【學(xué)習(xí)課件】第一章船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程1船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)

1、第二章 船舶操縱2 船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程編輯課件 內(nèi)容概括操縱運(yùn)動(dòng)方程式固定坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系水動(dòng)力和力矩線性運(yùn)動(dòng)微分方程式坐標(biāo)建立及主要參數(shù)固定坐標(biāo)下運(yùn)動(dòng)方程坐標(biāo)建立及主要參數(shù)動(dòng)坐標(biāo)下運(yùn)動(dòng)方程水動(dòng)力的多元泰勒展開水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)及其對(duì)稱性線性化、無因次化2 船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程編輯課件 研究方法 : 采用力學(xué)慣用的處理方法， 選取坐標(biāo)系，確定表征運(yùn)動(dòng) 的參數(shù)，建立運(yùn)動(dòng)方程 研究前提 : 在舵的控制之下,船舶在 水平面內(nèi)的各種操縱運(yùn)動(dòng)。所以第一步關(guān)鍵是坐標(biāo)系的選擇入門貼士編輯課件2- 坐標(biāo)系假定： 1 不考慮波浪 2 水平面運(yùn)動(dòng)編輯課件2- 坐標(biāo)系 一、固定坐標(biāo)系O0X0Y0 -固結(jié)在地球表面，不隨時(shí)間而變化

2、，如圖所示。O0 是固定坐標(biāo)系的原點(diǎn)，通?？蛇x取在T0時(shí)刻船舶重心G所在的位置。O0 x0 軸在靜水面內(nèi),其方向通?？蛇x取決船舶總的運(yùn)動(dòng)方向上。 O0y0 軸取為O0 x0在靜水平面內(nèi)沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)900的方向上。 O0z0軸垂直于靜水表面，以指向地心為正。 O0 x0y0 z0構(gòu)成一右手法則 的固定坐標(biāo)系編輯課件2- 坐標(biāo)系O xy z構(gòu)成一右手法則的固結(jié)在船體上的坐標(biāo)系。 O是動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，通?？蛇x取船舶重心或者船中剖面處。Ox軸為船縱軸，其方向指向船首為正Oy軸與縱剖面 垂直，以指向右舷為正。Oz軸垂直于水線面，以指向龍骨為正。 二、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Oxy 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系是固結(jié)在船體上的，隨船一起

3、運(yùn)動(dòng),如圖所示。編輯課件1. 坐標(biāo)系2. 參數(shù)定義3. 關(guān)系0X0Y0 xyuvGVX0Y0GORP重心坐標(biāo):首向角船速航速角漂角YOG回轉(zhuǎn)角速度編輯課件參數(shù)定義重心坐標(biāo):首向角船速航速角漂角回轉(zhuǎn)角速度: 重心G 瞬時(shí)速度: X0軸與V夾角 (順時(shí)針為正): X0軸與X軸夾角(順時(shí)為正): 船速與X軸夾角 (順時(shí)針為正)YOGYOG編輯課件參數(shù)之間的關(guān)系1。2。3。編輯課件參數(shù)之間的關(guān)系4. 樞心-回轉(zhuǎn)時(shí)漂角為零點(diǎn)、橫向速度為零的點(diǎn)。VVVVGP即P點(diǎn)為樞心R編輯課件 5. 參數(shù)之間的關(guān)系編輯課件 2-2 線性運(yùn)動(dòng)方程一、基本思想1。通過牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立方程（固定坐標(biāo)系）2。在范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)?/p>

4、簡化3。確定方程的系數(shù)4。求解方程編輯課件二、預(yù)備知識(shí)1。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換2。泰勒展開y0 x0yGxo(X,Y)編輯課件三、建立方程船體為剛體，應(yīng)用牛頓質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量、動(dòng)量矩定理。X0和Y0分別為在x0和y0軸上的分力。（固定）N為繞 z 軸的力矩。（運(yùn)動(dòng)）方程：（固定）（運(yùn)動(dòng)）編輯課件四、方程簡化1。固定坐標(biāo)系中作用力X0、Y0 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中作用力 X、Y2。運(yùn)動(dòng)簡化 u、v 為x、y 軸速度的分量編輯課件四、方程簡化由上所述代入方程可得在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系一般方程：當(dāng)重心在原點(diǎn)處：XG=0引起橫漂引起回轉(zhuǎn)引起橫漂引起回轉(zhuǎn)編輯課件2-1-3 作用于船體的水動(dòng)力和力矩 一、決定船體的水動(dòng)力、力矩的因素：與船

5、體幾何形狀有關(guān)與船體運(yùn)動(dòng)特性有關(guān) 與流體本身特性有關(guān)用函數(shù)關(guān)系來表征：船體幾何特征船體運(yùn)動(dòng)特性流體本身特性操縱運(yùn)動(dòng)為緩變過程，忽略高階小量；編輯課件二、對(duì)于給定船型、給定流體中的運(yùn)動(dòng)情況簡化處理問題： 船型參數(shù)和流體特性為已知條件； 操縱運(yùn)動(dòng)為緩變過程，忽略高階小量； 忽略推進(jìn)器轉(zhuǎn)速影響； 操舵過程短暫，忽略轉(zhuǎn)舵加速度推出3 作用于船體的水動(dòng)力和力矩編輯課件三、水動(dòng)力、力矩的解析表達(dá) 泰勒展開并且忽略中高階項(xiàng)，得出函數(shù)泰勒展開線性表達(dá)式，完全滿足精度要求 操縱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力表達(dá)式是個(gè)多元函數(shù)關(guān)系，采用泰勒展開并且舵位于中間位置，船勻速沿中縱剖面方向定常直線運(yùn)動(dòng)為初始狀態(tài)可以得到最后的簡化的線性表達(dá)

6、式：編輯課件船體的水動(dòng)力、力矩表達(dá) 忽略推進(jìn)器轉(zhuǎn)速n、n 的影響,操舵時(shí)間極短 = 0X方向不考慮（WHY?)；展開 Y、N:編輯課件對(duì)Y、N進(jìn)行簡化假定以勻速直線運(yùn)動(dòng)為初始平衡狀態(tài)1) = 0 2) 據(jù)船左右對(duì)稱條件 = = 0 (船舶對(duì)稱于中線面，X（前進(jìn)）方向的速度u、加速度u不產(chǎn)生橫向力）4)得到：水動(dòng)力、力矩的解析表達(dá)編輯課件水動(dòng)力、力矩的解析表達(dá)對(duì)方程右端簡化：編輯課件2 -1-4 線性操縱運(yùn)動(dòng)微分方程 首先對(duì)水平面操縱運(yùn)動(dòng)的一般方程進(jìn)行線性化處理 然后和水動(dòng)力、力矩的線性表達(dá)式回代到一般方程 進(jìn)行線性理論處理，忽略高階小量得出線性微分方 程組，即為船舶操縱運(yùn)動(dòng)的基本方程基本方程編

7、輯課件四、總結(jié)小述水動(dòng)力、力矩的線性表達(dá)式表明： 操縱運(yùn)動(dòng)的船體所受到的流體水動(dòng)力、力矩可由 各水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)來估算 在操縱性的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算中，便于結(jié)果的比較及推廣，常將水動(dòng)力、力矩采用無因次化處理，即同時(shí)去除力的無因次量和力矩的無因次量計(jì)算水動(dòng)力、力矩的處理方法：本節(jié)所述為通常采用的計(jì)算處理方法也可以將流體水動(dòng)力、力矩按其成因分為流體慣性力和流體粘性力兩部分流體慣性力采用勢流理論求解流體粘性力表示真實(shí)流體中所受的力，運(yùn)用函數(shù)關(guān)系，采取泰勒級(jí)數(shù)展開求解編輯課件2 -1-5 水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)1.定義 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。2. 表示方式1. 定

8、義2. 表示符號(hào)3. 物理含義船舶操縱性與耐波性編輯課件 對(duì)于位置導(dǎo)數(shù)Yv ,Nv,當(dāng)船舶以u(píng)1速度前進(jìn)時(shí),受側(cè)向擾動(dòng)速度v的作用,使合速度V與Ox軸形成漂角 ,于是破壞了船舶左右兩側(cè)流動(dòng)的對(duì)稱性,而產(chǎn)生升力.由下圖2可知,此時(shí)首尾產(chǎn)生的升力方向一致,若有+v,則相應(yīng)的橫向力為-Y,以至水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)Yv是一個(gè)較大的負(fù)值.但此時(shí)水動(dòng)力矩由于首尾作用相互抵消,故N值一般不很大。 通常流線型機(jī)翼壓力中心在前緣1/4弦長,船首作用占優(yōu)勢,故導(dǎo)數(shù)Nv是一個(gè)不很大的負(fù)值.1. 位置導(dǎo)數(shù) Yv ,Nv編輯課件Vu1u1VBS1. 位置導(dǎo)數(shù) Yv ,Nv（Y）B（Y）S Y代表阻尼力，與 橫向速度的方向相反 Y

9、 是一個(gè)大負(fù)號(hào)。 N是由引起的回轉(zhuǎn)力矩，由于首尾力矩抵消， 總的升力一般作用于舯前方， N是一個(gè)不大的負(fù)值。NV編輯課件2. 加速度導(dǎo)數(shù) ,船舶操縱性與耐波性船體處于勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)具有橫向加速度 時(shí)，（假定其它擾動(dòng)不存在），沿船長各點(diǎn)都具有同樣的加速度，當(dāng)船體以此加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體對(duì)它的作用力總是 - 方向的，阻礙其加速。編輯課件 2. 加速度導(dǎo)數(shù) 代表慣性力，與 的方向相反。 = -（0.91.2）m,是一個(gè)大負(fù)值。 代表慣性力矩，由于首尾抵消， 是一不大的數(shù)值， 其符號(hào)取決于船型。 有時(shí)我們也稱 為船舶的橫向附連水質(zhì)量y編輯課件3. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)Yr ,Nr由角速度r引起的力和力矩,與 引

10、起的力與力矩方向相類似.由于r擾動(dòng)使船體首尾產(chǎn)生線性分布的擾動(dòng)速度VB,Vs;由圖可見,首尾的方向相反,故產(chǎn)生的側(cè)向力相抵消,合力Y可能是正,也可能是負(fù),但絕對(duì)值卻較小.而對(duì)力矩,首尾方向一致相疊加,且總是指向r的負(fù)方向,以致Yr是符號(hào)不定絕對(duì)值較小的值,而Nr則是較大的負(fù)值. 船舶操縱性與耐波性編輯課件3. 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)Yr ,Nr由r引起的阻尼力,首尾方向相反， 為一小值是由r引起的阻尼力矩，為一個(gè)很大的負(fù)值編輯課件下圖表示處于勻速直線運(yùn)動(dòng)的船體,存在回轉(zhuǎn)角速度 的擾動(dòng).由于其作用,使沿船長各點(diǎn)產(chǎn)生線性分布的加速度 。同理,由于 的存在,將產(chǎn)生流體反作用力,若對(duì) ,船首力-YB,船尾力+YS,由于首尾橫向力反向相互抵消,以使導(dǎo)數(shù) 為不定符號(hào)的小量;而YB,YS對(duì)O點(diǎn)之矩都是同相的,即對(duì) 引起絕對(duì)值較大的力矩-N值,以使 成為一個(gè)較大的負(fù)值. 有時(shí)我們也稱 為船舶的橫向附連水質(zhì)量, 為船舶對(duì)z軸的附連水轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩,據(jù)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì),有如下規(guī)律:4. 旋轉(zhuǎn)加速度導(dǎo)數(shù)船舶操縱性與耐波性編輯課件4. 旋轉(zhuǎn)加速度導(dǎo)數(shù)由 引起的慣性橫向力，由于首尾抵消 是 引起的慣性力矩，與 的方向相反，是一個(gè)大負(fù)值.為回轉(zhuǎn)附加慣性矩，也稱附連水轉(zhuǎn)動(dòng)慣矩。編輯課件 5. 舵角的控制導(dǎo)數(shù) 舵以右舵角 為正，正的舵角產(chǎn)生負(fù)的舵力而舵力矩使船向右轉(zhuǎn)，是正的，故 0編輯課件6.水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的確定理論方