大連海事大學(xué)課件——船舶操縱1

1、船舶值班、操縱與避碰主講：卜仁祥20212021學(xué)年課程簡介課程包括：?船舶操縱?船舶值班與避碰?雷達(dá)標(biāo)繪?適任考試 ?船舶值班與避碰?972：避碰：75%值班：15%操縱：7-8%定線：2-3%船舶操縱緒論概述船舶操縱運(yùn)動學(xué)參數(shù)船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶阻力與推進(jìn)船舶操縱概述船舶操縱的含義常規(guī)船舶操縱(ship handling)包括三種：保持航向改變航向改變船速船舶操縱概述保持航向(Course keeping or steering)從事海上運(yùn)輸?shù)拇霸诤Ｉ虾叫械闹饕康氖菫榱艘宰疃痰木嚯x和最快的時間抵達(dá)目的地，并減少燃料消耗。為此，船舶操縱人員總是力求使船舶保持直線運(yùn)動。在港內(nèi)，為了使船舶

2、保持在直線航道內(nèi)航行，也需要船舶保持直線運(yùn)動。改變航向(Maneuvering or course changing)當(dāng)船舶在預(yù)定的航線上遇到障礙物或其它船舶時，為了防止碰撞，船舶操縱人員力又求使船舶及時改變航向。改變船速(Speed changing)。當(dāng)船舶進(jìn)出港口、靠離泊或錨泊時，需要對船速進(jìn)行控制，為此，船舶操縱人員又希望及時改變船速。船舶操縱概述操縱：在這三種情況下，操縱人員都要對船舶進(jìn)行操作。從這個意義上講，對于水面船舶，船舶操縱實質(zhì)上就是操船人員對船速和航向所進(jìn)行的控制。船舶操縱：在人、船、環(huán)境系統(tǒng)中，操船者利用船舶本身或其他手段如車、舵、錨、纜、拖輪等，以保持或改變船舶運(yùn)動狀態(tài)

3、為目的而進(jìn)行的必要觀察、判斷、指揮、實施等。船舶操縱原理閉環(huán)控制;船舶操縱人員根據(jù)航向(航跡)誤差，發(fā)出舵角指令，舵工操舵，舵機(jī)執(zhí)行，產(chǎn)生水動力，船改變航向(或航跡)，航向值與舵角也反響到操船人員，供進(jìn)一步操縱。船舶操縱設(shè)備操縱設(shè)備主要包括舵和推進(jìn)器：改變或保持船舶的運(yùn)動方向主要用舵來完成；變化船舶運(yùn)動速度主要用推進(jìn)器來完成。從舵和推進(jìn)器的運(yùn)用幅度來看，可將船舶操縱分為常規(guī)操縱和應(yīng)急操縱兩大類：常規(guī)操縱包括用小舵角保持航向、中等舵角改變航向以及減速或增速操縱；應(yīng)急操縱包括用大舵角(一般為滿舵)進(jìn)行旋回和用全速倒車進(jìn)行緊急停船。船舶操縱設(shè)備其他設(shè)備：側(cè)推器設(shè)備；外力協(xié)助操縱拖船的協(xié)助；系泊設(shè)備：

4、錨、纜等。 船舶操縱特點慣性大，緩變系統(tǒng)控制輸入較小欠驅(qū)動特性：控制輸入的維數(shù)小于被控自由度維數(shù)dof，例如，控制輸入：車、舵；被控坐標(biāo)：橫向位移y1，航向角和縱向位移x1 船舶操縱任務(wù)常規(guī)航行：小舵角保向或中舵角轉(zhuǎn)向；進(jìn)出港操縱：錨泊、系浮筒、靠離碼頭、掉頭等；應(yīng)急操縱：緊急旋回或停船、擱淺或碰撞時的操縱、落水人員救助等；惡劣條件：大風(fēng)浪中、避離臺風(fēng)操縱等。任務(wù)要求了解船舶船體的操縱特性 -了解操縱對象的性質(zhì)了解船舶操縱設(shè)備的性能和特性 -了解操縱設(shè)備的性質(zhì)了解船舶在不同外界環(huán)境中的操縱特性外界環(huán)境: 風(fēng)、流、浪學(xué)習(xí)船舶在港內(nèi)、狹水道中操縱的方式方法特殊環(huán)境下的操船 -完善操縱裝置 提高操縱

5、人員的水平船舶操縱研究研究任務(wù)通過考察船舶受控運(yùn)動的規(guī)律，找到不同類型的船舶在不同外界環(huán)境下的控制規(guī)律及方法，以滿足平安方面的要求。建立評價船舶操縱平安標(biāo)準(zhǔn)的評價方法，以便對不同類型的船舶在不同外界環(huán)境下的平安性進(jìn)行評價。在平安評價根底之上，為港口設(shè)計、航道工程以及其它水工設(shè)施(如水上橋梁等)的通航平安提供理論依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。船舶操縱運(yùn)動學(xué)參數(shù)水面船舶運(yùn)動可用剛體平面運(yùn)動原理加以描述，用數(shù)學(xué)方法來定量研究船舶運(yùn)動問題。船舶在靜水中的運(yùn)動可分解為在水平面的平移運(yùn)動和繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。船舶運(yùn)動學(xué)參數(shù)包括位置、船速、漂角、轉(zhuǎn)心、航向角、速度、角速度等。運(yùn)動坐標(biāo)系the earth-fixed an

6、d body-fixed frames (SNAME1950)運(yùn)動坐標(biāo)系船舶6個自由度的運(yùn)動三個平動：x軸：u, surging 前進(jìn) y軸：v, swaying 橫移z軸：w, heaving升沉三個轉(zhuǎn)動： x軸：p, rolling 橫搖y軸：q, swaying 縱搖 z軸：r, yawing 首搖3 degrees of freedomSurge;Sway;Yaw.2 actuatorsThrusterRudder平面運(yùn)動船舶操縱運(yùn)動學(xué)參數(shù)位移和航速考察船舶運(yùn)動軌跡時，涉及船舶的運(yùn)動歷史航跡，采用固定坐標(biāo)系進(jìn)行描述。航速是指船舶在固定坐標(biāo)系的運(yùn)動速度(包括流的影響)， 一般用V表示。船

7、舶操縱運(yùn)動學(xué)參數(shù)航向與轉(zhuǎn)動角速度航向角是指在水平面內(nèi)船舶的首尾線與固定坐標(biāo)系xe 軸的交角；船舶繞垂直軸的轉(zhuǎn)動角速度是指航向角隨時間的變化速率，即轉(zhuǎn)動角速度是航向角對時間的導(dǎo)數(shù)；角加速度是角速度對時間的導(dǎo)數(shù)。船舶操縱運(yùn)動學(xué)參數(shù)船速在運(yùn)動坐標(biāo)系中，坐標(biāo)原點(船舶重心或船中)的速度是運(yùn)動軌跡的切線方向，顯然船速是矢量。船速是指船舶相對于水的運(yùn)動速度，一般用符號U 表示。船舶操縱運(yùn)動學(xué)參數(shù)漂角漂角是指船體上一點的船速矢量與船舶首尾線之間的交角；漂角一般指船舶重心處的漂角，用符號 表示，左舷為負(fù)，右舷為負(fù)，是衡量船舶運(yùn)動狀態(tài)的重要參數(shù)。船舶操縱運(yùn)動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心( pivot point)船舶的操縱運(yùn)動可

8、以看作是平動與轉(zhuǎn)動的疊加；船舶轉(zhuǎn)動時，如果船上的每一點都繞某一垂線作圓周運(yùn)動，這一垂線稱為轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與船舶首尾線的交點稱為轉(zhuǎn)心。從瞬時軌跡曲率中心O 點作船舶首尾線的垂線可得瞬時轉(zhuǎn)動中心P 點，簡稱“轉(zhuǎn)心。船舶操縱運(yùn)動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心( pivot point)一般以轉(zhuǎn)心距船首或船尾的距離占船長的比例表示其位置。轉(zhuǎn)心位置取決于船體水下形狀以及船舶運(yùn)動速度的大小和方向等因素。船舶定常旋回時，一般轉(zhuǎn)心位于船首之后約1/3 船長處。當(dāng)船舶存在縱傾時，船體水下側(cè)面積在船中前后的分布將不是對稱的，尾傾時，轉(zhuǎn)心后，首傾時，轉(zhuǎn)心前移。船舶操縱運(yùn)動學(xué)參數(shù)船舶平面運(yùn)動的特征船舶轉(zhuǎn)心點只有平動，沒有轉(zhuǎn)動；船長方向各點的

9、漂角方向和大小各不相同；船上各點在同一時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的圓弧長度不同；船舶各點在同一時間內(nèi)繞軸轉(zhuǎn)動的角速度相等；船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運(yùn)動方程將船舶作為一個剛體，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律，受到外力作用的船舶的平面運(yùn)動規(guī)律可以表示為 船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運(yùn)動方程作用于慣性坐標(biāo)系的力和力矩很難直接解出；為研究方便，需要將固定坐標(biāo)系的運(yùn)動方程轉(zhuǎn)換成動坐標(biāo)系中船舶運(yùn)動方程；坐標(biāo)變換船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運(yùn)動方程忽略流向流速隨時間的變化，經(jīng)過求導(dǎo)變換可得動坐標(biāo)系中船舶運(yùn)動方程：船舶操縱動力學(xué)參數(shù)根據(jù)日本MMG別離建摸的思想，無流或僅有定常均勻流時，力矩項可表示為：下標(biāo)分別表示船體(Hull)、螺旋槳

10、(Propeller)、舵(Rudder)、浪(Wave)、拖船(Tug)、風(fēng)(air)、纜(line)以及錨鏈(chain)等。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及水動力矩為了研究問題的方便，在靜水狀態(tài)下，作用在船體的流體力可進(jìn)一步分為慣性力和粘性力兩局部；船舶操縱動力學(xué)參數(shù)慣性力及慣性力矩將慣性力及慣性力矩放在附加質(zhì)量和附加慣性矩中考慮；船體在水中作變速運(yùn)動時，加速度使船舶慣性和轉(zhuǎn)動慣性增大，相當(dāng)于船舶質(zhì)量的增大，稱為附加質(zhì)量。船舶作非定常轉(zhuǎn)動時，角加速度同樣引起船舶周圍的局部水質(zhì)量對垂直軸慣性矩增大，稱為附加慣性矩。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)慣性力及慣性力矩模型實驗時 ，科氏力很難別離；附加質(zhì)量及附加

11、慣性矩，分別記作-mx、-my、-Jzz 慣性水動力項寫成：船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及水動力矩深水中，超大型船舶的縱向附加質(zhì)量mxm；橫向附加質(zhì)量mym；附加慣性矩Jzm。為了研究問題的方便，有的資料將船舶質(zhì)量與附加質(zhì)量之和稱為虛質(zhì)量，慣性矩與附加慣性矩之和稱為虛慣性矩。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達(dá)式船舶以一定速度在流體中運(yùn)動時，產(chǎn)生的動壓強(qiáng)表示為：船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達(dá)式船體水動力F H 也稱為斜航阻力 F H可分解為船舶操縱運(yùn)動方程中的縱向分量X H和橫向分量Y H ，其力學(xué)意義更加明確；縱向分量X H是縱向水動力；而橫向分量Y H 為船舶橫向水動力。習(xí)慣上，將X

12、 H稱為船舶阻力，而Y H稱為水動力。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達(dá)式水動力角是指水動力合力FH方向與船舶首尾線之間的交角；水動力角可用水動力橫向分量與縱向分量的比值表示船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達(dá)式水動力角的大小取決于橫向水動力系數(shù)和縱向水動力系數(shù)的比值；由于船舶橫向水動力系數(shù)通常遠(yuǎn)大于縱向水動力系數(shù)，因此，除了船舶進(jìn)行純縱向運(yùn)動或純橫向運(yùn)動，水動力角 總是大于漂角。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達(dá)式船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力角與漂角水動力角隨漂角 的增大而增大；由于船舶水下側(cè)投影面積遠(yuǎn)大于正投影面積，那么在0 180時，水動力角一般接近正橫方向(90左右)；當(dāng)漂角 0，即船

13、舶向前直航時，水動力角 0，這種情況下船舶水動力為船舶直航阻力；當(dāng)漂角 90，即船舶橫向移動時，水動力角 90，這種情況相當(dāng)于船舶靠泊或離泊過程中的橫移運(yùn)動所受的橫向阻力；當(dāng)漂角 180時，水動力角 180，即船舶受力為后退阻力。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力作用中心水動力作用中心是指船體水下局部的面積中心。其位置W x 與船體水線下側(cè)面積沿船長的分布和船舶運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)；水動力作用中心位置W x 為漂角的函數(shù)，隨漂角 的增大而逐漸向后移動。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力中心與漂角船舶平吃水時，當(dāng)漂角為0，即船舶向前直航時， W x 0.25 L ，即水動力中心在船首之后約1/4 船長處，且船速越低，越靠近

14、船中；當(dāng)漂角為90，即船舶對水橫向移動時， W x0，即水動力中心在船中附近；當(dāng)漂角為180，即船舶后退時， W x -0.25 L ，即水動力中心在距離船尾之前約1/4 船長處，且船退速越低，越靠近船中。船舶空載或壓載時往往尾傾較大，船體水下側(cè)面積中心分布在船中之后，水動力作用中心要比滿載平吃水時明顯后移。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力矩除船舶對水橫向移動外，一般水動力作用中心不在船中處。故水動力的橫向分量YH 不但改變了船舶的橫向運(yùn)動狀態(tài)，它還會對船舶產(chǎn)生力矩，該力矩稱為水動力矩；給定船型，水動力矩的大小與船速和漂角有關(guān)。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力與水動力矩系數(shù)水動力系數(shù)可通過循環(huán)水槽試驗獲得，也可根據(jù)約束船模試驗獲得水動力導(dǎo)數(shù)進(jìn)行計算，或流體力學(xué)理論計算；目前，高速、小漂角水動力系數(shù)的計算方法已經(jīng)比較完善了，但大漂水動力系數(shù)資料較少，而船舶掉頭、靠離泊操縱恰恰需要研究大漂角下的水動力。水動力系數(shù)和水動力矩系數(shù)與船舶運(yùn)動狀態(tài)和船體水下局部的形狀有關(guān)；對于給定船型，它們?yōu)槠堑暮瘮?shù)。船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力系數(shù)船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力矩系數(shù)船舶操縱