船舶操縱學(xué)習(xí)教案課件

會計學(xué)1大連海事大學(xué)船舶操縱會計學(xué)1大連海事大學(xué)船舶操縱船舶操縱緒論概述船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶阻力與推進第1頁/共46頁船舶操縱緒論概述第1頁/共46頁船舶操縱概述船舶操縱的含義 常規(guī)船舶操縱(shiphandling)包括三種：保持航向改變航向改變船速第2頁/共46頁船舶操縱概述船舶操縱的含義第2頁/共46頁船舶操縱概述保持航向(Coursekeepingorsteering)從事海上運輸?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動。在港內(nèi)，為了使船舶保持在直線航道內(nèi)航行，也需要船舶保持直線運動。改變航向(Maneuveringorcoursechanging)當(dāng)船舶在預(yù)定的航線上遇到障礙物或其它船舶時，為了避免碰撞，船舶操縱人員力又求使船舶及時改變航向。改變船速(Speedchanging)。當(dāng)船舶進出港口、靠離泊或錨泊時，需要對船速進行控制，為此，船舶操縱人員又希望及時改變船速。第3頁/共46頁船舶操縱概述保持航向(Coursekeepingors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動狀態(tài)為目的而進行的必要觀察、判斷、指揮、實施等。第4頁/共46頁船舶操縱概述操縱：在這三種情況下，操縱人員都要對船舶進行操作船舶操縱原理閉環(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)，航向值與舵角也反饋到操船人員，供進一步操縱。第5頁/共46頁船舶操縱原理閉環(huán)控制;第5頁/共46頁船舶操縱設(shè)備操縱設(shè)備主要包括舵和推進器：改變或保持船舶的運動方向主要用舵來完成；變化船舶運動速度主要用推進器來完成。從舵和推進器的運用幅度來看，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)進行旋回和用全速倒車進行緊急停船。第6頁/共46頁船舶操縱設(shè)備操縱設(shè)備主要包括舵和推進器：第6頁/共46頁船舶操縱設(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：錨、纜等。

第7頁/共46頁船舶操縱設(shè)備其他設(shè)備：第7頁/共46頁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

第8頁/共46頁船舶操縱特點慣性大，緩變系統(tǒng)第8頁/共46頁船舶操縱任務(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。第9頁/共46頁船舶操縱任務(wù)常規(guī)航行：小舵角保向或中舵角轉(zhuǎn)向；第9頁/共46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人員的水平第10頁/共46頁任務(wù)要求了解船舶（船體）的操縱特性第10頁/共46頁船舶操縱研究研究任務(wù)通過考察船舶受控運動的規(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，以滿足安全方面的要求。建立評價船舶操縱安全標(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)境下的安全性進行評價。在安全評價基礎(chǔ)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)的通航安全提供理論依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。第11頁/共46頁船舶操縱研究研究任務(wù)第11頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)水面船舶運動可用剛體平面運動原理加以描述，用數(shù)學(xué)方法來定量研究船舶運動問題。船舶在靜水中的運動可分解為在水平面的平移運動和繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運動。船舶運動學(xué)參數(shù)包括位置、船速、漂角、轉(zhuǎn)心、航向角、速度、角速度等。第12頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)水面船舶運動可用剛體平面運動原理加以描述，運動坐標(biāo)系theearth-fixedandbody-fixedframes(SNAME1950)第13頁/共46頁運動坐標(biāo)系theearth-fixedandbody-運動坐標(biāo)系船舶6個自由度的運動三個平動：x軸：u,surging（前進）

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）第14頁/共46頁運動坐標(biāo)系船舶6個自由度的運動第14頁/共46頁3degreesoffreedomSurge;Sway;Yaw.2actuatorsThrusterRudder平面運動第15頁/共46頁3degreesoffreedom平面運動第15頁/共船舶操縱運動學(xué)參數(shù)位移和航速考察船舶運動軌跡時，涉及船舶的運動歷史航跡，采用固定坐標(biāo)系進行描述。航速是指船舶在固定坐標(biāo)系的運動速度(包括流的影響)，一般用V表示。第16頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)位移和航速第16頁/共46頁船舶操縱運動學(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)。第17頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)航向與轉(zhuǎn)動角速度第17頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船速在運動坐標(biāo)系中，坐標(biāo)原點(船舶重心或船中)的速度是運動軌跡的切線方向，顯然船速是矢量。船速是指船舶相對于水的運動速度，一般用符號U表示。第18頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船速第18頁/共46頁船舶操縱運動學(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β表示，左舷為負(fù)，右舷為負(fù)，是衡量船舶運動狀態(tài)的重要參數(shù)。第19頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)漂角第19頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心(pivotpoint)船舶的操縱運動可以看作是平動與轉(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”。第20頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心(pivotpoint)第20頁/船舶操縱運動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心(pivotpoint)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。第21頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心(pivotpoint)第21頁/船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船舶平面運動的特征船舶轉(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；第22頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船舶平面運動的特征第22頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運動方程將船舶作為一個剛體，根據(jù)牛頓第二運動定律，受到外力作用的船舶的平面運動規(guī)律可以表示為

第23頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運動方程第23頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運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)系的運動方程轉(zhuǎn)換成動坐標(biāo)系中船舶運動方程；坐標(biāo)變換第24頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運動方程第24頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運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)系中船舶運動方程：第25頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運動方程第25頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)根據(jù)日本MMG分離建摸的思想，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(Propeller)、舵(Rudder)、浪(Wave)、拖船(Tug)、風(fēng)(air)、纜(line)以及錨鏈(chain)等。第26頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)根據(jù)日本MMG分離建摸的思想，無流或僅有定船舶操縱動力學(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一步分為慣性力和粘性力兩部分；第27頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及水動力矩第27頁/共46頁船舶操縱動力學(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部分水質(zhì)量對垂直軸慣性矩增大，稱為附加慣性矩。第28頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)慣性力及慣性力矩第28頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)慣性力及慣性力矩模型實驗時，科氏力很難分離；附加質(zhì)量及附加慣性矩，分別記作-mx、-my、-Jzz

慣性水動力項寫成：第29頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)慣性力及慣性力矩第29頁/共46頁船舶操縱動力學(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mx≈0.07m；橫向附加質(zhì)量my≈0.75m；附加慣性矩Jz≈1.0m。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。第30頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及水動力矩第30頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式船舶以一定速度在流體中運動時，產(chǎn)生的動壓強表示為：第31頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第31頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式船體水動力F

H

也稱為斜航阻力

F

H可分解為船舶操縱運動方程中的縱向分量XH和橫向分量YH

，其力學(xué)意義更加明確；縱向分量XH是縱向水動力；而橫向分量YH

為船舶橫向水動力。習(xí)慣上，將XH稱為船舶阻力，而YH稱為水動力。第32頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第32頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達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γ；水動力角可用水動力橫向分量與縱向分量的比值表示第33頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第33頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達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)通常遠大于縱向水動力系數(shù)，因此，除了船舶進行純縱向運動或純橫向運動，水動力角γ總是大于漂角β。第34頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第34頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第35頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第35頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力角與漂角β水動力角隨漂角β的增大而增大；由于船舶水下側(cè)投影面積遠大于正投影面積，則在0o＜β＜180o時，水動力角一般接近正橫方向(90o左右)；當(dāng)漂角β≈0o，即船舶向前直航時，水動力角γ≈0o，這種情況下船舶水動力為船舶直航阻力；當(dāng)漂角β≈90o，即船舶橫向移動時，水動力角γ≈90o，這種情況相當(dāng)于船舶靠泊或離泊過程中的橫移運動所受的橫向阻力；當(dāng)漂角β≈180o時，水動力角γ≈180o，即船舶受力為后退阻力。第36頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力角與漂角β第36頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力作用中心水動力作用中心是指船體水下部分的面積中心。其位置Wx與船體水線下側(cè)面積沿船長的分布和船舶運動狀態(tài)有關(guān)；水動力作用中心位置Wx為漂角的函數(shù)，隨漂角β的增大而逐漸向后移動。第37頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力作用中心第37頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力中心與漂角β船舶平吃水時，當(dāng)漂角為0o，即船舶向前直航時，Wx≈0.25L，即水動力中心在船首之后約1/4船長處，且船速越低，越靠近船中；當(dāng)漂角為90o，即船舶對水橫向移動時，Wx≈0，即水動力中心在船中附近；當(dāng)漂角為180o，即船舶后退時，Wx≈-0.25L，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。第38頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力中心與漂角β第38頁/共46頁船舶操縱動力學(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)。第39頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力矩第39頁/共46頁船舶操縱動力學(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)與船舶運動狀態(tài)和船體水下部分的形狀有關(guān)；對于給定船型，它們?yōu)槠堑暮瘮?shù)。第40頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力與水動力矩系數(shù)第40頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力系數(shù)第41頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力系數(shù)第41頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力矩系數(shù)第42頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力矩系數(shù)第42頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)影響船體水動力的因素船舶的幾何特征船長L、船寬B、吃水d；無因次幾何形狀參數(shù)L/B、B/d、CB船舶的運動特征速度、加速度角速度、角加速度航行水域的幾何特征寬度、水深與吃水比、航道的邊坡第43頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)影響船體水動力的因素第43頁/共46頁船舶阻力與推進船舶阻力船舶推進螺旋槳推力第44頁/共46頁船舶阻力與推進船舶阻力第44頁/共46頁本節(jié)要點船舶運動學(xué)參數(shù)漂角、轉(zhuǎn)心、航向角、速度、角速度。船舶平面運動的特征船舶操縱動力學(xué)參數(shù)運動方程船體水動力及水動力矩水動力角與漂角β、水動力作用中心影響船體水動力的因素船舶的幾何特征、船舶的運動特征、航行水域的幾何特征第45頁/共46頁本節(jié)要點船舶運動學(xué)參數(shù)第45頁/共46頁會計學(xué)47大連海事大學(xué)船舶操縱會計學(xué)1大連海事大學(xué)船舶操縱船舶操縱緒論概述船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶阻力與推進第1頁/共46頁船舶操縱緒論概述第1頁/共46頁船舶操縱概述船舶操縱的含義 常規(guī)船舶操縱(shiphandling)包括三種：保持航向改變航向改變船速第2頁/共46頁船舶操縱概述船舶操縱的含義第2頁/共46頁船舶操縱概述保持航向(Coursekeepingorsteering)從事海上運輸?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動。在港內(nèi)，為了使船舶保持在直線航道內(nèi)航行，也需要船舶保持直線運動。改變航向(Maneuveringorcoursechanging)當(dāng)船舶在預(yù)定的航線上遇到障礙物或其它船舶時，為了避免碰撞，船舶操縱人員力又求使船舶及時改變航向。改變船速(Speedchanging)。當(dāng)船舶進出港口、靠離泊或錨泊時，需要對船速進行控制，為此，船舶操縱人員又希望及時改變船速。第3頁/共46頁船舶操縱概述保持航向(Coursekeepingors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動狀態(tài)為目的而進行的必要觀察、判斷、指揮、實施等。第4頁/共46頁船舶操縱概述操縱：在這三種情況下，操縱人員都要對船舶進行操作船舶操縱原理閉環(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)，航向值與舵角也反饋到操船人員，供進一步操縱。第5頁/共46頁船舶操縱原理閉環(huán)控制;第5頁/共46頁船舶操縱設(shè)備操縱設(shè)備主要包括舵和推進器：改變或保持船舶的運動方向主要用舵來完成；變化船舶運動速度主要用推進器來完成。從舵和推進器的運用幅度來看，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)進行旋回和用全速倒車進行緊急停船。第6頁/共46頁船舶操縱設(shè)備操縱設(shè)備主要包括舵和推進器：第6頁/共46頁船舶操縱設(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：錨、纜等。

第7頁/共46頁船舶操縱設(shè)備其他設(shè)備：第7頁/共46頁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

第8頁/共46頁船舶操縱特點慣性大，緩變系統(tǒng)第8頁/共46頁船舶操縱任務(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。第9頁/共46頁船舶操縱任務(wù)常規(guī)航行：小舵角保向或中舵角轉(zhuǎn)向；第9頁/共46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人員的水平第10頁/共46頁任務(wù)要求了解船舶（船體）的操縱特性第10頁/共46頁船舶操縱研究研究任務(wù)通過考察船舶受控運動的規(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，以滿足安全方面的要求。建立評價船舶操縱安全標(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)境下的安全性進行評價。在安全評價基礎(chǔ)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)的通航安全提供理論依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。第11頁/共46頁船舶操縱研究研究任務(wù)第11頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)水面船舶運動可用剛體平面運動原理加以描述，用數(shù)學(xué)方法來定量研究船舶運動問題。船舶在靜水中的運動可分解為在水平面的平移運動和繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運動。船舶運動學(xué)參數(shù)包括位置、船速、漂角、轉(zhuǎn)心、航向角、速度、角速度等。第12頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)水面船舶運動可用剛體平面運動原理加以描述，運動坐標(biāo)系theearth-fixedandbody-fixedframes(SNAME1950)第13頁/共46頁運動坐標(biāo)系theearth-fixedandbody-運動坐標(biāo)系船舶6個自由度的運動三個平動：x軸：u,surging（前進）

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）第14頁/共46頁運動坐標(biāo)系船舶6個自由度的運動第14頁/共46頁3degreesoffreedomSurge;Sway;Yaw.2actuatorsThrusterRudder平面運動第15頁/共46頁3degreesoffreedom平面運動第15頁/共船舶操縱運動學(xué)參數(shù)位移和航速考察船舶運動軌跡時，涉及船舶的運動歷史航跡，采用固定坐標(biāo)系進行描述。航速是指船舶在固定坐標(biāo)系的運動速度(包括流的影響)，一般用V表示。第16頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)位移和航速第16頁/共46頁船舶操縱運動學(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)。第17頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)航向與轉(zhuǎn)動角速度第17頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船速在運動坐標(biāo)系中，坐標(biāo)原點(船舶重心或船中)的速度是運動軌跡的切線方向，顯然船速是矢量。船速是指船舶相對于水的運動速度，一般用符號U表示。第18頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船速第18頁/共46頁船舶操縱運動學(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β表示，左舷為負(fù)，右舷為負(fù)，是衡量船舶運動狀態(tài)的重要參數(shù)。第19頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)漂角第19頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心(pivotpoint)船舶的操縱運動可以看作是平動與轉(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”。第20頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心(pivotpoint)第20頁/船舶操縱運動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心(pivotpoint)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。第21頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)心(pivotpoint)第21頁/船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船舶平面運動的特征船舶轉(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；第22頁/共46頁船舶操縱運動學(xué)參數(shù)船舶平面運動的特征第22頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運動方程將船舶作為一個剛體，根據(jù)牛頓第二運動定律，受到外力作用的船舶的平面運動規(guī)律可以表示為

第23頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運動方程第23頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運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)系的運動方程轉(zhuǎn)換成動坐標(biāo)系中船舶運動方程；坐標(biāo)變換第24頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運動方程第24頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運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)系中船舶運動方程：第25頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船舶操縱運動方程第25頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)根據(jù)日本MMG分離建摸的思想，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(Propeller)、舵(Rudder)、浪(Wave)、拖船(Tug)、風(fēng)(air)、纜(line)以及錨鏈(chain)等。第26頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)根據(jù)日本MMG分離建摸的思想，無流或僅有定船舶操縱動力學(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一步分為慣性力和粘性力兩部分；第27頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及水動力矩第27頁/共46頁船舶操縱動力學(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部分水質(zhì)量對垂直軸慣性矩增大，稱為附加慣性矩。第28頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)慣性力及慣性力矩第28頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)慣性力及慣性力矩模型實驗時，科氏力很難分離；附加質(zhì)量及附加慣性矩，分別記作-mx、-my、-Jzz

慣性水動力項寫成：第29頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)慣性力及慣性力矩第29頁/共46頁船舶操縱動力學(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mx≈0.07m；橫向附加質(zhì)量my≈0.75m；附加慣性矩Jz≈1.0m。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。第30頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及水動力矩第30頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式船舶以一定速度在流體中運動時，產(chǎn)生的動壓強表示為：第31頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第31頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式船體水動力F

H

也稱為斜航阻力

F

H可分解為船舶操縱運動方程中的縱向分量XH和橫向分量YH

，其力學(xué)意義更加明確；縱向分量XH是縱向水動力；而橫向分量YH

為船舶橫向水動力。習(xí)慣上，將XH稱為船舶阻力，而YH稱為水動力。第32頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第32頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達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γ；水動力角可用水動力橫向分量與縱向分量的比值表示第33頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第33頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達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)通常遠大于縱向水動力系數(shù)，因此，除了船舶進行純縱向運動或純橫向運動，水動力角γ總是大于漂角β。第34頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第34頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第35頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)船體水動力及其表達式第35頁/共46頁船舶操縱動力學(xué)參數(shù)水動力角與漂角β水動力角隨漂角β的增大而增大；由于船舶水下側(cè)投影面積遠大于正投影面積，則在0o＜β＜180o時，水動力角一般接近正橫方向(90o左右)；當(dāng)漂角β≈0o，即船舶向前直航時，水動力角γ≈0o，這種情況下船舶水動力為船舶直航阻力；當(dāng)漂角β≈90o，即船舶橫向移動時，水動力角γ≈90o，這種情況相當(dāng)于船舶靠泊或離泊過程中的橫移運動所受的橫向阻力；當(dāng)漂角β≈180o時，水動力角γ≈180o，即船舶受力為后退阻力。