第四章自由自航船舶操纵性试验船舶运动学教学课件

1、第四章 自由自航船舶操纵性试验,自由自航船舶操纵性试验,自由自航船舶操纵性试验,回转试验,螺线与逆螺线试验,Z试验,回舵试验,自航模试验尺度作用,操 纵 性 衡 准,试验步骤,数据处理,试验步骤,操纵特征曲线,试验操作,结果分析,试验步骤,K、T分析,船舶操纵性试验,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。 实船 船模,自航模,约束模,回转试验,螺旋与逆螺旋试验,Z 型操舵试验,所测数据代表各项流体动力综合影响,直线拖曳试验 位置导数,悬臂试验 回转导数,平面运动机构试验 加速度导数,在约束模试验中，通过各专门装置强迫船模进行精确控制下的运动，每次可变换一个参数，令其他参数为

2、零，可分别求得此单一参数下的流体动力（力矩）导数,第九章,垂直平面运动机构,水平面运动机构,PMM TEST(平面运动机构试验）,回转臂水池,回转臂水池-中国船舶研究中心,绪 论,在前几章中，我们基于线性操纵运动方程，分析了船舶航向稳定性和回转性，以及对操舵的转首响应特性，若能知道数学模型中的系数，就能确定其响应运动及其有关的操纵特性。这是操纵性研究的理论方法。此外，也常采用试验方法进行研究。,理论方法：,绪 论,实船和无线电遥控自航船模操纵性试验均属无约束的自由自航试验。在操纵性试验中，可以直接测得各种运动参数，能较直观地分析比较船舶的操纵性能，长期以来被广泛应用。 目前为止，操纵性试验方法

3、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 。,试验方法：,第四章 自由自航船舶操纵性试验,第一节 回转试验,第一节 船舶回转试验,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。 大舵角的回转模拟了实船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所需的水域大小。,求船舶的回转要素。其中包括： 进距 Ad （advance） 横距 Tr （transfer） 回转初径 DT（tactical diameter） 回

4、转直径 D （final diameter） 滞距 Re （reach） 回转时间 T （time）,回 转 试 验,1.试验目的,2. 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。,回 转 试 验 步骤,光学跟踪的绕标方法。 测量航速及首向角的积分方法。 岸上设置固定观察站。

5、,回 转 试 验,3. 回转试验测量轨迹的3种方法。,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。,回 转 试 验,4. 对回转试验的结果进行分析。,K、T分析: 运动有非线性影响， K、T是一个平均概念。 如图所示： 当t很大时，转首角 随时间的变化呈直线关系 斜率K0 =tg 。,回 转 试 验,4. 对回转试验的结果进行分析。,K、T

6、分析: 运动有非线性影响， K、T是一个平均概念。 如图所示：切线交t轴于t2 量得： 其中t1为操舵时间。,回 转 试 验,4. 对回转试验的结果进行分析。,回 转 试 验,5. 测量轨迹的积分方法,把记录的船速和首向角以时间为横坐标绘成 下图的所示形式，对测量值进行初步的校核。,回 转 试 验,（2）按式 ，以枢心代替重心，计 算枢心P的轨迹。枢心速度计程仪在X方向的 速度，枢心处航速角就等于首向角。P点为：,5. 测量轨迹的积分方法,回 转 试 验,（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，如图所示：,5. 测量轨迹的积分方法,回 转 试 验,（4）假定枢

7、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。,5. 测量轨迹的积分方法,回 转 试 验,（5）根据上述所得的回转圈量取各回转要 素，并算出K、T指数。请参照下图：,5. 测量轨迹的积分方法,回转圈及其要素,Admax,Tr,Ad,DT,Trmax,reach,D,Stern kick,G,G,G,G,G,G,G,武汉理工大学船模操纵性水池长80m，水面宽60m，最大水深1.5m，池底平整可做深浅水自由自航船模操纵性试验，拥有计算机数据实时采集显示处理系统。.,武汉理工大学深浅两用露天船模操纵性水池,双RT

8、K的GPS船模运动轨迹实时摇测系统，可实时测量船舶运动的轨迹、航速、漂角。综合分析可得出船舶的操纵性指数、倒航操纵性。,船舶回转性-影响回转圈大小的因素,1、水线下的船型因素 方型系数：Cb越大，回转性越好，回转圈也越小 ； 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 ； 舵面积比：,船舶回转性-影响旋回圈大小的因素,2、船舶的吃水状态 吃水：吃水较大的满载船进矩将有较大增长。旋回初径和横矩有某种程度的降低； 纵倾：首倾每增加1% L，旋回初径 DT可减小10%左右；尾倾每增加 1% L，旋回初径 DT则增加10% 左右； 空船与满载时的旋回圈大小相差不多 横倾：总的来说

9、，横倾对旋回圈影响不大。,3、操船方面的影响 舵角：一般操15 舵角与满舵相比，DT将增加到130%170%，而掉头时间则可能增加到140%左右； 操舵时间：自一舷35转至另一舷30应不超过15s; 船速：船速越快，回转时间大大缩短，而DT影响小。,船舶回转性-影响旋回圈大小的因素,4、外界环境的影响 浅水：回转圈随着水深的变浅而逐渐增大。当水深与吃水之比小于2时，旋回圈将明显增大。 污底和风流：污底越多摩擦阻力增加，旋回圈变大，但影响很小。顶风顶流将使纵矩减小。,船舶回转性-影响回转圈大小的因素,第四章 自由自航船舶操纵性实验,第二节 螺线试验与逆螺线试验,螺线试验与逆螺线试验,螺旋试验：测

10、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。 1、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映的。,螺线试验与逆螺线试验,(1)保持船舶直线定常航速，操舵开始前，记录初始船速、航向角、及推进器转速等； (2) 发令，迅速转舵到一舷指定的舵角，并保持该舵角，使船舶进入回转状态； (3) 待回转角速度达到定常值时，记录相应的角速度r 和舵角 ；,2. 试验方法,(4) 将舵角改变一个规定的角度，再重复测量角速度r 和舵角 ，以15舵角为例，依次改变舵角从右15右10右5右3右10左1左3左5左10左15左10左5

11、左3左10右1右3右5右10右15，舵角变化一周，回到开始值时，可结束一次试验。,螺线试验与逆螺线试验,2. 试验方法,3. 试验特征参数表达 舵角相当于一种干扰，当干扰逐渐减小或消失后，试验结果可把定常回转角速度作为舵角的函数。, 操纵性特征曲线,图1中r 与具有单值关系，船舶具有航向稳定性。,螺线试验与逆螺线试验,图2中r 与不具有单值关系。在舵角处于a、b之间时，角速度约在c、d之间， r 与关系构成一个回环，通常称为螺旋试验的迟滞回环。,螺线试验与逆螺线试验,在滞后环范围内，舵角由右舵变化到0时，对应的角速度不等于0，而为c点之值，船舶仍然向右转动。而当舵角变为左舵时，只要 a，船舶仍

12、具有右转的角速度。这就是常说的反操现象。,螺线试验与逆螺线试验,直到达到a时，船舶突然开始向左转向，其后进入正常的左舵左转状态。反之，船舶从左向右变化时，又重复上述过程。滞后环的宽度和高度是衡量船舶运动稳定性的标志，在滞后环以外，船舶运动是稳定的。,螺线试验与逆螺线试验,对于某些不稳定环宽和环高相当大的肥大船型，进入定常回转的时间特别长，因此在航向保持操舵中，实际的航向不稳定环宽和环高并不太大，仍有可能保持航向。但螺线试验曲线的环宽和环高增大，会使操舵频率增加。,螺线试验与逆螺线试验,摘自,例,螺线试验：开始舵角35度，直到反向舵角。 初始：u= Vs，v=0 ，r = 0 分别左右两舷回转，

13、每舷试验时间4小时,利用操纵性曲线求回转性指数K,回转性指数K是定常回转角速度与舵角之比其无因次形式：,即K表征了曲线 上每一点的斜率 它与有关。 曲线并非直线，其斜率不是常数。,曲线在原点的斜率即线性理论K值。 平均K采用相应舵角范围内的射线近似 曲线 ，以该射线的斜率来表示K值。,螺线试验缺点： 需平静海面 很大的面积 很长的时间 伯奇(Bech)在1966年提出“逆螺线试验”的方法。逆螺线试验-事先规定一系列回转角速度值，通过操舵使船舶保持预先规定的角速度值作定常回转。然后测量该回转角速度的平均舵角。,逆螺线试验,逆螺绝试验测得的参数与螺线试验是一样的，故试验结果的表达方式皆相同。 对不

14、具有直线运动稳定性的船舶，逆螺线试验曲线与螺线试验曲线略有不同。 利用r 对的单位对应关系。即可求出迟滞回线内的 S形曲线。可见 r曲线原点处的 斜率 是 正值，如图所示。,逆螺线试验,第四章 自由自航船舶操纵性实验,第三节 回 舵 试 验,回 舵 试 验,回舵试验是迅速鉴别直线稳定性的简单方法 回舵试验是布瑟尔(Burther)于1969年提出的船舶航向稳定性的定义试验。试验方法实质为回转试验(或螺线试验)的延续。 当船舶进入定常回转后令舵角回零，同时测定转首角速度(或首向角、航速)随时间的变化，直到船舶进入新的定常状态(直航或定常回转状态)时为止。,回 舵 试 验,回舵试验可以对左、右舷分

15、别进行，一般操舵角15(亦可以与回转试验或螺线试验时的最大操舵角相同，作为此类试验的延续)。该试验不论对实船或自航船模皆可方便地进行。,通常将回舵试验结果绘成如图(a)所示的试验曲线。显然对于具有直线运动稳定性的船舶，最终的回转角速度均趋于零，即在零舵角下，船舶将恢复为直线航行。这正是船舶具有直线运动稳定性的一种特征。,回 舵 试 验,如图(a)所示的试验曲线。对于不具有直线稳定性的船舶，最终将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，这正是船舶不具有直线运动稳定性的特征。图ab之间距离也就相当于螺线试验中迟滞环线的环高，可表征不稳定程度。,回 舵 试 验,回 舵 试 验,对直

16、线运动稳定的船，回舵试验的结果也可表示为图(b)的方式，其中纵坐标是角速度的自然对数，横坐标是时间。,回 舵 试 验,第四章 自由自航船舶操纵性实验,第四节 Z 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。 以10/10(分子表示舵角，分母表示进行反向操舵时的航向角)Z形操纵试验为例，试验方法简述如下所述 ：,Z 形 操 舵 试 验,1. 试验方法 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； 发令，迅速转右舵到指定的舵角(10)，并 维持该舵角；,Z 形 操 舵 试 验,1. 试验方法 (3) 船

17、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。,Z 形 操 舵 试 验,2. 特征参数 Z形操纵试验结果可以下图形式表示。纵坐标为航向角或舵角，横坐标为时间。,Z 形 操 舵 试 验,2. 特征参数 (1) 航向超越角(Overshoot Angle) 航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。航向超越角是从航向变化量方面对船舶转动惯性的一种度量。 超越角越大，船舶转动惯性越大

18、。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。,Z 形 操 舵 试 验,Z 形 操 舵 试 验,2. 特征参数 (2) 转首滞后(Overshoot Time) 航向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。一般用第一超越时间和第二超越时间作为衡量船舶惯性的参数。,超越角,转首滞后,3. KT的标准算法 试验中运动描述方程为： 且试验所得曲线满足上述方程。 t=0处作曲线切线，斜率为 ，然后作 该切线的平行线，分别与波峰相切于e、e 、 e点，对应的时间为te,te,

19、te等。 所有参数如下图所示：,Z 形 操 舵 试 验,3. KT的标准算法,Z 形 操 舵 试 验,6个特征点,(t2)=1 (t4)=2 (t6)=3,3. KT的标准算法 对记录曲线进行分析（整个计算过程针对6个特征点） （1）将上述描述方程分别在两个区间0，te， 和0，te积分可得 ：,Z 形 操 舵 试 验,3. KT的标准算法 对记录曲线进行分析 （2）将上述描述方程在区间0，te积分可得 ：,Z 形 操 舵 试 验,3. KT的标准算法 对记录曲线进行分析 （3）将上述描述方程在区间t2，te积分可得 ：,Z 形 操 舵 试 验,3. KT的标准算法 对记录曲线进行分析 （4）

20、将上述描述方程分别在两个区间t4，te， 和t6，te积分可得 ：,Z 形 操 舵 试 验,3. KT的标准算法 对记录曲线进行分析 （5）上述分别求得在最初一个峰区和后两个峰区 的K、T指数，取两者平均值为本船的指数：,Z 形 操 舵 试 验,第四章 自由自航船舶操纵性实验,第五节 自航模试验的尺度作用,自航模试验的尺度作用,1.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。,自航模试验的尺度作用,2.自航船模试验尺度效应的复杂性,船舶操纵运动是船体、桨、舵三者的组合作用，包括

21、了三者单独的尺度效应以及相互干扰作用。因此成为了一个复杂的难题。,自航模试验的尺度作用,3.船模试验对实船的适用程度,ITTC认为：瘦长船型，船模试验结果与实船性能大致吻合，反之，肥大船型的尺度作用显著。螺线与逆螺线试验中大舵角一致性良好，5以下小舵角则有明显差异。Z形试验结果，有的情况一致好，有的比较差。,4.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。,实船和船模Z型操舵试验比较,例: 肥大油船的尺度作用,对于方形系数CB0.8，LB6.0的尾部肥胖的船型，如超级油船等，试验发现，这类船舶存在者“异常现

22、象”，即在小舵角操舵运动，船模比实船过于稳定。船模试验表明是有直线运动稳定性的，而实船试验不具有稳定性。,肥大油船的尺度作用,原因: 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。,引 言 一、船舶必备操纵性资料 二、操纵性衡准数,第七节 船舶操纵性衡准,船舶操纵性试验是对船舶操纵性的一种物理模拟，由试验求得的特征参数可作为操纵性好坏的衡准。 近年来由于船舶尺度越来越大，航速越来越高，以及运输量的增加，船舶的航行安全性越来越为人们关注。 从

23、近期发生的海上碰撞事故看，缺乏操纵性资料，操纵引起的误差是产生碰撞的主要原因。为此，国际海事组织(IMO)正式建议，船上必须具备操纵性和制动性资料，规定所有船只必须提供统一的操纵性手册，并对船舶操纵性衡准数做出了具体规定，要求出具最科学、合理的标准来，以保证操纵的安全性。这些衡准即为操纵性指标。船舶操纵性横准是以定量的数据来评价船舶操纵性能优劣的判据。,引 言,为使船舶操纵性有关信息的内容和格式达成一致，需要建立一个能为驾驶者提供更多操船细节的操纵资料，为此，1987年11月，IMO大会通过了A601(15)决议，要求船舶配备引航卡、驾驶台操纵性图及船舶操纵手册三种形式的随船资料。 1. 引航

24、卡(Pilot Card) 引航卡是一种船长与引航员之间关于船舶操纵性能进行信息沟通的资料卡。引航卡每航次由船长填写。其内容包括本船的主尺度、操纵装置性能、船在不同载况时主机不同转速下的航速以及船舶特殊操纵装置(侧推器)等信息。,一、船舶必备操纵性资料,2. 驾驶台操纵性图(Wheelhouse Poster) 驾驶台操纵性图是一种详细概述船舶旋回性能和停船性能的图表资料，置于驾驶台显著位置。其内容包括深水和浅水(H/T1.2)，满载和压载情况下船舶的旋回转圈轨迹图及制动性能(停船试验)资料。 3. 船舶操纵手册(Maneuvering Booklet) 船舶操纵手册是详细描述船舶实船操纵性试

25、验结果的手册，它是重要的船舶资料之一。其主要内容包括旋回试验、Z形操纵试验和停船试验的试验条件、试验记录以及试验分析等。操纵手册包括全部驾驶台操纵性图上的全部信息。除实船试验结果之外，操纵手册中的大部分操纵信息估算结果。,一、船舶必备操纵性资料,1993年国际海事组织(1MO)对100m及以上海船的操纵性标准提出了要求，之后，又进行了修订，具体规定如下。 1. 回转性(Turning ability) 回转圈的进距应不超过4.5倍船长(垂线间长，下同)，相应的旋回转战术直径应不超过5.0倍船长。 2. 初始回转性(Initial turning ability) 船舶操左10舵角或右10舵角后，船首向角从原航向改变10时，船舶在原航向上的纵向行进距应不超过2.5倍船长。,二、 操纵性衡准数,3.