基于船舶转心概念的船舶操纵研究
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表 1 不同船舶相关参数
旋回特征参数 船名
满载
船舶类 船长/船宽
装载状 初径 Dt 进距 Ad
吃
型 （m）
态 （cables） （cables）
水（m）
横距 Tr 相对进 （cables） 距 Ad/L
压载 0.32
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NAVIOS FELICITY 矿 225/32 13.87
满载 0.31
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0.35
0.14
2.8
0.12
2.9
BW BOSS
压载 0.46
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化 230/36 11.62
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以上两点对驾引船舶时的指导意义在于：无论船舶是处 于自由航行状态（在航），还是在受到约束力，只要船舶对水 移动，则产生水动力和水动力矩。而在船舶操作过程中遇到 非均匀流场、外力作用及漂角导致的水动力横向分量等因素， 往往导致船舶水动力平衡被打破，进而引起船舶运动状态发 生改变，若水动力的变化引起船舶发生偏转，船舶转心则沿 船舶首尾线方向向前或者向后移动。驾引人员为了更有效地 保持或者改变船舶的运动状态，需对船舶转心的大概位置及 变化规律了然于心，通过协调力矩平衡或者最大化其中一端 的力矩，以达到操纵目的。
中的几类操作方法，并衍生出“可视转心”的概念。
关键词：船舶转心；船舶操纵；可视转心
中图分类号：U675.9
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2019）03-0018-03
引言 船舶操纵过程中需要利用风、流、车、舵、锚、缆、侧 推、拖轮等自然条件和人工辅助设施才能完成。随着船舶尺 寸的大型化，有时完全依靠船舶自身的力量和助泊设施的辅 助，往往难以抵抗住外界给船舶带来的不利影响。“四两拨千 斤”出自道家哲学，指的是以小力胜大力之意。我们如果能 巧妙地利用助泊设施等之“小力”来抗衡风、流、船舶惯性 等外界力量之“大力”，则需要寻找一个两者之间的“平衡点”， 而本文所探讨的船舶转心正是这个关键的平衡点。 一、船舶转心的定义 《船舶操纵》中船舶转心的定义：操纵运动中的船舶可 视为一方面船舶以一定的速度前进，同时绕通过某一点的竖 轴而旋转运动的叠加，这一点就是转心（pivoting point）， 通常以英文字母 P 代表之。从几何学上讲，转心 P 的位置是 旋回中某瞬间的旋回中心至船舶首尾线的垂足点[1]。 从定义中我们得出船舶转心的特征，并从以下几个方面 进一步思考：（1）驾引人员经常提到“船舶前进时，转心在 重心之前；当船舶后退时，转心在重心之后”的说法。那么 船舶直航状态下是否存在转心？（2）船舶转心与水动力作用 中心之间存在怎样的联系？（3）转心存在的前提条件是否是 船舶有船速，船速不存在，转心是否也就不存在？ 二、船舶转心与船舶水动力作用中心的关系 《船舶操纵》中对转心的研究是船舶在正舵直航状态下 操一舵角，使船舶进入到斜航和回转运动，进而对转心进行 研究。直航中的船舶本身对水有相对运动，水动力中心在船 中之前，在横向力（舵力、侧推力、拖轮拖力或推力等）作 用下，水动力发生变化，产生横向水动力，进而使船舶运动 状态发生变化。当船舶水动力、舵力和螺旋桨推力三者构成 一个平衡力系之后，进入定常旋回状态，转心的位置也不再 发生前后位移。 从以上分析可以得出： （1）转心是船舶受到横向力的作用后，在平面二维空间 范围内，船舶运动状态发生了改变才出现。船舶没有发生旋 回运动就不存在转心，即直航状态下的船舶不存在转心。
第 19 卷 第 3 期 2019 年 3 月
中国水运 China Water Transport
Vol.19 March
No.3 2019
基于船舶转心概念的船舶操纵研究
张剑
（宁波引航站，浙江 宁波 315040）
摘 要：本文通过船舶转心和水动力作用中心的定性分析，列举影响船舶转心的各类因素，围绕转心探讨操船实践
0.16
2.6
0.14
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压载 0.33
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RONG YUAN
矿 225/32 13.29
满载 0.38
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ZHEN BANG
矿 229/32 14.62
满载பைடு நூலகம்0.43
0.49
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0.18
4.0
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CONSTITUTION 化 225/36 12.02
三、影响船舶转心位置的因素 1．船型对船舶转心的影响 不同的船型由于其排水量，长宽比、舵面积与船体水下 侧面积之比、主机功率等差异，操纵性也不尽相同，在此就 方形系数与船舶转心之间的关系进行讨论。根据方形系数 Cb 的不同，船舶大致可以分为瘦削型和肥胖型两类，而集装箱 船和矿油轮分别是这两类最具代表性的船舶。假设以上两种 不同类型的船舶，具有相同的长宽比和吃水，以相同的航向 和速度航行。（如图 1）肥胖型船舶船首结构方正，迎流端横 剖面面积大，对水移动时，船首前水平面与船首侧面水平面 高度差较大，相当于大块水体被船推着前行，且水体速度接 近船速，就如船首前方增加了一段船体，且船首处水压力相 对较大。瘦削型船舶自船首往船中方向剖面面积逐渐增大， 流线型好，且一般都有球鼻艏结构，船舶对水移动时，船首 前方水体向左右两舷分开，形成一连串波长短，波高小的船
（2）区别于船舶操纵试验，驾引人员出于航行避让、靠 离泊安全等因素的考虑，会对船舶进行一系列改变船舶运动 状态的操作，而船舶转心也随着船舶运动状态的变化而发生 改变。例如船舶顺水离泊操作，在拖船尾、稳船首的过程中 就涉及到船舶的转动，船舶转动就会产生转心，驾引人员可 以利用转心这个“支点”，指挥调配拖轮，达到以安全、高效 离泊的目的。所以“船舶前进（对水移动）时转动，转心在 重心之前；当船舶后退（对水移动）时转动，转心在重心之 后”。
收稿日期：2018-11-07 作者简介：张 剑（1982-）男，宁波引航站一级引航员。
第3期
张 剑：基于船舶转心概念的船舶操纵研究
19
行波，船舶阻力小，附加质量在首尾线方向的分布相对于肥 胖型船舶小，船舶重心前移幅度相对较小。
图 1 肥胖型和瘦削型船舶船首前后水面高度差比较示意图
长度相近的不同类型船舶在开阔水域压载及满载状态下 全速右旋回试验相关数据。
旋回特征参数 船名
满载
船舶类 船长/船宽
装载状 初径 Dt 进距 Ad
吃
型 （m）
态 （cables） （cables）
水（m）
横距 Tr 相对进 （cables） 距 Ad/L
压载 0.32
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NAVIOS FELICITY 矿 225/32 13.87
满载 0.31
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满载 0.32
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2.8
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BW BOSS
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化 230/36 11.62
满载 0.46
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以上两点对驾引船舶时的指导意义在于：无论船舶是处 于自由航行状态（在航），还是在受到约束力，只要船舶对水 移动，则产生水动力和水动力矩。而在船舶操作过程中遇到 非均匀流场、外力作用及漂角导致的水动力横向分量等因素， 往往导致船舶水动力平衡被打破，进而引起船舶运动状态发 生改变，若水动力的变化引起船舶发生偏转，船舶转心则沿 船舶首尾线方向向前或者向后移动。驾引人员为了更有效地 保持或者改变船舶的运动状态，需对船舶转心的大概位置及 变化规律了然于心，通过协调力矩平衡或者最大化其中一端 的力矩，以达到操纵目的。
中的几类操作方法，并衍生出“可视转心”的概念。
关键词：船舶转心；船舶操纵；可视转心
中图分类号：U675.9
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2019）03-0018-03
引言 船舶操纵过程中需要利用风、流、车、舵、锚、缆、侧 推、拖轮等自然条件和人工辅助设施才能完成。随着船舶尺 寸的大型化，有时完全依靠船舶自身的力量和助泊设施的辅 助，往往难以抵抗住外界给船舶带来的不利影响。“四两拨千 斤”出自道家哲学，指的是以小力胜大力之意。我们如果能 巧妙地利用助泊设施等之“小力”来抗衡风、流、船舶惯性 等外界力量之“大力”，则需要寻找一个两者之间的“平衡点”， 而本文所探讨的船舶转心正是这个关键的平衡点。 一、船舶转心的定义 《船舶操纵》中船舶转心的定义：操纵运动中的船舶可 视为一方面船舶以一定的速度前进，同时绕通过某一点的竖 轴而旋转运动的叠加，这一点就是转心（pivoting point）， 通常以英文字母 P 代表之。从几何学上讲，转心 P 的位置是 旋回中某瞬间的旋回中心至船舶首尾线的垂足点[1]。 从定义中我们得出船舶转心的特征，并从以下几个方面 进一步思考：（1）驾引人员经常提到“船舶前进时，转心在 重心之前；当船舶后退时，转心在重心之后”的说法。那么 船舶直航状态下是否存在转心？（2）船舶转心与水动力作用 中心之间存在怎样的联系？（3）转心存在的前提条件是否是 船舶有船速，船速不存在，转心是否也就不存在？ 二、船舶转心与船舶水动力作用中心的关系 《船舶操纵》中对转心的研究是船舶在正舵直航状态下 操一舵角，使船舶进入到斜航和回转运动，进而对转心进行 研究。直航中的船舶本身对水有相对运动，水动力中心在船 中之前，在横向力（舵力、侧推力、拖轮拖力或推力等）作 用下，水动力发生变化，产生横向水动力，进而使船舶运动 状态发生变化。当船舶水动力、舵力和螺旋桨推力三者构成 一个平衡力系之后，进入定常旋回状态，转心的位置也不再 发生前后位移。 从以上分析可以得出： （1）转心是船舶受到横向力的作用后，在平面二维空间 范围内，船舶运动状态发生了改变才出现。船舶没有发生旋 回运动就不存在转心，即直航状态下的船舶不存在转心。
第 19 卷 第 3 期 2019 年 3 月
中国水运 China Water Transport
Vol.19 March
No.3 2019
基于船舶转心概念的船舶操纵研究
张剑
（宁波引航站，浙江 宁波 315040）
摘 要：本文通过船舶转心和水动力作用中心的定性分析，列举影响船舶转心的各类因素，围绕转心探讨操船实践
0.16
2.6
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压载 0.33
0.33
RONG YUAN
矿 225/32 13.29
满载 0.38
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ZHEN BANG
矿 229/32 14.62
满载பைடு நூலகம்0.43
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CONSTITUTION 化 225/36 12.02
三、影响船舶转心位置的因素 1．船型对船舶转心的影响 不同的船型由于其排水量，长宽比、舵面积与船体水下 侧面积之比、主机功率等差异，操纵性也不尽相同，在此就 方形系数与船舶转心之间的关系进行讨论。根据方形系数 Cb 的不同，船舶大致可以分为瘦削型和肥胖型两类，而集装箱 船和矿油轮分别是这两类最具代表性的船舶。假设以上两种 不同类型的船舶，具有相同的长宽比和吃水，以相同的航向 和速度航行。（如图 1）肥胖型船舶船首结构方正，迎流端横 剖面面积大，对水移动时，船首前水平面与船首侧面水平面 高度差较大，相当于大块水体被船推着前行，且水体速度接 近船速，就如船首前方增加了一段船体，且船首处水压力相 对较大。瘦削型船舶自船首往船中方向剖面面积逐渐增大， 流线型好，且一般都有球鼻艏结构，船舶对水移动时，船首 前方水体向左右两舷分开，形成一连串波长短，波高小的船
（2）区别于船舶操纵试验，驾引人员出于航行避让、靠 离泊安全等因素的考虑，会对船舶进行一系列改变船舶运动 状态的操作，而船舶转心也随着船舶运动状态的变化而发生 改变。例如船舶顺水离泊操作，在拖船尾、稳船首的过程中 就涉及到船舶的转动，船舶转动就会产生转心，驾引人员可 以利用转心这个“支点”，指挥调配拖轮，达到以安全、高效 离泊的目的。所以“船舶前进（对水移动）时转动，转心在 重心之前；当船舶后退（对水移动）时转动，转心在重心之 后”。
收稿日期：2018-11-07 作者简介：张 剑（1982-）男，宁波引航站一级引航员。
第3期
张 剑：基于船舶转心概念的船舶操纵研究
19
行波，船舶阻力小，附加质量在首尾线方向的分布相对于肥 胖型船舶小，船舶重心前移幅度相对较小。
图 1 肥胖型和瘦削型船舶船首前后水面高度差比较示意图
长度相近的不同类型船舶在开阔水域压载及满载状态下 全速右旋回试验相关数据。