船舶操纵基础理论课件

船舶操縱性基礎

一、船舶操縱性指數K、T二、船舶操縱性與指數K、T的關係三、影響K、T指數的因素四、K、T指數的應用第五節船舶操縱性指數

1943年，英國人Kempf在1943年首先提出一種衡量船舶機動性能的試驗方法。1957年以來野本謙作和諾賓發展了一種對Z形實驗結果進行理論分析的新方法------K、T分析法。受到了廣泛的重視和應用。野本認為船舶的受控運動基本上是一個品質很大的物體在舵的作用下進行的一種緩慢的轉艏運動。他略去了船舶回轉角速度的高階影響，用下列數學模型來描述船舶運動：一．船舶操縱性指數K、T式中：I

為船舶回轉慣性力矩係數；

N

為船舶回轉中所受的阻尼力矩係數；

C

為舵產生的回轉力矩係數。將上式兩端同乘以1/N，得：

我們設T=I/N，K=C/N，代入上式，得：即一階船舶操縱運動方程。野本認為K、T表徵船舶操縱性的特征參數。一．船舶操縱性指數K、T1.指數K、T的物理意義（1）力學意義由T=I/N可見：參數T是慣性力矩與阻尼力矩之比，T值越大，表示船舶慣性大而阻尼力矩小；反之，T值越小，表示船舶慣性小而阻尼力矩大。由K=C/N可見：參數K是舵產生的回轉力矩與阻尼力矩之比，K值越大，表示舵產生的回轉力矩大而阻尼力矩小；反之，K值越小，表示舵產生的回轉力矩小而阻尼力矩大。為了提高船舶的操縱性，我們總希望它慣性盡可能小，而舵產生的回轉力矩盡可能大，也就是希望T儘量小，K儘量大。一．船舶操縱性指數K、T1.指數K、T的物理意義（2）運動學意義按給定的初始條件：t=0，r=0，可以求解上述方程式，得到船舶轉向角速度的運算式：對於具有航向穩定性的船舶，T＞0，T絕對值越小，隨著t的增大，e-t/T將衰減得越快。對於不具有航向穩定性的船舶，T＜0，隨著t的增大，e-t/T將不衰減，也就是說，船舶將繼續旋轉。一．船舶操縱性指數K、TT的運動學意義為：是系統的時間常數，它的符號決定了運動的穩定性，它的大小決定了船舶達到定常旋回角速度的時間，其因次為sec。對於具有航向穩定性的船舶，t→∞時，r=Kδ，K值越大，r越大。

K的運動學意義為：船舶受單位持續舵角作用下產生的最終旋回角速度，其因次為1/sec。

一．船舶操縱性指數K、T2.指數K、T的無因次化及其量值（1）K、T的無因次化目前，K、T指數被廣泛用來評價船舶的操縱性能。除了上述有因次的形式以外，為了便於比較，還可以使用無因次值K’、T’，其定義為：

一．船舶操縱性指數K、T2.指數K、T的無因次化及其量值（1）K、T的無因次化諾賓在此基礎上進一步建議用機動性參數P來衡量船舶的機動性，P定義為：

分析上述一階操縱運動方程的解，可以看出：P值實際上是在操單位舵角後，船舶航行一個船長距離時，按一階模擬得到的航向角的變化值。有的資料上稱P為“舵效指數”

一．船舶操縱性指數K、T2.指數K、T的無因次化及其量值（1）K、T的無因次化對e-1/T展開成冪級數，則可得

可見，舵效指數P與K’、T’的比值有關。一．船舶操縱性指數K、T2.指數K、T的無因次化及其量值（2）K′、T′的量值

K′

、T′的值是通過Z形實驗求得的。有10、15、20度等幾種實驗。一般取10度實驗結果為標準。對於一般船舶的操縱性能，K’、T’在下列範圍內：滿載貨輪（L=100~160m）K’=1.5~2.0T’=1.5~2.5滿載油輪（L=150~250m）K’=1.7~3.0T’=3.0~6.0一．船舶操縱性指數K、T

根據K、T指數，船舶旋回性可分為四種模式：如圖所示。

二．船舶操縱性與指數K、T的關係

T大，K小T大，K大T小，K小T小，K大橫距縱距

船舶操縱性能指數K、T值，將隨舵角、吃水、吃水差、水深與吃水之比、船體水下線型等因素的變化而變化，且其規律較為複雜，但總體來講，有如下關係1.舵角增加：K、T同時減小；2.吃水增加：K、T同時增大；3.尾傾增加：K、T同時減小；4.水深變淺：K、T同時減小；5.船型越肥大：K、T同時增大

三．影響K、T指數的因素

可見，船舶的操縱性指數K、T值是同時減小或同時增大的，即提高船舶旋回性的結果將使其追隨性受到某種程度的降低，而追隨性的改善又將導致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，當舵角增加時，K/、T/值同時減小，但T/值減小的幅度要比K/值減小的幅度大，因此船舶的舵效反而變好。

三．影響K、T指數的因素

1.旋回滯後距離Dr的估算直航船從操滿舵開始到航向開始改變之前船舶前進的距離，稱為旋回滯後距離，用Dr表示。其值求取用下式計算：其中：t1——轉舵時間一般將T+t1/2稱為旋回滯後時間。當T增大時，Dr隨之增大；t1增大時，Dr也隨之增大。四．K、T指數的應用

ψACDr2.新航向距離AC的估算直航船舶操舵後，航向改變量為ψ時，轉舵開始到新航向與原航向之交點的距離稱為新航向距離AC。其值求取用下式計算：其中：δ——舵角(弧度)K——旋回性指數，其他符號同前。當K增大時，AC隨之降低。四．K、T指數的應用

ψACDr3.轉向慣性角ψ的估算直航船舶操舵後，當達到一定的角速度rc時，操正舵，船舶繼續旋轉的航向角，稱為轉向慣性角ψ。其值求取用下式計算：

ψ=rcT

可見，當T增大時，ψ隨之增大。四．K、T指數的應用

4.定常旋回直徑D的估算其值求取用下式計算：

可見，當T增大時，ψ隨之增大。可見，D與K成反比。

四．K、T指數的應用

引言一、試驗條件二、觀測與記錄三、旋回試驗四、Z形操縱試驗五、螺旋試驗六、停船試驗第六節船舶操縱性能試驗知識

利用船舶操縱運動方程分析船舶的運動的優點在於能建立水動力與各種特徵參數的直接關係，及運動狀態隨時間的變化規律。但這種方法還很不完善，在研究具體問題時，為了研究上的方便，不可避免地進行了某些假設，因此，研究結果只能是近似的，而近似程度如何，它自己不能證實。為了彌補這一缺陷，人們一直在開展實驗研究。由於實際船舶操縱的情況千變萬化，不可能一一進行試驗，只能規定一些比較典型的船舶操縱性試驗。這些試驗滿足下列要求：引言

(1)應具有普遍的意義和實際意義；

(2)便於理論分析；

(3)便於直接觀測，減小場地和設備的要求等。由於船舶固有的操縱性指標與船舶的使用有關，因此一般都對船舶操縱性的試驗專案有規定。目前常用的試驗包括：旋回試驗、回舵試驗、Z形試驗、螺旋試驗或逆螺旋試驗、制動試驗等。IMO標準對上述試驗做出了具體規定。

引言

船舶操縱性能受水深、水域寬度、氣象條件、水文條件等諸多因素的影響，所以為了使實船試驗結果具有普遍意義，需要對試驗條件做出規定。IMO安全委員會在MSC/Circ.644中作出了詳細規定。1.水深、水域寬度應在深水、寬度不受限制、但遮蔽條件較好的水域進行標準操縱性試驗，其水深應大於4倍的船舶平均吃水。2.船舶載況和吃水差船舶應在滿載(達到夏季吃水)、平吃水(吃水差為0)的條件下進行試驗。即確保螺旋槳有足夠的沉深。

一、試驗條件

3.氣象與海浪應盡可能在比較平靜的水域進行試驗，具體規定如下

(1)風力不超過蒲氏5級

(2)海浪不超過4級

(3)流場比較均勻

4.試驗船速標準對實船試驗中的最小船速的規定為：應達到船舶海上速度的85%，主機功率達到最大輸出功率的90%。一、試驗條件

1.試驗觀測手段隨著測量技術的發展，傳統方法基本上被淘汰了。目前的觀測位置的手段主要採用差分GPS(DGPS)，觀測方向的手段採用羅經或姿態測量儀等。隨著電腦的發展，實船試驗測量獲得的數據可以進行自動處理。2.記錄內容每次船舶操縱性試驗，都要求對有關的實驗條件、試驗觀測數據進行記錄，這些條件和數據包括：二、觀測與記錄

(1)船舶數據試驗之前，要記錄船舶首、尾吃水，以便計算船舶平均吃水、排水量和船舶縱向重心位置等。此外，還要記錄試驗的地理位置、試驗水域情況等。還要記錄船舶的螺旋槳、舵以及側推器的特性及運行情況(2)環境數據環境條件記錄的內容包括：水深、波浪(浪級，湧浪的週期及方向)、海流、能見度以及其他氣象、水文情況二、觀測與記錄

(3)試驗數據應對有關試驗的數據進行觀測，並以每次不超過20秒的間隔進行記錄，這些數據包括：位置、航向、船速、舵角及轉舵速率、螺旋槳轉速、螺旋槳螺距以及風速等。試驗中還要對每次記錄發出的時間信號進行記錄二、觀測與記錄

旋回試驗是指在試驗船速直航條件下，操左35°舵角和右35°舵角或設計最大舵角並保持之，使船舶進行左、右旋回運動的試驗。

1.試驗方法

(1)保持船舶直線定常航速；

(2)旋回之前一個船長時，記錄初始船速、航向角、及推進器轉速等；

三、旋回試驗(TurningTest)

1.試驗方法

(3)發令，迅速轉舵到指定的舵角，並維持該舵角；

(4)隨著船舶的轉向，每隔不超過20秒的時間間隔，記錄軌跡、航速、橫傾角、及螺旋槳轉數等數據。

(5)在整個船舶旋回中，保持各種控制不變，直至船舶旋回360度以上，可結束一次試驗。三、旋回試驗(TurningTest)

2.旋回圈及特徵參數

在旋回試驗中，船舶重心所描繪的軌跡稱為旋回圈。旋回圈是表示船舶旋回性能的重要指標。旋回圈越小，旋回性能越好

三、旋回試驗(TurningTest)

Z形操縱試驗是一種評價船舶偏轉抑制性能的試驗，同時，可通過Z形操縱試驗結果求取操縱性指數K、T。

1.試驗方法以10°/10°(分子表示舵角，分母表示進行反向操舵時的航向角)Z形操縱試驗為例，試驗方法簡述如下

(1)保持船舶直線定常航速；發令之前記錄初始船速、航向角、及推進器轉速等；

(2)發令，迅速轉右舵到指定的舵角(10°)，並維持該舵角四、Z形操縱試驗(Zig-zagtests)

1.試驗方法

(3)發令，迅速轉右舵到指定的舵角(10°)，並維持該舵角；

(4)船舶開始右轉，當船舶航向改變量與所操舵角相等時，迅速轉左舵到指定的舵角(10°)，並維持該舵角；

(5)當船舶向左航向改變量與所操左舵角相等時，迅速轉右舵到指定的舵角(10或20)，並維持該舵角；

(6)如此反復進行，操舵達5次時，可結束一次試驗。四、Z形操縱試驗(Zig-zagtests)

2.特徵參數

Z形操縱試驗結果可以下圖形式表示。其縱坐標為航向角或舵角，橫坐標為時間。從圖中可直接給出下列特徵參數：四、Z形操縱試驗(Zig-zagtests)

ψδψδFirstOvershootAngleZ形操縱試驗結果SecondOvershootAngle2.特徵參數

(1)航向超越角(OvershootAngle)

航向超越角指每次進行反向操舵後，船首向向操舵相反一側繼續轉動的增加值。可見，航向超越角是從航向變化量方面對船舶轉動慣性的一種度量。超越角越大，船舶轉動慣性越大。一般用第一超越角和第二超越角作為衡量船舶慣性的參數。

(2)航向超越時間(OvershootTime)

航向超越時間指每次進行反向操舵時刻起至船首向開始向操舵一側轉動的時刻之間的時間間隔。航向超越時間是從時間方面對船舶轉動慣性的一種度量。超越時間越長，船舶轉動慣性越大。一般用第一超越時間和第二超越時間作為衡量船舶慣性的參數。四、Z形操縱試驗(Zig-zagtests)

由於船舶在海上不斷遇到的干擾作用，因此，不能用直接試驗方法測定船舶的航向穩定性和旋回運動穩定性，必須用間接的試驗方法，既螺旋試驗，它是由迪德在20世紀40年代提出的。其目的是評價船舶的航向穩定性和旋回穩定性。

1.試驗方法

(1)保持船舶直線定常航速，操舵開始前，記錄初始船速、航向角、及推進器轉速等；

(2)發令，迅速轉舵到一舷指定的舵角，並保持該舵角，使船舶進入旋回狀態；五、螺旋試驗(SpiralManoeuvres)

(3)待旋回角速度達到定常值時，記錄相應的角速度r和舵角δ；

(4)將舵角改變一個規定的角度，再重複測量角速度r和舵角δ，以15°舵角為例，依次改變舵角從右15°→右10°→右5°→右3°→右1°→0°→左1°→左3°→左5°→左10°→左15°→左10°→左5°→左3°→左1°→0°→右1°→右3°→右5°→右10°→右15°，舵角變化一周，回到開始值時，可結束一次試驗。五、螺旋試驗(SpiralManoeuvres)

2.特徵參數舵角相當於一種干擾，當干擾逐漸減小或消失後，試驗結果可以把定常旋回角速度作為舵角的函數，得到圖1和2的圖形。：五、螺旋試驗(SpiralManoeuvres)圖1具有航向穩定性的船舶圖2航向不穩定的船舶abcd

圖1中r與δ具有單值關係，則船舶具有航向穩定性；圖2中r與δ不具有單值關係。在舵角處於a、b之間時，角速度約在c、d之間，r與δ關係構成一個回環，通常稱為螺旋試驗的滯後環。五、螺旋試驗(SpiralManoeuvres)圖1具有航向穩定性的船舶圖2航向不穩定的船舶abcd

在滯後環範圍內，舵角由右舵變化到0時，對應的角速度不等於0，而為c點之值，船舶仍然向右轉動。而當舵角變為左舵時，只要δ＜a，船舶仍然具有右轉的角速度。這就是常說的反操現象。直到δ達到a時，船舶突然開始向左轉向，其後進入正常的左舵左轉狀態。反之，船舶從左向右變化時，又重複上述過程。滯後環的寬度和高度是衡量船舶運動穩定性的標誌，在滯後環以外，船舶運動是穩定的。五、螺旋試驗(SpiralManoeuvres)

停船試驗是指船舶在試驗速度時，進行全速倒車，直至船舶對水完全停止的試驗。其目的是評價船舶的停止慣性。

1.試驗方法

(1)保持船舶直線定常航速；發令之前記錄初始船速、航向角、及推進器轉速等；

(2)發令，將主機由全速進車轉為全速倒車；

(3)船舶開始減速，當船舶對水速度為0時，可結束一次試驗。

六、停船試驗(Stoppingtest)

2.特徵參數停船試驗結果可以下圖的形式表示。其縱坐標為距離，橫坐標也為距離。從圖中可直接給出下列特徵參數。六、停船試驗(Stoppingtest)

航跡進距橫向偏移量縱向進距對水停止位置發令位置引言一、船舶必備操縱性資料二、操縱性衡准數第七節船舶操縱性衡准

船舶操縱性試驗是對船舶操縱性的一種物理模擬，由試驗求得的特徵參數可作為操縱性好壞的衡准。近年來由於船舶尺度越來越大，航速越來越高，以及運輸量的增加，船舶的航行安全性越來越為人們關注。從近期發生的海上碰撞事故看，缺乏操縱性資料，操縱引起的誤差是產生碰撞的主要原因。為此，國際海事組織(IMO)正式建議，船上必須具備操縱性和制動性資料，規定所有船隻必須提供統一的操縱性手冊，並對船舶操縱性橫准數做出了具體規定，要求出具最科學、合理的標準來，以保證操縱的安全性。這些衡准即為操縱性指標。船舶操縱性橫准是以定量的數據來評價船舶操縱性能優劣的判據。引言

為使船舶操縱性有關資訊的內容和格式達成一致，需要建立一個能為駕駛者提供更多操船細節的操縱資料，為此，1987年11月，IMO大會通過了A601(15)決議，要求船舶配備引航卡、駕駛臺操縱性圖及船舶操縱手冊三種形式的隨船資料。1.引航卡(PilotCard)

引航卡是一種船長與引航員之間關於船舶操縱性能進行資訊溝通的資料卡。引航卡每航次由船長填寫。其內容包括本船的主尺度、操縱裝置性能、船在不同載況時主機不同轉速下的航速以及船舶特殊操縱裝置(側推器)等資訊。一、船舶必備操縱性資料

2.駕駛臺操縱性圖(WheelhousePoster)

駕駛臺操縱性圖是一種詳細概述船舶旋回性能和停船性能的圖表資料，置於駕駛臺顯著位置。其內容包括深水和淺水(＝1.2)，滿載和壓載情況下船舶的旋回圈軌跡圖及制動性能(停船試驗)資料。3.船舶操縱手冊(ManeuveringBooklet)

船舶操縱手冊是詳細描述船舶實船操縱性試驗結果的手冊，它是重要的船舶資料之一。其主要內容包括旋回試驗、Z形操縱試驗和停船試驗的試驗條件、試驗記錄以及試驗分析等。操縱手冊包括全部駕駛臺操縱性圖上的全部資訊。除實船試驗結果之外，操縱手冊中的大