船舶操縱與耐波

操縱性是指船舶按照駕駛者的意圖保持或改變其運動狀態(tài)的性能，即船舶能保持或改變航速、航向和位置的性能。包括以下四個方面：=1\*GB3①航向穩(wěn)定性：舶在水平面內運動受到擾動而偏離平衡狀態(tài)，當擾動完全消除后，保持原有航向運動的性能。=2\*GB3②回轉性：船舶應舵作圓弧運動的性能。=3\*GB3③轉首及跟從性：船舶應舵轉首及迅速進入新的穩(wěn)定運動狀態(tài)的性能。=4\*GB3④停船性能：船舶對慣性停船和倒車停船的響應性能。影響操縱性的因素：船型→水動力性能→操縱性操縱裝置控制系統(tǒng)：自動駕駛系統(tǒng)，自動定位系統(tǒng)，自動舵。2、固有操縱性：不考慮外界環(huán)境條件、操舵裝置性能、駕駛人員的技術水平等差異所表現(xiàn)的自身固有操縱性——（船、舵）開環(huán)操縱性。3、控制操縱性：考慮上述因素的船舶，在具有操船環(huán)境下實操時所表現(xiàn)的操縱性能。4、操縱裝置：舵、轉向導管、平旋推進器、主動轉向裝置。5、操縱六要素：錨、車、舵、纜、風、流。6、作不定常運動的船舶，除了船本身受到與加速度成比例的慣性力外，同時船體作用于周圍的水，使之得到加速度，根據(jù)作用力與反作用力原理，水對船存在反作用力，這個反作用力稱為附加慣性力。附加慣性力是與船的加速度成比例的，其比例系數(shù)稱為附加質量。附加質量與物體本身的形狀及運動狀態(tài)有關。Ixx=mx2+運動坐標系：以船舶的重心位置G為原點而固定于船體上的直角坐標系。首向角：船舶縱剖面與OoXo軸的交角。航速角：重心瞬時速度矢量與OoXo軸夾角。樞心：回轉時漂角為零點、橫向速度為零的點。船舶重心處的速度矢量V與Gx軸正方向的交角稱為漂角β。船舶在靜水中運動時，作用在其上的外力分為兩類：一類是由船舶與水之間的相互運動引起的水動力和力矩，另一類是由于其他原因引起的外力，如托纜力、風壓力等。船舶操縱性運動線性方程式：m-Xuum--把水動力作為外力，應用牛頓定律建立的數(shù)學模型，稱為水動力模型。水動力導數(shù)分析：（1）水動力和力矩的位置導數(shù)YV和NV。當船舶以速度u1前進并具有橫向速度v時，和速度V與x軸形成漂角β。將船體視為展弦比為2d/L的機翼，漂角相當于機翼的攻角。因此船體收到一個升力YVv，船體首部和尾部的方向均指向v的負方向，所以合力為一較大負值，YV也是以較大負值。而水動力矩由于首尾作用相互抵消，其絕對值不會很大，因機翼的水動力中心在形成之前，首部作用占優(yōu)勢，故NV一般為一個不大的負值。（2）水動力和力矩的旋轉導數(shù)Yr和Nr。在回轉角速度r的影響下，船艏與船艉有相反方向的攻角。因此船艏和船艉水動力方向相反，Yr的絕對值較小，符號取決于船型；而水動力矩在船艏艉方向相同，都是阻止船舶回轉的，所以水動力導數(shù)Nr是一個很大的負值，對操縱運動起重要作用。（3）水動力和力矩的線加速度導數(shù)YVYV是水動力Y相對于加速度v在平衡狀態(tài)下的變化率。具有正的加速度v的船舶收到水動力與加速度反向，因此YV是一個相當大的負值，水動力YVv是由v引起的船體沿y軸的附加慣性力，|YV|即附加質量；由于船艏和船艉對z軸產生的水動力矩（4）水動力和力矩角加速度導數(shù)Y正的回轉角加速度在船艏產生+v而在船艉產生-v，由此引起的水對船體的慣性反作用力與加速度方向相反。所以正r在船艏產生負的Yr和負的Nr，而在船艉產生正的Yr和負的Nr。由于船艏和船艉存在反方向的水動力故合力較小，所以Yr是一個較小的值，符號取決于船型；Nr（5）舵角的控制導數(shù)：正的δ產生負的舵力，所以Yδ<0，而舵力使船右轉，是正的，故Nδ>0.一階K-T方程：Tr+r=Kδ。適用條件：較好穩(wěn)定性，舵角小，物理意義：船舶在慣性力矩、阻尼力矩和舵力矩的作用下進行緩慢轉首運動可以用下式近似表示：Ir+Nr=Mδ；式中：N為船舶回轉中的阻尼力矩系數(shù)；I為船舶回轉中的慣性力矩系數(shù)；兩式相比，有：T=IN，K=MNT是慣性力矩系數(shù)與阻尼力矩系數(shù)之比。T值大，表示船舶運動中受到的慣性力矩大，阻尼力矩小，T小穩(wěn)定性好。K是轉首力矩系數(shù)與阻尼力矩系數(shù)之比。K值大，表示舵產生轉首力矩大而阻尼力矩小，K大回轉性好。直線穩(wěn)定性——船舶受到瞬時擾動后，最終能恢復直線航行狀態(tài)，但航向發(fā)生變化。(主要)方向穩(wěn)定性——船舶受擾后，新航線為與原航線平行的另一條直線。位置穩(wěn)定性——船舶受擾后，最終仍按原航線的延長線航行。不操舵情況下的穩(wěn)定性稱為自動穩(wěn)定性，取決于船體和舵的幾何形狀，是船舶的固有屬性。操舵或使用其他操縱裝置條件下的穩(wěn)定下的穩(wěn)定性稱為控制穩(wěn)定性，取決于整個閉合回路的特性。自動穩(wěn)定性越好的船,控制穩(wěn)定性也越好.對于通常的水面船舶,只有通過操舵控制才可能使之具備方向穩(wěn)定性和位置穩(wěn)定性.如果不操舵,最多具備直線穩(wěn)定性。直線穩(wěn)定性的條件為：C=上式為穩(wěn)定性衡準式，系數(shù)C稱為穩(wěn)定性衡準數(shù)。C>0表示船舶具有直線穩(wěn)定性。在深水中Yrr<mu左邊項稱為位置力臂lv，右邊項稱為阻尼力臂lr。直線穩(wěn)定性條件：lv<lr改善：使船體水線以下側投影面積向首尾兩端分布，可使|Nr|增大，即lr增大，對穩(wěn)定性有利。但首部面積增大，使側面積中心向前移動，|Nv|增大，lv也增大，對穩(wěn)定性不利。只有增大尾部面積，如采用增加尾傾，增大呆木或尾鰭面積，既可使|Nr|增大，又使|Nv|減小，可改善穩(wěn)定性。反之，若為了改善其他性能，必損失一些穩(wěn)定性時，可采用削小呆木，呆木開孔，增加首踵等措施。直線航行的船舶，將舵轉至一舵角，并保持此舵角，船將做曲線運動，稱為回轉運動。船舶做回轉運動時重心的軌跡稱為回轉圈?；剞D運動的三個階段：轉舵階段：船舶從開始執(zhí)行轉舵命令起到實現(xiàn)命令舵角止的階段（8~15s）。船體慣性很大舵力很小，轉舵階段中漂角和回轉角速度都很小，舵力起主要作用，幾乎按原航向航行。過渡階段：從轉舵終止到船舶進入定?；剞D的中間階段。加速度、角加速度、V、r都不為零，隨時間變化，唯有舵角保持常數(shù)。定常階段：過渡階段終了，船舶運動參數(shù)開始穩(wěn)定，達到新的平衡狀態(tài)。航向以一定角速度回轉，重心軌跡成圓形?；剞D圈：船舶在不同舵角條件下作圓周回轉時重心的航行軌跡。定常回轉圈是操縱性的指標，是衡量轉首性和回轉性的直觀方法?；剞D圈的特征參數(shù)：定?；剞D直徑D：在回轉運動中，船舶進入定常階段后的回轉圈的直徑。3,10,5~7.戰(zhàn)術直徑DT：船舶首項改變180°時，其重心距初識直線航線的橫向距離。3~6；7~8?？v距Ad：自轉舵開始時的船舶重心沿初識直線航向至首向改變90°時的船舶重心間的縱向距離。一般為3~4L,越大表示對操舵反應越遲鈍。正橫距Tr：船舶轉首90°時，其重心至初識直線航線的橫向距離。越小回轉性越好。反橫距K：船舶離開初識直線航線向回轉中心的反側橫移的最大距離。進程：縱距L1減去定常回轉半徑R。中縱剖面上漂角為0的點，即在該點上速度的方向與中縱剖面相一致，橫向速度為0,即為回轉樞心。應舵指數(shù)（跟從性指數(shù)）T是衡量直線穩(wěn)定性的指標，T越小，r越快的趨于0，直線穩(wěn)定性好；T也決定船舶達到穩(wěn)定回轉的快慢，T越小,1-e-t/T的指數(shù)趨于1回轉性指數(shù)K:對于直線穩(wěn)定性的船，隨時間的增長角速度趨于定值，把t→∞時的角速度記為rc，則有rc=Kδ,可見定?；剞D角速度取決于系數(shù)K和舵角δ，K為單位舵角引起的定?；剞D角速度。由rc=VcD2得D=2K=YδNv-NδYvC回轉速降：在船舶滿舵回轉時漂角增大，前進阻力增大，離心力的前進方向分量大大消耗槳推力，而且槳的工作條件改變轉速略降，效率降低，造成船舶前進速度減小。將應舵指數(shù)T和回轉性指數(shù)K無因此化：K'=KLP=12K'T'，稱轉首指數(shù)，表示操舵后船舶移動一個船長時，用以判別操舵效應的每單位舵角引起的首向角改變值，是衡量轉首性的指標。對于直線穩(wěn)定的船，PVC回轉橫傾角:（內傾、外傾）船舶在回轉運動中出現(xiàn)繞x軸的橫傾。大小取決于R，但不是線性關心，因為Vc也受R影響。穩(wěn)定橫傾角計算：?R=Vc2ghRzG-Z形操縱試驗：（確定K、T指數(shù)的標準方法，評價船在中小舵角下保持航向的能力）小角度Z形試驗+螺線試驗/逆螺線試驗提供完整的保持航向的操縱資料；Z形操縱試驗+15°舵角回轉試驗提供完整的變化航向的資料。δ——執(zhí)行舵角，ψ——換舵首向角超越角ψ0v是操反舵時的首向角和最大首向角的差值，是衡量船舶是否容易轉向的總量度。尤其是第一超越角ψ0v1在船舶實際避碰機動中有重要意義。越小越易轉向，因其正比于K、T乘積，所以跟從性好而回轉性差與跟從性差而回轉性好的船有可能該角相同。是從航向變化量方面對船舶轉動慣性的一種度量，一般用第一超越角和第二超越角作為衡量船舶慣性的參數(shù)。轉首滯后TL表示回復到正舵時刻到最大轉首角瞬時的時間間隔，即0舵角之后出現(xiàn)0角速度的時間滯后。TL越大表示船舶慣性越大。TL’=TLV0/L為跟從性量度，越小越好。螺線試驗：（評價船舶的直線穩(wěn)定性）直線穩(wěn)定情況r與δ是單值關系，操右舵角（δ>0）船向右轉（r>0），反之亦然。r-δ曲線在原點的斜率?r?δ為線性理論的K值，即單位舵角產生的定常運動角速度。?r?δ越小表示越不易擾動，直線不穩(wěn)定情況圖在一定范圍（a，b）內r與δ不是單值關系，船舶回轉角速度r取決于運動的歷史。在兩舷舵角a、b之間，0舵角對應的角速度在c、d之間的范圍內，r-δ曲線出現(xiàn)一個回環(huán)，稱為滯后環(huán)或不穩(wěn)定環(huán)。ab間距稱為不穩(wěn)定環(huán)寬，cd間距稱為不穩(wěn)定環(huán)高，越大直線穩(wěn)定性越差，可作為不穩(wěn)定程度的參數(shù)。范圍外右舵右轉左舵左轉?；囟嬖囼灒海ㄑ杆勹b別船舶直線穩(wěn)定性簡單方法）操作規(guī)律：首先操20°左右的舵角使船達到定常回轉，然后操舵回中。如果船是直線穩(wěn)定的則回舵角速度應衰減為0；否則回轉角速度衰減到某一剩余值。須左右舵都進行以發(fā)現(xiàn)船體可能存在的左右不對稱性。不穩(wěn)定情況階越回舵ab間距相當于不穩(wěn)定環(huán)高度，是不穩(wěn)定范圍的一種度量。操縱性標準：回轉能力、初始回轉能力、偏航糾正和航向保持能力、停船能力。舵設計的基本思想：滿足操縱性要求，舵與船、槳組成有機整體，考慮他們之間相互影響，力求降低航行阻力，提高推進效率。展弦比λ：舵高與舵寬之比。矩形舵：λ=hb，失速：當舵葉背上水流產生大面積分離時，升力系數(shù)Cy迅速下降，這種現(xiàn)象稱為失速。對應的攻角αcr稱為失速角或臨界攻角。失速前展弦比λ較大的舵在攻角α相同時具有較大的升力系數(shù)Cy。但λ大的舵αcr小。穩(wěn)定性:對處于定常運動狀態(tài)的物體(或系統(tǒng)),若受到極小的外界干擾作用,而偏離原定常運動狀態(tài),當干擾去除之后,經(jīng)過一定的過渡,若物體(或系統(tǒng))能回復到原定常運動狀態(tài),則稱原運動狀態(tài)是穩(wěn)定的.物體的運動狀態(tài)是否穩(wěn)定既取決于物體本身的性質,而且也取決于所考察的運動狀態(tài)和運動參數(shù).任何船舶不操舵都不具有方向和位置穩(wěn)定性：船舶受到外界擾動，一旦偏離了原來航向，船后漿的推力方向和船速方向都發(fā)生了改變，對于具有直線穩(wěn)定性的船雖然恢復原來的運動狀態(tài)，但無法改變槳的推力方向而恢復原來的航向，更無法自動回到原來的航線。回轉性：轉舵使船舶作圓弧運動的能力。用回轉直徑來表示。與船舶避讓避碰.靠離碼頭.靈活掉頭有關?；剞D運動的耦合特性：船舶在水平面內作回轉運動時會同時產生橫搖、縱搖、升沉等運動,以及由于回轉過程中阻力增加引起的速降。其中以回轉橫傾與速降最為明顯?；剞D橫傾：在回轉過程中，船體承受側向力其作用點高度各不相同，于是產生了對Ox軸的傾側力矩．過渡階段橫傾角隨時間變化而振動，最大橫傾角出現(xiàn)在過渡階段。回轉直徑越小，回轉漂角越大，回轉速降越大。指數(shù)K、T的物理意義：K表示了回轉性（越大越好）,T表示了應舵性和航向穩(wěn)定性（越小越好）。（1）力學意義：參數(shù)T是慣性力矩與阻尼力矩之比，T值越大，表示船舶慣性大而阻尼力矩小。參數(shù)K是舵產生的回轉力矩與阻尼力矩之比，K值越大，表示舵產生的回轉力矩大而阻尼力矩小。為了提高船舶的操縱性，我們總希望它慣性盡可能小，而舵產生的回轉力矩盡可能大，也就是希望T盡量小，K盡量大。（2）運動學意義：K表示船舶受單位持續(xù)舵角作用下產生的最終回轉角速度，T表示船舶的穩(wěn)定性，其大小決定了船舶達到定?；剞D角速度的時間。K、T的變化：舵角增加，K、T同時減??；吃水增加：，K、T同時增大；尾傾增加，K、T同時減??；水深變淺：，K、T同時減??；船型越肥大，K、T同時增大。舵效：操單位舵角后，船舶航行一個船長距離時，取得轉向角大小的性能。船模試驗：自航模；約束模操縱性試驗：回轉試驗、螺線及逆螺線試驗、回舵試驗、Z形試驗、變首向試驗、頻率響應試驗、以及關于啟動、停車、倒退等專門試驗。操縱性船模試驗滿足條件：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。舵效指數(shù)P影響因素：（1）舵角越大舵力越大舵效越好。（2）排水量越大，P值越小，舵效越差。（3）首傾比尾傾舵效差，橫傾時向低弦轉向比向高弦轉向舵效差。（4）轉舵越快舵效越好。（5）順風順流比頂風頂流舵效差，淺水比深水舵效差。尺度作用的差異的主要原因：為了平衡船模過大的摩擦阻力，必須提高螺旋槳的負荷，以致船模尾部形成強尾流，而提高了舵的轉船力矩和舵的阻尼。肥大油船的尺度作用：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，因此由粘性引起的尾部渦流情況不同，這是引起異?，F(xiàn)象的主要原因。若采用15m左右的大船模進行自由自骯試驗，就很少發(fā)生此類異?，F(xiàn)象。船舶配備引航卡、駕駛臺操縱性圖及船舶操縱手冊三種形式的隨船資料。橫搖固有周期特點：兩艘相近的船舶，橫搖角近似與固有周期的平方成反比；Tθ越大，船在波浪上搖蕩越緩和，使船舶搖幅減小，又可以增加舒適性；提高Tθ途徑，Ix1增大或者h減??；一艘船的慣性矩變化范圍不大，只有減小初穩(wěn)性高度，即在穩(wěn)性范圍內盡可能小的取h值。搖蕩運動可以分解為三種角位移和三種線位移，分別稱為橫搖、縱搖、首搖和縱蕩、橫蕩、垂蕩。耐波性影響①對舒適性的影響②對航行使用性的影響③對安全性的影響消滅曲線為分析搖減幅運動情況,假定第i次的幅值為θi,相隔半個同期的下一次橫幅幅值為θi+1，則相鄰兩次橫搖幅值之差為Δθ=θi-θi+1，而平均橫搖角為θm=1/2*(θi+θi+1)。以θm為橫軸，Δθ為縱軸，繪一曲線，表征貢搖角隨振幅的衰減情況，稱為消滅曲線。有效波面：在吃水范圍內波浪的軌圓半徑隨水深急劇減少，因此船舶受的表觀重力不是垂直于波表面，而是垂直于某一深度的次波面，該次波面也稱為有效波面，對應的波傾角稱為有效波傾角（表示波形的切線與水平線間的夾角）摩擦阻尼：由水的粘性摩擦產生，與角速度的平方成比例。所占比重較小，可以忽略。興波阻尼：船體運動形成水平面波浪，消耗了本身的能量而產生，與角速度的一次方成比例。旋渦阻尼：船體彎曲部分附近形成旋渦，損失部分能量而產生，與角速度平方成比例。有義波高：將波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的1/3部分波高的平均值稱為有效波高。疊加原理：假定不規(guī)則波是由許多不同波長、波幅和相位隨機的微幅單元規(guī)則波疊加而成。海浪的各態(tài)經(jīng)歷經(jīng)歷性校集中每一個現(xiàn)實的統(tǒng)計特性相等。校集的統(tǒng)計特性等于一個現(xiàn)實的統(tǒng)計特性。海浪及海浪引起的搖蕩運動都看成是具有各態(tài)歷經(jīng)性的隨機過程。海浪譜密度函數(shù)：表征不規(guī)則波的能量在不同頻率單元波上的分布情況，稱為海浪譜密度函數(shù)。譜密度曲線下的面積等于隨機過程的方差。不規(guī)則波的譜密度表示了不規(guī)則波內各單元波的能量分布情況，它表明了組成不規(guī)則波的哪些頻率的單元波起主要作用，哪些起次要作用，清楚的表明了不規(guī)則波的內部結構，是描述海浪譜強有力的工具。海浪譜隨風速和有義波高的增大而變高。風浪三要素：表觀波長：任意兩相鄰的上穿零點（波峰）在空間基線上的距離。表觀波幅：相鄰的波峰與波谷間的垂向距離稱為表觀波高，由靜水面至波峰或波谷的垂向距離稱為表觀波幅。表觀周期：任意兩相鄰上穿零點（波峰）在時間基線上的距離。風浪要素大小取決于：風速，在水面規(guī)定高度上風的前進速度；風時，即穩(wěn)定狀態(tài)的風在水面上吹過的持續(xù)時間；風區(qū)長度，即風接近于不變的方向和速度時在開敝的水面上吹過的距離。浪級的劃分是按波浪尺度而定。風浪的級別由波高大小決定，波高越大、浪級越高。風級是按風速大小而定，海況是描述海面的外形，不僅反映波浪的尺度變化，同時還反映海面其他變化。頻率響應函數(shù):單元波作用于船體引起的同頻率的單元搖蕩運動幅值與規(guī)則單元波的波幅之比。譜分析法：通過對隨機取樣在頻率區(qū)域內的譜分析，結合瑞利分布的特性，對船舶的不規(guī)則統(tǒng)計值進行預報。用譜分析法預報船舶在不規(guī)則波中的運動統(tǒng)計值過程（1）根據(jù)航區(qū)資料，確定估算海區(qū)的三一平均波高或風速以及波浪特征周期，選定相應的海浪譜公式。（2）確定頻率響應函數(shù)。（3）計算遭遇頻率。（4）計算運動譜密度對原點的n階譜矩。（用遭遇頻率代替自然頻率）（5）計算譜寬參數(shù)（6）計算修正后的方差（7）計算搖蕩的統(tǒng)計值最大能量單元波：對應譜密度曲線峰點的單元波，在不規(guī)則波中含有最大的能量，稱為最大能量單元波。最大有義單元波：波長超過一定范圍的波，它在整個單元波中占有很小的比例，所有波長大于最大有義單元波的能量占總能量的5%（橫）對譜密度曲線的劃分——主成份波：海浪譜密度等于最大能量單元波譜密度的80%區(qū)間的單元波。有義成分波：最大有義波長與λ=2B區(qū)間的單元波稱為有義成分波。船舶橫搖既取決于波浪能量的大小，也取決于譜密度曲線與放大因數(shù)曲線的關系，根據(jù)后者對船舶在不規(guī)則波中橫搖劃分如下：亞臨界區(qū)域：當船舶諧搖波長小于2倍船寬時，船舶不會發(fā)生很大的橫搖，稱~。臨界區(qū)域：當橫搖的諧搖波長位于主成分波區(qū)間之內