第四章自由自航船舶操縱性試驗

1、 2-4 自由自航船舶操縱性試驗自由自航船舶操縱性試驗 船舶操縱性試驗船舶操縱性試驗 目的-求取船舶操縱性衡準(zhǔn)及各運動要素，從求取船舶操縱性衡準(zhǔn)及各運動要素，從而評價操縱性優(yōu)劣。而評價操縱性優(yōu)劣。 實船實船 船模船模自航模約束模回轉(zhuǎn)試驗回轉(zhuǎn)試驗 螺旋與逆螺旋試驗螺旋與逆螺旋試驗Z Z 型操舵試驗型操舵試驗所測數(shù)據(jù)所測數(shù)據(jù)代表各項代表各項流體動力流體動力綜合影響綜合影響直線拖曳試驗直線拖曳試驗 位置導(dǎo)數(shù)位置導(dǎo)數(shù)懸臂試驗懸臂試驗 回轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)回轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)平面運動機(jī)構(gòu)試驗平面運動機(jī)構(gòu)試驗 加速度導(dǎo)數(shù)加速度導(dǎo)數(shù) 在約束模試驗中，通過各專門裝置強(qiáng)迫船模進(jìn)行精確控制下在約束模試驗中，通過各專門裝置強(qiáng)迫船模進(jìn)行精確

2、控制下的運動，每次可變換一個參數(shù)，令其他參數(shù)為零，可分別求得的運動，每次可變換一個參數(shù)，令其他參數(shù)為零，可分別求得此單一參數(shù)下的流體動力（力矩）導(dǎo)數(shù)此單一參數(shù)下的流體動力（力矩）導(dǎo)數(shù)第九章垂直平面運動機(jī)構(gòu)水平面運動機(jī)構(gòu)水平面運動機(jī)構(gòu)PMM TEST( (平面運動機(jī)構(gòu)試驗）平面運動機(jī)構(gòu)試驗）回轉(zhuǎn)臂水池回轉(zhuǎn)臂水池-中國船舶研究中心緒緒 論論 在前幾章中，我們基于線性操縱運動方在前幾章中，我們基于線性操縱運動方程，分析了船舶程，分析了船舶航向穩(wěn)定性航向穩(wěn)定性和和回轉(zhuǎn)性回轉(zhuǎn)性，以及，以及對操舵的對操舵的轉(zhuǎn)首響應(yīng)特性轉(zhuǎn)首響應(yīng)特性，若能知道數(shù)學(xué)模型，若能知道數(shù)學(xué)模型中的系數(shù)，就能確定其響應(yīng)運動及其有關(guān)的中

3、的系數(shù)，就能確定其響應(yīng)運動及其有關(guān)的操縱特性。這是操縱性研究的操縱特性。這是操縱性研究的理論方法理論方法。此。此外，也常采用外，也常采用試驗方法試驗方法進(jìn)行研究。進(jìn)行研究。 理論方法：理論方法：緒緒 論論 實船和無線電遙控自航船模操縱性試驗均實船和無線電遙控自航船模操縱性試驗均屬無約束的屬無約束的自由自航試驗自由自航試驗。在操縱性試驗中，。在操縱性試驗中，可以直接測得各種運動參數(shù)，能較直觀地分析可以直接測得各種運動參數(shù)，能較直觀地分析比較船舶的操縱性能，長期以來被廣泛應(yīng)用。比較船舶的操縱性能，長期以來被廣泛應(yīng)用。 目前為止，操縱性試驗方法有很多，主要目前為止，操縱性試驗方法有很多，主要有：有：

4、回轉(zhuǎn)試驗回轉(zhuǎn)試驗、螺線及逆螺線試驗螺線及逆螺線試驗、回舵試驗回舵試驗、Z形試驗形試驗、變首向試驗變首向試驗、頻率響應(yīng)試驗頻率響應(yīng)試驗、以及關(guān)、以及關(guān)于于啟動、停車、倒退啟動、停車、倒退等專門試驗等專門試驗 。試驗方法：試驗方法： 2-4 自由自航船舶操縱性試驗自由自航船舶操縱性試驗第一節(jié)第一節(jié) 回轉(zhuǎn)試驗回轉(zhuǎn)試驗2-4-1 船舶回轉(zhuǎn)試驗船舶回轉(zhuǎn)試驗回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗求船舶的回轉(zhuǎn)要素。其中包括：求船舶的回轉(zhuǎn)要素。其中包括： 縱距縱距 Ad （advance） 橫距橫距 Tr （transfer） 回轉(zhuǎn)初徑回轉(zhuǎn)初徑 DT（tactical diameter） 回轉(zhuǎn)直徑回轉(zhuǎn)直徑 D （final

5、diameter） 進(jìn)程進(jìn)程 Re （reach） 回轉(zhuǎn)時間回轉(zhuǎn)時間 T （time）回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗1.試驗?zāi)康脑囼災(zāi)康幕鼗?轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗 步驟步驟回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗(1)把記錄的船速和首向角以時間為橫坐標(biāo)繪成把記錄的船速和首向角以時間為橫坐標(biāo)繪成 下圖的所示形式，對測量值進(jìn)行初步的校核。下圖的所示形式，對測量值進(jìn)行初步的校核?；鼗?轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗（2 2）按式按式 ，以樞心代替重心，計，以樞心代替重心，計 算樞心算樞心P的軌跡。樞心速度計程儀在的軌跡。樞心速度計程儀在X方向的方向的 速度

6、，樞心處航速角就等于首向角。速度，樞心處航速角就等于首向角。P點為：點為：回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗（3）對上式積分采取梯形法進(jìn)行近似計算，然后）對上式積分采取梯形法進(jìn)行近似計算，然后 根據(jù)計算結(jié)果來繪制樞心軌跡，如圖所示：根據(jù)計算結(jié)果來繪制樞心軌跡，如圖所示：回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗（4 4）假定樞心）假定樞心P P位于重心前位于重心前0.4L0.4L處：處： 。然后在樞心的每個軌跡點處畫上船體的首尾線，然后在樞心的每個軌跡點處畫上船體的首尾線，如圖所示，在每條首位線上求出重心如圖所示，在每條首位線上求出重心G G的位置，的位置，繪出重心軌跡繪出重心軌跡回轉(zhuǎn)圈?；剞D(zhuǎn)圈。 回回 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 試試 驗驗（5

7、 5）根據(jù)上述所得的回轉(zhuǎn)圈量取各回轉(zhuǎn)要）根據(jù)上述所得的回轉(zhuǎn)圈量取各回轉(zhuǎn)要 素，并算出素，并算出K K、T T指數(shù)。請參照下圖：指數(shù)。請參照下圖：回轉(zhuǎn)圈及其要素回轉(zhuǎn)圈及其要素AdmaxTrAdDTTrmaxreachDStern kickGGGGGGG武漢理工大學(xué)船模操縱性水池長武漢理工大學(xué)船模操縱性水池長80m，水面寬，水面寬60m，最大水深，最大水深1.5m，池底平整可做深淺水自由自航船模操縱性試驗，擁有計算機(jī)，池底平整可做深淺水自由自航船模操縱性試驗，擁有計算機(jī)數(shù)據(jù)實時采集顯示處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)實時采集顯示處理系統(tǒng)。.武漢理工大學(xué)武漢理工大學(xué)深淺兩用露天船模操縱性水池深淺兩用露天船模操縱性水池

8、雙雙RTK的的GPS船船模運動軌跡實時模運動軌跡實時搖測系統(tǒng)，可實搖測系統(tǒng)，可實時測量船舶運動時測量船舶運動的軌跡、航速、的軌跡、航速、漂角。綜合分析漂角。綜合分析可得出船舶的操可得出船舶的操縱性指數(shù)、倒航縱性指數(shù)、倒航操縱性。操縱性。船舶回轉(zhuǎn)性船舶回轉(zhuǎn)性-影響回轉(zhuǎn)圈大小的因素影響回轉(zhuǎn)圈大小的因素 1 1、水線下的船型因素、水線下的船型因素方型系數(shù)：方型系數(shù)：C Cb b越大，回轉(zhuǎn)性越好，回轉(zhuǎn)圈越大，回轉(zhuǎn)性越好，回轉(zhuǎn)圈也越小也越小 ；水線下側(cè)面積：首部多有利于減小回轉(zhuǎn)圈，水線下側(cè)面積：首部多有利于減小回轉(zhuǎn)圈，尾部多有利于提高航向穩(wěn)定性尾部多有利于提高航向穩(wěn)定性 ；舵面積比：舵面積比： 船舶回轉(zhuǎn)

9、性船舶回轉(zhuǎn)性-影響回轉(zhuǎn)圈大小的因素影響回轉(zhuǎn)圈大小的因素 2 2、船舶的吃水狀態(tài)、船舶的吃水狀態(tài) 吃水：吃水較大的滿載船進(jìn)矩將有較大增長。旋吃水：吃水較大的滿載船進(jìn)矩將有較大增長。旋回初徑和橫矩有某種程度的降低；回初徑和橫矩有某種程度的降低； 縱傾：首傾每增加縱傾：首傾每增加1% L1% L，回轉(zhuǎn)初徑，回轉(zhuǎn)初徑 D DT T可減小可減小10%10%左右；尾傾每增加左右；尾傾每增加 1% L1% L，回轉(zhuǎn)初徑，回轉(zhuǎn)初徑 D DT T則增加則增加10% 10% 左右；左右； 空船與滿載時的回轉(zhuǎn)圈大小相差不多空船與滿載時的回轉(zhuǎn)圈大小相差不多 橫傾：總的來說，橫傾對回轉(zhuǎn)圈影響不大。橫傾：總的來說，橫傾對

10、回轉(zhuǎn)圈影響不大。 3 3、操船方面的影響、操船方面的影響舵角：一般操舵角：一般操15 15 舵角與滿舵相比，舵角與滿舵相比，D DT T將增加到將增加到130%170%130%170%，而掉頭時間則可能增加到，而掉頭時間則可能增加到140%140%左右；左右；操舵時間：自一舷操舵時間：自一舷3535轉(zhuǎn)至另一舷轉(zhuǎn)至另一舷3030應(yīng)不超過應(yīng)不超過15s;15s;船速：船速越快，回轉(zhuǎn)時間大大縮短，而船速：船速越快，回轉(zhuǎn)時間大大縮短，而D DT T影響影響小。小。 船舶回轉(zhuǎn)性船舶回轉(zhuǎn)性-影響回轉(zhuǎn)圈大小的因素影響回轉(zhuǎn)圈大小的因素4 4、外界環(huán)境的影響、外界環(huán)境的影響 淺水：回轉(zhuǎn)圈隨著水深的變淺而逐漸增大

11、。當(dāng)淺水：回轉(zhuǎn)圈隨著水深的變淺而逐漸增大。當(dāng)水深與吃水之比小于水深與吃水之比小于2 2時，旋回圈將明顯增大。時，旋回圈將明顯增大。 污底和風(fēng)流：污底越多摩擦阻力增加，旋回圈污底和風(fēng)流：污底越多摩擦阻力增加，旋回圈變大，但影響很小。頂風(fēng)頂流將使縱矩減小。變大，但影響很小。頂風(fēng)頂流將使縱矩減小。船舶回轉(zhuǎn)性船舶回轉(zhuǎn)性-影響回轉(zhuǎn)圈大小的因素影響回轉(zhuǎn)圈大小的因素2-4 自由自航船舶操縱性實驗自由自航船舶操縱性實驗2-4-2 Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗First Overshoot AngleZ Z形操縱

12、試驗結(jié)果形操縱試驗結(jié)果Second Overshoot AngleZ 形形 操操 舵舵 試試 驗驗Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗定定義義Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗物物理理意意義義Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗定定義義Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗物物理理意意義義超越角超越角Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗dtKdtdtdtdTr)(Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗6個特征點(t2)=1 (t4)=2 (t6)=3)0()()()( eeettt264dtKdtdtdtdTr)(KZ 形形 操操 舵舵 試試 驗驗dtKdtdtdtdTr)(6個積分區(qū)間KTZ 形形 操操 舵舵 試試

13、驗驗Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗Z 形形 操操 舵舵 試試 驗驗2-4 自由自航船舶操縱性實驗2-4-3 螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗u (1)u (2)(3)螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗圖圖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 操縱性特征曲線操縱性特征曲線螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試

14、驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗螺線試驗與逆螺線試驗 摘自例螺線試驗：開始舵角35度，直到反向舵角。初始：u= Vs，v=0 ，r = 0分別左右兩舷回轉(zhuǎn)，每舷試驗時間4小時 利用操縱性曲線求回轉(zhuǎn)性指數(shù)利用操縱性曲線求回轉(zhuǎn)性指數(shù)K回轉(zhuǎn)性指數(shù)回轉(zhuǎn)性指數(shù)K是定常回轉(zhuǎn)角速度與舵角之比其無因次形式：是定?；剞D(zhuǎn)角速度與舵角之比其無因次形式：即即K表征了曲線表征了曲線 上每一點的斜率上每一點的斜率它與它與有關(guān)。有關(guān)。 曲線并非直線，曲線并非直線，其斜率不是常數(shù)。其斜率不是常數(shù)。 曲線在原點的斜率即線性理論曲線在原點的斜率即線性理論K值。值。 平均平均K采用相應(yīng)舵角范圍內(nèi)的射線近似采用相應(yīng)舵角范圍

15、內(nèi)的射線近似 曲線曲線 ，以該射線的斜率來表示，以該射線的斜率來表示K值。值。 螺線試驗缺點：螺線試驗缺點：l 需平靜海面需平靜海面l 很大的面積很大的面積l 很長的時間很長的時間逆螺線試驗?zāi)媛菥€試驗 逆螺絕試驗測得的參數(shù)與螺逆螺絕試驗測得的參數(shù)與螺線試驗是一樣的，故試驗結(jié)果線試驗是一樣的，故試驗結(jié)果的表達(dá)方式皆相同。的表達(dá)方式皆相同。 對不具有直線運動穩(wěn)定性的對不具有直線運動穩(wěn)定性的船舶，逆螺線試驗曲線與螺線船舶，逆螺線試驗曲線與螺線試驗曲線略有不同。試驗曲線略有不同。 利用利用r 對對的單位對應(yīng)關(guān)系。的單位對應(yīng)關(guān)系。即可求出遲滯回線內(nèi)的即可求出遲滯回線內(nèi)的 S形曲線。形曲線。可見可見 r曲

16、線原點處的曲線原點處的斜率斜率 是是 正值，如圖所示。正值，如圖所示。逆螺線試驗?zāi)媛菥€試驗2-4 自由自航船舶操縱性實驗自由自航船舶操縱性實驗2-4-4 回回 舵舵 試試 驗驗回回 舵舵 試試 驗驗回回 舵舵 試試 驗驗回回 舵舵 試試 驗驗回回 舵舵 試試 驗驗回回 舵舵 試試 驗驗回回 舵舵 試試 驗驗 2-4 自由自航船舶操縱性實驗自由自航船舶操縱性實驗2-4-5 自航模試驗的尺度作用自航模試驗的尺度作用自航模試驗的尺度作用自航模試驗的尺度作用1）.自航船模與實船保持幾何形狀相似。2）.保持無因次速度、加速度參數(shù)相等。3）.滿足傅汝德數(shù)Fn相等， 但是無法滿足雷諾數(shù)Rn相等。自航模試驗的

17、尺度作用自航模試驗的尺度作用 船舶操縱運動是船船舶操縱運動是船體、槳、舵三者的組合體、槳、舵三者的組合作用，包括了三者單獨作用，包括了三者單獨的尺度效應(yīng)以及相互干的尺度效應(yīng)以及相互干擾作用。因此成為了一擾作用。因此成為了一個復(fù)雜的難題。個復(fù)雜的難題。自航模試驗的尺度作用自航模試驗的尺度作用 ITTC ITTC認(rèn)為：瘦長船型，船模試驗結(jié)果與實認(rèn)為：瘦長船型，船模試驗結(jié)果與實船性能大致吻合，反之，肥大船型的尺度作用船性能大致吻合，反之，肥大船型的尺度作用顯著。螺線與逆螺線試驗中大舵角一致性良好，顯著。螺線與逆螺線試驗中大舵角一致性良好，5 5以下小舵角則有明顯差異。以下小舵角則有明顯差異。Z形試驗

18、結(jié)果，形試驗結(jié)果，有的情況一致好，有的比較差。有的情況一致好，有的比較差。 為了平衡船模過大的摩擦阻力，必須提高為了平衡船模過大的摩擦阻力，必須提高螺旋槳的負(fù)荷，以致船模尾部形成強(qiáng)尾流，而螺旋槳的負(fù)荷，以致船模尾部形成強(qiáng)尾流，而提高了舵的轉(zhuǎn)船力矩和舵的阻尼。提高了舵的轉(zhuǎn)船力矩和舵的阻尼。實船和船模Z型操舵試驗比較 例例: 肥大油船的尺度作用肥大油船的尺度作用對于方形系數(shù)對于方形系數(shù)CB0.8，LB6.0的尾部肥胖的尾部肥胖的船型，如超級油船等，的船型，如超級油船等，試驗發(fā)現(xiàn)，這類船舶存試驗發(fā)現(xiàn)，這類船舶存在者在者“異?，F(xiàn)象異?，F(xiàn)象”，即在小舵角操舵運動，即在小舵角操舵運動，船模比實船過于穩(wěn)定。

19、船模比實船過于穩(wěn)定。船模試驗表明是有直線船模試驗表明是有直線運動穩(wěn)定性的，而實船運動穩(wěn)定性的，而實船試驗不具有穩(wěn)定性。試驗不具有穩(wěn)定性。肥大油船的尺度作用肥大油船的尺度作用 原因原因: 異常尺度現(xiàn)象的發(fā)生表明船模尾部的流場異常尺度現(xiàn)象的發(fā)生表明船模尾部的流場與實船的不同，由于船模雷諾數(shù)較低，因與實船的不同，由于船模雷諾數(shù)較低，因此由粘性引起的尾部渦流情況不同，這是此由粘性引起的尾部渦流情況不同，這是引起異常現(xiàn)象的主要原因。引起異常現(xiàn)象的主要原因。 若采用若采用15m左右的大船模進(jìn)行自由自骯左右的大船模進(jìn)行自由自骯 試驗，就很少發(fā)生此類異?，F(xiàn)象。試驗，就很少發(fā)生此類異常現(xiàn)象。2-4-6 船舶操縱

20、性衡準(zhǔn) 引引 言言 一、船舶必備操縱性資料一、船舶必備操縱性資料 一、船舶必備操縱性資料一、船舶必備操縱性資料 二、二、 操縱性衡準(zhǔn)數(shù)操縱性衡準(zhǔn)數(shù) 4. 緊急制動能力：緊急制動能力： 全速倒車制動試驗測得的船的跡程應(yīng)小于全速倒車制動試驗測得的船的跡程應(yīng)小于15Lpp。二、操縱性衡準(zhǔn)數(shù) 二、操縱性衡準(zhǔn)數(shù)（國內(nèi)工作） 思考題1某船回轉(zhuǎn)試驗已測得樞心點處的航速某船回轉(zhuǎn)試驗已測得樞心點處的航速（）（）曲線及首向角曲線及首向角（t）記錄曲線；）記錄曲線； 試說明如何試說明如何 根據(jù)根據(jù) （）、（）、 （t）記錄曲線求得該船重心）記錄曲線求得該船重心軌跡？軌跡？2 螺線試驗與逆螺線試驗所得結(jié)果是否一致？螺線試驗與逆螺線試驗所得