船舶运动学重要概念、简答(操纵性、耐波性)

首向角：船舶纵剖面与OoXo轴的交角。

漂角：重心速度与GX轴正方向夹角。

航速角：重心瞬时速度矢量与OoXo轴夹角。

船舶操纵性是指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其航速、航向和位置的性能。

包括小舵角的航向稳定性、中舵角的航向机动性和大舵角的紧急规避性。

内容如下：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。

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。

枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。

附加惯性力：作不定常运动的船舶，除本身受到与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，根据作用与反作用力原理，水对船体存在反作用力，这个力称为。

附加质量：附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为。

水动力导数：位置导数 Yv ,Nv：船体受到一个升力Y
v，船体首部和尾部长力方向一致，
v
都都指向v的负方向，因此合力是一个较大的负值，Yv是一个较大的负值，而水动力矩由于首尾作用相抵消，其绝对值不会很大，因机翼的水动力中心在形成之前，首部作用占优，Nv是一个不大的负值。

加速度导数：Yv点是水动力Y相对于加速度在平衡状态下的变化率，正的加速度的船舶经受一个与加速度相反方向的水反作用力，因此Yv点是一个相当大的负值。

由于船首和船尾对Z轴产生的水动力力矩方向相反，因此水动力矩导数Nv点是一个不大的数值，其符号取决于船型。

旋转导数Yr ,Nr：由于船首和船尾水动力方向相反，因此水动力导数Yr的绝对值不是很大，其符号取决于船型，可正可负。

由于船体回转产生的水动力矩在船首尾有相同的方向，都是阻止船舶回转的，因此水动力矩导数Nr是一个很大的负值。

旋转加速度导数：由于船首和船尾存在方向相反的水动力，合力较小，Yr点是小量，其符号取决于船型；Nr点是一个大负值。

舵角的控制导数：正的δ产生负的舵力，所以Yδ《0，而舵力使船右转，是正的，故Nδ》0.
稳定性:对处于定常运动状态的物体(或系统),若受到极小的外界干扰作用,而偏离原定常运动状态,当干扰去除之后,经过一定的过渡,若物体(或系统)能回复到原定常运动状态,则称原运动状态是稳定的.物体的运动状态是否稳定既取决于物体本身的性质,而且也取决于所考察的运动状态和运动参数.
直线运动稳定性:船舶受瞬时扰动后，其重心轨迹终将恢复为一直线，但航向发生了变化。

方向稳定性:船舶受扰并在扰动消除后，其重心轨迹最终将恢复为与原来航线相平行的另一直线。

位置稳定性:船舶受扰后，其重心运动轨迹将恢复为原航线的延长线。

稳定性分类：按是否操舵,稳定性可分为固定稳定性和控制稳定性.固前者取决于船体几何形状,后者取决于整个闭合回路的特性.固定稳定性越好的船,控制稳定性也越好.对于通常的水面船舶,只有通过操舵控制才可能使之具备方向稳定性和位置稳定性. 如果不操舵,最多具备直线稳定性.
航向稳定性改善措施：1、水动力导数是与船体几何形状密切相关的2、增加船长可使N r
负值增加3、增加船舶中纵剖面的侧面积可使 Nr,Yv 的负值增加4、增加Nv的有效方法是：增加纵中剖面的尾部侧面积；可采用增大呆木；安装尾鳍；使船产生尾倾；削去前踵等。

任何船舶不操舵都不具有方向和位置稳定性：船舶受到外界扰动，一旦偏离了原来航向，船后浆的推力方向和船速方向都发生了改变，对于具有直线稳定性的船虽然恢复原来的运动状态，但无法改变桨的推力方向而恢复原来的航向，更无法自动回到原来的航线。

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。

定常回转圈是操纵性的指标。

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。

定常回转直径Dc：定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹。

战术直径DT：从船舶原来航线至船首转向180°时，船总中剖所在位置之间的距离。

Dt= (0.9~1.2)D
纵距L1(Ad)：从转舵开始时刻船舶重心G所在的位置,至船首转向 90°时船舶纵中剖面沿原航行方向前进的距离。

正横距L2(T)：从船舶初始直航线至转向90°时，船舶重心所在位置之间的距离。

反横距L3(K)：从船舶初始的直线航线至回转轨迹反方向最大偏离处的距离。

K = (0~0.1)D 进程：纵距L1减去定常回转半径 R。

转舵阶段：指从开始转舵至规定角度δ为止；船体惯性很大舵力很小，转舵阶段中漂角和回转角速度都很小，舵力起主要作用，几乎按原航向航行。

过渡阶段：转舵结束到进入定常回转运动为止。

加速度、角加速度、V、r都不为零，随时间变化，唯有舵角保持常数。

定常回转阶段，作用在船上诸力矩达到平衡，航向以一定角速度回转，重心轨迹成圆形。

回转运动的耦合特性：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。

其中以回转横倾与速降最为明显。

回转横倾：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．过渡阶段横倾角随时间变化而振动，最大横倾角出现在过渡阶段。

回转直径越小，回转漂角越大，回转速降越大。

转首性指数P,它表征操舵后船舶行驶一倍船长,单位舵角引起的首向角改变量. P=K/2T。

P越大，转首性越好。

指数K、T的物理意义：K表示了回转性（越大越好）,T表示了应舵性和航向稳定性（越小越好）。

（1）力学意义：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。

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。

为了提高船舶的操纵性，我们总希望它惯性尽可能小，而舵产生的回转力矩尽可能大，也就是希望T尽量小，K尽量大。

（2）运动学意义：K表示船舶受单位持续舵角作用下产生的最终回转角速度，T表示船舶的稳定性，其大小决定了船舶达到定常回转角速度的时间。

K、T的变化：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。

舵效：操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，取得转向角大小的性能。

船模试验：自航模；约束模
操纵性试验：回转试验、螺线及逆螺线试验、回舵试验、Z形试验、变首向试验、频率响应试验、以及关于启动、停车、倒退等专门试验。

舵效指数P影响因素：1、舵角越大舵力越大舵效越好。

2、排水量越大，P值越小，舵效越差。

3、首倾比尾倾舵效差，横倾时向低弦转向比向高弦转向舵效差。

4、转舵越快舵效越好。

5、顺风顺流比顶风顶流舵效差，浅水比深水舵效差。

Z形操纵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：每次进行反向操舵后，船首向操舵相反一侧继续转动的增加值。

航向超越角是从航向变化量方面对船舶转动惯性的一种度量。

超越角越大，船舶转动惯性越大。

一般用第一超越角和第二超越角作为衡量船舶惯性的参数。

转首滞后：航向超越时间指每次进行反向操舵时刻起至船首向开始向操舵一侧转动的时刻之间的时间间隔。

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。

尺度作用的差异的主要原因：为了平衡船模过大的摩擦阻力，必须提高螺旋桨的负荷，以致船模尾部形成强尾流，而提高了舵的转船力矩和舵的阻尼。

肥大油船的尺度作用：异常尺度现象的发生表明船模尾部的流场与实船的不同，由于船模雷诺数较低，因此由粘性引起的尾部涡流情况不同，这是引起异常现象的主要原因。

若采用15m左右的大船模进行自由自肮试验，就很少发生此类异常现象。

船舶配备引航卡、驾驶台操纵性图及船舶操纵手册三种形式的随船资料。

横摇固有周期特点：1、两艘相近的船舶，横摇角近似与固有周期的平方成反比。

2、Tθ越大，船在波浪上摇荡越缓和，使船舶摇幅减小，又可以增加舒适性。

3、提高Tθ途径：I x1增大或者h减小。

4、一艘船的惯性矩变化范围不大，只有减小初稳性高度。

即在稳性范围内尽可能小的取h值。

摇荡运动可以分解为三种角位移和三种线位移，分别称为横摇、纵摇、首摇和纵荡、横荡、垂荡。

耐波性影响①对舒适性的影响②对航行使用性的影响③对安全性的影响
消灭曲线为分析摇减幅运动情况,假定第i次的幅值为θi,相隔半个同期的下一次横幅幅值为θi+1，则相邻两次横摇幅值之差为Δθ=θi-θi+1，而平均横摇角为θm=1/2*(θi+θi+1)。

以θm为横轴，Δθ为纵轴，绘一曲线，表征贡摇角随振幅的衰减情况，称为消灭曲线。

有效波面：在吃水范围内波浪的轨圆半径随水深急剧减少，因此船舶受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，该次波面也称为有效波面，对应的波倾角称为有效波倾角（表示波形的切线与水平线之间的夹角）
摩擦阻尼：由水的粘性摩擦产生，与角速度的平方成比例。

所占比重较小，可以忽略。

兴波阻尼：船体运动形成水平面波浪，消耗了本身的能量而产生，与角速度的一次方成比例。

旋涡阻尼：船体弯曲部分附近形成旋涡，损失部分能量而产生，与角速度平方成比例。

有义波高：将波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的1/3部分波高的平均值称为
有效波高。

叠加原理：假定不规则波是由许多不同波长、波幅和相位随机的微幅单元规则波叠加而成。

海浪的各态经历经历性校集中每一个现实的统计特性相等。

校集的统计特性等于一个现实的统计特性。

海浪及海浪引起的摇荡运动都看成是具有各态历经性的随机过程。

海浪谱密度函数：表征不规则波的能量在不同频率单元波上的分布情况，称为海浪谱密度函数。

谱密度曲线下的面积等于随机过程的方差。

不规则波的谱密度表示了不规则波内各单元波的能量分布情况，它表明了组成不规则波的哪些频率的单元波起主要作用，哪些起次要作用，清楚的表明了不规则波的内部结构，是描述海浪谱强有力的工具。

海浪谱随风速和有义波高的增大而变高。

风浪三要素：表观波长：任意两相邻的上穿零点（波峰）在空间基线上的距离。

表观波幅：相邻的波峰与波谷间的垂向距离称为表观波高，由静水面至波峰或波谷的垂向距离称为表观波幅。

表观周期：任意两相邻上穿零点（波峰）在时间基线上的距离。

风浪要素大小取决于：1.风速: 在水面规定高度上风的前进速度；2.风时: 即稳定状态的风在水面上吹过的持续时间；3.风区长度: 即风接近于不变的方向和速度时在开敝的水面上吹过的距离。

浪级的划分是按波浪尺度而定。

风浪的级别由波高大小决定，波高越大、浪级越高。

风级是按风速大小而定
海况是描述海面的外形，不仅反映波浪的尺度变化，同时还反映海面其他变化
频率响应函数:单元波作用于船体引起的同频率的单元摇荡运动幅值与规则单元波的波幅之比。

谱分析法：通过对随机取样在频率区域内的谱分析，结合瑞利分布的特性，对船舶的不规则统计值进行预报。

用谱分析法预报船舶在不规则波中的运动统计值。

1。

根据航区资料，确定估算海区的三一平均波高或风速以及波浪特征周期，选定相应的海浪谱公式。

2。

确定频率响应函数。

3。

计算遭遇频率： 4。

计算运动谱密度对原点的n阶谱矩。

（用遭遇频率代替自然频率）5。

计算谱宽参数6。

计算修正后的方差7。

计算摇荡的统计值
最大能量单元波：对应谱密度曲线峰点的单元波，在不规则波中含有最大的能量，称为最大能量单元波。

最大有义单元波：波长超过一定范围的波，它在整个单元波中占有很小的比例，所有波长大于最大有义单元波的能量占总能量的5%
主成份波：海浪谱密度等于最大能量单元波谱密度的80%区间的单元波。

（30~50）
亚临界区:以某一航速航行的船舶，当谐摇波长小于3／4船长时，则定义该船舶处于亚临界区。

（大于2B）
临界区域:当船舶的谐摇波长位于成分波区间时，这时波浪给予船舶较多的能量、因而产生激烈的运动，称为。

（30~50）
超临界区：谐摇波长大于最大有义波长。

不规则波中的横摇：平均横摇周期接近船舶固有周期；不规则波横摇幅值变化平缓。

不规则波中的纵摇：船在不规则波中的纵摇平均周期接近不规则波的平均周期；不规则
波中迎浪航行时，有一最佳速度范围使纵摇较小。

正态分布：风浪，船舶摇荡，风浪引起的船体应力。

瑞利分布：瞬时值服从正态分布的平稳随机过程，其幅值服从瑞利分布。

泊松分布：船舶砰击和甲板上浪服从泊松分布。

谱宽参数：等于0或接近于0时风浪能量相对集中，谱密度曲线窄而高。

船舶在规则迎浪中垂荡与纵摇的特点：1、同横摇相比，纵摇与垂荡运动一般较小，线性假设合理。

2、波长与船长比对纵摇与垂荡运动影响很大，放大因数峰值发生在1~2.5波长船长比范围内。

3、发生垂荡和纵摇的耦合影响。

4、船速影响很大。

船的前进方向与波浪传播方向一致时，航向角为180度，迎浪为0度，正横浪为90度。

运动谱等于海浪谱乘以响应幅值算子
二因次波，组成不规则波的单元波都具有同一个前进方向，也称长峰不规则波。

由不同方向传播的单元波叠加而成的称为三因次不规则波，也叫短峰波。