船舶操纵课件--第1章船舶操纵基础理论.ppt

洪碧光 大 连 海 事 大 学,船 舶 操 纵,第一章 船舶操纵性基础,一、船舶操纵性指数K、T 二、船舶操纵性与指数K、T的关系 三、影响K、T指数的因素 四、K、T指数的应用,第五节 船舶操纵性指数,1943年，英国人Kempf在1943年首先提出一种衡量船舶机动 性能的试验方法。1957年以来野本谦作和诺宾发展了一种对Z形实 验结果进行理论分析的新方法-K、T分析法。受到了广泛的重 视和应用。 野本认为船舶的受控运动基本上是一个质量很大的物体在舵的 作用下进行的一种缓慢的转艏运动。他略去了船舶回转角速度的高 阶影响，用下列数学模型来描述船舶运动：,一船舶操纵性指数K、T,式中：I 为船舶回转惯性力矩系数； N 为船舶回转中所受的阻尼力矩系数； C 为舵产生的回转力矩系数。 将上式两端同乘以1/N，得： 我们设T=I/N，K=C/N，代入上式，得： 即一阶船舶操纵运动方程。野本认为K、T表征船舶操纵性的特 征参数。,一船舶操纵性指数K、T,1. 指数K、T的物理意义 （1）力学意义 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=C/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。 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。,一船舶操纵性指数K、T,1. 指数K、T的物理意义 （2）运动学意义 按给定的初始条件：t=0，r=0，可以求解上述方程式，得到 船舶转向角速度的表达式： 对于具有航向稳定性的船舶，T0，T绝对值越小，随着t的增 大，e-t/T将衰减得越快。 对于不具有航向稳定性的船舶，T0，随着t的增大，e-t/T将 不衰减，也就是说，船舶将继续旋转。,一船舶操纵性指数K、T,T 的运动学意义为：是系统的时间常数，它的符号决定了运动 的稳定性，它的大小决定了船舶达到定常旋回角速度的时间，其因 次为sec。 对于具有航向稳定性的船舶，t时，r =K，K值越大，r越 大。 K 的运动学意义为：船舶受单位持续舵角作用下产生的最终旋 回角速度，其因次为1/sec。,一船舶操纵性指数K、T,2. 指数K、T的无因次化及其量值 （1）K、T的无因次化 目前，K、T指数被广泛用来评价船舶的操纵性能。除了上述有 因次的形式以外，为了便于比较，还可以使用无因次值K、T，其 定义为：,一船舶操纵性指数K、T,2. 指数K、T的无因次化及其量值 （1）K、T的无因次化 诺宾在此基础上进一步建议用机动性参数P来衡量船舶的机动 性，P定义为： 分析上述一阶操纵运动方程的解，可以看出：P 值实际上是在操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，按一阶模拟得到的航向角的变化值。有的资料上称 P 为“舵效指数”,一船舶操纵性指数K、T,2. 指数K、T的无因次化及其量值 （1）K、T的无因次化 对e-1/T展开成幂级数，则可得 可见，舵效指数 P 与K、T的比值有关。,一船舶操纵性指数K、T,2. 指数K、T的无因次化及其量值 （2）K、T 的量值 K 、T 的值是通过Z形实验求得的。有10、15、20度等几种实验。一般取10度实验结果为标准。 对于一般船舶的操纵性能，K、T在下列范围内： 满载货轮（L=100160m）K=1.52.0 T=1.52.5 满载油轮（L=150250m）K=1.73.0 T=3.06.0,一船舶操纵性指数K、T,根据K、T指数，船舶旋回性可分为四种模式：如图所示。,二船舶操纵性与指数K、T的关系,船舶操纵性能指数K、T值，将随舵角、吃水、吃水差、水深与吃水之比、船体水下线型等因素的变化而变化，且其规律较为复杂，但总体来讲，有如下关系 1. 舵角增加： K、T同时减小； 2. 吃水增加： K、T同时增大； 3. 尾倾增加： K、T同时减小； 4. 水深变浅： K、T同时减小； 5. 船型越肥大： K、T同时增大,三影响K、T指数的因素,可见，船舶的操纵性指数K、T值是同时减小或同时增大的，即提高船舶旋回性的结果将使其追随性受到某种程度的降低，而追随性的改善又将导致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，当舵角增加时，K/、T/值同时减小，但T/值减小的幅度要比K/值减小的幅度大，因此船舶的舵效反而变好。,三影响K、T指数的因素,1. 旋回滞后距离Dr的估算 直航船从操满舵开始到航向开始 改变之前船舶前进的距离，称为旋回 滞后距离，用Dr表示。 其值求取用下式计算： 其中：t1转舵时间 一般将T+t1/2称为旋回滞后时间。 当T增大时，Dr随之增大；t1增大时，Dr也随之增大。,四K、T指数的应用,2. 新航向距离AC的估算 直航船舶操舵后，航向改变量 为时，转舵开始到新航向与原航 向之交点的距离称为新航向距离AC。 其值求取用下式计算： 其中：舵角(弧度) K旋回性指数，其他符号同前。 当K增大时，AC随之降低。,四K、T指数的应用,3. 转向惯性角的估算 直航船舶操舵后，当达到一定的角速度rc时，操正舵，船舶继续旋转的航向角，称为转向惯性角。 其值求取用下式计算： = rc T 可见，当T增大时，随之增大。,四K、T指数的应用,4. 定常旋回直径D的估算 其值求取用下式计算： 可见，当T增大时，随之增大。可见，D与K成反比。,四K、T指数的应用,引 言 一、试验条件 二、观测与记录 三、旋回试验 四、 Z形操纵试验 五、螺旋试验 六、停船试验,第六节 船舶操纵性能试验知识,利用船舶操纵运动方程分析船舶的运动的优点在于能建立水动力与各种特征参数的直接关系，及运动状态随时间的变化规律。但这种方法还很不完善，在研究具体问题时，为了研究上的方便，不可避免地进行了某些假设，因此，研究结果只能是近似的，而近似程度如何，它自己不能证实。为了弥补这一缺陷，人们一直在开展实验研究。 由于实际船舶操纵的情况千变万化，不可能一一进行试验，只能规定一些比较典型的船舶操纵性试验。这些试验满足下列要求：,引 言,(1) 应具有普遍的意义和实际意义； (2) 便于理论分析； (3) 便于直接观测，减小场地和设备的要求等。 由于船舶固有的操纵性指标与船舶的使用有关，因此一般都对船舶操纵性的试验项目有规定。目前常用的试验包括：旋回试验、回舵试验、Z形试验、螺旋试验或逆螺旋试验、制动试验等。IMO标准对上述试验做出了具体规定。,引 言,船舶操纵性能受水深、水域宽度、气象条件、水文条件等诸多因素的影响，所以为了使实船试验结果具有普遍意义，需要对试验条件做出规定。IMO安全委员会在MSC/Circ.644中作出了详细规定。 1. 水深、水域宽度 应在深水、宽度不受限制、但遮蔽条件较好的水域进行标准操纵性试验，其水深应大于4倍的船舶平均吃水。 2. 船舶载况和吃水差 船舶应在满载(达到夏季吃水)、平吃水(吃水差为0)的条件下进行试验。即确保螺旋桨有足够的沉深。,一、试验条件,3. 气象与海浪 应尽可能在比较平静的水域进行试验，具体规定如下 (1) 风力不超过蒲氏5级 (2) 海浪不超过4级 (3) 流场比较均匀 4. 试验船速 标准对实船试验中的最小船速的规定为：应达到船舶海上速度的85%，主机功率达到最大输出功率的90% 。,一、试验条件,1. 试验观测手段 随着测量技术的发展，传统方法基本上被淘汰了。目前的观测位置的手段主要采用差分GPS(DGPS)，观测方向的手段采用罗经或姿态测量仪等。随着计算机的发展，实船试验测量获得的数据可以进行自动处理。 2. 记录内容 每次船舶操纵性试验，都要求对有关的实验条件、试验观测数据进行记录，这些条件和数据包括：,二、观测与记录,(1) 船舶数据 试验之前，要记录船舶首、尾吃水，以便计算船舶平均吃水、排水量和船舶纵向重心位置等。此外，还要记录试验的地理位置、试验水域情况等。还要记录船舶的螺旋桨、舵以及侧推器的特性及运行情况 (2) 环境数据 环境条件记录的内容包括：水深、波浪(浪级，涌浪的周期及方向)、海流、能见度以及其他气象、水文情况,二、观测与记录,(3) 试验数据 应对有关试验的数据进行观测，并以每次不超过20秒的间隔进行记录，这些数据包括：位置、航向、船速、舵角及转舵速率、螺旋桨转速、螺旋桨螺距以及风速等。试验中还要对每次记录发出的时间信号进行记录,二、观测与记录,旋回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。 1. 试验方法 (1) 保持船舶直线定常航速； (2) 旋回之前一个船长时，记录初始船速、航向角、及推进器转速等；,三、旋回试验(Turning Test),1. 试验方法 (3) 发令，迅速转舵到指定的舵角，并维持该舵角； (4) 随着船舶的转向，每隔不超过20秒的时间间隔，记录轨迹、航速、横倾角、及螺旋桨转数等数据。 (5) 在整个船舶旋回中，保持各种控制不变，直至船舶旋回360度以上，可结束一次试验。,三、旋回试验(Turning Test),2. 旋回圈及特征参数 在旋回试验中，船舶重心所描绘的轨迹称为旋回圈。旋回圈是表示船舶旋回性能的重要指标。旋回圈越小，旋回性能越好,三、旋回试验(Turning Test),Z形操纵试验是一种评价船舶偏转抑制性能的试验，同时，可通过Z形操纵试验结果求取操纵性指数K、T。 1. 试验方法 以10/10(分子表示舵角，分母表示进行反向操舵时的航向角)Z形操纵试验为例，试验方法简述如下 (1) 保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角、及推进器转速等； (2) 发令，迅速转右舵到指定的舵角(10)，并维持该舵角,四、Z形操纵试验(Zig-zag tests),1. 试验方法 (3) 发令，迅速转右舵到指定的舵角(10)，并维持该舵角； (4) 船舶开始右转，当船舶航向改变量与所操舵角相等时，迅速转左舵到指定的舵角(10)，并维持该舵角； (5) 当船舶向左航向改变量与所操左舵角相等时，迅速转右舵到指定的舵角(10或20)，并维持该舵角； (6) 如此反复进行，操舵达5次时，可结束一次试验。,四、Z形操纵试验(Zig-zag tests),2. 特征参数 Z形操纵试验结果可以下图形式表示。其纵坐标为航向角或舵角，横坐标为时间。从图中可直接给出下列特征参数：,四、Z形操纵试验(Zig-zag tests),2. 特征参数 (1) 航向超越角(Overshoot Angle) 航向超越角指每次进行反向操舵后，船首向向操舵相反一侧继续转动的增加值。可见，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。 (2) 航向超越时间(Overshoot Time) 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。航向超越时间是从时间方面对船舶转动惯性的一种度量。超越时间越长，船舶转动惯性越大。一般用第一超越时间和第二超越时间作为衡量船舶惯性的参数。,四、Z形操纵试验(Zig-zag tests),由于船舶在海上不断遇到的干扰作用，因此，不能用直接试验方法测定船舶的航向稳定性和旋回运动稳定性，必须用间接的试验方法，既螺旋试验，它是由迪德在20世纪40年代提出的。其目的是评价船舶的航向稳定性和旋回稳定性。 1. 试验方法 (1)保持船舶直线定常航速，操舵开始前，记录初始船速、航向角、及推进器转速等； (2) 发令，迅速转舵到一舷指定的舵角，并保持该舵角，使船舶进入旋回状态；,五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres),(3) 待旋回角速度达到定常值时，记录相应的角速度r 和舵角 ； (4) 将舵角改变一个规定的角度，再重复测量角速度r 和舵角 ，以15舵角为例，依次改变舵角从右15右10右5右3右10左1左3左5左10左15左10左5左3左10右1右3右5右10右15，舵角变化一周，回到开始值时，可结束一次试验。,五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres),2. 特征参数 舵角相当于一种干扰，当干扰逐渐减小或消失后，试验结果可以把定常旋回角速度作为舵角的函数，得到图1和2的图形。 ：,五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres),图1中r 与具有单值关系，则船舶具有航向稳定性；图2中r 与不具有单值关系。在舵角处于a、b之间时，角速度约在c、d之间， r 与关系构成一个回环，通常称为螺旋试验的滞后环。,五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres),在滞后环范围内，舵角由右舵变化到0时，对应的角速度不等于0，而为c点之值，船舶仍然向右转动。而当舵角变为左舵时，只要a，船舶仍然具有右转的角速度。这就是常说的反操现象。直到达到a时，船舶突然开始向左转向，其后进入正常的左舵左转状态。反之，船舶从左向右变化时，又重复上述过程。滞后环的宽度和高度是衡量船舶运动稳定性的标志，在滞后环以外，船舶运动是稳定的。,五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres),停船试验是指船舶在试验速度时，进行全速倒车，直至船舶对水完全停止的试验。其目的是评价船舶的停止惯性。 1. 试验方法 (1) 保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角、及推进器转速等； (2) 发令，将主机由全速进车转为全速倒车； (3) 船舶开始减速，当船舶对水速度为0时，可结束一次试验。,六、停船试验(Stopping test),2. 特征参数 停船试验结果可以下图的形式表 示。其纵坐标为距离，横坐标也为距 离。从图中可直接给出下列特征参数。,六、停船试验(Stopping test),引 言 一、船舶必备操纵性资料 二、操纵性衡准数,第七节 船舶操纵性衡准,船舶操纵性试验是对船舶操纵性的一种物理模拟，由试验求得的特征参数可作为操纵性好坏的衡准。 近年来由于船舶尺度越来越大，航速越来越高，以及运输量的增加，船舶的航行安全性越来越为人们关注。 从近期发生的海上碰撞事故看，缺乏操纵性资料，操纵引起的误差是产生碰撞的主要原因。为此，国际海事组织(IMO)正式建议，船上必须具备操纵性和制动性资料，规定所有船只必须提供统一的操纵性手册，并对船舶操纵性横准数做出了具体规定，要求出具最科学、合理的标准来，以保证操纵的安全性。这些衡准即为操纵性指标。船舶操纵性横准是以定量的数据来评价船舶操纵性能优劣的判据。,引 言,为使船舶操纵性有关信息的内容和格式达成一致，需要建立一个能为驾驶者提供更多操船细节的操纵资料，为此，1987年11月，IMO大会通过了A601(15)决议，要求船舶配备引航卡、驾驶台操纵性图及船舶操纵手册三种形式的随船资料。 1. 引航卡(Pilot Card) 引航卡是一种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。引航卡每航次由船长填写。其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。,一、船舶必备操纵性资料,2. 驾驶台操纵性图(Wheelhouse Poster) 驾驶台操纵性图是一种详细概述船舶旋回性能和停船性能的图表资料，置于驾驶台显著位置。其内容包括深水和浅水(1.2)，满载和压载情况下船舶的旋回圈轨迹图及制动性能(停船试验)资料。 3. 船舶操纵手册(Maneuvering Booklet) 船舶操纵手册是详细描述船舶实船操纵性试验结果的手册，它是重要的船舶资料之一。其主要内容包括旋回试验、Z形操纵试验和停船试验的试验条件、试验记录以及试验分析等。操纵手册包括全部驾驶台