船舶操纵1教材

第一章船舶操纵运动方程1 船舶运动学教学课件-文档资料

水动力导数及其对称性
线性化、无因次化
入门贴士
研究前提 :
在舵的控制之下,船舶在水平面内的各种操纵运动。
研究方法 :
采用力学惯用的处理方法，选取坐标系，确定表征运动的参数，建立运动方程．
所以第一步关键是坐标系的选择
§2-１－１
假定： 1 2
坐标系
不考虑波浪水平面运动
G

P
V V
R

GP R sin
即P点为枢心
R
5. 参数之间的关系
G1G2 V dt G1G2 R d 0 V dt R d 0
d d 0 d dt dt dt V d r R dt r
定常回转时 , r V R
1. 坐标系 2. 参数定义 3. 关系
0
回转角速度 r
d d 0 d dt dt dt d 0 V
dt R
1. 2. 3. 4. 5.
重心坐标: 首向角船速航速角漂角

X OG YOG
x0 x
x0 V V x
V 0

O
d dt
Y0G
通常流线型机翼压力中心在前缘1/4弦长,船首作用占优势,故导数Nv是一个不很大的负值.
Y Yv v
1.
位置导数 Yv ,Nv
（Yνν）B
S
Nv
N v
（Yνν）S u1
β
B
β
u1 V
χ
NV
ν
V ν
Yνν代表阻尼力，与横向速度ν的方向相反 Yν 是一个大负号。 Nνν是由ν引起的回转力矩，由于首尾力矩抵消，总的升力一般作用于舯前方， Nν是一个不大的负值。

《船舶操纵与避碰—船舶操纵》教学课件—01船舶操纵性能

第二阶段（过渡阶段）
• 过渡阶段：转舵结束起到船舶进入定常回转运动为止的动态过程
• 受力情况：随船舶横移、漂角增大，作用于船体的流体力和力矩增大；
• 运动特点：斜航运动；旋回加速；纵向速度下降；内倾渐渐向外倾变化。
第三阶段(定常阶段)
• 定常阶段（steady turning） : 受力与运动处于稳定状态
6．舵角
规律：
– 在极限舵角的范围之内，操不同舵角时的旋回初径变化情况，总的趋势是，随着舵角的减小，旋回初径将会急剧增加，当然旋回时间也将增加。
– 对于不同的船舶，随着舵角的减小，旋回初径的增加率是不一样的，其中舵的高宽比小的船舶，其旋回初径的增加率较大。
7．操舵时间
操舵时间主要对船舶的进距影响较大，进距随操舵时间的增加而增加；
• 降速幅度：
– 与旋回初径DT有密切的关系，DT/L值越小，旋回性越好，降速越显著。
– 一般船舶旋回中的降速幅度大约为旋回操舵前船舶速度的 25%～50%，而旋回性能很好的超大型油轮最大可达到原航速的65%。
3. 横倾（list）
横倾变化
– 船舶操舵不久，将因舵力横倾力矩而出现少量内倾； – 接着由于船舶旋回惯性离心力矩的作用，内倾将变为外倾； – 因横向摇摆惯性的存在将产生最大的外倾角θmax，最大外
第一章船舶操纵性能
• 第一节船舶旋回性能 • 第二节船舶航向稳定性和保向性 • 第三节船舶变速运动性能 • 第四节船舶操纵性能试验 • 第五节ＩＭＯ船舶操纵性衡准的基本内容
第一节船舶旋回性能
• 在实际操船中，对舵的使用大致可分为小舵角的保向操纵、一般舵角的转向操纵及大舵角的旋回操纵三种。定速直航的船舶操某一大舵角后进入定常旋回的运动性能称为船舶的旋回性能，它是船舶操纵性当中极为重要的一种性能。

操纵(第01课)

一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。根据船舶在旋回运动过程中所受外力特点之变化，以及运动状态之不同，可将船舶旋回过程划分为三个阶段，如图1－1所示。
图1－1船舶旋回的运动过程
1．第一阶段（横移内倾阶段）
船舶向一舷操舵
后，保持或近乎保持其直进速度，同时开始进入基本上沿原航向前进而船尾外移的初始旋回阶段。
2．描述船舶旋回运动状态的运动要素
表征船舶旋回运动状态的运动要
素主要有漂角、转心及其位置、旋回中的降速、旋回中的横倾和旋回时间等，它们与船舶的旋回性能有着密切的关系。
（1）漂角（drift angle）
船舶首尾线上某
一点的线速度与船舶首尾面的交角叫做漂角，如图1－6所示。用β 表示之。一般船舶的漂角大约在 30～150之间。
3．第三阶段[定常旋回阶段（steady turning）]

随着漂角的增大, 水动力作用中心逐渐移至重心之后, 水动力转船力矩Nβ方向与舵力转船力矩方向相反, 但数值相应增大，当船舶所受的舵力转船力矩 Nδ、和水动力转船力矩Nβ相等时，船舶的旋回角加速度变为零，船舶的旋回角速度达到最大值并稳定于该值，船舶将进入稳定旋回阶段
Hale Waihona Puke Tr1).进距 2).横距 3).旋回初径 4).旋回直径 5).滞距 6).反移量
Ad LK
Re
D
DT
图1－5 旋回圈的尺度与名称
（1）进距（advance）

进距也称纵距，是指从操舵开始到船舶的航向转过任一角度时重心所移动的纵向距离。通常，旋回资料中所说的纵距，特指当航向转过 900 时的进距，并以Ad表示之，它大约为旋回初径的0.6～1.2倍。

第1章船舶操纵基础

第一节船舶变速运动性能
（3）影响紧急停船距离的主要因素 ---主机倒车功率、换向时间船舶吨位、载荷状态等相近的情况下，主机倒车功率越大，紧急停船距离越小。大型船舶倒车功率虽比小型船舶大，但每吨排水量所占主机功率小，而且大型船舶（1 8万DWT以上）大多配备的是汽轮机，由于其换向时间长，倒车功率占常用功率比例低，所以大型船舶紧急停船距离明显增大。
第一节船舶变速运动性能第二节船舶的旋回性能第三节稳定性和保向性
第一节船舶变速运动性能
船舶通过改变主机转速从而改变螺旋桨的转速和方向（CPP螺旋桨通过改变螺距角），进行启动、变速、停车、倒车操纵时，船舶都具有维持其原来运动状态的特性（船舶惯性）。由于船舶惯性的作用，船舶从一种运动状态转变到另一种稳定运动状态的过程中需要经过一段时间的延续，在这段时间内船舶要航行一定的时间与距离。船舶运动惯性通常有两个指标来衡量：一是船舶完成变速过程中所航进的距离，称为冲程；另一是完成这段过程所需的时间，称为冲时。
第二节船舶的旋回性能
前言：船舶旋回性是船舶最基本的重要操纵性能之一，通常采用满舵时旋回初径DT与船长L之比 DT／L，即相对旋回初径来衡量. 一、船舶旋回运动的过程及其特征（一）转舵阶段从开始转舵到舵转至指定舵角止为转舵阶段。在这个阶段，由于时间较短，船舶因运动惯性仍保持直线前进，随后船首出现向转舵一侧回转的趋势，船体开始出现向操舵相反一侧横移（反向横移），并会产生向转舵一侧少量横倾（内倾），船速也略有下降。
第一节船舶变速运动性能
（4）停车冲程实船经验数据
以常速航进中的一般船舶，主机停车后船速达到 2kn时，其停车冲程约为船长的8~20倍，而VLCC满载时，从海上常速中停车达到余速3kn时，停车冲程约为船长的23倍. 这里说明一个问题，船舶的排水量越大，其冲程越大。船舶的航速越大，其冲程也越大。

《船舶操纵》课件(精选)97页PPT

16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
《船舶操纵》课件（精选）
26、机遇对于有准备的头脑有特别的亲和力。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力量泉源之一，也是成功的利器之一。没有它，天才也会在矛盾无定的迷径中，徒劳无功。- -查士德斐尔爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯潘。

船舶操纵-PPT课件

2.2 船舶操纵运动方程
野本方程
操舵速度有限，船舶的惯性很大，船舶对舵的响应也是一种非常缓慢的运动，因此有
建立了有效的数学研究方法，借鉴飞艇操纵理论
1939，巴辛
利用里亚谱诺夫运动稳定理论研究船舶的运动稳定性
1.1 船舶操纵性总论
船舶操纵性研究的发展过程
1944，肯夫（kemf）
提出了用Z形操舵试验来评价船舶的操纵性，开创了船舶对操舵的动态响应研究
1946，戴维逊(K. S. Davidson)和许夫(L. I. Schiff)
1.1 操纵性总论
操纵性的重要意义（经济性要求）
在海上的直航运动，
航向稳定性好不用经常地去操舵，航迹接近直线
不好的船频繁操舵纠正航向，经历曲折的航线，增加了实际的航行距离，同时增加了操纵装置和推进装置的功率消耗由于操舵增加的功率消耗占主机功率的2%-3%，航向稳定性不好的船，可以高达20%。
船舶有横漂速度时横向力的导数。该力很大，方向与相反；
船舶有横漂速度时横向力对重心力矩的导数。该力矩不太大，为负值，方向有使漂角增大的趋势；
船舶有前进速度时纵向力的导数。该力较小，方向与相反。
2.2 船舶操纵运动方程
水动力导数的物理意义
水动力和力矩的旋转导数和
船首具有右舷攻角，产生负的水动力和负的水动力矩
– 该时刻船舶运动状态决定的水动力 – 该时刻以前的运动历史决定的水动力
其他原因引起的外力，如托缆力和风压力等；
2.2 操纵运动方程的线性化
水动力学数学模型
船舶静水中运动时的受力，采用一阶泰勒展开
2.2 操纵运动方程的线性化

第1章船舶操纵基础理论

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PPT学习教案课件

大连海事大学船舶操纵
会计学
1
船舶操纵绪论
概述船舶操纵运动学参数船舶操纵动力学参数船舶阻力与推进
第1页/共46页
船舶操纵概述
船舶操纵的含义常规船舶操纵(ship handling)包括三种：
保持航向改变航向改变船速
第2页/共46页
船舶操纵概述
保持航向(Course keeping or steering)
第32页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其表达式
水动力角是指水动力合力FH 方向与船舶首尾线之间的交角γ；
水动力角可用水动力横向分量与纵向分量的比值表示
第33页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其表达式
水动力角的大小取决于横向水动力系数和纵向水动力系数的比值；
第6页/共46页
船舶操纵设备
• 其他设备：
– 侧推器设备； – 外力协助操纵—拖船的协助； – 系泊设备：锚、缆等。
第7页/共46页
船舶操纵特点
• 惯性大，缓变系统 • 控制输入较小 • 欠驱动特性：
控制输入的维数小于被控自由度维数（dof），例如，控制输入：车、舵；被控坐标：横向位移y1，航向角和纵向位移x1
船体水动力及水动力矩
深水中，超大型船舶的纵向附加质量mx≈0.07m；横向附加质量 my≈0.75m；附加惯性矩Jz≈1.0m。
为了研究问题的方便，有的资料将船舶质量与附加质量之和称为虚质量，惯性矩与附加惯性矩之和称为虚惯性矩。
第30页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其表达式
第36页/共46页
船舶操纵动力学参数
水动力作用中心