第1章船舶操縱基礎(chǔ)理論

1、洪碧光大 連 海 事 大 學(xué)第一章第一章 船舶操縱性基礎(chǔ)船舶操縱性基礎(chǔ)第五節(jié)第五節(jié) 船舶操縱性指數(shù)船舶操縱性指數(shù) 1943年，英國(guó)人年，英國(guó)人Kempf在在1943年首先提出一種衡量船舶機(jī)動(dòng)年首先提出一種衡量船舶機(jī)動(dòng)性能的試驗(yàn)方法。性能的試驗(yàn)方法。1957年以來(lái)野本謙作和諾賓發(fā)展了一種對(duì)年以來(lái)野本謙作和諾賓發(fā)展了一種對(duì)Z形實(shí)形實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析的新方法驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析的新方法-K、T分析法。受到了廣泛的重分析法。受到了廣泛的重視和應(yīng)用。視和應(yīng)用。 野本認(rèn)為船舶的受控運(yùn)動(dòng)基本上是一個(gè)質(zhì)量很大的物體在舵的野本認(rèn)為船舶的受控運(yùn)動(dòng)基本上是一個(gè)質(zhì)量很大的物體在舵的作用下進(jìn)行的一種緩慢的轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)。他略

2、去了船舶回轉(zhuǎn)角速度的高作用下進(jìn)行的一種緩慢的轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)。他略去了船舶回轉(zhuǎn)角速度的高階影響，用下列數(shù)學(xué)模型來(lái)描述船舶運(yùn)動(dòng)：階影響，用下列數(shù)學(xué)模型來(lái)描述船舶運(yùn)動(dòng)： 一船舶操縱性指數(shù)一船舶操縱性指數(shù)K K、T TCNrrI式中：式中：I 為船舶回轉(zhuǎn)慣性力矩系數(shù)；為船舶回轉(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)；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)。為舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩系數(shù)。將上式兩端同乘以將上式兩端同乘以1/N，得：，得： 我們?cè)O(shè)我們?cè)O(shè)T=I/N，K=C/N，代入上式，得：，代入上式，得： 即一階船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程。野本認(rèn)為即一階船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程。野本認(rèn)為K、T表征船舶

3、操縱性的特表征船舶操縱性的特征參數(shù)。征參數(shù)。 一船舶操縱性指數(shù)一船舶操縱性指數(shù)K K、T TNCrrNIKrrT1. 指數(shù)指數(shù)K、T的物理意義的物理意義 （1）力學(xué)意義）力學(xué)意義 由由T=I/N可見(jiàn)：參數(shù)可見(jiàn)：參數(shù)T是慣性力矩與阻尼力矩之比，是慣性力矩與阻尼力矩之比，T值越大，值越大，表示船舶慣性大而阻尼力矩??；反之，表示船舶慣性大而阻尼力矩??；反之，T值越小，表示船舶慣性小而值越小，表示船舶慣性小而阻尼力矩大。阻尼力矩大。 由由K=C/N可見(jiàn)：參數(shù)可見(jiàn)：參數(shù)K是舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩與阻尼力矩之比，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，值越大，表示舵

4、產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩大而阻尼力矩小；反之，K值越小，值越小，表示舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩小而阻尼力矩大。表示舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩小而阻尼力矩大。 為了提高船舶的操縱性，我們總希望它慣性盡可能小，而舵產(chǎn)為了提高船舶的操縱性，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，也就是希望生的回轉(zhuǎn)力矩盡可能大，也就是希望T盡量小，盡量小，K盡量大。盡量大。 一船舶操縱性指數(shù)一船舶操縱性指數(shù)K K、T T1. 指數(shù)指數(shù)K、T的物理意義的物理意義 （2）運(yùn)動(dòng)學(xué)意義）運(yùn)動(dòng)學(xué)意義 按給定的初始條件：按給定的初始條件：t=0，r=0，可以求解上述方程式，得到，可以求解上述方程式，得到船舶轉(zhuǎn)向角速度的表達(dá)式：船舶轉(zhuǎn)向角速度的表

5、達(dá)式： 對(duì)于具有航向穩(wěn)定性的船舶，對(duì)于具有航向穩(wěn)定性的船舶，T0，T絕對(duì)值越小，隨著絕對(duì)值越小，隨著t的增的增大，大，e-t/T將衰減得越快。將衰減得越快。 對(duì)于不具有航向穩(wěn)定性的船舶，對(duì)于不具有航向穩(wěn)定性的船舶，T0，隨著，隨著t的增大，的增大，e-t/T將將不衰減，也就是說(shuō)，船舶將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。不衰減，也就是說(shuō)，船舶將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。一船舶操縱性指數(shù)一船舶操縱性指數(shù)K K、T T)1 (10TeKr T 的運(yùn)動(dòng)學(xué)意義為：是系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，它的符號(hào)決定了運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)意義為：是系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，它的符號(hào)決定了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，它的大小決定了船舶達(dá)到定常旋回角速度的時(shí)間，其因的穩(wěn)定性，它的大小決定了船舶達(dá)到定常

6、旋回角速度的時(shí)間，其因次為次為sec。 對(duì)于具有航向穩(wěn)定性的船舶，對(duì)于具有航向穩(wěn)定性的船舶，t時(shí)，時(shí)，r =K，K值越大，值越大，r越越大。大。 K 的運(yùn)動(dòng)學(xué)意義為：船舶受單位持續(xù)舵角作用下產(chǎn)生的最終旋的運(yùn)動(dòng)學(xué)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，其因次為回角速度，其因次為1/sec。 一船舶操縱性指數(shù)一船舶操縱性指數(shù)K K、T T2. 指數(shù)指數(shù)K、T的無(wú)因次化及其量值的無(wú)因次化及其量值 （1）K、T的無(wú)因次化的無(wú)因次化 目前，目前，K、T指數(shù)被廣泛用來(lái)評(píng)價(jià)船舶的操縱性能。除了上述有指數(shù)被廣泛用來(lái)評(píng)價(jià)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(wú)因次值因次

7、的形式以外，為了便于比較，還可以使用無(wú)因次值K、T，其，其定義為：定義為： 一船舶操縱性指數(shù)一船舶操縱性指數(shù)K K、T T)()(LVTTVLKK2. 指數(shù)指數(shù)K、T的無(wú)因次化及其量值的無(wú)因次化及其量值 （1）K、T的無(wú)因次化的無(wú)因次化 諾賓在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建議用機(jī)動(dòng)性參數(shù)諾賓在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建議用機(jī)動(dòng)性參數(shù)P來(lái)衡量船舶的機(jī)動(dòng)來(lái)衡量船舶的機(jī)動(dòng)性，性，P定義為：定義為： 分析上述一階操縱運(yùn)動(dòng)方程的解，可以看出：分析上述一階操縱運(yùn)動(dòng)方程的解，可以看出：P 值實(shí)際上是在值實(shí)際上是在操單位舵角后，船舶航行一個(gè)船長(zhǎng)距離時(shí)，按一階模擬得到的航向操單位舵角后，船舶航行一個(gè)船長(zhǎng)距離時(shí)，按一階模擬得到的航向角的

8、變化值。有的資料上稱(chēng)角的變化值。有的資料上稱(chēng) P 為為“舵效指數(shù)舵效指數(shù)” 一船舶操縱性指數(shù)一船舶操縱性指數(shù)K K、T T)1 (/1 TeTTKP2. 指數(shù)指數(shù)K、T的無(wú)因次化及其量值的無(wú)因次化及其量值 （1）K、T的無(wú)因次化的無(wú)因次化 對(duì)對(duì)e-1/T展開(kāi)成冪級(jí)數(shù)，則可得展開(kāi)成冪級(jí)數(shù)，則可得 可見(jiàn)，舵效指數(shù)可見(jiàn)，舵效指數(shù) P 與與K、T的比值有關(guān)。的比值有關(guān)。 一船舶操縱性指數(shù)一船舶操縱性指數(shù)K K、T TTKTTTKP21)1(61)1(21322. 指數(shù)指數(shù)K、T的無(wú)因次化及其量值的無(wú)因次化及其量值 （2）K、T 的量值的量值 K 、T 的值是通過(guò)的值是通過(guò)Z形實(shí)驗(yàn)求得的。有形實(shí)驗(yàn)求得的

9、。有10、15、20度等幾種實(shí)度等幾種實(shí)驗(yàn)。一般取驗(yàn)。一般取10度實(shí)驗(yàn)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)。度實(shí)驗(yàn)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于一般船舶的操縱性能，對(duì)于一般船舶的操縱性能，K、T在下列范圍內(nèi)：在下列范圍內(nèi)：滿載貨輪（滿載貨輪（L=100160m）K=1.52.0 T=1.52.5滿載油輪（滿載油輪（L=150250m）K=1.73.0 T=3.06.0 一船舶操縱性指數(shù)一船舶操縱性指數(shù)K K、T T 根據(jù)根據(jù)K、T指數(shù)，船舶旋回性可分為四種模式：如圖所示。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)二船舶操縱性與指數(shù)K、T的關(guān)系的關(guān)系 T大，大，K小小T大，大，K大大T小，小，K小小T小，小，K大大

10、橫距橫距縱距縱距 船舶操縱性能指數(shù)船舶操縱性能指數(shù)K、T值，將隨舵角、吃水、吃水差、水深與值，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，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(lái)講，有如下關(guān)系但總體來(lái)講，有如下關(guān)系1. 舵角增加：舵角增加： K、T同時(shí)減??；同時(shí)減??；2. 吃水增加：吃水增加： K、T同時(shí)增大；同時(shí)增大；3. 尾傾增加：尾傾增加： K、T同時(shí)減?。煌瑫r(shí)減??；4. 水深變淺：水深變淺： K、T同時(shí)減?。煌瑫r(shí)減??；5. 船型越肥大：船型越肥大： K、T同時(shí)增大同時(shí)增大 三影響三影響K、T指數(shù)的因素指數(shù)的因素

11、可見(jiàn)，船舶的操縱性指數(shù)可見(jiàn)，船舶的操縱性指數(shù)K、T值是同時(shí)減小或同時(shí)增大的，即值是同時(shí)減小或同時(shí)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低。值得注意的是，當(dāng)舵角性的改善又將導(dǎo)致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，當(dāng)舵角增加時(shí)，增加時(shí)，K/、T/值同時(shí)減小，但值同時(shí)減小，但T/值減小的幅度要比值減小的幅度要比K/值減小的幅值減小的幅度大，因此船舶的舵效反而變好。度大，因此船舶的舵效反而變好。 三影響三影響K、T指數(shù)的因素指數(shù)的因素 1. 旋回滯后距離旋回滯后距離Dr的估算的估算

12、 直航船從操滿舵開(kāi)始到航向開(kāi)始直航船從操滿舵開(kāi)始到航向開(kāi)始改變之前船舶前進(jìn)的距離，稱(chēng)為旋回改變之前船舶前進(jìn)的距離，稱(chēng)為旋回滯后距離，用滯后距離，用Dr表示。表示。 其值求取用下式計(jì)算：其值求取用下式計(jì)算：其中：其中：t1轉(zhuǎn)舵時(shí)間轉(zhuǎn)舵時(shí)間 一般將一般將T+t1/2稱(chēng)為旋回滯后時(shí)間。稱(chēng)為旋回滯后時(shí)間。 當(dāng)當(dāng)T增大時(shí)，增大時(shí)，Dr隨之增大；隨之增大；t1增大時(shí)，增大時(shí)，Dr也隨之增大。也隨之增大。 四四K、T指數(shù)的應(yīng)用指數(shù)的應(yīng)用 ACDr)2(1tTVDr2. 新航向距離新航向距離AC的估算的估算 直航船舶操舵后，航向改變量直航船舶操舵后，航向改變量為為時(shí)，轉(zhuǎn)舵開(kāi)始到新航向與原航時(shí)，轉(zhuǎn)舵開(kāi)始到新航向

13、與原航向之交點(diǎn)的距離稱(chēng)為新航向距離向之交點(diǎn)的距離稱(chēng)為新航向距離AC。 其值求取用下式計(jì)算：其值求取用下式計(jì)算：其中：其中：舵角舵角(弧度弧度) K旋回性指數(shù)，其他符號(hào)同前。旋回性指數(shù)，其他符號(hào)同前。 當(dāng)當(dāng)K增大時(shí)，增大時(shí)，AC隨之降低。隨之降低。 四四K、T指數(shù)的應(yīng)用指數(shù)的應(yīng)用 ACDr)212(1tgKtTVAC3. 轉(zhuǎn)向慣性角轉(zhuǎn)向慣性角的估算的估算 直航船舶操舵后，當(dāng)達(dá)到一定的角速度直航船舶操舵后，當(dāng)達(dá)到一定的角速度rc時(shí)，操正舵，船舶繼續(xù)時(shí)，操正舵，船舶繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的航向角，稱(chēng)為轉(zhuǎn)向慣性角旋轉(zhuǎn)的航向角，稱(chēng)為轉(zhuǎn)向慣性角。 其值求取用下式計(jì)算：其值求取用下式計(jì)算： = rc T 可見(jiàn)，當(dāng)可見(jiàn)，當(dāng)

14、T增大時(shí)，增大時(shí)，隨之增大。隨之增大。 四四K、T指數(shù)的應(yīng)用指數(shù)的應(yīng)用 4. 定常旋回直徑定常旋回直徑D的估算的估算 其值求取用下式計(jì)算：其值求取用下式計(jì)算： 可見(jiàn)，當(dāng)可見(jiàn)，當(dāng)T增大時(shí)，增大時(shí)，隨之增大?？梢?jiàn)，隨之增大。可見(jiàn)，D與與K成反比。成反比。 四四K、T指數(shù)的應(yīng)用指數(shù)的應(yīng)用 KVD2第六節(jié)第六節(jié) 船舶操縱性能試驗(yàn)知識(shí)船舶操縱性能試驗(yàn)知識(shí) 引引 言言 引引 言言 一、試驗(yàn)條件一、試驗(yàn)條件 一、試驗(yàn)條件一、試驗(yàn)條件 二、觀測(cè)與記錄二、觀測(cè)與記錄 二、觀測(cè)與記錄二、觀測(cè)與記錄 二、觀測(cè)與記錄二、觀測(cè)與記錄 三、三、旋回試驗(yàn)旋回試驗(yàn)(Turning Test) 三、三、旋回試驗(yàn)旋回試驗(yàn)(Tur

15、ning Test) 三、三、旋回試驗(yàn)旋回試驗(yàn)(Turning Test) 四、四、Z形操縱試驗(yàn)形操縱試驗(yàn)(Zig-zag tests) 四、四、Z形操縱試驗(yàn)形操縱試驗(yàn)(Zig-zag tests) 四、四、Z形操縱試驗(yàn)形操縱試驗(yàn)(Zig-zag tests) First Overshoot AngleZ Z形操縱試驗(yàn)結(jié)果形操縱試驗(yàn)結(jié)果Second Overshoot Angle四、四、Z形操縱試驗(yàn)形操縱試驗(yàn)(Zig-zag tests) 五、螺旋試驗(yàn)五、螺旋試驗(yàn)(Spiral Manoeuvres) 五、螺旋試驗(yàn)五、螺旋試驗(yàn)(Spiral Manoeuvres) 五、螺旋試驗(yàn)五、螺旋試驗(yàn)(Spiral Manoeuvres)圖圖1 1 具有航向穩(wěn)定性的船舶具有航向穩(wěn)定性的船舶圖圖2 2 航向不穩(wěn)定的船舶航向不穩(wěn)定的船舶abcd五、螺旋試驗(yàn)五、螺旋試驗(yàn)(Spiral Manoeuvres)圖圖1 1 具有航向穩(wěn)定性的船舶具有航向穩(wěn)定性的船舶圖圖2 2 航向不穩(wěn)定的