船舶旋回運動

1、一船舶回轉(zhuǎn)運動的方程一船舶回轉(zhuǎn)運動的方程達(dá)朗貝爾定理： 作用于任意物體上的力與力矩與該物體的慣性力和慣性矩平衡。 假定條件：若船舶僅作平面（三維）回轉(zhuǎn)運動，它所受的力分為非慣性力和慣性力；所受力矩分為非慣性力矩和慣性力矩。 力和力矩的方向：與推力方向相同的縱向力為正（+），相反方向的為負(fù)（）；與轉(zhuǎn)舵方向相同的橫向力和力矩為正（+），相反方向為負(fù)（）。 3.2 船舶回轉(zhuǎn)運動船舶回轉(zhuǎn)運動1船舶所受的非慣性力船舶所受的非慣性力 和力矩和力矩 FM（1）螺旋槳所受的推力 。（2）舵壓力 和轉(zhuǎn)船力矩 。 TNPPMsinNxPPcosNyPP（3）船體在某一漂角）船體在某一漂角 下的水動力下的水動力 和

2、轉(zhuǎn)船力矩和轉(zhuǎn)船力矩 RRMsincos21RRRxcossin21RRRyRMlRRlRMyR)cossin(21（4）船體回轉(zhuǎn)運動后出現(xiàn)的阻尼力、阻尼力矩）船體回轉(zhuǎn)運動后出現(xiàn)的阻尼力、阻尼力矩 阻尼力： ， 阻尼力矩： fRaRfRMffaRMaa 綜合（1）（4），船舶平面回轉(zhuǎn)運動受到的總的非慣性力及總的非慣性力矩為： sincossin21RRPTRPTFNxxxafNafyyyRRRRPRRRPFcossincos21)()(afRPzMMMMM2船舶產(chǎn)生的慣性力船舶產(chǎn)生的慣性力 和慣性矩和慣性矩 jFjM 船舶回轉(zhuǎn)運動曲線的切線方向上，因速度變化產(chǎn)生： 慣性離心力 慣性力dtdVkw

3、)1 (1RVkw22)1 ( 將慣性力和慣性離心力分解在 、 軸上得： XYsin)1 (sin)1 (cos)1 (sin)1 ()cos()1 (2211221RVkdtdVkdtdVkRVkdtVdkFwwwwwjxcos)1 (cos)1 (sin)1 (cos)1 ()sin()1 (2211221RVkdtdVkdtdVkRVkdtVdkFwwwwwjy繞 軸的慣性矩為： GZdtdkJMmjz)1 (33船舶非定?；剞D(zhuǎn)運動時的運動方程船舶非定?；剞D(zhuǎn)運動時的運動方程 根據(jù)達(dá)朗貝爾定理達(dá)朗貝爾定理，即： 0jxxFF0jyyFF將以上各式代入并整理得： sin)1 (sin)1 (

4、cos)1 (sincossin221121RVkdtdVkdtdVkRRPTwwwNcos)1 (cos)1 (sin)1 (cossincos221121RVkdtdVkdtdVkRRRRPwwwafNdtdkJMMMMmafRP)1 ()()(3二船舶旋回的運動過程二船舶旋回的運動過程 1機動階段機動階段（反向橫移內(nèi)傾階段）：開始轉(zhuǎn)舵 船首開始轉(zhuǎn)動 運動參數(shù)： ， 00,0,0,0,0cfbRRRRR運動方程簡化為：dtdkJMRVkPdtdVkRPTmPwNwN)1 ()1 (cos)1 (sin32210運動特征：運動特征： （1）船速下降， ，為負(fù)加速度。（2）反向橫移，即船舶重心

5、有向操舵相反一側(cè)橫移的趨勢。 )1 (sin10kRPTdtdVwN ，為負(fù)的曲率半徑，瞬時回轉(zhuǎn)中心在操舵相反的一側(cè)。 cos)1 (22NwPVkR（3）船首有朝操舵一側(cè)偏轉(zhuǎn)的趨勢， ，即回轉(zhuǎn)角加速度為正。（4）船舶朝操舵一側(cè)橫傾（內(nèi)傾）， 舵力位置較船舶重心位置低。 )1 (3kJMdtdmP 2變化階段變化階段（過渡階段、漸變階段）： 回轉(zhuǎn)運動時起定常旋回時止 運動參數(shù)運動參數(shù)：船舶初始漂角很小,所以 ， , 。運動方程簡化為： 01cos0sindtdkJMMRVkdtdVkRPdtdVkRPTmRPwwNwN)1 ()1 ()1 (cos)1 (sin3221210運動特征： （1）

6、船速繼續(xù)下降， ，仍為負(fù)加速度。 )1 (sin10kRPTdtdVwN（2）船舶加快向操舵一側(cè)偏轉(zhuǎn)。 ，即回轉(zhuǎn)角加速度仍為一正值且比機動階段要大。水動力轉(zhuǎn)船力矩仍大于回轉(zhuǎn)阻矩。 )1 (3kJMMdtdmRP（3）船舶重心由反向橫移變?yōu)檎驒M移。 因為： RkVkVkRPVkRVkRPdtdwNwwN)1 ()1 ()1 (cos)1 ()1 (cos12121222（4）船體由內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A。）船體由內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A。 由于船舶作回轉(zhuǎn)運動，船體這個機翼體斜航時受到水動力 的作用；另外船舶回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生了慣性離心力和船體自身的慣性力，其合力為 ；這兩個力都是有助于船舶外傾的，而且作用力矩較大。舵壓力的

7、分量 是阻礙船舶外傾的，但作用力矩較前二者為小。各力的作用點不在同一平面上，綜合作用使得船舶由內(nèi)傾變?yōu)橥鈨A。 yRjyFyP船舶回轉(zhuǎn)后，出現(xiàn)了水阻尼力 、 ，當(dāng) 時， ， ，船舶就做勻速定常回轉(zhuǎn)運動，即進(jìn)入了下一階段穩(wěn)定階段（定常旋回steady turning階段）。 fRaR)()(afRPMMMM0dtdconst3穩(wěn)定階段穩(wěn)定階段（圓航階段）： 船舶作圓周運動時起運動參數(shù)： ， ， ； ， ， ， 0dtd0dtdV0dtdntcosconstV constconstR 運動方程簡化為： afRPwafNwNMMMMRVkRRRRPRVkRRPTcos)1 (cossincossin)

8、1 (sincossin22212221運動特征：（1）船舶以一定的漂角 作勻速圓周運動，即 ， ；（2）船舶處于相對穩(wěn)定的外傾狀態(tài)。 constV const三旋回圈（三旋回圈（turning circle）及其要素）及其要素 船舶旋回圈船舶旋回圈船舶全速、滿舵作回轉(zhuǎn)運動時，船舶重心重心的運動軌跡。旋回圈幾何特征旋回圈幾何特征：最初重心除繼續(xù)前移外，同時反向橫移；隨后變成瞬時曲率半徑 逐漸減小的螺旋線；當(dāng)航向改變量 之后，進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)運動，曲率半徑 為定值。 1R0012090R1縱距縱距（進(jìn)距）Advance ： dATdDA)2 . 16 . 0( 指船舶自操舵起，至航向改變某一角度時止

9、重心所移動的縱向距離。通常，旋回資料中的縱距，特指當(dāng)航向改變通常，旋回資料中的縱距，特指當(dāng)航向改變900時重心時重心沿原航向的縱向移動距離。沿原航向的縱向移動距離。 縱距的大小可以用來表征船舶回轉(zhuǎn)性和跟從性， ，即回轉(zhuǎn)性好；船舶在操舵后進(jìn)入新的穩(wěn)定運動狀態(tài)快，即跟從性好。 操縱應(yīng)用：兩船的縱距之和可以用來推算對遇時的最晚施舵點。 最大縱距： 小小DAdmaxdA2橫距橫距Transfer ： 指船舶自操舵起，至航向改變某一角度時止重心所移動的橫向距離。通常，旋回資料中的橫距，特指當(dāng)航向改變通常，旋回資料中的橫距，特指當(dāng)航向改變900時重心時重心橫向移動距離。橫向移動距離。 最大橫距： rTTr

10、DT5 . 0maxrT3反移量反移量（偏距）kick （亦記作 ）：船舶重心在操舵后向操舵相反方向橫移的最大距離。 KkL當(dāng)滿舵操縱后船首偏轉(zhuǎn)一個羅經(jīng)點左右的時刻：重心處， ；船尾處stern kick， 。LK %1LLK10151KVs,（1）航行中有人落水，立即在落水處操同側(cè)舵，船尾由于kick作用，向外側(cè)擺出，使螺旋槳不致傷害落水人員。（2）在航行中發(fā)現(xiàn)前方近距離內(nèi)有障礙物（如小船），先采用小角度避航（或采用大舵角避航），當(dāng)估計船首已能讓過時，立即用大舵角取反舵，從而使船尾受kick影響，向外側(cè)擺出，即可安全避開障礙物。 反移量在操縱中的應(yīng)用：（3）在兩船相遇中，由于兩船距離很近，若

11、兩船同時操舵避讓，兩船可能突然靠攏而發(fā)生碰撞，這正是兩船同時產(chǎn)生反橫距的結(jié)果。（另外還有船吸作用）（4）在橫移駛靠碼頭（或他船）時，在靠離泊作業(yè)及避碰時，應(yīng)充分利用kick。（5）內(nèi)河船在狹窄航道中回轉(zhuǎn)時，反橫距也是一個重要參數(shù)。 亦稱戰(zhàn)術(shù)直徑，是軍艦回轉(zhuǎn)性的重要指標(biāo)。是指從操舵開始到船舶航向轉(zhuǎn)過1800時重心所移動的橫向距離。 TDLLDT634旋回初徑旋回初徑（tactical diameter）5（定常）旋回直徑（定常）旋回直徑（final diameter） ： ，是指船舶作定常旋回時重心軌跡圓的直徑。 DRD2TDD)2 . 19 . 0(判斷回轉(zhuǎn)性的好壞，可以依據(jù)： 民用船較好，

12、；驅(qū)逐艦較差， 。 LD相對回轉(zhuǎn)直徑73LD10LD6滯距滯距（reach）：eRO 滯距 表示操舵后到船舶進(jìn)入旋回的滯后距離，是衡量船舶舵效的標(biāo)準(zhǔn)之一。 操縱應(yīng)用：兩船對遇時的距離小于兩船的滯距之和，則用舵無法避讓。 eR亦稱進(jìn)程，是船舶重心至定常旋回中心 的縱向距離。四描述船舶旋回運動狀態(tài)的運動要素四描述船舶旋回運動狀態(tài)的運動要素 1漂角漂角 （drift angle） 漂角與船舶旋回性能的關(guān)系：經(jīng)驗值：一般海船， ；內(nèi)河船舶 超大型船舶， ；商船最大舵角深水中 旋回直徑旋回性漂角001530max180max200max202轉(zhuǎn)心轉(zhuǎn)心 （Pivoting point） P 隨著船舶旋回進(jìn)

13、程 。因為 ，所以： ，即轉(zhuǎn)心 向前移動；船舶回轉(zhuǎn)性越好，則 越大， 點越靠近船首。 船舶進(jìn)入定常旋回時， ，轉(zhuǎn)心 點逐漸穩(wěn)定于某一點，大約在船首柱后 （或重心前 ）。 因為轉(zhuǎn)心 在重心之前，靠近船首，所以船首處橫向分速小，船尾處橫向分速大，從而出現(xiàn)“首動一尺，尾動一丈”的現(xiàn)象。 sinRGP GPPPCPL)5131(L)3161(P 船舶后退中回轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)心 在重心 之后； 內(nèi)河中船舶上水（下水）時：船首順流轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)心位置后移甚至于在重心之后；船首逆流轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)心 位置前移甚至于在首柱之前。 拖輪協(xié)助調(diào)頭或轉(zhuǎn)向時：若拖輪在船中前頂推或拖拉助轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)心位置后移； 若拖輪在船中后頂推或拖拉助轉(zhuǎn)，則

14、轉(zhuǎn)心位置前移。 GP3旋回中的降速旋回中的降速 船速下降推進(jìn)效率降低螺旋槳工況變化槳推力的分力大大消耗了螺旋特別是離心力前進(jìn)方向舵阻力增加時阻力增大角存在船體斜航,)(n影響減速的因素： 減速越顯著回轉(zhuǎn)性能stTVVLD定常旋回時的船速； 操舵前的船速。 tVsV4回轉(zhuǎn)中的橫傾回轉(zhuǎn)中的橫傾（list） （1）內(nèi)傾：內(nèi)傾角較小，持續(xù)時間較短。）內(nèi)傾：內(nèi)傾角較小，持續(xù)時間較短。 橫傾力矩： ，穩(wěn)性力矩： 2cos1GPPMNt1GMgMws所以內(nèi)傾角： GMgGPPwN2cos1（2）外傾）外傾 最大的外傾角 （ ， ），達(dá)到 后，船舶搖擺12次，最后穩(wěn)定在某一定常外傾角 上。 max2為定常外傾

15、角,)5 . 12 . 1 (max2越大操舵時間越短max2max2影響定常外傾角 大小的因素： GMDVTs,經(jīng)驗數(shù)據(jù)：一般貨船靜水中滿舵旋回時， ； 高速船，當(dāng) 時， 。 0053knVs30001412（3）最大橫傾與傾覆的危險）最大橫傾與傾覆的危險 由內(nèi)傾外傾時，最大外傾角 （又稱動傾角）較大，有時可達(dá)定常外傾角 （又稱靜傾角）的2倍以上。 max2為防止轉(zhuǎn)舵時產(chǎn)生過大的橫傾角，可采取以下措施為防止轉(zhuǎn)舵時產(chǎn)生過大的橫傾角，可采取以下措施：a. 降低船速，緩緩操舵，小舵角回轉(zhuǎn)，盡量增大回降低船速，緩緩操舵，小舵角回轉(zhuǎn)，盡量增大回轉(zhuǎn)直徑；轉(zhuǎn)直徑；b. 防止重貨裝在高處，力求合理的防止重貨

16、裝在高處，力求合理的 值，注意自由值，注意自由液面和貨物移動的影響；液面和貨物移動的影響；c. 正確選擇操舵時機，避免風(fēng)浪等外力產(chǎn)生的橫傾正確選擇操舵時機，避免風(fēng)浪等外力產(chǎn)生的橫傾力矩與舵產(chǎn)生的最大橫傾力矩相互疊加。力矩與舵產(chǎn)生的最大橫傾力矩相互疊加。 GM5旋回時間旋回時間：船舶旋回3600所需的時間。 影響因素：影響因素： 。經(jīng)驗數(shù)據(jù)：萬噸級船舶，快速滿舵旋回一周，約需要經(jīng)驗數(shù)據(jù)：萬噸級船舶，快速滿舵旋回一周，約需要6 min，大型船舶約需，大型船舶約需12 min。 旋回時間船舶排水量五影響旋回圈大小的因素五影響旋回圈大小的因素 1方型系數(shù)方型系數(shù) （block coefficient）

17、 bC旋回圈旋回性 ,bC2船體水線下側(cè)面積形狀及分布船體水線下側(cè)面積形狀及分布 水線下船首側(cè)面積較大（有球鼻首或船尾比較瘦削） 旋回中的阻尼力矩較小旋回性好， 旋回圈小，但航向穩(wěn)定性差； 水線下船尾部面積較大（船尾有鈍材或船首比較削進(jìn)cut up） 旋回中的阻尼力矩較大旋回性差， 旋回圈大，但航向穩(wěn)定性好 3舵角舵角 當(dāng) 時， ； sD4操舵時間操舵時間 dAt操舵時間規(guī)定參數(shù)規(guī)定參數(shù)：船舶在最大吃水和最大營運船速前進(jìn)時，將舵自一舷350另一舷350，并且自任何一舷350轉(zhuǎn)至另一舷300的時間應(yīng)不超過28s。 5舵面積系數(shù)舵面積系數(shù) ：即舵面積比（rudder area ratio） dLA

18、PPR根據(jù)巴士裘寧公式：旋回圈直徑： 10102LAdLDRD所以： 舵面積比的大小在降低旋回初徑方面存在一最佳值。舵面積比的大小在降低旋回初徑方面存在一最佳值。 6船速船速 在一般商船速度范圍內(nèi)，傅汝德數(shù) ，船速對旋回初徑的影響很小； 3 . 018. 0rF當(dāng)船速降低，使 時， ；當(dāng)船速增加，使 時， 。 18. 0rFTsDV3 . 0rFTsDV7吃水吃水 dTrdDTAGdd,初始旋回減慢點豎軸的轉(zhuǎn)動慣量通過相應(yīng)于舵力的旋回阻矩舵力轉(zhuǎn)船力矩8吃水差吃水差 D尾傾D首傾9橫傾橫傾：總體來講對 的影響不大。 DA低速時： 船首向低舷側(cè)偏轉(zhuǎn)起主要作用推力轉(zhuǎn)矩阻力在同一條線上與螺旋槳推力作用線不側(cè)橫移水動力作用中心向低舷兩側(cè)所受水動力不等左右浸水面積不等船體橫傾)(,所以，低速時，操舵向低舷側(cè)