船舶操纵性_第3章

的分量为
Y ，作用于舵面上的水动力中心 z R （坐标原
R
点取在船基线处）。力
使船受到向右的流体惯性力 22 v 为
YR
使船有向左的加速度v
，
皆很
，作用点的垂向高度
z
H
。由于在转舵阶段船的漂角 和角速度
r
小，作用于船体上的粘性类水动力可以忽略。按达兰贝 尔原理，在重心处再加上船体惯性力 v m ，方向向右。
R
22
为
z
H
。由于在转舵阶段船的漂角 和角速度
r
皆很
小，作用于船体上的粘性类水动力可以忽略。按达兰贝 尔原理，在重心处再加上船体惯性力 v m ，方向向右。
流体惯性力 22 v
的作用点一般在高度中心线附近（或可
对重心的力矩相反。 对重心的力矩是主
R
以认为在浮心B附近）。故该力与 R Y 但由于初始阶段
漂角。一旦形成漂角，船体就产生了横向力，横向水动力 FH 对重心G的力矩 N H 将加速船的转动。进一步使漂角增大， 又使 N H 增大，即：
FRn N H N H r
整体表现为回转迅速发展
第三章 机动性
V
FR
FRt
FRn
NR
NH

FHt
y
r
x
FH
FHn
但由于 F 较小，而船的惯性又很大，所以，产生的加速度 R 很小。同时，转舵的时间又很短，故在转舵阶段，船的横向
位移和角位移很小，船几乎是按原航线运动。
lR
FRn FR
FRt
NR
V
第三章 机动性
2、发展阶段 从转舵结束到船进入定常运动为止。
F 随着时间的增大， Rn 使船产生“反向横移”，舵力矩 R N 使船顺时针方向转动，从而使船纵中剖面与航速之间形成
N r
随着
r
的增加， N (r ) 迅速增大，达到一定程度时，
就有：
| N ( ) | | N ( ) || N ( r ) |
此时，各力矩相互平衡， r 0, r 常数， 常数， 常数。此后，回转进入定常阶段。 v
第三章 机动性
3、定常阶段
各水动力矩相互平衡， 的分量平衡： 航速
I x 44 p N p Dl s zG mVs rs cos s YH z H 1 H FN z R cos
第三章 机动性
机动性是指船 包括回转和加减速。
舵 主机 螺旋桨
在作用下的运动性能，
本章重点讨论回转性。
§3-1 回转运动
船在直线航行时，将舵转动到一定的舵角并保持
不变，船将偏离原航线而做曲线运动，称为回转运动。
船是否易于回转的性能，称为回转性。回转运动是船 最基本、最重要的运动，特点是航向的改变较大。
增大，机动性变差、稳定性变好。
艏纵倾
艉纵倾
3、舵的影响：
舵的作用是产生水动力 FRn ,提供使船回转的力
矩 N R FRn LR ,此力矩大，则回转性好。
为使舵产生足够的力矩，一般可采用以下方法： a. 增加舵的面积 b. 合理选择舵的形状 c. 提高升力系数 d. 将舵臵于桨的尾流中 e. 使舵远离转动中心
相当的横倾角速度 p 和角加速度 p ，所以惯性 的作用会使外倾的横倾角超过 s ，达到某一角度——
动横倾角 d ，再通过衰减摇摆，最后保持在 s 。一 般地：
d 1.3 ~ 2.2 s
第三章 机动性
静横倾角
s 的估算方法：
由于船已进入定常状态，所以根据横倾方程 ：
FRn
NR
4、航速的影响：
Fr V 航速的影响以 gL
来表示，经验表明：
当Fr≤0.25时，航速对Ds无影响；
当Fr>0.25 时，由于航行中船体下沉、纵倾和兴波的影响，
船的水动力发生变化， Ds 随着 Fr 的增加而迅速增大。
我国海军船体规范规定，对于军舰：
Ds Ds 0 1 0.712Fr 5.23Fr 2 11.36Fr 3 （Fr 0.6）
显然 K 为单位舵角引起的角速度。K 越大，则 r 越 大，回转性就越好，故称K 为回转性指数。由于：
K ( NvY Yv N ) / C
所以：
C Yv Nr Nv ( m 11 )u0 Yr
r ( NvY Yv N ) / C
第三章 机动性
结论： C 大，则 r 小，回转直径 DS 大，回转性差， 稳定性好；
1、回转圈——为船在回转时其重心的运动轨迹。
2、定常回转直径 DS ——定常回转圈的直径。通常以相对
回转直径 S / L D 表示；对于军舰DS / L 4 。 4、纵距 Ad ——自转舵开始至船首转到90°时，重心沿初 始航线前进的距离。 5、正横距 Tr —— 船首转到90°时，重心沿初始航线的距 离。 6、反横距
第三章 机动性
§3-1 回转运动
对于回转运动，要解决的问题有： ①回转曲线的形状和特征参量。 ②回转过程中各运动参数的变化情况。
③对回转运动各参数的影响因素。
④回转中的速降和横倾角的计算。
第三章 机动性
一、操舵后船的运动特点
1、转舵阶段 舵角
转 舵 阶 段 一般地，操舵后船的运动可以分为三个阶段： 发 展 阶 段 定 常 阶 段
Ds 0 为 Fr≤0.25 时的回转直径。
第三章 机动性
5、横倾的影响：
横倾→水动力系数改变，经验与计算表明横倾使Ds 减少。
四、回转过程中航速的变化
船在稳定直航时，其阻力和推力平衡。操舵后船进入变速 曲线运动。由于漂角和舵角的存在，船体中的阻力发生变化， 流向螺旋桨的水流发生变化导致主机的工况发生变化，因而桨 的推力也变化，导致船的航速发生变化，满舵回转时，航速要 下降20%。
r
= 常数，船绕重心作均
匀角速度转动，螺旋桨推力和水动力在轨迹切线方向上
V 达到最小值，并保持不变。水动力在法线方向
FHt FRt FPt
上的分量为常值，即：
FHn FRn FPn C 0
这一法向力的合力提供了向心力，所以船的重心进入匀 速圆周运动。
二、回转运动的主要特征参数：
从开始转舵到舵转到规定角度为止。一般时间为8-15s，
。 35
设船在直线航行时转一右舵。随着舵的转动，有水动力作 用在舵上，力沿船的航速方向和垂直于航速方向的分量分 别为 FRt 和FRn，同时又产生了绕重心的力矩 N R ，从而使 船产生了加速度 u， v，r 。
第三章 机动性
反之 C 小，则 r 大，回转直径 DS 小，回转性好；
稳定性差。
增大 CB 和 B/L ,可使船形丰满。 减小尾部的投影面积，使|Nr|减小， |NV|增加，|YV|减小。
都可以使回转性 好，稳定性差。
第三章 机动性
2、纵倾的影响： ① 艏纵倾相当于减小了尾部的投影面积，故可使 DS 减小，机动性变好、稳定性变差； ② 艉纵倾相当于增加了尾部的投影面积，故可使 DS
v
较小，所以
Y
以右舵为例：
当船在水平面内转舵时，舵上水动力在船横剖面上的分
量为 ，作用于舵面上的水动力中心 Y
R
（坐标原点取在船 z
R
基线处）。力
右的流体惯性力 转舵阶段船的漂角
使船有向左的加速度 Y
，作用点的垂向高度为 v 和角速度
22
，使船受到向
。由于在
R
v
粘性类水动力可以忽略。按达兰贝尔原理，在重心处再加上
K —— 反向横移的最大距离。
7 、 定 常 回 转 航 速 VS 、 漂 角 S 、 横 倾 角 S 、 回 转 周
期 T —自转舵起回转360°所用的时间。
三、影响定常回转直径的因素 ：
1、船型的影响：
由二阶 K-T 方程知，对于定常回转运动有：
r K
T1T2r (T1 T2 )r r K KT3
R 0.52 s VS L 1 e V0
水下回转：
确定定常回转速度的图谱方法
五、船舶回转过程中的横倾现象
第三章 机动性
回转时，作用在船体和舵上的水动力与重心不在
同一高度，组成一横倾Baidu Nhomakorabea矩而产生横倾。对于高速舰
船，由于横倾有时很大，有倾覆的危险。
以右舵为例：
当船在水平面内转舵时，舵上水动力在船横剖面上
流体惯性力 22 v
的作用点一般在高度中心线附近（或可
对重心的力矩相反。 对重心的力矩是主
R
以认为在浮心B附近）。故该力与 R Y 但由于初始阶段
v
较小，所以
Y
以右舵为例：
当船在水平面内转舵时，舵上水动力在船横剖面上
的分量为
Y ，作用于舵面上的水动力中心 z R （坐标原 点取在船基线处）。力 使船有向左的加速度v ， YR 使船受到向右的流体惯性力 v ，作用点的垂向高度
由上式可确定定常回转时的航速 VS ,并且知当船形和 主机类型都已知时，VS 的减少主要决定取决于RS 。
第三章 机动性
确定定常回转速度的经验公式：
1、费尔索夫公式：
VS RS th( ) 其中，V0 是原来的直航速度。 V0 2.45L
2、对于潜艇：
水面回转：
VS L 0.767(1.45 ) V0 Rs
由纵向操纵运动方程：
( m 11 )u ( m 22 )vr X ( u) X P X R
定常回转时：
( m 22 )vr X ( u) X P X R
第三章 机动性
将
VS r RS
v VS sin
2 S
代入，有
V ( m 22 ) sin X ( u) X P X R RS
N (r ) Nr r Nr 0, r 0, Nr r 0
第三章 机动性
由于 N ( ) 和 N ( ) 都是加速船的转动的，而 N (r ) 是阻止船的转动的，但在发展阶段的初期， r 很小， 故 N (r ) 较小 ，此时： | N ( ) | | N ( ) || N ( r ) | 由于： r 0 ，并且， r 逐渐增加，又使得
第三章 机动性
船绕重心的转动分析： 首先， 作用在船上的水动力矩分为三部分： 舵力矩 NR N ( ) N 漂角引起的力矩
N 0, 0, N 0
NH N ( ) Nvv Nv 0, v 0, Nvv 0
旋转角速度引起的力矩
YH的矩 YR的矩 恢复力矩 阻尼力矩
横倾不再增加，此时的横倾角为静横倾角 定常阶段，运动参数
s
，运动进入 ，，r , u, v 不再变化。
s
YG mVs rs
恢复力矩
M
Dl( ) mghsin( )
G
B
第三章 机动性
由内倾变为外倾时（即在越过平衡点时），船会有
第三章 机动性
当船进入过渡阶段后，随着漂角

和角速度
r
的增大，作用在船体上的水动力（包括粘性类和惯性类
水动力）
Y Y v Y v v Y r v Y v, r
H 22 vv r 22
在横剖面上的分量逐渐增大。并逐渐达到并超过 YR 对 G的力矩，船逐渐由向回转圈内侧横倾变为向外侧横倾。
船体惯性力
z
皆很小，作用于船体上的
H

r
mv 般在高度中心线附近（或可以认为在浮心B附近）。故该力与
22 对重心的力矩相反。但由于初始阶段
，方向向右。流体惯性力
的作用点一 对
v
较小，所以
重心的力矩是主
Y
R
v
Y
R
第三章 机动性
要的，所以船产生了向内的倾斜。因为 Y 本身也不大， R 又有恢复力矩的作用，所以总的内倾较小。
第三章 机动性
船重心的运动分析：
首先，舵力和船体水动力沿船前进的方向上的分
量使船的速度逐渐减少。 另一方面，随着 FHn 在 Gy 轴上分量的增大，逐 F Gy 渐达到并超过 Rn 在 轴上分量，所以，船反向横 移的加速度减少到 0，然后改变方向，使船产生正向 加速度，经过一段时间后，重心的位臵将出现正向横 移，加上桨的推动和船的转动，重心的轨迹就形成了 一条变速的曲线，重心的运动就是变速曲线运动。
随着 和 的进一步增大，船向外侧横倾的力矩也
r
进一步增大。
第三章 机动性
的增加，恢复力矩 Dl( ) mgh sin( ) 增大，又随着横倾角速度 的增加，阻尼力矩： 随着横倾角

N K K

也增加，经过一段时间后，上述力矩达到平衡状态。