操縱性知識(shí)框架

1、船舶操作性船舶按照駕駛者的意圖保持或改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性能，即船舶能保持或改變其航速、航向和位置的性能。船舶操縱性內(nèi)航向穩(wěn)定性：表示船舶在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)受擾動(dòng)而偏離平衡狀態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)完全消除后能保持其原有平衡狀態(tài)的性能?；剞D(zhuǎn)性：表示船舶在一定舵角作用下作圓弧運(yùn)動(dòng)的性能。轉(zhuǎn)首性和跟從性：表示船舶應(yīng)舵轉(zhuǎn)首及迅速進(jìn)入新的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性能。船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程容固定坐標(biāo)系：固結(jié)在地球表面，不隨時(shí)間而變化的。固結(jié)在船體上的，隨船一起運(yùn)動(dòng)的。首向角口：X0軸與X軸夾角（順時(shí)針為正）；航速角口X軸與船速V夾角（順時(shí)針為正）00漂角口船速與X軸夾角（順時(shí)針為正）運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系一般方程Xm(u»x2)GYm(v

2、%x引起橫漂動(dòng)數(shù)坐標(biāo)系定義參數(shù)之間的關(guān)系：口口0樞心：回轉(zhuǎn)時(shí)漂角為零點(diǎn)、橫向速度為零的點(diǎn)。作用于船體的水動(dòng)力和力矩：決定因素有船體幾何形狀、船體運(yùn)動(dòng)特性、線性操縱運(yùn)動(dòng)微分方程(uu)X1u(mX)uu(mY)vv)rYr(mxN)vNv(Gvvv(mxv重心在原點(diǎn)流體本身特性zI)r(mur1N)r(mxrG1u)GNI口mxZu口)X口m(u口v口Y口m(v口u口引起回轉(zhuǎn)(vG航向穩(wěn)定性直線運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性:船舶受瞬時(shí)擾動(dòng)后，其重心軌跡終將恢復(fù)為一直線，但航向發(fā)生了變化。方向穩(wěn)定性：船舶受擾并在擾動(dòng)消除后，其重心軌跡最終將恢復(fù)為與原來航線相平行的另一直線。位置穩(wěn)定性：船舶受擾后，其重心運(yùn)動(dòng)軌跡將恢

3、復(fù)為原航線的延長線。勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，只改變一個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其他不變引起的作用于船舶水動(dòng)力對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化率。位置導(dǎo)數(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)具有位置穩(wěn)定性的船舶一定具有直線穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性，具有方向穩(wěn)定性的船舶一定具有直線穩(wěn)定性.水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)加速度導(dǎo)數(shù)，Yv旋轉(zhuǎn)加速度導(dǎo)數(shù)口穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)C：C>0Y,NvvYr,Nr表明船舶在水平面運(yùn)動(dòng)具有直線穩(wěn)定性Nv口YrDNCfl表明不具有直線穩(wěn)定性。r口r口回轉(zhuǎn)性：轉(zhuǎn)舵使船舶作圓弧運(yùn)動(dòng)的能力，用回轉(zhuǎn)直徑來表示。定?；剞D(zhuǎn)圈：操縱性的指標(biāo)，衡量轉(zhuǎn)首性和回轉(zhuǎn)性的直觀方法?；靖拍罨剞D(zhuǎn)圈：船舶在不同舵角條件下作圓周回轉(zhuǎn)時(shí)重心的航行軌跡。定?；貞?zhàn)術(shù)直縱距(Ad):從轉(zhuǎn)舵開始時(shí)

4、刻船舶重心G所在的位置，至船首轉(zhuǎn)向90。時(shí)船舶縱中剖面沿原航行方向前轉(zhuǎn)直徑De:定常回轉(zhuǎn)階段船舶重心點(diǎn)圓形軌跡。徑DT：從船舶原來航線至船首轉(zhuǎn)向180。時(shí)，船總中剖所在位置之間的距離。進(jìn)的距離。(T)：從船舶初始直航線至轉(zhuǎn)向90。時(shí)，船舶重心所在位置之間的距離。船舶回轉(zhuǎn)性正橫距反橫距(K)：從船舶初始的直線航線至回轉(zhuǎn)軌跡反方向最大偏離處的距離，K=(00.1)D進(jìn)程:f相相對(duì)回縱距Ad與定?；剞D(zhuǎn)半徑R之差。轉(zhuǎn)直徑D/L:代表回轉(zhuǎn)性優(yōu)劣?；剞D(zhuǎn)性好D/L3；回轉(zhuǎn)性差D/L70；大多數(shù)船D/Lq57。轉(zhuǎn)舵階段階段定常回轉(zhuǎn)階數(shù)。從開始轉(zhuǎn)舵至規(guī)定角度8為止。產(chǎn)生由舵角引起的側(cè)向力Y8,和力矩N8。58牛

5、宇點(diǎn)：v豐rh0，v=r=0。CP參數(shù)初始回轉(zhuǎn)的有因次角加速度參數(shù)。表示轉(zhuǎn)過單位舵角后，在回轉(zhuǎn)初始階段所產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)角加速度。CP是船舶回轉(zhuǎn)得快慢的指標(biāo)。cp值越大，cpT，船舶轉(zhuǎn)舵后越能迅速進(jìn)入回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)舵結(jié)束到進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為止。特點(diǎn)：v、r、v、r都不為零，隨時(shí)間變化，唯有舵角保持常數(shù)(口漂角過渡階段的由r使船舶產(chǎn)生回轉(zhuǎn)，于是船舶縱中剖面與水流形成一漂角。各運(yùn)動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化特點(diǎn)："右舵右旋，左舵左旋”22正常操舵，"右舵左旋，左舵右旋”22反操現(xiàn)象；增加船首部縱剖面面積使Nv和Nr負(fù)值T,導(dǎo)致Cl,穩(wěn)定性變差；DI,回轉(zhuǎn)性好；減小船首部縱剖面面積使Nv負(fù)值T,0

6、Nr負(fù)值T,Y8心軌跡是圓r=0，v、r為)。影響因素導(dǎo)致cT,dJ，回轉(zhuǎn)性差；負(fù)值T，N8正值T，通通常會(huì)使回轉(zhuǎn)直徑Dl，并且不導(dǎo)致穩(wěn)定性下降，從控制水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)出發(fā)可同時(shí)改善穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)(如增加舵面積)。挀回轉(zhuǎn)運(yùn)回轉(zhuǎn)動(dòng)橫耦傾合定特性回轉(zhuǎn)過程速降船操舵舶響應(yīng)對(duì)模型操舵指數(shù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的耦合船舶在水平面內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生橫搖、縱搖、升沉等運(yùn)動(dòng)，以及由于回轉(zhuǎn)過程中阻力增加引起的速降，可理解為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的耦合，其中以回轉(zhuǎn)橫傾與速降最為明顯。形成原因：在回轉(zhuǎn)過程中，船體承受側(cè)向力其作用點(diǎn)高度各不相同，于是產(chǎn)生了對(duì)Ox軸的傾側(cè)力矩回轉(zhuǎn)橫傾分為三個(gè)階段：轉(zhuǎn)舵階段,過渡階段定常回轉(zhuǎn)階段。最大橫傾角出現(xiàn)在過渡

7、階段.。轉(zhuǎn)舵階段：v豐丫工0，v=r=0，產(chǎn)生向回轉(zhuǎn)內(nèi)側(cè)的傾斜；過渡階段：定常回轉(zhuǎn)階段：v=r=0，忽略舵力，船產(chǎn)生外傾；估算原因：回轉(zhuǎn)過程中的橫傾會(huì)降低船舶的橫穩(wěn)性，所以穩(wěn)定性規(guī)范中對(duì)此有一定限制，所以必須估算定?；剞D(zhuǎn)階段穩(wěn)定橫傾角。橫傾角估算公式：口v2Gd/2)/ghRRGz（形成原因：側(cè)向速度和角速度引起阻力增加；側(cè)向速度和角速度引起阻力增加。表征系數(shù)：表征回轉(zhuǎn)速降一一定?；剞D(zhuǎn)階段航速Vc與直線航速u之比，稱為回轉(zhuǎn)速降系數(shù)。1估算法：經(jīng)驗(yàn)公式估算（模型試驗(yàn)整理）操舵二階響應(yīng)模型：T13T操舵一階響應(yīng)模型：Tr口r口(1T式中T=I/N，K=C/NVcR21.9L20T)r口rKT23K

8、，T為操作性指數(shù)回轉(zhuǎn)直徑越小，回轉(zhuǎn)漂角越大，回轉(zhuǎn)速降越大。船舶回轉(zhuǎn)慣性力矩系數(shù)；N船舶回轉(zhuǎn)中所受的阻尼力矩系數(shù)；C舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩系數(shù)。船舶皆進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)，且定?；剞D(zhuǎn)角速度口k口，可得0K、T與操縱性關(guān)系D2口n口，L口口LK值越大，相應(yīng)回轉(zhuǎn)直徑越小，回轉(zhuǎn)性越好。K值與回轉(zhuǎn)性密切相關(guān)，可衡量回轉(zhuǎn)性好壞。階躍操舵：口口K口;有限操舵速度：口«tT0口常忽略操舵時(shí)間t1。T值越小，表示操舵進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)時(shí)間越小，進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑與系數(shù)K成反比，即t上式表征了舵效情況，從操舵進(jìn)入定常回轉(zhuǎn)的時(shí)間分別為T和T+t/2,11舵效越好。K表示了回轉(zhuǎn)性，T表示了應(yīng)舵性和航向穩(wěn)定性。2指數(shù)

9、KT物理意義轉(zhuǎn)首力學(xué):意義運(yùn)動(dòng)學(xué)意義性指數(shù)K、T響因素由T=I/N可見，參數(shù)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??；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(shù)K是舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩與阻尼力矩之比，K值越大，表示舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩大而阻尼力矩??；反之，K值越小，表示舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩小而阻尼力矩大。為了提高船舶的操縱性，總希望慣性盡可能小，而舵產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩盡可能大，也就是希望T盡量小，K盡量大。T的運(yùn)動(dòng)學(xué)意義：它是系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，它的符號(hào)決定了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，它的大小決定了船舶達(dá)到定常旋回角速度的時(shí)間，其因次為sec。對(duì)于具有航向穩(wěn)定性的船舶，tT8時(shí)

10、，r=K5，K值越大，r越大。K的運(yùn)動(dòng)學(xué)意義：船舶受單位持續(xù)舵角作用下產(chǎn)生的最終旋回角速度，其因次為1/sec。表征操舵后船舶行駛一倍船長，單位舵角引起的首向角改變量。實(shí)質(zhì)相當(dāng)于K、T指數(shù)的比值，僅與慣性、回轉(zhuǎn)力矩有關(guān)。舵角增加：吃水增加：尾傾增加：水深變淺：P:船型越肥大:回轉(zhuǎn)阻尼預(yù)報(bào)圖：回轉(zhuǎn)阻K、T同時(shí)減小;K.T同時(shí)增大;K、T同時(shí)減小;K、T同時(shí)減??；K、T同時(shí)增大船舶的操縱性指數(shù)K、T值是同時(shí)減小或同時(shí)增大的，即提高船舶回轉(zhuǎn)性的結(jié)果將使其航向穩(wěn)定性受到某種程度的降低，而航向穩(wěn)定性的改善又將導(dǎo)致船舶回轉(zhuǎn)性的某些降低。值得注意的是，當(dāng)舵角增加時(shí)，K/、T/值同時(shí)減小，但T/值減小的幅度要

11、比K/值減小的幅度大，因此船舶的舵效反而變好。不改變粘性阻尼條件，增加舵效提高回轉(zhuǎn)力矩值，可以改善回轉(zhuǎn)性而不影響航向穩(wěn)定性。尼隨舵面積的減少而減少；回轉(zhuǎn)阻尼隨FLd的增力標(biāo)相交，可求得回轉(zhuǎn)阻尼為零的臨界舵面積，若小于此面積，船舶航向?qū)⒂绊懙拇w之回轉(zhuǎn)阻:尼。K，、T之間存在一定的關(guān)系，若舵面積和SLd不變，K-T預(yù)報(bào)圖改阻減少；B/d越大，回轉(zhuǎn)阻尼越小；使/Ld為定值的直線與橫坐不穩(wěn)定；使/'d為定值的直線與縱坐標(biāo)相交，可以求得不包括舵那么任何在回轉(zhuǎn)性方面的改善必然使航向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)首性變差；為了同時(shí)回轉(zhuǎn)性和航向穩(wěn)定性轉(zhuǎn)首性，必須增加A,/Ld或Ld/對(duì)于同一艘船在各種操縱運(yùn)動(dòng)幅度時(shí)保持

12、為常數(shù)。但隨著操舵角的增大，引起了回轉(zhuǎn)尼的非線性變化，存在較大的非線性影響。船舶操縱性設(shè)計(jì)基本原則；給定船的主尺度（即船的慣性），以提供必要和足夠的流體動(dòng)力阻尼及舵效，使之滿足設(shè)計(jì)船舶所要求的回轉(zhuǎn)性、航向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)首性。通常最常用的辦法是改變舵面積，因?yàn)槎婕扔忻黠@的航向穩(wěn)定作用，又會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩。指數(shù)的使用范圍K、T方程只適合操小舵角的航向較穩(wěn)定的船的操縱運(yùn)動(dòng)。K、T實(shí)驗(yàn)?zāi)康模呵笕〈安倏v性衡準(zhǔn)及各運(yùn)動(dòng)要素，從而評(píng)價(jià)操縱性優(yōu)劣。自航模：回轉(zhuǎn)試驗(yàn)；螺旋與逆螺旋試驗(yàn)；Z型操舵試驗(yàn);約束模：直線拖曳試驗(yàn)；懸臂試驗(yàn)；平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)；操縱性試驗(yàn),回轉(zhuǎn)試驗(yàn)概念：在試驗(yàn)船:模擬了實(shí)試驗(yàn)?zāi)康模呵蟠焙綏l件下

13、，操左35°舵角和右35°舵角或設(shè)計(jì)最大舵角并保持之，使船舶進(jìn)行左、右旋回運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)。大舵角的回轉(zhuǎn)船航行時(shí)緊急規(guī)避時(shí)的操縱。通過回轉(zhuǎn)試驗(yàn)可評(píng)價(jià)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的迅速程度和所需的水域大小。舶的回轉(zhuǎn)要素。軌跡測量方法：光學(xué)跟蹤的繞標(biāo)方法；測量航速及首向角的積分方法；岸上設(shè)置固定觀察站。方型系數(shù)：C越大，回轉(zhuǎn)性越好，回轉(zhuǎn)圈也越??；舵面積比；水線下側(cè)面積：1首部多有利于減小旋回圈，尾部多有利于提高航向穩(wěn)定性。吃水舵角淺水水線下的船型因素影響回轉(zhuǎn)圈大小因素£驗(yàn)與試驗(yàn)船舶的吃水狀態(tài)操船方面的影響外界環(huán)境的影卩酸縱傾橫傾操舵時(shí)間船速污底和風(fēng)流螺線試逆螺線回舵試驗(yàn):Z形操舵試驗(yàn)?zāi)康模涸u(píng)價(jià)

14、船舶的航向穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。操縱性曲線原點(diǎn)的斜率即線性理論K值。缺點(diǎn)：需平靜海面；艮大的面積；很長的時(shí)間。故提出"逆螺線試驗(yàn)"的方法，逆螺絕試驗(yàn)測得的參數(shù)與螺線試驗(yàn)一樣。迅速鑒別直線穩(wěn)定性的簡單方法。對(duì)于不具直線穩(wěn)定性的船，最終以某角速度值作定?；剞D(zhuǎn)，表示即使舵角為零，船仍作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。概念是一種評(píng)價(jià)船舶操舵響應(yīng)的試驗(yàn)方法；可通過Z形操縱試驗(yàn)結(jié)果用積分法求取操縱性指數(shù)K、T。航向超越角指每次進(jìn)行反向操舵后，船首向操舵相反一側(cè)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的增加值。超越角越大，船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣性越_大。一般用第一超越角和第二超越角的平均值作為衡量船舶慣性的參數(shù)航向超越角:特征參數(shù)轉(zhuǎn)首滯后：航向超越時(shí)間指每次進(jìn)行反向操舵時(shí)刻起至船首向開始向操舵一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。航向超越時(shí)間是從時(shí)間方面對(duì)船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的一種度量。超越時(shí)間越長，船舶轉(zhuǎn)動(dòng)慣性越大。一般用第