船舶操縱第二章

第二章船舶操縱性基礎(chǔ)操船者關(guān)心的問題？實施操縱后船舶對操縱的反應(yīng)船舶的運動性能如何船舶操縱性就是研究運動性能的科學(xué)1第一節(jié)船舶操縱性概述定義：船舶操縱性是指船舶對外界干擾或操縱者操縱的反應(yīng)能力第二章船舶操縱性基礎(chǔ)狹義：船舶操縱性是保持和改變航向的性能廣義：不但包括航向控制，而且還包括：加速、減速、停船等變速的控制。2船舶固有運動性能

船舶操縱運動性能

一、船舶操縱性指標及其判別第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶操縱性分為：如何評價船舶操縱性能？1、船舶操縱性指標IMO船舶操縱性標準中將船舶的6個顯著操縱運動性能作為評價船舶操縱性的指標31）固有穩(wěn)定性——船舶自動保持直線運動的性能指標第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2）保向性——操舵時船舶保持直線運動的性能指標3）初始回轉(zhuǎn)性/改向性——船舶改變航向的性能指標4）首搖抑制性——操舵時抑制船舶轉(zhuǎn)動慣性的性能指標5）旋回性——操滿舵時船舶回旋軌跡所占水域大小的性能指標6）停船性——船舶縱向運動動慣性的性能指標船舶控制操縱性船舶固有操縱性42、航行環(huán)境影響下的操縱性1）實船試驗旋回試驗Z形試驗3）淺水操縱性2）受限水域操縱性1）風(fēng)中操縱性螺旋試驗第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、船舶操縱性的判別逆螺旋試驗停船試驗回舵試驗52）試驗測定參數(shù)直接判據(jù)間接判據(jù)1987年11月，IMO大會通過了A.601(15)決議，要求船舶配備以下隨船資料：1、引航卡2、駕駛臺操縱性圖第二章船舶操縱性基礎(chǔ)二、船舶必備操縱性資料3、船舶操縱手冊6三、船舶操縱性指數(shù)1、一階船舶運動方程第二章船舶操縱性基礎(chǔ)式中：—船舶回轉(zhuǎn)慣性力矩系數(shù)—船舶回轉(zhuǎn)阻尼力矩系數(shù)—舵的回轉(zhuǎn)力矩系數(shù)將上式兩端同除以得到：7K、T是一種可以表征船舶操縱性的特殊參數(shù)第二章船舶操縱性基礎(chǔ)設(shè)得：2、無因次化船舶操縱性指數(shù)8第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、操縱性指數(shù)的應(yīng)用在實際操船中，操船者總是希望T越小越好，K越大越好，為什么？9第二章船舶操縱性基礎(chǔ)第二節(jié)航向穩(wěn)定性與保向性一、航向穩(wěn)定性與保向性的概念1、船舶運動穩(wěn)定性船舶運動穩(wěn)定性穩(wěn)定性，指物體在受外界干擾，使其偏離原定常運動狀態(tài)，當干擾消失后，物體是否具有回復(fù)到原定常運動狀態(tài)的能力。能回復(fù)，具有穩(wěn)定性不能回復(fù)，不具有穩(wěn)定性就船舶運動方向性來說有三種運動穩(wěn)定性情況：10第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶運動穩(wěn)定性的種類：直線穩(wěn)定方位穩(wěn)定位置穩(wěn)定11第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1）直線運動穩(wěn)定性：干擾消失后，其重心軌跡最終回復(fù)為一直線，航向發(fā)生變化2）方向穩(wěn)定性：干擾消失后，其重心軌跡最終回復(fù)為與原航線平行的另一直線3）位置穩(wěn)定性：干擾消失后，其重心軌跡最終回復(fù)為與原航線的延長線上12第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、航向穩(wěn)定性的概念船舶在直線航行過程中受到某種擾動而改變了原航向，當擾動消失候后，不經(jīng)過操縱就能在新航向上恢復(fù)直線運動，這樣的船舶就具有航向穩(wěn)定性，也稱固有穩(wěn)定性。3、保向性的概念船舶保持原航向的性能。即使船舶具有航向穩(wěn)定性，但不對其操縱，一般也不具有保持航跡的性能。因此，保向性是操舵保持船舶直線運動的性能。13第二章船舶操縱性基礎(chǔ)4、航向穩(wěn)定性與保向性的關(guān)系航向穩(wěn)定性與保向性既有區(qū)別又有聯(lián)系區(qū)別：航向穩(wěn)定性是船舶固有的運動性能。與船舶的幾何尺度和運動狀態(tài)有關(guān)，而與操船者的操縱無關(guān)。保向性是船舶受控狀態(tài)下的運動性能，即對操縱的反應(yīng)能力。聯(lián)系：航向穩(wěn)定性好的船舶保向性也相應(yīng)的好；反之較差。14二、航向穩(wěn)定性的判別第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、直接判別參數(shù)可通過實船試驗直接獲得。航向穩(wěn)定性的判別螺旋試驗回舵試驗具備航向穩(wěn)定性不具備航向穩(wěn)定性不具備航向穩(wěn)定性具備航向穩(wěn)定性有關(guān)直線運動穩(wěn)定性的判別祥見船舶操縱性試驗。152、間接判別參數(shù)第二章船舶操縱性基礎(chǔ)可根據(jù)船舶操縱性指數(shù)判斷一階船舶操縱運動方程：對該方程求解得：具有航向穩(wěn)定性不具有航向穩(wěn)定性16一、變向性能概述第三節(jié)船舶變向性能第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶的變向性能包括首搖抑制性初始回轉(zhuǎn)性旋回性是衡量船舶回轉(zhuǎn)運動所占最小水域范圍大小的性能指標定義：操滿舵使船舶進行回轉(zhuǎn)運動的性能1、旋回性船舶以一定速度u直航中操滿舵并保持之，船舶重心所描繪的軌跡俗稱“旋回圈”。17第二章船舶操縱性基礎(chǔ)Ad——進距（Advance）LK——反移量（Kick）

Tr

——橫距（Transfer）

DT——旋回初徑（Tacticaldiameter）

D——旋回直徑（Finaldiameter）18第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2）旋回性與初始回轉(zhuǎn)性能的區(qū)別與聯(lián)系2、初始回轉(zhuǎn)性是衡量直航船舶改變航向能力的性能指標1）定義：船舶對中等舵角的反應(yīng)能力，即操中等舵角時船舶航行單位距離內(nèi)航向角變化大小的性能，或在給定航向角變化量時船舶所航行的距離長短的性能。區(qū)別：評價目的不同，舵角不同。聯(lián)系：操縱性能之一，都是改變航向的性能。19第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、首搖抑制性2）初始回轉(zhuǎn)性能與首搖抑制性能的區(qū)別與聯(lián)系1）定義：船舶進入旋回狀態(tài)，角速度達到一定時向旋回相反方向操舵，船首向?qū)Χ娴姆磻?yīng)能力的性能，即指操反舵后船首向?qū)Χ娴南鄳?yīng)迅速程度的能力。區(qū)別：前者是由靜到動，后者由動到靜。聯(lián)系：都是船舶轉(zhuǎn)動慣性的一種度量20第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶以一定航速直進當中操某一舵角并保持之，船舶將進入旋回過程。根據(jù)船舶在旋回運動過程中所受外力特點之變化，以及運動狀態(tài)之不同，可將船舶旋回過程劃分為三個階段，如圖所示。二、旋回運動過程211、第一階段（轉(zhuǎn)舵階段）

轉(zhuǎn)舵階段:

指從轉(zhuǎn)舵開始到舵轉(zhuǎn)至規(guī)定角度為止，時間很短(約15s)受力情況：隨著舵的轉(zhuǎn)動，由舵角引起橫向力和力矩，使船產(chǎn)生橫向加速度和回轉(zhuǎn)角加速度。時間(約15s)運動特點：由于船體本身的慣性很大，由于轉(zhuǎn)舵階段的時間很短，還來不及產(chǎn)生明顯的橫向速度和回轉(zhuǎn)角速度。

v’0,r’0,v=r=0船舶運動分析：船舶重心G操舵相反一舷的小量橫移船舶橫向向操舵一舷傾斜（內(nèi)傾）222、第二階段（過渡階段）過渡階段：指從轉(zhuǎn)舵結(jié)束起到船舶進入定?；剞D(zhuǎn)運動為止的動態(tài)過程受力情況：操舵后，隨著船舶橫移速度增加，漂角增大，流體產(chǎn)生作用于船體的力和力矩，將使船舶的旋回運動進入加速旋回運動特點：v<0,r>0,v’0,r’0船舶運動分析：船舶的運動速度矢量將逐漸偏離首尾面而向外轉(zhuǎn)動，越來越明顯的斜航運動將使船舶的旋回運動進入加速旋回階段船舶的橫向運動由內(nèi)傾漸漸向外傾變化233、第三階段—定常階段（steadyturning）受力情況：經(jīng)過過渡過程的發(fā)展變化，作用于船體的力和力矩將最后達到平衡，船舶以一定的橫向速度和回轉(zhuǎn)速度繞固定點作定?；剞D(zhuǎn)運動。運動特點：

v’=0,r’=0,v=const.,r=const.船舶運動分析：船舶的橫向運動為外傾24船舶旋回的三個階段圖示25旋回運動過程中運動參數(shù)變化26第二章船舶操縱性基礎(chǔ)三、旋回性的直接判斷1、進距（Advance）—Ad

2、橫距（Transfer）—Tr

航向角變化90度時船舶重心的縱向移動距離。

判斷旋回過程中船舶縱向占用水域范圍的依據(jù)。

一般運輸船舶的Ad

/L為2.8~4。航向角變化90度時船舶重心的橫向移動距離。

判斷旋回過程中船舶橫向占用水域范圍的依據(jù)。

一般運輸船舶的AT/L為2.8~4.2。27第二章船舶操縱性基礎(chǔ)航向教角變化180度時,船舶重心橫向移動的距離.

判斷旋回過程中船舶橫向占用水域范圍的依據(jù)。

一般運輸船舶的DT/L為2.8~4.2。船舶進入定常旋回時的旋回圈直徑.

判斷船舶進入定常旋回時,占用水域范圍的依據(jù).

一般D≈0.9DT;D/L為3左右.3、旋回初徑（Tacticaldiameter）—DT4、旋回直徑（Finaldiameter）—D28第二章船舶操縱性基礎(chǔ)在旋回轉(zhuǎn)舵階段,由于船舶轉(zhuǎn)動慣量很大,還來不及長生較大旋轉(zhuǎn)角速度,則在轉(zhuǎn)舵產(chǎn)生的橫向力作用下,船舶重心產(chǎn)生向轉(zhuǎn)舵相反的方向上的橫移量.

5、反移量（Kick）—LK一般情況下,LK≈0.01L,船尾的反向橫移量約為船長的1/10~1/5.29第二章船舶操縱性基礎(chǔ)四、變向性的間接判斷一階船舶運動方程：

通過對K、T指數(shù)的分析可以判斷船舶旋回性的優(yōu)劣。

初始條件t=0,r=0的解：

舵角δ一定時旋轉(zhuǎn)角速度r取決于操縱性指數(shù)K、T。1、旋回性的間接判斷：

30對T值分三種狀態(tài)討論：第二章船舶操縱性基礎(chǔ)這種情況為理想狀態(tài)，實際中不存在。船舶最終進入定常旋回，T越小，進入定常角速度的時間越短。船舶最終不能達到定常旋回。那么船舶將作何種運動？31對K值的討論：第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶最終進入定常旋回。1）T是時間常數(shù)(s),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。T越小，進入定常角速度的時間越短，即船首向“追隨”舵角的能力越好，故T為“追隨性指數(shù)”。結(jié)論：32第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2）K是旋回角速度(1/s),它的大小決定了船舶達到定常旋回角速度的大小。K越大，進入定常旋回的角速度越大，即船舶旋回效率越高，故K為“旋回性指數(shù)”。3）按K、T指數(shù)區(qū)分船舶操縱性的四種情況：33第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、改向性的間接判斷：

改向性可用旋回滯后距離D0和新航向距離DC判斷：

結(jié)論：新航向距離越小，改向性越好；反之越差。

當T值小，K值大時，改向性好，反之改向性差。34第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、改向性的間接判斷：

五、旋回過程中的其他運動參數(shù)1、旋回過程中的轉(zhuǎn)心

2、旋回過程中的漂角

3、旋回降速

4、旋回時間

5、旋回橫傾角

35轉(zhuǎn)舵階段定常階段第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3637第四節(jié)船舶變速性能第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶的變速性能包括停船減速加速加速過程中船舶航向的控制能力逐漸增強；而減速過程中船舶航向的控制能力逐漸減弱。因此，從船舶操縱安全的角度出發(fā)，船舶的減速和停船性能更值得關(guān)注。倒航38一、船舶變速性能及其判別第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、定義：船舶對變速操縱的反應(yīng)能力。2、度量船舶運動慣性的技術(shù)指標。慣性時間：慣性距離：具體計算很復(fù)雜，一般采用估算公式和實船試驗結(jié)果來判斷變速性能。39二、各種變速操縱性能第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、加速性能：船舶從靜止或某一速度增加到更高速度的性能。2、減速性能：減速操縱后船速遞減過程中的運動性能。3、停船性能：船舶在任意前進速度時使用倒車使船舶停止的性能40三、最短停船距離的估算第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、根據(jù)動能定理確定任意速度的停船距離假設(shè)條件：1）阻力與船速平方成正比

2）倒車拉力是一個常量

3）不考慮主機換向時間41第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、IMO推薦的估算公式：式中：s——倒車沖程(m);

LPP——船長(m);

A——船舶質(zhì)量與船舶阻力之比；

B——倒車前阻力與停船時拉力之比；

C——倒車拉力作用時間與初始速度乘積。42第五節(jié)船舶操縱性試驗第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶操縱性的研究方法：試驗（實船或船模）理論（船舶運動方程）理論方法的缺點：存在假設(shè)條件，結(jié)果近似，近似程度不能確定。試驗方法的缺點：不能一一進行實驗試驗方法的要求：1）具有普遍和實際意義；

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。常用的操縱性試驗：旋回、回舵、Z形、螺旋或逆螺旋、制動等。43第二章船舶操縱性基礎(chǔ)IMO安全委員會對試驗水深、水域?qū)挾?、氣象條件、水文條件有詳細規(guī)定2、船舶載況和吃水差1、水深、水域?qū)挾纫?、實船試驗條件水深大于4倍船舶平均吃水；水域?qū)挾炔皇芟?；遮蔽條件較好。船舶滿載（夏季吃水）；平吃水；螺旋槳有足夠的沉深。44第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、氣象與海況4、試驗船速1）風(fēng)力不超過5級（19kn）；2）海浪不超過4級（有義波高1.9m，最大波周期8.8s）；3）流場比較均勻（流速、流向穩(wěn)定）。1）船速應(yīng)達到海上速度的85%;2）主機功率達到最大輸出功率的90%。45第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、記錄內(nèi)容1、試驗觀測手段二、觀測與記錄位置：差分GPS方向：羅經(jīng)或姿態(tài)測量儀1）船舶數(shù)據(jù)2）環(huán)境條件3）試驗數(shù)據(jù)46第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、旋回圈及特征參數(shù)1、試驗方法三、旋回試驗旋回圈越小，旋回性能越好。是指在試驗船速直航條件下，分別操左和右滿舵，并保持之，使船舶進行左和右旋回運動。5）保持舵角轉(zhuǎn)速不變直至航向角變化3600以上。4）每隔不超過20s時間間隔記錄：船位、航速、橫傾角及轉(zhuǎn)速。1）保持船舶直線定常航速。2）旋回前一個船長時，記錄：初始船速、航向及轉(zhuǎn)速。3）發(fā)令，迅速轉(zhuǎn)滿舵并維持之。47第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、試驗方法四、Z形試驗可通過Z形試驗求取K、T指數(shù)，分別可作50/50、100/100和200/200試驗。48第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、特征參數(shù)1）航向超越角2）航向超越時間航向超越角和航向超越時間都是對船舶轉(zhuǎn)動慣性的一種度量其越大船舶轉(zhuǎn)動慣性越大。49第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、試驗方法1）保持船舶直線定常航速。2）發(fā)令，將主機由進車改為全速倒車。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。評價船舶的停止慣性。3）船舶開始減速，當船舶對水速度為零時試驗結(jié)束。五、停船試驗50第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、特征參數(shù)1）縱向進距（Headreach）2）橫向偏移量（Lateraldeviation）

3）航跡進距（Trackreach）

4）航向變化量（Headingdeviation）51第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、旋回性旋回圈進距不超過4.5倍船長，旋回初徑不超過5倍船長是對船舶操縱性的一種物理模擬，由試驗求得特征參數(shù)，以定量的數(shù)據(jù)來評價船舶操縱性的優(yōu)劣。2、初始回轉(zhuǎn)性六、船舶操縱性衡準IMO對100米及以上海船的要求如下：操左或右舵10度后，船首向改變10度時，船舶在原航向上的縱向行進距離不超過2.5倍船長。52第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、首搖抑制性能和保向性100L/V<10s時；200L/V>30s時；(5+1/2(L/V))10s<L/V<30s時。1）100/100Z形試驗測得的第一超角應(yīng)不超過：2）100/100Z形試驗測得的第二超角應(yīng)不超過：3）200/200Z形試驗測得的第一超角應(yīng)不超過250。250L/V<10