船舶操纵性总结.doc

操纵性绪论操纵性定义：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。操纵性内容：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。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。附加质量和附加惯性矩：作不定常运动（操纵和耐波运动）的船舶，除了船体本身受到愈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。根据作用力和反作用力，水对船体存在反作用力，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。船舶操纵一、操纵运动方程1.1坐标系一、固定坐标系：固定坐标系是固结在地球表面，不随时间而变化的，如图所示。首向角：X0与X的夹角（由X0转向X，顺时针为正）。二、运动坐标系：运动坐标系是固结在船体上的，随船一起运动的，如图所示。重心坐标：XOG、YOG；船速：V重心G瞬时速度；航速角0：X0轴与船速V夹角(顺时针为正)；漂角：船速与X轴夹角(顺时针为正)；回转角速度：=ddt；回转曲率：R 右舷为正；舵角：左舷为正。三、枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。1.2线性运动方程一、坐标转换二、简化方程当重心在原点处：XG=0 运动坐标系一般方程：三、对于给定船型、给定流体中的运动情况船型参数和流体特性为已知条件；操纵运动为缓变过程，忽略高阶小量；忽略推进器转速影响；操舵过程短暂，忽略转舵加速度。则可将给定船型流体中受力情况表示如下：由泰勒展开式，用水动力导数表示如下：四、简化后的操纵运动线性方程式：1.3水动力导数一、定义：匀速直线运动时，只改变一个运动参数，其他不变引起的作用于船舶水动力对运动参数的变化率。二、表示方式：三、水动力导数分析：1. 位置导数 Yv ,Nv：Yv是一个较大的负值；Nv是一个不很大的负值。2. 加速度导数，：代表惯性力，是一个大负值；代表惯性力矩，由于首尾抵消，是一不大的数值。3. 旋转导数Yr ,Nr：由r引起的阻尼力,首尾方向相反，Yr为一小值；是由r引起的阻尼力矩，Nr为一个很大的负值。4. 旋转加速度导数，：由引起的惯性横向力，由于首尾抵消；是引起的惯性力矩，与的方向相反，是一个大负值。5. 舵角的控制导数，：舵以右舵角为正，正的舵角产生负的舵力，则；而舵力矩使船向右转，是正的，故 0。二、航向稳定性2.1基本概念一、 稳定性概念: 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。二、 水面船舶的运动稳定性:（1）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。（2）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。（3）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。三、 关系与分类 具有位置稳定性的船舶一定具有直线稳定性和方向稳定性,具有方向稳定性的船舶一定具有直线稳定性。 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。2.2小挠动方程水平面内的航向稳定性的小扰度方程： 由以上解式可知,特征根若具有负实部,则扰动后的扰运动量v, r都回复到原来的状态称之为具有稳定性. 但,即使v, r都回复到初始状态参数,却与初始首向仍存在着一个角度偏差。可见,对水面船舶不操舵,就不可能实现“方向稳定性”,最多只能是“直线运动稳定性”,习惯上称之为“航向稳定性”。2.3航向稳定性分析分析知,对水面船舶,A，B必为正, 航向稳定性条件减少到只需满足一个条件: C0 。 系数C 为稳定性衡准数；上式即为稳定性衡准式。 将上式进行变换得：；2.4航向稳定性改善措施水动力导数是与船体几何形状密切相关的：1.增加船长可使N r负值增加；2.增加船舶中纵剖面的侧面积可使 Nr,Yv 的负值增加；3.增加Nv的有效方法是:1）增加纵中剖面的尾部侧面积，2）可采用增大呆木,安装尾鳍，3）使船产生尾倾，4）削去前踵等。三、船舶回转性3.1基本概念回转性：转舵使船舶作圆弧运动的能力。用回转直径来表示。定常回转圈：与船舶避让、避碰、靠离码头、 灵活掉头有关操纵性的指标。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。3.2回转圈的主要特征参数1.定常回转直径Dc：定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹。2.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=(0.91.2)D。3.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。4.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。5.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 = (00.1)D。6.进程：纵距L1 定常回转半径 R。7.相对回转直径D/L：通常用D/L代表回转性优劣。3.3回转的三个阶段一、转舵阶段Cp初始回转的有因次加速度参数：表示转过单位舵角后，在回转初始阶段所产生的回转角加速度。是船舶开始回转得快慢的指标。1 CP值越大,CP船舶转舵后越能迅速进入回转运动。2对要求操纵灵活得内河船舶、拖船、顶推船等，常对转舵后得转首时间有一定要求。3可近似得认为，阶跃操舵后（指操舵速度很大得操舵），初始阶段船舶的回转是等角加速运动，首向角变化为：4近似估算转首时间二、过度阶段转舵结束到进入定常回转运动为止。三、定常回转阶段特点：各运动参数不随时间变化，重心轨迹是圆。，且r和v为常数。定常回转阶段船舶运动方程：各运动参数随时间变化，如右图所示：3.4定长回转半径1解定常回转阶段运动方程得：2重心点线速度与角速度的关系：3.5影响定常回转运动的因素1“右舵右旋，左舵左旋”正常操舵 “右舵左旋，左舵右旋”反操现象2增加船首部纵剖面面积使Nv和Nr负值，导致C稳定性变差;D0 回转性好；减小船首部纵剖面面积使Nv负值,Nr 负值，导致C ， D0 。说明回转性和直线稳定性存在矛盾!3增加Yv的负值对回转直径的影响取决于mxGu1Nr 和N 之比；4。 Y负值 ，N正值，通常会使回转直径D ，并且不导致稳定性下降。因此，从控制水动力导数出发可同时改善稳定性和回转性 (如增加舵面积)。四、回转运动的耦合特性4.1基本概念 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。 4.2回转横倾一、形成原因: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。产生向回转内侧的斜 忽略舵力,船产生外倾二、回转过程中横倾角随时间的变化如下式：三、回转横倾的特点：1最大横倾角出现在过度阶段；2过渡阶段横倾角随时间变化而振动；3回转半径越小回转横倾越大。四、稳定横倾角影响 外倾角与回转初速平方成正比，与初稳性高成反比。这表明高速船回转时外倾角比低速船大得多。特别是在顺风顺浪航行的船舶满舵调头时，在外倾角加上风和浪的作用，有可能使船舶处于危险状态。4.3回转过程速降一、形成原因：侧向速度和角速度引起阻力增加。侧向速度、角速度以及舵角使桨效率下降。二、表征系数：表征回转速降：定常回转阶段航速与直线航速u1之比，称为回转速降系数。三、估算法：线性理论解决不了速降问题，而非线性解析方法过于复杂，通常采用估算法。1戴维逊法 右图为回转速降系数与相对回转直径之间的关系2费加耶夫斯基方法3经验公式估算（模型试验整理）回转直径越小，回转漂角越大，回转速降越大。大者可达回转初速的40%。五、操舵响应5.1操舵响应模型一、二阶响应模型： 上式为二阶线性K、T方程，描述了运动对操舵的响应，也称操舵响应模型，响应模型在自动操舵的研究上有广泛的应用。响应模型中的参数一般通过实船或自航模试验来确定，而不必通过水动力导数来计算。对于一般船舶，操舵速度有限，船本身惯性很大，对舵的响应基本是一种缓慢的运动。上式简化为：二、一阶响应模型：也可以用以下式子表示：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。5.2操纵性指数有限操舵速度下的回转运动 阶跃操舵（理想操舵状态）结论:1.进入定常回转运动的相对回转直径与系数K成反比,即K值越大,相应回转直径越小,回转性越好.K值与回转性密切相关可衡量回转性好坏。2. 系数T与航向稳定性相关,T为负值时,扰动运动将随时间而增长,船舶不具备航向稳定性,T为小正值时,船舶具有良好的航向稳定性.T值越小则扰动衰减越快,偏航就越小。3. 一阶操纵方程的2个系数K、T能全面的定义船舶的操纵性.K表示了回转性,T表示了应舵性和航向稳定性。4. 诺宾提出了转首性指数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.但实质上P指数相当于K、T指数的比值。5.3操纵性指数的物理解释一、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。2.运动学意义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。二、指数K、T的无因次化及其量值1. 指数K、T的无因次化 2P “舵效指数”3指数K、T的影响因素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。可见，船舶的操纵性指数K、T值是同时减小或同时增大的，即提高船舶回转性的结果将使其航向稳定性受到某种程度的降低，而航向稳定性的改善又将导致船舶回转性的某些降低。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。不改变粘性阻尼条件，增加舵效提高回转力矩值,可以改善回转性而不影响航向稳定性。5.4K、T指数的船舶设计应用一、回转阻尼预报图1.回转阻尼随舵面积的减少而减少。2.回转阻尼随的增加而减少。3.越大，回转阻尼越小。4.使为定值的直线与横坐标相交，可求得回转阻尼为零的临界 舵面积，若小于此面积，船舶航向将不稳定。5.使为定值的直线与纵坐标相交，可以求得不包括舵影响的船 体之回转阻尼。二、K-T预报图1.K、T之间存在一定的关系，若舵面积和不变，那么任何在回转性方面的改善必然使航向稳定性和转首性变差。2.为了同时改善回转性和航向稳定性、转首性，必须增加。3.对于同一艘船，在各种操纵运动幅度时保持为常数。但是随着操舵角的增大,引起了回转阻尼的非线性变化，存在较大的非线性影响。所以，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。5.5K、T指数的使用范围严格说来，简化的K、T方程只适合操小舵角的航向较稳定的船的操纵运动。对于一般航向稳定的船及某些临界航向不稳定船，在“平均”概念下的K、T方程的线性分析法已足能描述船舶在中等舵角以下的船舵响应特性。六、自由自航船舶操纵性试验 船舶操纵性试验分为模型试验和实船试验两种，模型试验又可分为自由航向模操纵试验和约束模试验两种。目前为止，操纵性试验方法有很多，主要有：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 。6.1回转试验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。一、试验目的：求船舶的回转要素。二、试验方法(1)保持船舶直线定常航速；(2)回转之前一个船长时，测量记录初始船速、航向角、初始舵角及推进器转速等；(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)在整个船舶回转中，保持各种控制不变，直至船舶首向角改变至540时，可结束一次试验。三、回转试验测量轨迹的3种方法1.光学跟踪的绕标方法。2.测量航速及首向角的积分方法。3.岸上设置固定观察站。 四、对回转试验的结果进行分析船舶重心所描绘的轨迹称为回转圈。它是船舶回转性能的重要指标。回转圈越小，回转性能越好 。在各种状态下测得回转轨迹图上，直接量出特征参数，如:纵距、正横距、战术直径、定常回转直径。从横倾角的测量中得到定常回转横倾角和最大动力横倾角。以上参数可从试验结果直接测量得到。对回转试验结果也能进行K、T分析。K、T分析: 运动有非线性影响， K、T是一个平均概念。 五、测量轨迹的积分方法（1）把记录的船速和首向角以时间为横坐标绘成右图的所示形式，对测量值进行初步的校核。（2）计算枢心P的轨迹。因为计程仪只能测量沿x方向的速度，这真好是枢心的速度。（3）对上式积分采取梯形法进行近似计算，然后根据计算结果来绘制枢心轨迹。（4）假定枢心P位于重心前0.4L处。然后在枢心的每个轨迹点处画上船体的首尾线，如图所示，在每条首位线上求出重心G的位置，绘出重心轨迹回转圈。 六、影响回转圈大小的因素1、水线下的船型因素：方型系数水线下侧面积舵面积比。2、船舶的吃水状态：吃水纵倾横倾。3、操船方面的影响：舵角操舵时间船速。4、外界环境的影响：浅水污底和风流。6.2Z形操舵试验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。一、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，迅速转右舵到指定的舵角(10)，并维持该舵角； （3）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；（4）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)，并维持该舵角；（5）如此反复进行，操舵达5次时，完成一次试验。二、特征参数(1) 航向超越角(2) 转首滞后三、KT的标准算法由试验曲线图可列出联立以上两式，并求得K和r，并把K记作K。将代入下式得到K，并记作K。由试验曲线图可列出令，K= K，再代入r，可求得T，并记作T。由试验曲线图可列出代入r和K，可得到T、T，且取T=( T+ T)求得K、T值 K=( K+ K)T=( T+ T)6.3其他操纵试验一、螺线试验测定船舶的航向稳定性和回转运动稳定性的间接的试验方法它是由迪厄顿尼在20世纪40年代提出的。目的: 评价船舶的航向稳定性和回转稳定性。 这是回转试验和Z型操舵试验所不能充分反