拖船作用下的船舶运动

1、知识点9：拖船作用下的船舶运动一、船舶静止中拖船效应静止中的船舶在拖船推力或拖力的作用下产生对水的相对运动，则产生水动力FH。由于船舶没有进速或退速，水动力中心在船中处，则不产生水动力矩。 1单拖船顶推效应 拖船顶推静止中的船舶时，由于船舶没有船速，一般能保证垂直顶推状态。使用一艘拖船产生的推力YT作用于船舶，使船舶产生水动力YH，在合力YT+YH的作用下，船舶横向运动状态发生变化。这时，YT和YH构成一对力偶，力偶臂等于二者作用点之间的距离，即xT。则船舶在力偶矩NT=YT·xT的作用下，船首将绕船中位置转动。 当xT=0，即推力作用点位于船中附近时，力偶矩NT=0，则船舶只产生横

2、移效果，而不产生转船效果，且推力越大，横移效果越好。这相当于单拖船协助船舶靠泊操纵的情况。 当xT0或xT0，即拖船力作用于船中之前或船中之后时，力偶矩NT0，则船舶不仅产生横移效果，而且产生转船效果，且推力越大，转船效果越好。这相当于单拖船协助船舶回旋掉头的情况。显然，在推力一定的情况下，xT的绝对值越大，转船力矩越大，这说明要想获最大的转船力矩，应使拖力的作用点尽可能远离船中位置。 2单拖船拖带效应 使用一艘拖船在船舶某一点以某一角度进行拖带时，将引起船舶水动力的变化。其中FH为水动力。拖力FT可分解为船舶操纵运动方程中的纵向分量XT和横向分量YT,即 （5-5）式中：FT拖船作用力； 拖

3、力角，定义为拖船力的方向与被拖船艏艉线之间的交角。 同理，FH也可分解为船舶操纵运动方程中的纵向分量XH和横向分量YH。 拖力的纵向分量XT实质上是由拖力引起的船舶阻力变化量，则船舶纵向受力为XH-XT。可见，XT改变了船舶的纵向运动状态，使静止中的船舶发生纵向移动。 船舶横向受力为YT-YH。可见，YT改变了船舶的横向运动状态，使静止中的船舶发生横向移动。 拖力的横向分量YT和纵向分量XT还会对船舶产生力矩，该力矩称为拖力转船力矩。这时，船舶所受的合外力矩为NT=YT·xT-XT·B/2，其中，B为船宽。 这里的平移和转船效应取决于拖力作用点、拖力角以及拖力的大小。在拖力

4、FT大小不变的情况下，拖力作用点和拖力角对平移和转船效果的影响如下。 拖力作用点位于舷侧船中位置：当=90º，即垂直拖带时，YT=FT，XT=0，即横向拖力最大。这种情况类似于垂直顶推船中时的效果，即不产生转船效果，只产生横移效果；当90º或90º，即向前或向后拖带时，XT0，YT0，则船舶产生平移效果，这时，转船力矩NT=XT·B/2，则船舶产生转船效果，其效果取决于XT的大小。拖力角越接近0º或180º，XT越大。但由于力臂只有1/2船宽，则这种转船效果较差。 拖力作用点位于船首的中线上：当=90º，即垂直拖带时，YT=

5、FT，XT=0，即横向拖力最大。这时，转船力矩NT=YT·L/2，即转船力矩最大，转船效果最好。故要想获最大的转船力矩，应使拖力的作用点尽可能远离船舶的重心，并使拖力角尽可能垂直于船舶艏艉线；当=0º，即向前直拖时，XT=FT，YT=0，即纵向拖力最大。这时，转船力矩NT=0，则不产生转船效应，仅产生纵移效应，这相当于为船舶提供动力的情况。 拖力作用点位于船尾的中线上，当=180º，即向后直拖时，其效果与向前直拖的情况类似。当=90º，即垂直拖带时，其效果与拖带船首的情况类似。 3双拖船顶推效应 使用两艘拖船产生的推力分别为YT1和YT2，在合力YT=Y

6、T1+YT2的作用下，船舶横向运动状态发生变化，进而产生水动力YH。两拖船合力合外力矩NT=NT1+NT2，它使船舶发生转动。双拖船效应取决于两拖船的作用舷侧。 当两拖船作用力方向相同时，船舶将在合力的作用下产生横向移动效应，相当于船舶靠泊操纵。这时，若NT=0，则不产生转船效应；否则，则产生转船效应。这种情况下即时发生转船效应，由于NT1和NT2方向相反，则其效应也是较小的。 当两拖船作用力方向相反时，若YT=0，则不产生横移效应；否则，则产生横移效应。这时，船舶在合外力矩NT的作用下产生转船效应。这种情况下，由于NT1和NT2方向相同，故转船效应较大，相当于船舶原地掉头操纵。 双拖船拖带效

7、应与双拖船顶推效应类似。其区别在于拖带转船时可以使拖缆位于船首或船尾，以便获得最大的转船力矩。二、船舶前进中的拖船效应有前进速度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，在横向拖力或推力的作用下，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。前进中的船舶受力情况比较复杂。在此仅以单拖船的转船效果进行讨论。 1.单拖船顶推效应 设船舶以船速直航，并假设拖船能够以垂直于船舶艏艉线的方向进行顶推（ZP拖船）。推力YT和水动力YH产生的合外力矩为NT=YT·xT+YH·xW （5-6）式中：xT推力作用点距船中的距离； xW水动力中心距船中的距离。 同样，

8、YT和YH构成一对力偶，力偶臂等于二者作用点之间的距离，即xT-xW。则船舶在力偶矩NT=YT·（xT-xW）的作用下，船舶将发生转动，转船效果取决于拖船推力的作用点和船舶的运动速度。 （1）拖船推力作用点在船中之前 这时，水动力中心也在船中之前，则力偶臂较小，转船力矩不大，且船速越高，水动力中心越远离船中，力偶臂越小，转船力矩越小。 （2）拖船推力作用点在船中之后 这时，水动力中心在船中之前，则力偶臂较大，转船力矩也相应增大，且船速越高，水动力中心越远离船中，力偶臂越大，转船力矩越大。 由此可见，单拖船在舷侧顶推前进中的船舶时，拖船位于船尾比位于船首的转船效应大，且船速越高，两者的

9、差别越大。 实际上，在船舶有运动速度的情况下，拖船不太可能始终保持垂直顶推姿态，一般都有一个向后的偏角，船速越高，该偏角越大。 2.单拖船拖带效应 在前进速度较高的情况下，受船体周围的流场的影响，顶推时一般很难保持垂直顶推姿态，特别是在拖船位于船尾时，受倒车水流的影响，使其难以发挥最大功率。为了减少流场的影响，可采用拖带方式。与顶推的情况类似，船尾拖带效果比船首拖带转船效果好。以下以拖船在船尾直拖分析其转船效应。 设船舶以船速V直航，拖船在船尾以角进行直拖。转船效果取决于拖力作用点的位置和船舶运动速度。 （1）拖力作用点位于船尾舷侧点 拖力FT和水动力FH产生的合外力距为NT=YT·xT+YH·xw-XT·B/2。船舶将发生转动。但XT不但起到减速作用，而且起到阻碍转向的效果，则转船效果有所降低，且船速越高，这种降低越明显。 （2）拖力作用点位于船尾的首尾线上 拖力FT和水动力FH产生的合外力矩为NT=XT&#