船舶操縱第二章

第二章船舶操縱性基礎(chǔ)操船者關(guān)心的問題？實(shí)施操縱后船舶對(duì)操縱的反應(yīng)船舶的運(yùn)動(dòng)性能如何船舶操縱性就是研究運(yùn)動(dòng)性能的科學(xué)1第一節(jié)船舶操縱性概述定義：船舶操縱性是指船舶對(duì)外界干擾或操縱者操縱的反應(yīng)能力第二章船舶操縱性基礎(chǔ)狹義：船舶操縱性是保持和改變航向的性能廣義：不但包括航向控制，而且還包括：加速、減速、停船等變速的控制。2船舶固有運(yùn)動(dòng)性能

船舶操縱運(yùn)動(dòng)性能

一、船舶操縱性指標(biāo)及其判別第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶操縱性分為：如何評(píng)價(jià)船舶操縱性能？1、船舶操縱性指標(biāo)IMO船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)中將船舶的6個(gè)顯著操縱運(yùn)動(dòng)性能作為評(píng)價(jià)船舶操縱性的指標(biāo)31）固有穩(wěn)定性——船舶自動(dòng)保持直線運(yùn)動(dòng)的性能指標(biāo)第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2）保向性——操舵時(shí)船舶保持直線運(yùn)動(dòng)的性能指標(biāo)3）初始回轉(zhuǎn)性/改向性——船舶改變航向的性能指標(biāo)4）首搖抑制性——操舵時(shí)抑制船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的性能指標(biāo)5）旋回性——操滿舵時(shí)船舶回旋軌跡所占水域大小的性能指標(biāo)6）停船性——船舶縱向運(yùn)動(dòng)動(dòng)慣性的性能指標(biāo)船舶控制操縱性船舶固有操縱性42、航行環(huán)境影響下的操縱性1）實(shí)船試驗(yàn)旋回試驗(yàn)Z形試驗(yàn)3）淺水操縱性2）受限水域操縱性1）風(fēng)中操縱性螺旋試驗(yàn)第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、船舶操縱性的判別逆螺旋試驗(yàn)停船試驗(yàn)回舵試驗(yàn)52）試驗(yàn)測(cè)定參數(shù)直接判據(jù)間接判據(jù)1987年11月，IMO大會(huì)通過了A.601(15)決議，要求船舶配備以下隨船資料：1、引航卡2、駕駛臺(tái)操縱性圖第二章船舶操縱性基礎(chǔ)二、船舶必備操縱性資料3、船舶操縱手冊(cè)6三、船舶操縱性指數(shù)1、一階船舶運(yùn)動(dòng)方程第二章船舶操縱性基礎(chǔ)式中：—船舶回轉(zhuǎn)慣性力矩系數(shù)—船舶回轉(zhuǎn)阻尼力矩系數(shù)—舵的回轉(zhuǎn)力矩系數(shù)將上式兩端同除以得到：7K、T是一種可以表征船舶操縱性的特殊參數(shù)第二章船舶操縱性基礎(chǔ)設(shè)得：2、無(wú)因次化船舶操縱性指數(shù)8第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、操縱性指數(shù)的應(yīng)用在實(shí)際操船中，操船者總是希望T越小越好，K越大越好，為什么？9第二章船舶操縱性基礎(chǔ)第二節(jié)航向穩(wěn)定性與保向性一、航向穩(wěn)定性與保向性的概念1、船舶運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性船舶運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性穩(wěn)定性，指物體在受外界干擾，使其偏離原定常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)干擾消失后，物體是否具有回復(fù)到原定常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。能回復(fù)，具有穩(wěn)定性不能回復(fù)，不具有穩(wěn)定性就船舶運(yùn)動(dòng)方向性來(lái)說有三種運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性情況：10第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的種類：直線穩(wěn)定方位穩(wěn)定位置穩(wěn)定11第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1）直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性：干擾消失后，其重心軌跡最終回復(fù)為一直線，航向發(fā)生變化2）方向穩(wěn)定性：干擾消失后，其重心軌跡最終回復(fù)為與原航線平行的另一直線3）位置穩(wěn)定性：干擾消失后，其重心軌跡最終回復(fù)為與原航線的延長(zhǎng)線上12第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、航向穩(wěn)定性的概念船舶在直線航行過程中受到某種擾動(dòng)而改變了原航向，當(dāng)擾動(dòng)消失候后，不經(jīng)過操縱就能在新航向上恢復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，這樣的船舶就具有航向穩(wěn)定性，也稱固有穩(wěn)定性。3、保向性的概念船舶保持原航向的性能。即使船舶具有航向穩(wěn)定性，但不對(duì)其操縱，一般也不具有保持航跡的性能。因此，保向性是操舵保持船舶直線運(yùn)動(dòng)的性能。13第二章船舶操縱性基礎(chǔ)4、航向穩(wěn)定性與保向性的關(guān)系航向穩(wěn)定性與保向性既有區(qū)別又有聯(lián)系區(qū)別：航向穩(wěn)定性是船舶固有的運(yùn)動(dòng)性能。與船舶的幾何尺度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，而與操船者的操縱無(wú)關(guān)。保向性是船舶受控狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)性能，即對(duì)操縱的反應(yīng)能力。聯(lián)系：航向穩(wěn)定性好的船舶保向性也相應(yīng)的好；反之較差。14二、航向穩(wěn)定性的判別第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、直接判別參數(shù)可通過實(shí)船試驗(yàn)直接獲得。航向穩(wěn)定性的判別螺旋試驗(yàn)回舵試驗(yàn)具備航向穩(wěn)定性不具備航向穩(wěn)定性不具備航向穩(wěn)定性具備航向穩(wěn)定性有關(guān)直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的判別祥見船舶操縱性試驗(yàn)。152、間接判別參數(shù)第二章船舶操縱性基礎(chǔ)可根據(jù)船舶操縱性指數(shù)判斷一階船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程：對(duì)該方程求解得：具有航向穩(wěn)定性不具有航向穩(wěn)定性16一、變向性能概述第三節(jié)船舶變向性能第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶的變向性能包括首搖抑制性初始回轉(zhuǎn)性旋回性是衡量船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所占最小水域范圍大小的性能指標(biāo)定義：操滿舵使船舶進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的性能1、旋回性船舶以一定速度u直航中操滿舵并保持之，船舶重心所描繪的軌跡俗稱“旋回圈”。17第二章船舶操縱性基礎(chǔ)Ad——進(jìn)距（Advance）LK——反移量（Kick）

Tr

——橫距（Transfer）

DT——旋回初徑（Tacticaldiameter）

D——旋回直徑（Finaldiameter）18第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2）旋回性與初始回轉(zhuǎn)性能的區(qū)別與聯(lián)系2、初始回轉(zhuǎn)性是衡量直航船舶改變航向能力的性能指標(biāo)1）定義：船舶對(duì)中等舵角的反應(yīng)能力，即操中等舵角時(shí)船舶航行單位距離內(nèi)航向角變化大小的性能，或在給定航向角變化量時(shí)船舶所航行的距離長(zhǎng)短的性能。區(qū)別：評(píng)價(jià)目的不同，舵角不同。聯(lián)系：操縱性能之一，都是改變航向的性能。19第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、首搖抑制性2）初始回轉(zhuǎn)性能與首搖抑制性能的區(qū)別與聯(lián)系1）定義：船舶進(jìn)入旋回狀態(tài)，角速度達(dá)到一定時(shí)向旋回相反方向操舵，船首向?qū)Χ娴姆磻?yīng)能力的性能，即指操反舵后船首向?qū)Χ娴南鄳?yīng)迅速程度的能力。區(qū)別：前者是由靜到動(dòng)，后者由動(dòng)到靜。聯(lián)系：都是船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的一種度量20第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶以一定航速直進(jìn)當(dāng)中操某一舵角并保持之，船舶將進(jìn)入旋回過程。根據(jù)船舶在旋回運(yùn)動(dòng)過程中所受外力特點(diǎn)之變化，以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之不同，可將船舶旋回過程劃分為三個(gè)階段，如圖所示。二、旋回運(yùn)動(dòng)過程211、第一階段（轉(zhuǎn)舵階段）

轉(zhuǎn)舵階段:

指從轉(zhuǎn)舵開始到舵轉(zhuǎn)至規(guī)定角度為止，時(shí)間很短(約15s)受力情況：隨著舵的轉(zhuǎn)動(dòng)，由舵角引起橫向力和力矩，使船產(chǎn)生橫向加速度和回轉(zhuǎn)角加速度。時(shí)間(約15s)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：由于船體本身的慣性很大，由于轉(zhuǎn)舵階段的時(shí)間很短，還來(lái)不及產(chǎn)生明顯的橫向速度和回轉(zhuǎn)角速度。

v’0,r’0,v=r=0船舶運(yùn)動(dòng)分析：船舶重心G操舵相反一舷的小量橫移船舶橫向向操舵一舷傾斜（內(nèi)傾）222、第二階段（過渡階段）過渡階段：指從轉(zhuǎn)舵結(jié)束起到船舶進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為止的動(dòng)態(tài)過程受力情況：操舵后，隨著船舶橫移速度增加，漂角增大，流體產(chǎn)生作用于船體的力和力矩，將使船舶的旋回運(yùn)動(dòng)進(jìn)入加速旋回運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：v<0,r>0,v’0,r’0船舶運(yùn)動(dòng)分析：船舶的運(yùn)動(dòng)速度矢量將逐漸偏離首尾面而向外轉(zhuǎn)動(dòng)，越來(lái)越明顯的斜航運(yùn)動(dòng)將使船舶的旋回運(yùn)動(dòng)進(jìn)入加速旋回階段船舶的橫向運(yùn)動(dòng)由內(nèi)傾漸漸向外傾變化233、第三階段—定常階段（steadyturning）受力情況：經(jīng)過過渡過程的發(fā)展變化，作用于船體的力和力矩將最后達(dá)到平衡，船舶以一定的橫向速度和回轉(zhuǎn)速度繞固定點(diǎn)作定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：

v’=0,r’=0,v=const.,r=const.船舶運(yùn)動(dòng)分析：船舶的橫向運(yùn)動(dòng)為外傾24船舶旋回的三個(gè)階段圖示25旋回運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化26第二章船舶操縱性基礎(chǔ)三、旋回性的直接判斷1、進(jìn)距（Advance）—Ad

2、橫距（Transfer）—Tr

航向角變化90度時(shí)船舶重心的縱向移動(dòng)距離。

判斷旋回過程中船舶縱向占用水域范圍的依據(jù)。

一般運(yùn)輸船舶的Ad

/L為2.8~4。航向角變化90度時(shí)船舶重心的橫向移動(dòng)距離。

判斷旋回過程中船舶橫向占用水域范圍的依據(jù)。

一般運(yùn)輸船舶的AT/L為2.8~4.2。27第二章船舶操縱性基礎(chǔ)航向教角變化180度時(shí),船舶重心橫向移動(dòng)的距離.

判斷旋回過程中船舶橫向占用水域范圍的依據(jù)。

一般運(yùn)輸船舶的DT/L為2.8~4.2。船舶進(jìn)入定常旋回時(shí)的旋回圈直徑.

判斷船舶進(jìn)入定常旋回時(shí),占用水域范圍的依據(jù).

一般D≈0.9DT;D/L為3左右.3、旋回初徑（Tacticaldiameter）—DT4、旋回直徑（Finaldiameter）—D28第二章船舶操縱性基礎(chǔ)在旋回轉(zhuǎn)舵階段,由于船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大,還來(lái)不及長(zhǎng)生較大旋轉(zhuǎn)角速度,則在轉(zhuǎn)舵產(chǎn)生的橫向力作用下,船舶重心產(chǎn)生向轉(zhuǎn)舵相反的方向上的橫移量.

5、反移量（Kick）—LK一般情況下,LK≈0.01L,船尾的反向橫移量約為船長(zhǎng)的1/10~1/5.29第二章船舶操縱性基礎(chǔ)四、變向性的間接判斷一階船舶運(yùn)動(dòng)方程：

通過對(duì)K、T指數(shù)的分析可以判斷船舶旋回性的優(yōu)劣。

初始條件t=0,r=0的解：

舵角δ一定時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度r取決于操縱性指數(shù)K、T。1、旋回性的間接判斷：

30對(duì)T值分三種狀態(tài)討論：第二章船舶操縱性基礎(chǔ)這種情況為理想狀態(tài)，實(shí)際中不存在。船舶最終進(jìn)入定常旋回，T越小，進(jìn)入定常角速度的時(shí)間越短。船舶最終不能達(dá)到定常旋回。那么船舶將作何種運(yùn)動(dòng)？31對(duì)K值的討論：第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶最終進(jìn)入定常旋回。1）T是時(shí)間常數(shù)(s),它的符號(hào)決定了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，它的大小決定了船舶達(dá)到定常旋回角速度的時(shí)間。T越小，進(jìn)入定常角速度的時(shí)間越短，即船首向“追隨”舵角的能力越好，故T為“追隨性指數(shù)”。結(jié)論：32第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2）K是旋回角速度(1/s),它的大小決定了船舶達(dá)到定常旋回角速度的大小。K越大，進(jìn)入定常旋回的角速度越大，即船舶旋回效率越高，故K為“旋回性指數(shù)”。3）按K、T指數(shù)區(qū)分船舶操縱性的四種情況：33第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、改向性的間接判斷：

改向性可用旋回滯后距離D0和新航向距離DC判斷：

結(jié)論：新航向距離越小，改向性越好；反之越差。

當(dāng)T值小，K值大時(shí)，改向性好，反之改向性差。34第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、改向性的間接判斷：

五、旋回過程中的其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)1、旋回過程中的轉(zhuǎn)心

2、旋回過程中的漂角

3、旋回降速

4、旋回時(shí)間

5、旋回橫傾角

35轉(zhuǎn)舵階段定常階段第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3637第四節(jié)船舶變速性能第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶的變速性能包括停船減速加速加速過程中船舶航向的控制能力逐漸增強(qiáng)；而減速過程中船舶航向的控制能力逐漸減弱。因此，從船舶操縱安全的角度出發(fā)，船舶的減速和停船性能更值得關(guān)注。倒航38一、船舶變速性能及其判別第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、定義：船舶對(duì)變速操縱的反應(yīng)能力。2、度量船舶運(yùn)動(dòng)慣性的技術(shù)指標(biāo)。慣性時(shí)間：慣性距離：具體計(jì)算很復(fù)雜，一般采用估算公式和實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷變速性能。39二、各種變速操縱性能第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、加速性能：船舶從靜止或某一速度增加到更高速度的性能。2、減速性能：減速操縱后船速遞減過程中的運(yùn)動(dòng)性能。3、停船性能：船舶在任意前進(jìn)速度時(shí)使用倒車使船舶停止的性能40三、最短停船距離的估算第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、根據(jù)動(dòng)能定理確定任意速度的停船距離假設(shè)條件：1）阻力與船速平方成正比

2）倒車?yán)κ且粋€(gè)常量

3）不考慮主機(jī)換向時(shí)間41第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、IMO推薦的估算公式：式中：s——倒車沖程(m);

LPP——船長(zhǎng)(m);

A——船舶質(zhì)量與船舶阻力之比；

B——倒車前阻力與停船時(shí)拉力之比；

C——倒車?yán)ψ饔脮r(shí)間與初始速度乘積。42第五節(jié)船舶操縱性試驗(yàn)第二章船舶操縱性基礎(chǔ)船舶操縱性的研究方法：試驗(yàn)（實(shí)船或船模）理論（船舶運(yùn)動(dòng)方程）理論方法的缺點(diǎn)：存在假設(shè)條件，結(jié)果近似，近似程度不能確定。試驗(yàn)方法的缺點(diǎn)：不能一一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)方法的要求：1）具有普遍和實(shí)際意義；

2）便于理論分析；

3）便于直接觀測(cè)，減小場(chǎng)地和設(shè)備的要求。常用的操縱性試驗(yàn)：旋回、回舵、Z形、螺旋或逆螺旋、制動(dòng)等。43第二章船舶操縱性基礎(chǔ)IMO安全委員會(huì)對(duì)試驗(yàn)水深、水域?qū)挾?、氣象條件、水文條件有詳細(xì)規(guī)定2、船舶載況和吃水差1、水深、水域?qū)挾纫弧?shí)船試驗(yàn)條件水深大于4倍船舶平均吃水；水域?qū)挾炔皇芟?；遮蔽條件較好。船舶滿載（夏季吃水）；平吃水；螺旋槳有足夠的沉深。44第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、氣象與海況4、試驗(yàn)船速1）風(fēng)力不超過5級(jí)（19kn）；2）海浪不超過4級(jí)（有義波高1.9m，最大波周期8.8s）；3）流場(chǎng)比較均勻（流速、流向穩(wěn)定）。1）船速應(yīng)達(dá)到海上速度的85%;2）主機(jī)功率達(dá)到最大輸出功率的90%。45第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、記錄內(nèi)容1、試驗(yàn)觀測(cè)手段二、觀測(cè)與記錄位置：差分GPS方向：羅經(jīng)或姿態(tài)測(cè)量?jī)x1）船舶數(shù)據(jù)2）環(huán)境條件3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)46第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、旋回圈及特征參數(shù)1、試驗(yàn)方法三、旋回試驗(yàn)旋回圈越小，旋回性能越好。是指在試驗(yàn)船速直航條件下，分別操左和右滿舵，并保持之，使船舶進(jìn)行左和右旋回運(yùn)動(dòng)。5）保持舵角轉(zhuǎn)速不變直至航向角變化3600以上。4）每隔不超過20s時(shí)間間隔記錄：船位、航速、橫傾角及轉(zhuǎn)速。1）保持船舶直線定常航速。2）旋回前一個(gè)船長(zhǎng)時(shí)，記錄：初始船速、航向及轉(zhuǎn)速。3）發(fā)令，迅速轉(zhuǎn)滿舵并維持之。47第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、試驗(yàn)方法四、Z形試驗(yàn)可通過Z形試驗(yàn)求取K、T指數(shù)，分別可作50/50、100/100和200/200試驗(yàn)。48第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、特征參數(shù)1）航向超越角2）航向超越時(shí)間航向超越角和航向超越時(shí)間都是對(duì)船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的一種度量其越大船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣性越大。49第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、試驗(yàn)方法1）保持船舶直線定常航速。2）發(fā)令，將主機(jī)由進(jìn)車改為全速倒車。是指船舶在試驗(yàn)速度時(shí)，進(jìn)行全速倒車，直至船舶對(duì)水完全停止的試驗(yàn)。評(píng)價(jià)船舶的停止慣性。3）船舶開始減速，當(dāng)船舶對(duì)水速度為零時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。五、停船試驗(yàn)50第二章船舶操縱性基礎(chǔ)2、特征參數(shù)1）縱向進(jìn)距（Headreach）2）橫向偏移量（Lateraldeviation）

3）航跡進(jìn)距（Trackreach）

4）航向變化量（Headingdeviation）51第二章船舶操縱性基礎(chǔ)1、旋回性旋回圈進(jìn)距不超過4.5倍船長(zhǎng)，旋回初徑不超過5倍船長(zhǎng)是對(duì)船舶操縱性的一種物理模擬，由試驗(yàn)求得特征參數(shù)，以定量的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)船舶操縱性的優(yōu)劣。2、初始回轉(zhuǎn)性六、船舶操縱性衡準(zhǔn)IMO對(duì)100米及以上海船的要求如下：操左或右舵10度后，船首向改變10度時(shí)，船舶在原航向上的縱向行進(jìn)距離不超過2.5倍船長(zhǎng)。52第二章船舶操縱性基礎(chǔ)3、首搖抑制性能和保向性100L/V<10s時(shí)；200L/V>30s時(shí)；(5+1/2(L/V))10s<L/V<30s時(shí)。1）100/100Z形試驗(yàn)測(cè)得的第一超角應(yīng)不超過：2）100/100Z形試驗(yàn)測(cè)得的第二超角應(yīng)不超過：3）200/200Z形試驗(yàn)測(cè)得的第一超角應(yīng)不超過250。250L/V<10