船舶操纵性与耐波性复习

漂角：船舶重心处速度与动坐标系中ox轴之间的夹角，速度方向顺时针到ox轴方向为正。首向角：船舶纵剖面与固定坐标系OX轴之间的夹角，OX到x轴顺时针为正

舵角：舵与动坐标系ox轴之间的夹角，偏向右舷为正

航速角：重心瞬时速度与固定坐标系OX轴的夹角，OX顺时针到速度方向为正

浪向角：波速与船速之间的夹角。

作用于船体的水动力、力矩将与其本身几何形状有关（L、m、I），与船体运动特性有关(u、v、r、n)，也与流体本身特性有关（密度、粘性系数、g）。

对线速度分量u的导数为线性速度导数，对横向速度分量v的导数为位置导数，对回转角速度r的导数为旋转导数，对各角速度分量和角加速度分量的导数为加速度导数，对舵角的导数为控制导数。

直线稳定性：船舶受瞬时扰动后，最终能恢复指向航行状态，但是航向发生了变化；

方向稳定性：船舶受瞬时扰动后，新航线为与原航线平行的另一直线；

位置稳定性：船舶受瞬时扰动后，最终仍按原航线的延长线航行；

具备位置稳定性的必须具备直线和方向稳定性，具备方向稳定性的必定具有直线运动稳定性。

1.定常回转直径

2.战术直径

3.纵距

4.正横距

5.反横距

回转的三个阶段

一、转舵阶段二、过度阶段三、定常回转阶段

耦合特性：船舶在水平面内作回转运动时会同时产生横摇、纵摇、升沉等运动,以及由于回转过程中阻力增加引起的速降。以上所述可理解为回转运动的耦合,其中以回转横倾与速降最为明显。

Tr r Kδ

+=

回转性指数K是舵的转首力矩与阻尼力矩系数之比，表征船舶转首性，

应舵指T 是惯性力矩数系数与阻尼力矩系数之比，

由T=I/N可见：参数T是惯性力矩与阻尼力矩之比，T值越大，表示船舶惯性大而阻尼力矩小；反之，T值越小，表示船舶惯性小而阻尼力矩大。

由K=M/N可见：参数K是舵产生的回转力矩与阻尼力矩之比，K值越大，表示舵产生的回转力矩大而阻尼力矩小；反之，K值越小，表示舵产生的回转力矩小而阻尼力矩大。

K值越大,相应回转直径越小,回转性越好.T为小正值时,船舶具有良好的航向稳定性. K表示了回转性,T表示了应舵性和航向稳定性。舵角增加：K、T同时减小；吃水增加：K、T 同时增大；尾倾增加：K、T同时减小；水深变浅：K、T同时减小；船型越肥大：K、T 同时增大。

船舶操纵性设计的基本原则是：给定船的主尺度(即船的惯性)，以提供必要和足够的流体动力阻尼及舵效，使之满足设计船舶所要求的回转性、航向稳定性和转首性。通常最常用的办法是改变舵面积，因为舵既有明显的航向稳定作用，又会产生回转力矩。

Z形操舵试验是一种评价船舶操舵响应的试验方法，同时，可通过Z形操纵试验结果求取操纵性指数K、T。航向超越角为从反向转为从反向转舵瞬时起，直到船舶反向转首瞬时的航向角变化。回转试验是指在试验船速直航条件下，操左35°舵角和右35°舵角或设计最大舵角并保持之，使船舶进行左、右旋回运动的试验。

操纵性船模试验满足条件

1）.自航船模与实船保持几何形状相似。

2）.保持无因次速度、加速度参数相等。

3）.满足傅汝德数Fn相等，但是无法满足雷诺数Rn相等。

舵的布置原则

1. 为了产生尽可能大的舵力矩，舵应布置在远离船舶重心处：船首尾部。

2. 注意使舵得到突出的尾型的保护。

3. 为了获得桨的尾流来提高舵效，一般布置在桨的后方。

4. 多舵布置时必须注意舵之间的干扰问题。

船舶耐波性：船舶任意时刻的运动可以分解为船舶重心G沿Ox轴的直线运动称为纵荡，以x（t）表示；沿Oy轴的直线运动称为横荡，以y（t）表示；沿Oz轴的直线运动称为垂荡，以z（t）表示；船体绕Gxb轴的转动称为横摇，以θ（t）表示；绕Gyb轴的转动称为纵摇，以ψ（t）表示；绕Gzb轴的转动称为首摇，以φ（t）表示。船舶耐波性除摇荡运动外，还包括1砰击：由于严重的纵摇和垂荡，船体与波浪之间产生猛烈的局部冲击现象；2上浪：船舶在波浪中剧烈摇荡时波浪涌上甲板的现象；3失速：包括波浪失速和主动减速。4螺旋桨飞车：船舶在波浪中航行，部分螺旋桨露出水面，转速剧增，并伴有强烈振动的现象

对于旋转运动，表现为阻尼力矩的形式，大致由以下三个主要原因产生的：1.摩擦阻尼，它是由水的粘性摩擦产生的，其绝对值的大小一般认为与角速度平方成比例；2.兴波阻尼，船体运动在水表面形成的波浪，消耗了船体本身的能量所造成的阻尼。一般认为它比例于角速度的一次方；3.漩涡阻尼,在船体弯曲部分或突出物附近形成漩涡，损失一部分能量，形成漩涡阻尼。一般认为它比例于角速度的平方。

有效波倾的概念：由于船舶的宽度，船宽方向的波倾角是变化的，由于船的吃水，水质点的轨圆半径迅速，船舶受到的表观重力，不是垂直于波表面，而是垂直于某一深度的次波面，该次波面称为有效波面，对应的波倾角为有效波倾角，有效波倾角的幅值称为有效波倾。为了简化分析并得到单纯横摇的微分方程，在分析船体受力时作以下4个假定：

（1）遭遇浪向u=90°，即波峰线平行于船体中线面；（2）船宽远小于波长，因此可以把波浪对船体的作用，以一作简谐角振荡的波平面来代替波曲面；（3）在横摇角比较小的情况下，初稳性公式仍使用；（4）波内的压力场不因船体的存在而受影响，即所谓傅汝德—克雷洛夫假定。

Kθa代表横摇幅值与有效波倾之比，称为放大因数。下面讨论放大因数的几种特殊情况：（1）当Δθ=（ω/nθ）=（Tθ/TB）≈0时，Kθa≈1，Σθa≈0。这种情况相当于波浪很长，而船的初稳性高很大，横摇固有周期Tθ很小。

（2）当Δθ→∞时，Kθa→0，Σθa→-180°。这种情况相当于大船处在极短的波浪上，此时船几乎不发生横摇运动。

（3）当Δθ=1时，Kθa=1/（2μθ），Σθa=-90°。此时波浪周期Tb等于船的横摇固有周期Tθ，船的横摇运动滞后波浪90°。

船模试验的相似条件：1几何相似，对应的线性尺度比例一样2运动相似，对应点上的速度值成同一比例3动力相似，包括粘性力相似、重力相似和惯性力相似。即雷诺数相等，傅汝德数相等，斯图罗哈数相等。减摇装置：舭龙骨，减摇鳍，减摇水舱。从耐波性要求选型应具备的以下条件：1有可靠的海浪资料和预报耐性性能的方法；2有统一的耐波性衡准指标。船的主尺度和系数对耐波性的影响，纵摇角随风级、方形系数、吃水和纵向质量惯性半径的增加而增大，随船长、水线面积系数和船宽的增加而减小。

分析船的主尺度和有关要素对船在迎浪航行的纵摇垂荡运动的综合影响如下：

从改善船的纵摇和垂荡运动来说，减小方形系数、吃水和纵向质量惯性半径，增加船长、水线面系数、船宽都是有利的。但对于改变浮心的纵向位置将引起船舶纵摇和垂荡运动两者的相反效果，当浮心位置向前移动，使纵摇运动减小，垂荡运动增大；向后，则相反。垂荡运动随航速增加而增大，对纵摇而言，低速船是这样，高速船却相反。

综合分析船的主尺度和要素对运动及波浪中马力增加的影响如下：

除了方形系数和纵向质量惯性半径的变化对运动和失速有一致影响外，其他因素的变化往往使运动和失速有相矛盾的结果。如增加船长对运动有利，但使失速加大，增加吃水使失速减小，但对运动不利。