操纵性知识框架

1、船舶操作性一一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其航速、航向和位置的性能。船航向稳定性：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。舶操纵性内回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。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。容固定坐标系：固结在地球表面，不随时间而变化的固结在船体上的，随船一起运动的。船一、1幼运动动数坐定首向角航速角:X0轴与X轴夹角（顺时针为正）；X轴与船速V夹角（顺时针为正）00标义漂角船速与X轴夹角（顺时针为正）系参数之间的关系：0枢心：回转时漂角为零点、横向

2、速度为零的点重心在原点Xm(uG2)Ym(vG)NIZu)作用于船体的水动力和力矩：决定因素有船体几何形状、船体运动特性、流体本身特性Xm(u线性(mXu)u(uui)Xu0Ym(v操(mYv)vYR(mxgYr)r(mui丫NIz纵运r)rY微分方程(mxgNv)vNv(ziN)r(mxgiuvx引起横漂ux引起回转mxG(vv)u)航向稳定性直线运动稳定性区他舶受月热寸扰动后，其重心轨迹终将恢复为一直线，但航向发生了变化。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。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

3、稳定性.导数位置导数旋转导数Yv，NvYr,Nr加速度导数，丫vNv旋转加速度导数YrN稳定性衡准数C:C>0表明船舶在水平面运动具有直线稳定性；啊r表明不具有直线稳定性。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。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。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：操纵性的指标，衡量转首性和回转性的直观方法。基本概念回转圈:田舶在不同舵角条件下作圆周回转时重心的航行轨迹。定常回转直径Dc:定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹。战术直径DT:从船舶原来航线至船首转向180。时，

4、船总中剖所在位置之间的距离。纵距(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正横距进的距离。(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。船舶回转性反横距JK):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)Do进程：纵距Ad与定常回转半径R之差。，目对回转直径D/L:代表回转性优劣。回转性好D/Ls3;回转性差D/L;t10;大多数船D/L上57、开始转舵至规定角度6为止。产生由舵角引起的侧向力Y回开始转过程阶段w点：v丰r0,v=r=0。cp参数一一初始回转的有因次角加速度参数。表示转过单

5、位舵角后，在回转初始阶段所产生的回转角加速度。回转得快慢的指标。cp值越大，cp,船舶转舵后越能迅速进入回转运动。转舵结束到进入定常回转运动为止。CP是船舶特点：v定常回转僧殿漂角一一冲渡阶段的由各运动参数不随时间变1特点：嘴心轨迹是圆，Iv、r都不为零，随时间变化，唯有舵角保持常数(r使船舶产生回转，于是船舶纵中剖面与水流形成一漂角。影响因素"右航皆旋，左舵左旋=r=0,v、r"22正常操舵，"右舵左旋,增加船首部纵剖面面积使Nv和Nr负值左舵右旋"2农操现象;,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，YCNr负值，导致负值，

6、N3(如增加舵面1）。OC,D0,回转性差；正值，通常会使回转直径dJ,并且不导致稳定性下降，从控制水动力导数出发可同时改善稳定性和回转通回转运动耦作特性回转运动的耦合一一船舶在水平面内作回转运动时会同时产生横摇、纵摇、升沉等运动运动的耦合，其中以回转横倾与速降最为明显。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，于是产生了对回转横倾过渡阶段定常回转阶段。最大横倾角出现在过渡阶段转舵阶段：v#rv=r=0,产生向回转内侧的倾斜；过渡阶段：定常回转阶段：vr=0,忽略舵力，船产生外倾;以及由于回转过程中阻力增加引起的速降，可理解为回转Ox轴的倾侧力矩.回转横倾分为三个阶段：转舵阶

7、段,估算原因：回转过程中的横倾会降低船舶的横稳性，所以稳定性规范中对此有一定限制，所以必须估算定常回转阶段稳定横倾角。回转过程横倾角估算公式：Rv:Gd/2)/ghR形成原因：侧向速度和角z£引起阻力增加;侧向速度和角速度引起阻力增加。表征系数：表征回转速降一一定常回转阶段航速Vc与直线航速u之比，裕为回转速降系数。估算法:经验公式估算（模型试验整理）VcR2R21.9L2回转直径越小，回转漂角越大，回转速降越大。船舶对操舵的响应操舵响应模型操舵二阶响应模型:操舵一阶响应模型式中Ti3T1Tkt3:TrT=I/NK=C/N船舶皆进入定常回转，且定常回转角速度K,T为操作性指数I船舶回

8、转惯性力矩系数;N船舶回转中所受的阻尼力矩系数；C一一舵产生的回转力矩系数。K、与纵K值越大，相应回转直径越小，回转性越好。进入定常回转运动的相对回转直径与系数K成反比,关系值与回转性密切相关，可衡量回转性好坏。阶跃操舵:;有限操舵速度：常忽略操舵时间t1。T值越小，表示操舵进入定常回转时间越小，舵效越好。2上式表征了舵效情况，从操舵进入定常回转的时间分别为K表示了回转性，T表示了应舵性和航向稳定性。T和T+t船舶对操舵的响应指数KT物理转首，运动学意义生指数K、T响因素回转阻P: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,力矩小；反之，T值越小，表示船舶惯性小而阻尼力矩大。/

9、K=C/N中见，参数K是舵产生的回转力矩与阻尼力矩之比，表示船舶惯性大而阻尼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。T的T学意义：它是系统的时间常数，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£"sec。对于具有航向稳定性的船舶，5时，r=K6,K值越大，r越大。K的运司学意义：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。为了提高船舶的操纵性，总希望惯性尽可能小，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。表征操舵后船艇行驶一倍船长，单位舵角引起

10、的首向角改变量。实质相当于K、T指数的比值，仅与惯性、回转力矩有关。推增加:甘：水增加:隈增加:水深变浅：船型越肥大:尼预报图：回转阻尼1修T同时减小;KT同时增大;K>T同时减小;K、T同时减小；K、T同时增大有舵面积的减少而减少；回转阻尼随船舶的操纵性指数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。V

11、/Ld的增加而减少；B/d越大，回转阻尼越小；使2/Ld为定值的直缭与横坐W相交，可求得回转阻尼为零的临界舵面积，若小于此面积，船舶航向将不租定；使V/Ld为定值的直线与纵坐标相交，可以求得不包括舵当响的船体之回转阻我预报图'、T之间存在一定的关系，若舵面积和/Ld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；为了同时改售回转性和航向稳定性2.转首性，必须增加Ad/Ld或Ld/对于同一艘船在各种操纵运动幅度时保持为常数。但随着操舵角的增大，引起了回转阻）二的非线性变化，存荏皎大的非线性影响。船舶操纵性设计基本原则；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

12、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K、T指数的使用范围K、T方程只适合操小舵角的航向较稳定的船的操纵运动。实验目的：求取船舶操纵性衡准及各运动要素，从而评价操纵性优劣。操纵性自航模：回转试验；螺旋与逆螺旋试验；Z型操舵试验;自由自航船舶操纵性试验试验-约束模：直线拖曳试验；悬臂试验；平面运动机构试验；/概念：在试验船即航条件下，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。大舵角的回转模拟了航行时紧急规避时的操纵。通过回转试验可评价回转运动的迅速程度和

13、所需的水域大小。回转试验目的：求船用也回转要素。试验轨迹测量方充光学跟踪的绕标方法水线下的船型因素影响回转圈大船舶的吃水状态小因素操船方面的影响)外界环境的影响测量航速及首向角的积分方法；岸上设置固定观察站。方型系数：C越大，回转性越好，回转圈也越小；舵面积比；b水线下侧面积：首部多有利于减小旋回圈，尾部多有利于提高航向稳定性吃水纵倾横倾舵角操舵时间船速浅水污底和风流螺线试捺与目的：评价船舶的航向稳定性和回转稳定性。操纵性曲线原点的斜率即线性理论K,值逆螺线试验缺点：需平静海面；很大的面积；很长的时间。故提出“逆螺线试验”的方法，逆螺绝试验测得的参数与螺线试验一样。回舵试验：迅速鉴别p线稳定性的简单方涉。对于不具直线稳定性的船，最终以某角速度值作定常回转，表示即使舵角为零，船仍作回转运动概/是一种评价船舶品响应的试验方法；可通过Z形操纵试验结果用积分法求取操纵性指数K、To尺度作异常尺特征参数航向超越角：抗向超越角指每次进行反向操舵后，船首向操舵相反一侧继续转动的增加值。大。一般用第一超越角和第二超越角的平均值作为衡量船舶惯性的参数超越角越大，船舶转动惯性越转首午后：航向一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I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