng)用,引 言 一、試驗條件 二、觀測與記錄 三、旋回試驗 四、 Z形操縱試驗 五、螺旋試驗 六、停船試驗,第六節(jié) 船舶操縱性能試驗知識,利用船舶操縱運動方程分析船舶的運動的優(yōu)點在于能建立水動力與各種特征參數(shù)的直接關(guān)系，及運動

9、狀態(tài)隨時間的變化規(guī)律。但這種方法還很不完善，在研究具體問題時，為了研究上的方便，不可避免地進行了某些假設(shè)，因此，研究結(jié)果只能是近似的，而近似程度如何，它自己不能證實。為了彌補這一缺陷，人們一直在開展實驗研究。 由于實際船舶操縱的情況千變?nèi)f化，不可能一一進行試驗，只能規(guī)定一些比較典型的船舶操縱性試驗。這些試驗滿足下列要求：,引 言,(1) 應(yīng)具有普遍的意義和實際意義； (2) 便于理論分析； (3) 便于直接觀測，減小場地和設(shè)備的要求等。 由于船舶固有的操縱性指標與船舶的使用有關(guān)，因此一般都對船舶操縱性的試驗項目有規(guī)定。目前常用的試驗包括：旋回試驗、回舵試驗、Z形試驗、螺旋試驗或逆螺旋試驗、制動

10、試驗等。IMO標準對上述試驗做出了具體規(guī)定。,引 言,船舶操縱性能受水深、水域?qū)挾?、氣象條件、水文條件等諸多因素的影響，所以為了使實船試驗結(jié)果具有普遍意義，需要對試驗條件做出規(guī)定。IMO安全委員會在MSC/Circ.644中作出了詳細規(guī)定。 1. 水深、水域?qū)挾?應(yīng)在深水、寬度不受限制、但遮蔽條件較好的水域進行標準操縱性試驗，其水深應(yīng)大于4倍的船舶平均吃水。 2. 船舶載況和吃水差 船舶應(yīng)在滿載(達到夏季吃水)、平吃水(吃水差為0)的條件下進行試驗。即確保螺旋槳有足夠的沉深。,一、試驗條件,3. 氣象與海浪 應(yīng)盡可能在比較平靜的水域進行試驗，具體規(guī)定如下 (1) 風力不超過蒲氏5級 (2) 海

11、浪不超過4級 (3) 流場比較均勻 4. 試驗船速 標準對實船試驗中的最小船速的規(guī)定為：應(yīng)達到船舶海上速度的85%，主機功率達到最大輸出功率的90% 。,一、試驗條件,1. 試驗觀測手段 隨著測量技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)方法基本上被淘汰了。目前的觀測位置的手段主要采用差分GPS(DGPS)，觀測方向的手段采用羅經(jīng)或姿態(tài)測量儀等。隨著計算機的發(fā)展，實船試驗測量獲得的數(shù)據(jù)可以進行自動處理。 2. 記錄內(nèi)容 每次船舶操縱性試驗，都要求對有關(guān)的實驗條件、試驗觀測數(shù)據(jù)進行記錄，這些條件和數(shù)據(jù)包括：,二、觀測與記錄,(1) 船舶數(shù)據(jù) 試驗之前，要記錄船舶首、尾吃水，以便計算船舶平均吃水、排水量和船舶縱向重心位置等

12、。此外，還要記錄試驗的地理位置、試驗水域情況等。還要記錄船舶的螺旋槳、舵以及側(cè)推器的特性及運行情況 (2) 環(huán)境數(shù)據(jù) 環(huán)境條件記錄的內(nèi)容包括：水深、波浪(浪級，涌浪的周期及方向)、海流、能見度以及其他氣象、水文情況,二、觀測與記錄,(3) 試驗數(shù)據(jù) 應(yīng)對有關(guān)試驗的數(shù)據(jù)進行觀測，并以每次不超過20秒的間隔進行記錄，這些數(shù)據(jù)包括：位置、航向、船速、舵角及轉(zhuǎn)舵速率、螺旋槳轉(zhuǎn)速、螺旋槳螺距以及風速等。試驗中還要對每次記錄發(fā)出的時間信號進行記錄,二、觀測與記錄,旋回試驗是指在試驗船速直航條件下，操左35舵角和右35舵角或設(shè)計最大舵角并保持之，使船舶進行左、右旋回運動的試驗。 1. 試驗方法 (1) 保持

13、船舶直線定常航速； (2) 旋回之前一個船長時，記錄初始船速、航向角、及推進器轉(zhuǎn)速等；,三、旋回試驗(Turning Test),1. 試驗方法 (3) 發(fā)令，迅速轉(zhuǎn)舵到指定的舵角，并維持該舵角； (4) 隨著船舶的轉(zhuǎn)向，每隔不超過20秒的時間間隔，記錄軌跡、航速、橫傾角、及螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)等數(shù)據(jù)。 (5) 在整個船舶旋回中，保持各種控制不變，直至船舶旋回360度以上，可結(jié)束一次試驗。,三、旋回試驗(Turning Test),2. 旋回圈及特征參數(shù) 在旋回試驗中，船舶重心所描繪的軌跡稱為旋回圈。旋回圈是表示船舶旋回性能的重要指標。旋回圈越小，旋回性能越好,三、旋回試驗(Turning Test),

14、Z形操縱試驗是一種評價船舶偏轉(zhuǎn)抑制性能的試驗，同時，可通過Z形操縱試驗結(jié)果求取操縱性指數(shù)K、T。 1. 試驗方法 以10/10(分子表示舵角，分母表示進行反向操舵時的航向角)Z形操縱試驗為例，試驗方法簡述如下 (1) 保持船舶直線定常航速；發(fā)令之前記錄初始船速、航向角、及推進器轉(zhuǎn)速等； (2) 發(fā)令，迅速轉(zhuǎn)右舵到指定的舵角(10)，并維持該舵角,四、Z形操縱試驗(Zig-zag tests),1. 試驗方法 (3) 發(fā)令，迅速轉(zhuǎn)右舵到指定的舵角(10)，并維持該舵角； (4) 船舶開始右轉(zhuǎn)，當船舶航向改變量與所操舵角相等時，迅速轉(zhuǎn)左舵到指定的舵角(10)，并維持該舵角； (5) 當船舶向左航向

15、改變量與所操左舵角相等時，迅速轉(zhuǎn)右舵到指定的舵角(10或20)，并維持該舵角； (6) 如此反復(fù)進行，操舵達5次時，可結(jié)束一次試驗。,四、Z形操縱試驗(Zig-zag tests),2. 特征參數(shù) Z形操縱試驗結(jié)果可以下圖形式表示。其縱坐標為航向角或舵角，橫坐標為時間。從圖中可直接給出下列特征參數(shù)：,四、Z形操縱試驗(Zig-zag tests),2. 特征參數(shù) (1) 航向超越角(Overshoot Angle) 航向超越角指每次進行反向操舵后，船首向向操舵相反一側(cè)繼續(xù)轉(zhuǎn)動的增加值?？梢?，航向超越角是從航向變化量方面對船舶轉(zhuǎn)動慣性的一種度量。超越角越大，船舶轉(zhuǎn)動慣性越大。一般用第一超越角和第

16、二超越角作為衡量船舶慣性的參數(shù)。 (2) 航向超越時間(Overshoot Time) 航向超越時間指每次進行反向操舵時刻起至船首向開始向操舵一側(cè)轉(zhuǎn)動的時刻之間的時間間隔。航向超越時間是從時間方面對船舶轉(zhuǎn)動慣性的一種度量。超越時間越長，船舶轉(zhuǎn)動慣性越大。一般用第一超越時間和第二超越時間作為衡量船舶慣性的參數(shù)。,四、Z形操縱試驗(Zig-zag tests),由于船舶在海上不斷遇到的干擾作用，因此，不能用直接試驗方法測定船舶的航向穩(wěn)定性和旋回運動穩(wěn)定性，必須用間接的試驗方法，既螺旋試驗，它是由迪德在20世紀40年代提出的。其目的是評價船舶的航向穩(wěn)定性和旋回穩(wěn)定性。 1. 試驗方法 (1)保持船舶

17、直線定常航速，操舵開始前，記錄初始船速、航向角、及推進器轉(zhuǎn)速等； (2) 發(fā)令，迅速轉(zhuǎn)舵到一舷指定的舵角，并保持該舵角，使船舶進入旋回狀態(tài)；,五、螺旋試驗(Spiral Manoeuvres),(3) 待旋回角速度達到定常值時，記錄相應(yīng)的角速度r 和舵角 ； (4) 將舵角改變一個規(guī)定的角度，再重復(fù)測量角速度r 和舵角 ，以15舵角為例，依次改變舵角從右15右10右5右3右10左1左3左5左10左15左10左5左3左10右1右3右5右10右15，舵角變化一周，回到開始值時，可結(jié)束一次試驗。,五、螺旋試驗(Spiral Manoeuvres),2. 特征參數(shù) 舵角相當于一種干擾，當干擾逐漸減小或

18、消失后，試驗結(jié)果可以把定常旋回角速度作為舵角的函數(shù)，得到圖1和2的圖形。 ：,五、螺旋試驗(Spiral Manoeuvres),圖1中r 與具有單值關(guān)系，則船舶具有航向穩(wěn)定性；圖2中r 與不具有單值關(guān)系。在舵角處于a、b之間時，角速度約在c、d之間， r 與關(guān)系構(gòu)成一個回環(huán)，通常稱為螺旋試驗的滯后環(huán)。,五、螺旋試驗(Spiral Manoeuvres),在滯后環(huán)范圍內(nèi)，舵角由右舵變化到0時，對應(yīng)的角速度不等于0，而為c點之值，船舶仍然向右轉(zhuǎn)動。而當舵角變?yōu)樽蠖鏁r，只要a，船舶仍然具有右轉(zhuǎn)的角速度。這就是常說的反操現(xiàn)象。直到達到a時，船舶突然開始向左轉(zhuǎn)向，其后進入正常的左舵左轉(zhuǎn)狀態(tài)。反之，船舶

19、從左向右變化時，又重復(fù)上述過程。滯后環(huán)的寬度和高度是衡量船舶運動穩(wěn)定性的標志，在滯后環(huán)以外，船舶運動是穩(wěn)定的。,五、螺旋試驗(Spiral Manoeuvres),停船試驗是指船舶在試驗速度時，進行全速倒車，直至船舶對水完全停止的試驗。其目的是評價船舶的停止慣性。 1. 試驗方法 (1) 保持船舶直線定常航速；發(fā)令之前記錄初始船速、航向角、及推進器轉(zhuǎn)速等； (2) 發(fā)令，將主機由全速進車轉(zhuǎn)為全速倒車； (3) 船舶開始減速，當船舶對水速度為0時，可結(jié)束一次試驗。,六、停船試驗(Stopping test),2. 特征參數(shù) 停船試驗結(jié)果可以下圖的形式表 示。其縱坐標為距離，橫坐標也為距 離。從圖

20、中可直接給出下列特征參數(shù)。,六、停船試驗(Stopping test),引 言 一、船舶必備操縱性資料 二、操縱性衡準數(shù),第七節(jié) 船舶操縱性衡準,船舶操縱性試驗是對船舶操縱性的一種物理模擬，由試驗求得的特征參數(shù)可作為操縱性好壞的衡準。 近年來由于船舶尺度越來越大，航速越來越高，以及運輸量的增加，船舶的航行安全性越來越為人們關(guān)注。 從近期發(fā)生的海上碰撞事故看，缺乏操縱性資料，操縱引起的誤差是產(chǎn)生碰撞的主要原因。為此，國際海事組織(IMO)正式建議，船上必須具備操縱性和制動性資料，規(guī)定所有船只必須提供統(tǒng)一的操縱性手冊，并對船舶操縱性橫準數(shù)做出了具體規(guī)定，要求出具最科學、合理的標準來，以保證操縱的安

21、全性。這些衡準即為操縱性指標。船舶操縱性橫準是以定量的數(shù)據(jù)來評價船舶操縱性能優(yōu)劣的判據(jù)。,引 言,為使船舶操縱性有關(guān)信息的內(nèi)容和格式達成一致，需要建立一個能為駕駛者提供更多操船細節(jié)的操縱資料，為此，1987年11月，IMO大會通過了A601(15)決議，要求船舶配備引航卡、駕駛臺操縱性圖及船舶操縱手冊三種形式的隨船資料。 1. 引航卡(Pilot Card) 引航卡是一種船長與引航員之間關(guān)于船舶操縱性能進行信息溝通的資料卡。引航卡每航次由船長填寫。其內(nèi)容包括本船的主尺度、操縱裝置性能、船在不同載況時主機不同轉(zhuǎn)速下的航速以及船舶特殊操縱裝置(側(cè)推器)等信息。,一、船舶必備操縱性資料,2. 駕駛臺操縱性圖(Wheelhouse Poster) 駕駛臺操縱性圖是一種詳細概述船舶旋回性能和停船性能的圖表資料，置于駕駛臺顯著位置。其內(nèi)容包括深水和淺水(1.2)，滿載和壓載情況下船舶的旋回圈軌跡圖及制動性能(停船試驗)資料。 3. 船舶操縱手冊(Maneuvering Booklet) 船舶操縱手冊是詳細描述船舶實船操縱性試驗結(jié)果的手冊，它是重要的船舶資料之一。其主要內(nèi)容包括旋回試驗、Z形操縱試驗和停船試驗的試驗條件、試驗記錄以及試驗分析等。操縱手冊包括全部駕駛臺