第二章船舶航向稳定性与回转性 2 3
02航向稳定性和回转性讲解
But rudder dimensions are limited by stern geometry艉部几何限制 Also, large rudders will increase drag and so reduce the ship‘s speed for a given delivered horse power from the propeller阻力增大，导致速降
the magnitude of the rudder‘s dimensions 舵的几何大小
the rudder angle 舵角 the ship‘s speed 船速
船海系：邱磊
操纵性权衡(Manoeuvrability trade-off)
《船舶操纵性与耐波性》课件
The need for good directional stability and minimum response oppose each other方向稳定性与应舵性矛盾
初始转首性能(Initial turning/course-changing ability) 偏转抑制性能(Yaw checking ability) 回转性能(Turning ability)--—大舵角下 停船性能(Stopping ability)
船海系：邱磊
5
6
固有动稳性(直线运动稳定性)
船海系：邱磊
《船舶操纵性与耐波性》课件
directionally unstable ship 不具方向稳定 性
directionally stable ship具 有方向稳定性
船海系：邱磊
运动响应(Response，应舵性、追随性)
《船舶操纵性与耐波性》课件
Is the requirement to turn in a satisfactory manner when a rudder order is given操舵指令发出后船舶是否按要求转向了？ The ship must respond to its rudder and change heading in a specified minimum time 在给定的最短时间内船舶必须应舵转首 There should be minimum overshoot of heading after a rudder order is given超越角应最小 Both these response quantities are dependent upon应舵性的 大小取决于：
操纵(第02课)
t=0.004
D
. V0 R0
S=0.101
D
. V02 R0
式中: D为船舶排水量(t)； VRt为00为为时V船间0舶时(m的的in定船)；常舶速阻度力((kt)n；)； S为启动惯性距离(m)。 根据经验，从静止状态逐级动车，直至达到定常速
度，满载船舶约需航经20倍船长左右的距离，轻载时约为 满载时的1/2～2/3。
2．影响船舶保向性的主要因素
1）船型 2）载态 3）舵角 4）船速
水下船型是决定船舶转头阻矩和惯性的重要因素， 水上船型是决定船舶所受风力及风力转船力矩大 小的重要因素。它们对保向性均有很大影响。表 现在：
（1）方形系数较低、长宽比较高的瘦削型船舶， 其保向性较优；浅吃水的宽体船保向性较差。
（2）尾倾较首倾时的保向性好。
增大所操的舵角，能明显地改善 船舶的保向性。超大型油轮小舵 角状态下有航向不稳定趋势，需 用较大舵角才能保向。
对于同一艘船而言，由于船速的 提高船舶保向性将变好。
其它因素:
保向性将因水深变浅而提高，船 舶顺风浪或顺流航行中保向性反 而降低。
第三节 船舶变速运动性能
= r.dt = r 0.e-t/T.dt = r0 . T
0
0
由上式可知，当干扰过去之后，船舶因干扰而 造成的偏航角应由干扰的大小（这可由干扰造 成的初始转头角速度来确定）和航向稳定性指 数T值的大小来决定；而同样干扰情况下，航 向稳定性好的船舶，干扰造成的偏航角也应该 低。
二、船舶航向稳定性的判别
1．根据航向稳定性指数判别 2．根据船舶的线型系数判别
船舶航向稳定性指数T＞0，说明船舶 具有航向稳定性，且T值为越小的正 数，船舶的航向稳定性越好。航向稳 定性指数T＜0，则说明船舶不具有航 向稳定性。船舶追随性好的船舶可以 同时判断为航向稳定性好的船舶。
船舶操纵基础理论DOC
第一章船舶操纵基础理论通过本章的学习，要求学员概念理解正确，定义描述准确，对船舶操纵性能够正确评估，并具有测定船舶操纵性能的知识。
根据船舶操纵理论，操纵性能包括：1）机动性（旋回性能和变速运动性能）2）稳定性（航向稳定性）第一节船舶操纵运动方程为了定量地描述船舶的操纵运动，我们引入船舶操纵运动方程，用数学方法来讨论船舶的运动问题。
一、船舶操纵运动坐标系1．固定坐标系Ox0y0z0其原点为O，坐标分别为x0，y0，z0，由于我们仅讨论水面上的船舶运动，因此，该坐标系固定于地球表面。
作用于船舶重心的合外力在x0，y0轴上的投影分别为X0和Y0对z0轴的合外力矩为N2． 运动坐标系Gxyz其原点为点G （船舶重心），坐标分别为x ，y ，z ，该坐标系固定于船上。
这主要是为了研究船舶操纵性的方便而建立的坐标系。
x ，y ，两个坐标方向的运动速度分别为u 和v ，所受的外力分别为X 和Y ，对z 轴的转动角速度为r ，z 轴的外力矩为N 。
二、 运动方程的建立根据牛顿关于质心运动的动量定理和动量矩定理，船舶在水面的平面运动可由下列方程描述：y 0⎪⎩⎪⎨⎧===ϕZ og o og o I N y m Y x m X该式一般很难直接解出。
为了方便，将其转化为运动坐标系表示，这样可以使问题大为简化。
经过转换，得：⎪⎩⎪⎨⎧=+=-=r I N ur vm Y vr u m X Z )()( 该方程看似复杂，但各函数和变量都与固定坐标系没有关系，因此，可以使问题大为简化。
三、 水动力和水动力矩的求解对于上述方程中的水动力和水动力矩可表示为：⎪⎩⎪⎨⎧===),,,,,,(),,,,,,(),,,,,,(δδδr v u r v u f N r v ur v u f Y r v u r v u f X N Y X经过台劳级数展开，可得X ，Y ，N 对各自变量的偏导数，称为水动力导数和水动力矩导数，它们可以通过船模试验求得。
船舶操纵2
• 船舶的追随性指数
– – – – T （turning lag index），单位为秒； T=I/N=船舶转动惯量/单位角速度旋回阻尼； T表示追随性优劣，T小，追随性好，应舵较快； T如果为负值，船舶航向不稳定。
三、操纵性指数
• 区分船舶操纵性
– 不同种类、结构 和大小的船舶， 其操纵性会有很 大的不同。按照 K、T指数比较船 舶的旋回轨迹， 可将船舶操纵性 概略地区分为四 类
4.外界因素
• 保向性将因水深变浅而提高； • 船舶顺风浪或顺流航行中保向性反而降低。
本节要点
• 影响旋回性的因素。
– 船型因素：方形系数、长宽比、水下侧面积、舵面积、车舵类型 – 操船因素：舵角、船速、吃水、纵倾、横倾以及外界因素
• 船舶航向稳定性
– 船舶运动稳定性的分类 – 船舶航向稳定性的含义
一、航向稳定性
• 稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵， 船舶运动稳定性分类
一、航向稳定性
• 稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵， 船舶运动稳定性分类
一、航向稳定性
• 稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵， 船舶运动稳定性分类
一、航向稳定性
• 稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵， 船舶运动稳定性分类
2
)
三、操纵性指数
• 转头惯性角的估算
– 船舶在航行中改向操舵后，船舶的转头角速度 r0到达某一定值后操正舵，船首继续转头惯性 角为： =r0T
四、舵效
• 舵效的概念
– 操舵后，会引起船首回转、横向移动、船速下降、船 体横倾等现象，广义上，舵效即为船体对舵的响应。 – 狭义上，舵效，操一舵角后船舶在一定时间、一定水 域内船首转过的角度大小。
航向稳定性的概念和试验
新技术在航向稳定性中的应用
要点一
总结词
要点二
详细描述
新技术的应用能够提高航向稳定性，例如智能控制技术、 传感器技术等。
随着智能化技术的发展，智能控制技术和传感器技术在航 向稳定性控制中得到广泛应用。通过实时监测船舶的运动 姿态和航向变化，智能控制系统能够快速响应，自动调整 船舶的航向，保持航向的稳定性。同时，新型传感器技术 的不断发展，也为航向稳定性的监测和调控提供了更准确 、更可靠的数据支持。
航向稳定性的概念和试验
目 录
• 航向稳定性概念 • 航向稳定性试验 • 航向稳定性在飞行器设计中的应用 • 航向稳定性与其他飞行性能的关系 • 未来航向稳定性的研究方向
01 航向稳定性概念
定义
航向稳定性是指船舶在受到外力干扰 后，能够自动恢复到原航向或预定航 向的能力。
航向稳定性是船舶性能的重要指标之 一，直接关系到船舶的安全和航行效 率。
航向稳定性不佳可能导致飞机偏离最佳航线，增加油耗和飞行时间，降低飞行效率。
航向稳定性与其他飞行性能的相互影响
航向稳定性与飞行稳定性密切 相关，良好的航向稳定性有助 于提高飞机的整体稳定性。
航向稳定性对飞机操纵性也有 重要影响，稳定的航向使得飞 行员能够更准确、迅速地操纵 飞机。
航向稳定性与飞行品质息息相 关，它直接影响着乘客的舒适 度以及飞行员的工作负荷。
报告撰写
撰写试验报告，将试验过程、方法、结果和结论进行详细记录和整理， 为后续的船舶设计、建造和运营提供参考和依据。
03 航向稳定性在飞行器设计 中的应用
飞行器设计中的航向稳定性考虑
飞行器航向稳定性是指飞行器在受到 扰动后，能够自动恢复到原航向或预 定航向的能力。在飞行器设计中，航 向稳定性是重要的性能指标之一，直 接关系到飞行安全和任务执行效果。
船舶操纵性总结汇总
操纵性绪论操纵性定义：船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变航速、航向和位置的性能。
操纵性内容：1. 航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。
2．回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。
3．转首性和跟从性：表示船舶应舵转首及迅速进入新的稳定运动状态的性能。
4. 停船性能：船舶对惯性停船和盗车停船的相应性能。
附加质量和附加惯性矩：作不定常运动（操纵和耐波运动）的船舶，除了船体本身受到愈加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度。
根据作用力和反作用力，水对船体存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。
附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为附加质量。
船舶操纵一、操纵运动方程1.1坐标系一、固定坐标系：固定坐标系是固结在地球表面，不随时间而变化的，如图所示。
首向角ψ：X 0与X 的夹角（由X 0转向X ，顺时针为正）。
二、运动坐标系：运动坐标系是固结在船体上的，随船一起运动的，如图所示。
重心坐标：X OG 、Y OG ； 船速：V 重心G 瞬时速度； 航速角ψ0：X0轴与船速V 夹角(顺时针为正)；漂角：β船速与X 轴夹角(顺时针为正)； 回转角速度：γ=dψdt；回转曲率：R 右舷为正； 舵角：δ左舷为正。
三、枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。
1.2线性运动方程一、坐标转换00cos sin sin cos ψψψψ=-=+G G x u v y u v二、简化方程当重心在原点处：X G =0 运动坐标系一般方程：三、对于给定船型、给定流体中的运动情况船型参数和流体特性为已知条件； 操纵运动为缓变过程，忽略高阶小量； 忽略推进器转速影响；操舵过程短暂，忽略转舵加速度。
则可将给定船型流体中受力情况表示如下：由泰勒展开式，用水动力导数表示如下：四、简化后的操纵运动线性方程式：2()()()ψψψψψψ=--=++=++G G Z G X m u v x Y m v u x N I mx vu 00cos sin ψψ=+G G X mx my 00cos sin ψψ=-G G Y mymx ()()ψψψ=-=+=z X m u v Y m v u NI (,,,,,,)(,,,,,,)(,,,,,,)X X u v r u v r Y Y u v r u v r N N u v r u v r δδδ===v r v r v r v r Y Y v Y r Y v Y r Y N N v N r N v N r N δδδδ=++++=++++111()()v ur v u u r r v u r+=++∆+∆=+1.3水动力导数一、定义：匀速直线运动时，只改变一个运动参数，其他不变引起的作用于船舶水动力对运动参数的变化率。
船舶操纵问答题
1、何谓航向稳定性？如何判别？答：船舶航行中受到风、浪、流等极小的外界干扰作用，使其偏离原来运动状态。
在外来干扰消失后，保持正舵的条件下，船舶能回到原来运动状态的能力。
判别：1）外力干扰消失后，在正舵条件下，如船舶最终能以一个新航向作直线运动，称直线稳定性；2）外力消失后，在正舵条件下，如船舶最终能恢复到原航向上作直线运动，仅与原来运动轨迹存在一个偏量，称方向稳定性；3）外力干扰消失后，在正舵条件下，如船舶最终能自行恢复到原来航线上，航向与原航向相同，且运动轨迹无偏离，称具有位置稳定性；4）外力干扰消失后，最终进入一个回转运动，称该船不具备航向稳定性；2、何谓航向改变性？哪些因素影响航向改变性？答：表示船舶改向灵活的程度，通常由原航向改驶新航向时，到新航向的距离来表示船舶改向性的优劣。
航向改变性通常用初始回转性能和偏转抑制能力来衡量。
初始回转性能是指船舶对操舵改变航向的快速响应性能：由操舵后船舶航进一定距离上船首转过的角度大小来衡量；偏转抑制性能：指船舶偏转中操正舵、反向压舵，使船舶停止偏转保持直线航行的性能；影响航向改变性的因素：1)方型系数Cb大，旋回性好；2）舵角：大舵角，旋回性好；3）吃水与吃水差；4）横倾；5）浅水；6）其他因素：（如强风、强流等）3、掌握船舶变速性能（冲程、冲时）对船舶操纵有何意义？影响紧急停船距离（冲程）的因素有哪些？答：前进中的船舶完成变速过程中所前进的距离，称为冲程，所经历的时间，称为冲时。
当船舶进行启动、变速、停车、倒车时因惯性的存在，采取上述措施时，需经一段时间，航行一段距离，才能从一种定常运动状态改变到另一种运动状态。
意义：在实际操纵船舶时，应充分考虑到本船的冲程和冲时（即考虑一提前量）才能得心应手地及时将船停住或避让来往船舶或及时避开障碍物，才能采取一切有利于安全航行的措施，避免紧迫局面和事故的发生。
尤其要掌握倒车停船性能，当快速航进中，遇到紧急情况时，只有在充分了解本船的紧急停船距离，才能避免碰撞的发生。
船舶原理
1、船舶的航海性能包括哪些性能？各自的含义分别是什么？1、浮性：船舶装载一定的载荷，仍能浮于一定水面位置而不沉没的能力。
2、稳性：船舶受外力作用离开平衡位置发生倾斜而不致于倾覆，当外力消除后仍能回复到原来平衡位置的能力。
3、抗沉性：船舶遭受海损事故舱室破损进水，仍能保持一定的浮性和稳性而不致于沉没或倾覆的能力。
4、快速性（或称速航性）：船舶在其动力装置产生一定功率的情况下能达到规定航速的能力。
快速性包括两方面：1）船舶阻力：研究船舶航行时所遭受的阻力。
目的在于掌握阻力的变化规律，从而改善船型，降低阻力。
即阻力的成因、分类、计算、影响因素和降阻措施。
2）船舶推进：研究船舶推进器，推进器克服阻力发生推力。
目的在于设计出符合要求的高效推进器。
即推进器的水动力性能、设计高效推进器。
5、操纵性：船舶在航行是按照驾驶员的意图保持既定航向的能力或改变航行方向的能力。
包括：1）航向稳定性：保持原有航向的能力。
2）转首性：应舵转首的能力。
3）回转性：应舵作圆弧运动的能力。
6、耐波性（或称适航性）：船舶在风浪海况下航行时的运动性能，即船舶在风浪中遭外力干扰而产生各种摇摆运动，以及砰击、上浪、失速和飞车等时，仍能维持一定航速在水面上安全航行的能力。
主要研究内容为船舶摇摆。
目的在于：掌握船舶摇摆规律，采取措施以减缓船舶摇摆。
船舶摇摆的含义：1）船舶转动：横摇、纵摇和首摇―――摇；2）船舶直线运动：横荡、纵荡和垂荡―――摆。
2、船型系数有哪些？各自的含义是什么？会进行船体系数的相关计算。
1）水线面系数的大小表示水线面的肥瘦程度。
2）中横剖面系数的大小表示水线以下的中横剖面的肥瘦程度。
3）方形系数的大小表示船体水下体积的肥瘦程度。
4）棱形系数的大小表示船体水下排水体积沿船长方向的分布情况。
5）纵向棱形系数的大小表示船体水下排水体积沿吃水方向的分布情况。
3、了解梯形法的基本原理，掌握用梯形法列表进行船体计算的方法，掌握“成对和”和“自上而下和”的含义。
船舶操纵02
船舶必备操纵性资料
• 引航卡(Pilot Card)
– 船长与引航员之间关于船舶操纵性能进行信息 沟通的资料卡。 – 每航次由船长填写； – 内容包括本船的主尺度、操纵装置性能、船在 不同载况时主机不同转速下的航速以及船舶特 殊操纵装置(侧推器)等信息。
船舶必备操纵性资料
• 驾驶台操纵性图(Wheelhouse Poster)
– 10º ／10ºZ形操纵试验测得的第一超越角应不超过：
• • •
• • •
10º 当L/V＜10s时； 20º 当L/V ＞30s时； (5＋1/2 (L/V))º 当10s ＜L/V ＜30s时。
25º 当L/V ＜10s时； 40º 当L/V ＞30s时； (17.5＋0.75())º 当10s ＜L/V ＜30s时。
操纵性指数
• 船舶操纵性指数K、T的具体运用 按K、T指数区分船舶操纵性 船舶定常旋回直径D的估算 推定新航向距离D NC 改向中转头惯性角的估算 判断船舶航向稳定性
操纵性指数
• 区 分 船 舶 操 纵 性
操纵性指数
• 定常旋回直径D的估算 • 根据定常旋回运动中旋回角速度r0＝Kδ 的结论，可以得到船舶定常旋回直径 的估算式： • D=2R=2V/r=2V/(Kδ)
– 船首继续转头惯性角为： =r0T
航向稳定性
• 间接判别参数
– T 指数是系统的时间常数(sec)，其符号决定船舶是否具 有航向稳定性大小决定船舶航向稳定性的优劣 – T 为正值，船舶具有航向稳定性，T 越小，航向稳定性 越好，反之则越差； – T 为负值，船舶不具有航向稳定性。 – 实际船舶操纵中，船舶转向后操正舵，如果发现船舶长 时间不能稳定在新的航向上直线航行，则说明该船航向 稳定性较差，即T 较大；反之，则航向稳定性较好，即T 较小。
2_船舶操纵性基础_6学时_
（2）推定新航向距离DNC 在操舵转向之前，准确地推定 操舵点至转向点的距离。
DNC t1 57.3 C V (T tan ) 2 K 2
'
ΔC C
R V K
B
ΔC/ 2 O
57.3 C V t1 DNC L(T ' tan ) K 2 2 式中： δ —— 所操舵角（º）； t1 ——操舵时间（s）； ΔC——转向角。
操纵手册包括全部驾驶台操纵性图上的全部
信息。
除实船试验结果外，操纵手册中的其他操纵信 息是通过理论计算获得的。
三、船舶操纵性指数
动坐标系船舶运动方程
m(u vr ) X m(v ur) Y Izr N
三、船舶操纵性指数
1、一阶（近似）船 舶操纵运动方程
缺乏操纵性资料、操纵引起的误差是产生碰撞的
主要原因之一。
为使船舶操纵性有关信息的内容和格式达成一致，
1987年11月，IMO大会通过了A601（15）决议， 要求船舶配备：
引航卡； 驾驶台操纵性图； 船舶操纵手册。
二、船舶必备操纵性资料
1、引航卡（Pilot Card）
船长与引航员之间关于船舶操纵性能进行信息 沟通的资料卡。 船舶每次到港由船长填写引航卡。 内容包括：
§2-1 船舶操纵性概述
船舶操纵性可以分为： 常规操纵性，包括小舵角的保向性、中等舵角 的初始回转性以及减速或增速操纵性。 应急操纵性，包括大舵角（一般为满舵）的旋 回性和全速倒车的停船性。
2、航行环境影响下的操纵性
风中操纵性 流的影响 受限水域操纵性 浅水操纵性 岸壁效应
船舶操纵考点总结
船舶操纵考点总结船舶操纵考点总结第一章船舶操纵性能1.船舶由静止状态进车，达到相应稳定航速的前进距离与船舶排水量成正比，与相应的稳定的船速的平方成正比，与螺旋桨推力成反比。
2.船舶由静止状态进车，达到相应稳定航速的时间与船舶排水量成正比，与相应的稳定的船速的成正比，与螺旋桨推力成反比。
3.船舶由静止状态启动主机，到达到常速，满载船的航进距离约为船长的20倍，轻载约为满载的1/2---2/3。
4.船停船距离（冲程）/冲时：船在前进中下令停止主机至船对水停住的滑行距离和时间。
5.实测停车距离（冲程）/冲时：船在前进中下令停止主机至船对水余速将至2节时或对水速度降低到保持舵效的最低速度的滑行距离和时间。
6.停车冲程与船速的平方成正比，与排水量成正比。
7.航行船舶停车后速度变化：呈非线性变化，开始时速度下降快，而后下降慢，至终为0 8.影响冲程大小的因素与：排水量、初速度、船舶阻力、污底和浅水有关。
9.减速常数是指船舶停车后船速每递减一半所需的时间，减速常数随排水量的不同而不同，一般万吨船约为4Min.10.倒车距离（冲程）/冲时：船在前进中下令倒车至船对水停住移动时的滑行距离和时间。
11.倒车停止性能：从发令开始至船对水停止移动的这段时间所前进的距离。
12.实测倒车距离（冲程）/冲时：船在前进中下令倒车至船对水停住时的滑行距离和时间。
13.倒车停船距离：万吨级6-8L,5万吨8-10L，10万吨10-13L，15-20万吨级13-16L14.航行中船舶下令倒车后，速度的变化是主机倒车转速达到最大时下降快。
15.船舶航行中进行倒车，通常在关闭油门后，等船速降至全速的60%-70%,转速降至额定转速的25%-35%，停止主机在进行倒车启动。
16.全速倒车后，右旋螺旋桨船，向右偏转，航向变化可能超过90度，压载状态较满载状态右偏量更大。
左满舵比右满舵旋回圈小。
17.主机换向所需时间：蒸汽机指示功率60-90s,内燃机制动功率90-120s，汽轮机轴功率120-180s。
船舶操纵性总结
操纵性绪论操纵性定义：船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变航速、航向和位置的性能。
操纵性内容：1. 航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。
2．回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。
3．转首性和跟从性：表示船舶应舵转首及迅速进入新的稳定运动状态的性能。
4. 停船性能：船舶对惯性停船和盗车停船的相应性能。
附加质量和附加惯性矩：作不定常运动（操纵和耐波运动）的船舶，除了船体本身受到愈加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度。
根据作用力和反作用力，水对船体存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。
附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为附加质量。
船舶操纵一、操纵运动方程1.1坐标系一、固定坐标系：固定坐标系是固结在地球表面，不随时间而变化的，如图所示。
首向角ψ：X 0与X 的夹角（由X 0转向X ，顺时针为正）。
二、运动坐标系：运动坐标系是固结在船体上的，随船一起运动的，如图所示。
重心坐标：X OG 、Y OG ； 船速：V 重心G 瞬时速度； 航速角ψ0：X0轴与船速V 夹角(顺时针为正)；漂角：β船速与X 轴夹角(顺时针为正)； 回转角速度：γ=dψdt；回转曲率：R 右舷为正； 舵角：δ左舷为正。
三、枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。
1.2线性运动方程一、坐标转换00cos sin sin cos ψψψψ=-=+G G x u v y u v二、简化方程当重心在原点处：X G =0 运动坐标系一般方程：三、对于给定船型、给定流体中的运动情况船型参数和流体特性为已知条件； 操纵运动为缓变过程，忽略高阶小量； 忽略推进器转速影响；操舵过程短暂，忽略转舵加速度。
则可将给定船型流体中受力情况表示如下：由泰勒展开式，用水动力导数表示如下：四、简化后的操纵运动线性方程式：2()()()ψψψψψψ=--=++=++G G Z G X m u v x Y m v u x N I mx vu 00cos sin ψψ=+G G X mx my 00cos sin ψψ=-G G Y mymx ()()ψψψ=-=+=z X m u v Y m v u NI (,,,,,,)(,,,,,,)(,,,,,,)X X u v r u v r Y Y u v r u v r N N u v r u v r δδδ===v r v r v r v r Y Y v Y r Y v Y r Y N N v N r N v N r N δδδδ=++++=++++11111()()()()()()()()v v G r r G v v z r G r v ur v u u r r v u rm Y v Y v mx Y r mu Y r Y mx N v N v I N r mx u N r N δδδδ+=++∆+∆=+--+-+-=--+-+-=1.3水动力导数一、定义：匀速直线运动时，只改变一个运动参数，其他不变引起的作用于船舶水动力对运动参数的变化率。
1.1船舶旋回性资料
二、船舶旋回的运动过程 船舶以一定航速直进当中操某一舵 角并保持之，船舶将进入旋回过程。 1.第一阶段 转舵阶段指从转舵开始到舵转至规 定角度为止，时间很短，通常船舶不 超过15s。
1）受力特点 船舶操舵后，由舵角引起横向力和 力矩，使船产生横向加速度和回转角 加速度 。
2）运动特点
（1）船舶产生一定的漂角斜航； （2）船尾出现明显外移； （3）转心P在船首附近，也可能在 首尾线延长线上；
旋回性与初始回转性的区别
两者都是船舶的操纵性能之一，但评价船舶运 动性能的目的不同，旋回性评价船舶运动所占用 的最小水域，而初始回转性是评价船舶改变航向 的效率，即船舶航向对操舵的反应能力。
两者实质上都是船舶改变航向的性能，只是所 用舵角不同，旋回性比初始回转性的变向效果更 好，但在船舶正常航行过程中，除非紧急情况， 很少用满舵(或大舵角)进行变向操纵
（4）降速不明显； （5）船舶还将因舵力位置较船舶 重心位置低而出现少量的向操舵一舷 的横倾（内倾）。内倾角大小与船舶 初稳性GM值、所操舵角及船速有关
2.第二阶段
操舵后，随着船舶横移速度与漂角 的增大，船舶的运动速度矢量将逐渐 偏离首尾面而向外转动，越来越明显 的斜航运动将使船舶的旋回运动进入 加速旋回阶段 。
1）受力特点
水动力力矩N(β)与舵力转船力矩Nδ 相辅相成，使船舶产生较大的角加速 度，但在初始阶段，船舶的转动角速 度还比较小；
随着角速度的不断提高，船舶旋回 的阻尼力矩N(r)不断增大，角加速度 逐渐降低，从而使角速度的增加受到 限制。
由于船舶斜航阻力增加、螺旋桨推 进效率降低等方面的原因，船舶降速 明显。
（3）转心P逐渐稳定，对于不同船舶而言，该 点的位置大约在离船首柱后1/3～1/5船长处。船 处于后退中，转心位置则在船尾附近。对于不同 船舶而言，旋回性能越好、旋回中漂角β越大的 船舶，其稳定旋回时的转心P越远离船中。
第二章船舶航向稳定性与回转性-2-3
船舶操纵性与耐波性
第二节 船舶回转性
一、基本概念： 回转性 转舵使船舶作圆弧运动的能力。
用回转直径来表示。 与船舶避让、避碰、靠离码头、 灵活掉头有关 定常回转圈 操纵性的指标。
衡量转首性和回转性的直观方法。 回转圈 船舶在不同舵角条件下作圆周回转时
重心的航行轨迹。
船舶操纵性与耐波性
回转圈的主要特征参数
船舶操纵性与耐波性
一、回转横倾
转舵阶段 过渡阶段 定常回转阶段
形成原因:在回转过程中，船体承受侧向力 其作用点高度各不相同，于是产生了对Ox 轴的倾侧力矩．
将回转横倾分为三个阶段，如图所示：
转舵阶段 过渡阶段 定常回转阶段
船舶操纵性与耐波性
一、回转横倾
1.转舵阶段
转舵阶段 过渡阶段 定常回转阶段
方 程 前 系 数
航向稳定性
特征方程为: 由特征方程可求得特征根:
角速度扰动方程 的解为： 消去r化简后,得v 的小扰动方程为: 横向速度的解为:
rr1e1t r2e2t vv1e1t v2e2t
船舶操纵性与耐波性
二. 小挠动方程
➢ 由以上解式可知,特征根若具有负实部,则扰动后 的扰运动量v,r都回复到原来的状态称之为具有 稳定性. 但,即使v,r都回复到初始状态参数,却与 初始首向仍存在着一个角度偏差：
｛ 船舶操纵性与耐波性 回转的三个阶段
1. 转舵阶段 2. 过渡阶段
3. 定常回转阶段
3. 定常回转阶段
各运动参数不随时间变化 特点：重心轨迹是圆
定常回转阶段船舶运动方程：
｛ 船舶操纵性与耐波性 回转的三个阶段
1. 转舵阶段 2. 过渡阶段
3. 定常回转阶段
各运动参数随时间变化
02航向稳定性和回转性 邱磊讲解
(b)方向稳定性 (c)位置稳定性
船海系：邱磊
Directionally unstable ships
《船舶操纵性与耐波性》课件
An increasing number of new ships are directionally unstable under certain conditions of trim and are difficult to steer manually
Steady steering is only achieved by continually applying small short alternating helm actions
Despite its problems, directional instability does allow a ship to make tight turns But it is important that the pilot or master is familiar with the ship's behaviour 船海系：邱磊 and plans an alter course to allow for this
影响方向稳定性的因素(Factors affecting directional
stability)
《船舶操纵性与耐波性》课件
Neither the centre of the hydrodynamic hull force, point A, nor the neutral steering point (N0) are fixed in position for a single vessel The location of N0 depends upon the centripetal force relative to the turning moment required for a given rate of turn and hullform The position of A depends upon压力足以的位置取决于： the flow conditions around the immersed hullform its fore and aft distribution of surface area So, the main factors affecting the directional stability are影响方向稳定性的主要因素有: Trim 纵倾 Hullform 船型 ahead speed 前进速度
船舶操纵知识点归纳
{（1）定常旋回阶段第一章船舶操纵性基础1、定义：保向、改向、变速。
2、船舶操纵性能：①变速性能：（1）停船性能（2）启动性能（3）倒车性能②旋回性能③保向性能④航向稳定性能3、一些主要概念：①转心：转轴与船舶首位线交点（垂足）通常位于船首之后1/3L （船长）它的位置稍有移动②通常作用在船上的力及力矩：水动力、风动力、舷力、推力③漂角：船舶运动速度与船首位线的夹角4、①水动力及其力矩：水给予船舶的运动方向相反的力②特点：船前进时，水动力中心在船中前船后退时，水动力中心在船中后③附加质量：惯性质量及惯性矩大型船舶纵向附加质量≈0.07m （m 为船的质量）附加惯性矩≈1.0Iz （Iz 为船的惯性矩）④水动力角：水动力方向与船首位线的夹角它是漂角的函数，随它漂角的增大而增大⑤水动力中心大概位置:前进平吃水：漂角为0时，中心在船首之后1/4L （船速越低，越靠近船中，前进速度为0时，在船中）后退平吃水：漂角为0时，中心距船中1/4L⑥水动力距：与力矩系数水线下面积、船体形状有关力矩系数是漂角的函数5、船体阻力摩擦阻力→主要阻力占70%—90%速度越大，其值越大（与V 2成正比）兴波阻力（低速时：与V 2成正比；船高速时：急剧增大）涡流阻力空气阻力：约占2%附体阻力6、船舶的变速性能①停船性能（冲程）：与惯性有关②冲程：往往是对水移动的距离（对水移动速度为0）③一般万吨船：倒车停船距离为6—8L倒车冲程：5万：8~10L 10万吨:10~13L 15—20万吨：13~16L④当船速降到60%~70%时，转速降到25%~35%倒车⑤换向时间：从前进三到后退三所需时间汽轮机：120s~180s 内燃机：90s~120s 蒸汽机：60s~90s7、船舶的旋回性：转船阶段①旋回圈：过渡阶段—变速旋回阶段{剩余阻力：附加阻力：{②旋回初径：操舵后航向转过180°时，重心移动的横向距离一般为3~6L③旋回直径：船定常旋回时，重心轨迹圆的直径通常为旋回初径的0.9~1.2倍④进距：开始操舵到航向转过任一角度，重心移动的纵向距离通常为旋回初径的0.6~1.2倍⑤横距：指操舵让航向转过任一角度，垂心所走的横向距离约为旋回初径的1/2倍⑥制距：操舵开始时的重心位置到定常旋回率重心的纵向距离1~2L（2）船舶旋回运动是舷力的横向分量、水动力横向分量共同作用的结果（3）船舶旋回运动中的性能：降速车旋回的初始阶段：内倾；定常旋回：外倾旋回时间：旋回360°所需的时间；万吨级船旋回时间约为：6min（4）影响旋回特性的因素：①方形系数大旋回性好旋回圈小②船首水线下面积多旋回性好旋回圈小③船尾有钝材或船首瘦削旋回性差旋回圈大④舵面积大旋回性好旋回圈小⑤吃水增大横距、旋回初径增大，反移量减小⑥横倾，影响较小：低速时，向底舷一侧旋回旋回性好高速时，向高舷一侧旋回旋回性好船速低于某一值时，旋回圈加大⑦浅水：水变浅阻力加大转船舵力作用小旋回圈大旋回性变差⑧旋回圈在实际操船中的应用：反移量（kick ）：向操舵相反一舷移动的距离0.1~0.2L （10%~25%L ）9、操纵指数：k r r T =+.（T ：追随性指数.r :r 的导数角速度<r>的加速度k:旋回性指数）阻尼力矩惯性力矩=T （T 大，惯性大，实际操舵中T 越小越好）阻尼力矩转舵力矩=k （k 大，转舵效应好，实际操舵k 越大越好）无因次的k’、T’)(')('v L T T v L k k ==（k/T 表示舵效）{{第二节航向稳定性及保向性1、船向稳定性定义：船受外力干扰，干扰消失后，不用舵的前提下，船能自动恢复直线运动①恢复到原航向平行的航向航向稳定性（方向稳定性）稳定性②彻底恢复到原航行完全相同的航向上③直线稳定航向稳定性：方形系数低，长/宽高的船航向稳定性好瘦船稳定性好船首侧面积大航行稳定性差（例如：球鼻首bulous）2、保向性概念：船首线运动受外力干扰通过用船纠正使其恢复到原航向与航迹上继续做直线运动一般来说：航向稳定性好的船保向性好3、影响保向性因素瘦船好浅吃水差船尾肥大（有钝材）好干舷高差尾倾较首倾好轻载比满载保向性好（如有风，另当别论）船速高好水深浅好逆风逆流好第三节变速性能补充1、启动性能：静止定常运动定常速度v、所需距离与排水量成正比，与v2成反比，与阻力成正比经验：满载启动距离20L轻载为满载的1/2~2/32、减速性能：停车冲程：对水速度为0通常对水移动能维持舵效的最低速度，即认为停船万吨级船2节、超大船3节，即认为停船一般货船停船冲程8~20L、超大船停船冲程20L3、制动性能：前进三后退三变螺距船CPP是FPP船紧急停船距离的60%~80%总结：排水量大停船距离大船速大停船距离大污底严重停船距离小主机功率大停船距离小顺流顺风停船距离大第四节船舶操纵性试验1、旋回试验：在直航情况下，左35°或右35°，使船旋回旋回试验的目的:测定旋回圈，评价船舶旋回性2、冲程试验冲程条件：风流小水深≥3Bd 采用投掷法测定倒车使船停下（这种试验）要求船首改变90°3、螺旋试验、逆螺旋试验该试验目的，判断船舶航向稳定性好坏逆螺旋试验：求取船舶达某一回旋角速度所需舵角4、Z 性试验该试验主要评价船舶首摇抑制性，也可测定旋回性，追随性，航向稳定性获得操纵性指数第五节IMO 要求1、①对旋回性：进距＜4.5L 旋回初径＜5L操10°舵角航向改变10°时的进距＜2.5L②对停船性：全速倒车停船距离＜15L超大船倒车停船距离＜20L③对于首摇抑制性、保向性3、Z 型试验结果：左右10°舷角第一超越角：a 、当L/v ＜10s 时：＜10°b 、当L/v ＞30s 时：＜20°c 、当10s ＜L/v ＜30s 时：[5+21（L/v ）]°第二超越角：a 、当L/v ＜10s 时：＜25°b 、当L/v ＞30s 时：＜40°c 、当10s ＜L/v ＜30s 时：＜[17.5+0.75（L/v ）]°第三章车、舵、锚、缆、拖船第一节螺旋桨（propeller ）1、关于阻力的补充摩擦阻力占到70%~80%，它与大约船速1.852的次方成正比2、吸入流与排出流①进入螺旋桨的流吸入流：范围广、流速慢、流线平行②螺旋桨排出的流排出流：范围小、流速快、水流旋转3、推力有船速关系（还与滑失有关）推力：排出流对船的反作用力船速一定，螺旋桨转速高推力大螺旋桨转速一定，船速高推力小4、滑失：螺旋桨对水实际速度与理论上能前进速度之差理论速度滑失滑失比=螺旋桨推力主要取决于其转速及滑失比。