船舶操纵与耐波

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航速、航向和位置的性能。包括以下四个方面：=1\*GB3①航向稳定性：舶在水平面内运动受到扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后，保持原有航向运动的性能。=2\*GB3②回转性：船舶应舵作圆弧运动的性能。=3\*GB3③转首及跟从性：船舶应舵转首及迅速进入新的稳定运动状态的性能。=4\*GB3④停船性能：船舶对惯性停船和倒车停船的响应性能。影响操纵性的因素：船型→水动力性能→操纵性操纵装置控制系统：自动驾驶系统，自动定位系统，自动舵。2、固有操纵性：不考虑外界环境条件、操舵装置性能、驾驶人员的技术水平等差异所表现的自身固有操纵性——（船、舵）开环操纵性。3、控制操纵性：考虑上述因素的船舶，在具有操船环境下实操时所表现的操纵性能。4、操纵装置：舵、转向导管、平旋推进器、主动转向装置。5、操纵六要素：锚、车、舵、缆、风、流。6、作不定常运动的船舶，除了船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，根据作用力与反作用力原理，水对船存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为附加质量。附加质量与物体本身的形状及运动状态有关。Ixx=mx2+运动坐标系：以船舶的重心位置G为原点而固定于船体上的直角坐标系。首向角：船舶纵剖面与OoXo轴的交角。航速角：重心瞬时速度矢量与OoXo轴夹角。枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。船舶重心处的速度矢量V与Gx轴正方向的交角称为漂角β。船舶在静水中运动时，作用在其上的外力分为两类：一类是由船舶与水之间的相互运动引起的水动力和力矩，另一类是由于其他原因引起的外力，如托缆力、风压力等。船舶操纵性运动线性方程式：m-Xuum--把水动力作为外力，应用牛顿定律建立的数学模型，称为水动力模型。水动力导数分析：（1）水动力和力矩的位置导数YV和NV。当船舶以速度u1前进并具有横向速度v时，和速度V与x轴形成漂角β。将船体视为展弦比为2d/L的机翼，漂角相当于机翼的攻角。因此船体收到一个升力YVv，船体首部和尾部的方向均指向v的负方向，所以合力为一较大负值，YV也是以较大负值。而水动力矩由于首尾作用相互抵消，其绝对值不会很大，因机翼的水动力中心在形成之前，首部作用占优势，故NV一般为一个不大的负值。（2）水动力和力矩的旋转导数Yr和Nr。在回转角速度r的影响下，船艏与船艉有相反方向的攻角。因此船艏和船艉水动力方向相反，Yr的绝对值较小，符号取决于船型；而水动力矩在船艏艉方向相同，都是阻止船舶回转的，所以水动力导数Nr是一个很大的负值，对操纵运动起重要作用。（3）水动力和力矩的线加速度导数YVYV是水动力Y相对于加速度v在平衡状态下的变化率。具有正的加速度v的船舶收到水动力与加速度反向，因此YV是一个相当大的负值，水动力YVv是由v引起的船体沿y轴的附加惯性力，|YV|即附加质量；由于船艏和船艉对z轴产生的水动力矩（4）水动力和力矩角加速度导数Y正的回转角加速度在船艏产生+v而在船艉产生-v，由此引起的水对船体的惯性反作用力与加速度方向相反。所以正r在船艏产生负的Yr和负的Nr，而在船艉产生正的Yr和负的Nr。由于船艏和船艉存在反方向的水动力故合力较小，所以Yr是一个较小的值，符号取决于船型；Nr（5）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>0.一阶K-T方程：Tr+r=Kδ。适用条件：较好稳定性，舵角小，物理意义：船舶在惯性力矩、阻尼力矩和舵力矩的作用下进行缓慢转首运动可以用下式近似表示：Ir+Nr=Mδ；式中：N为船舶回转中的阻尼力矩系数；I为船舶回转中的惯性力矩系数；两式相比，有：T=IN，K=MNT是惯性力矩系数与阻尼力矩系数之比。T值大，表示船舶运动中受到的惯性力矩大，阻尼力矩小，T小稳定性好。K是转首力矩系数与阻尼力矩系数之比。K值大，表示舵产生转首力矩大而阻尼力矩小，K大回转性好。直线稳定性——船舶受到瞬时扰动后，最终能恢复直线航行状态，但航向发生变化。(主要)方向稳定性——船舶受扰后，新航线为与原航线平行的另一条直线。位置稳定性——船舶受扰后，最终仍按原航线的延长线航行。不操舵情况下的稳定性称为自动稳定性，取决于船体和舵的几何形状，是船舶的固有属性。操舵或使用其他操纵装置条件下的稳定下的稳定性称为控制稳定性，取决于整个闭合回路的特性。自动稳定性越好的船,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。直线稳定性的条件为：C=上式为稳定性衡准式，系数C称为稳定性衡准数。C>0表示船舶具有直线稳定性。在深水中Yrr<mu左边项称为位置力臂lv，右边项称为阻尼力臂lr。直线稳定性条件：lv<lr改善：使船体水线以下侧投影面积向首尾两端分布，可使|Nr|增大，即lr增大，对稳定性有利。但首部面积增大，使侧面积中心向前移动，|Nv|增大，lv也增大，对稳定性不利。只有增大尾部面积，如采用增加尾倾，增大呆木或尾鳍面积，既可使|Nr|增大，又使|Nv|减小，可改善稳定性。反之，若为了改善其他性能，必损失一些稳定性时，可采用削小呆木，呆木开孔，增加首踵等措施。直线航行的船舶，将舵转至一舵角，并保持此舵角，船将做曲线运动，称为回转运动。船舶做回转运动时重心的轨迹称为回转圈。回转运动的三个阶段：转舵阶段：船舶从开始执行转舵命令起到实现命令舵角止的阶段（8~15s）。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：从转舵终止到船舶进入定常回转的中间阶段。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。定常阶段：过渡阶段终了，船舶运动参数开始稳定，达到新的平衡状态。航向以一定角速度回转，重心轨迹成圆形。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。定常回转圈是操纵性的指标，是衡量转首性和回转性的直观方法。回转圈的特征参数：定常回转直径D：在回转运动中，船舶进入定常阶段后的回转圈的直径。3,10,5~7.战术直径DT：船舶首项改变180°时，其重心距初识直线航线的横向距离。3~6；7~8。纵距Ad：自转舵开始时的船舶重心沿初识直线航向至首向改变90°时的船舶重心间的纵向距离。一般为3~4L,越大表示对操舵反应越迟钝。正横距Tr：船舶转首90°时，其重心至初识直线航线的横向距离。越小回转性越好。反横距K：船舶离开初识直线航线向回转中心的反侧横移的最大距离。进程：纵距L1减去定常回转半径R。中纵剖面上漂角为0的点，即在该点上速度的方向与中纵剖面相一致，横向速度为0,即为回转枢心。应舵指数（跟从性指数）T是衡量直线稳定性的指标，T越小，r越快的趋于0，直线稳定性好；T也决定船舶达到稳定回转的快慢，T越小,1-e-t/T的指数趋于1回转性指数K:对于直线稳定性的船，随时间的增长角速度趋于定值，把t→∞时的角速度记为rc，则有rc=Kδ,可见定常回转角速度取决于系数K和舵角δ，K为单位舵角引起的定常回转角速度。由rc=VcD2得D=2K=YδNv-NδYvC回转速降：在船舶满舵回转时漂角增大，前进阻力增大，离心力的前进方向分量大大消耗桨推力，而且桨的工作条件改变转速略降，效率降低，造成船舶前进速度减小。将应舵指数T和回转性指数K无因此化：K'=KLP=12K'T'，称转首指数，表示操舵后船舶移动一个船长时，用以判别操舵效应的每单位舵角引起的首向角改变值，是衡量转首性的指标。对于直线稳定的船，PVC回转横倾角:（内倾、外倾）船舶在回转运动中出现绕x轴的横倾。大小取决于R，但不是线性关心，因为Vc也受R影响。稳定横倾角计算：ϕR=Vc2ghRzG-Z形操纵试验：（确定K、T指数的标准方法，评价船在中小舵角下保持航向的能力）小角度Z形试验+螺线试验/逆螺线试验提供完整的保持航向的操纵资料；Z形操纵试验+15°舵角回转试验提供完整的变化航向的资料。δ——执行舵角，ψ——换舵首向角超越角ψ0v是操反舵时的首向角和最大首向角的差值，是衡量船舶是否容易转向的总量度。尤其是第一超越角ψ0v1在船舶实际避碰机动中有重要意义。越小越易转向，因其正比于K、T乘积，所以跟从性好而回转性差与跟从性差而回转性好的船有可能该角相同。是从航向变化量方面对船舶转动惯性的一种度量，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TL表示回复到正舵时刻到最大转首角瞬时的时间间隔，即0舵角之后出现0角速度的时间滞后。TL越大表示船舶惯性越大。TL’=TLV0/L为跟从性量度，越小越好。螺线试验：（评价船舶的直线稳定性）直线稳定情况r与δ是单值关系，操右舵角（δ>0）船向右转（r>0），反之亦然。r-δ曲线在原点的斜率∂r∂δ为线性理论的K值，即单位舵角产生的定常运动角速度。∂r∂δ越小表示越不易扰动，直线不稳定情况图在一定范围（a，b）内r与δ不是单值关系，船舶回转角速度r取决于运动的历史。在两舷舵角a、b之间，0舵角对应的角速度在c、d之间的范围内，r-δ曲线出现一个回环，称为滞后环或不稳定环。ab间距称为不稳定环宽，cd间距称为不稳定环高，越大直线稳定性越差，可作为不稳定程度的参数。范围外右舵右转左舵左转。回舵试验：（迅速鉴别船舶直线稳定性简单方法）操作规律：首先操20°左右的舵角使船达到定常回转，然后操舵回中。如果船是直线稳定的则回舵角速度应衰减为0；否则回转角速度衰减到某一剩余值。须左右舵都进行以发现船体可能存在的左右不对称性。不稳定情况阶越回舵ab间距相当于不稳定环高度，是不稳定范围的一种度量。操纵性标准：回转能力、初始回转能力、偏航纠正和航向保持能力、停船能力。舵设计的基本思想：满足操纵性要求，舵与船、桨组成有机整体，考虑他们之间相互影响，力求降低航行阻力，提高推进效率。展弦比λ：舵高与舵宽之比。矩形舵：λ=hb，失速：当舵叶背上水流产生大面积分离时，升力系数Cy迅速下降，这种现象称为失速。对应的攻角αcr称为失速角或临界攻角。失速前展弦比λ较大的舵在攻角α相同时具有较大的升力系数Cy。但λ大的舵αcr小。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.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。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。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。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。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：两艘相近的船舶，横摇角近似与固有周期的平方成反比；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；提高Tθ途径，Ix1增大或者h减小；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：风速，在水面规定高度上风的前进速度；风时，即稳定状态的风在水面上吹过的持续时间；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过程（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%（横）对谱密度曲线的划分——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。有义成分波：最大有义波长与λ=2B区间的单元波称为有义成分波。船舶横摇既取决于波浪能量的大小，也取决于谱密度曲线与放大因数曲线的关系，根据后者对船舶在不规则波中横摇划分如下：亚临界区域：当船舶谐摇波长小于2倍船宽时，船舶不会发生很大的横摇，称~。临界区域：当横摇的谐摇波长位于主成分波区间之内