船舶動(dòng)力學(xué)課件完整版

第一部分船舶動(dòng)力學(xué)自動(dòng)化學(xué)院船舶控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室本章要求難度：較高要求：理解題型：?jiǎn)柎饘W(xué)時(shí)：3學(xué)時(shí)船舶——坐標(biāo)系——

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換船舶運(yùn)動(dòng)方程建立方法作用于船的力和力矩類型恢復(fù)力和恢復(fù)力矩的概念線性化的原因及方法無(wú)因次的原因及方法本章內(nèi)容1.0前言風(fēng)浪等環(huán)境因素的影響螺旋槳、舵等船舶自身各種推動(dòng)和控制作用船的外形復(fù)雜船的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜研究船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)建立船的運(yùn)動(dòng)方程1.0前言----思路以牛頓定律為基礎(chǔ)建立坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)方程分析力和力矩考慮到線性理論的成熟及方程的復(fù)雜性

---------線性化無(wú)因次化

1.1船舶運(yùn)動(dòng)分析中的坐標(biāo)系目的船舶運(yùn)動(dòng)及受力船舶每一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：方向和大小使用船舶運(yùn)動(dòng)控制的坐標(biāo)系ξηζXYZE地面坐標(biāo)系船體坐標(biāo)系坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)分解橫蕩橫搖縱蕩縱搖垂蕩(升沉)艏搖標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)教科書第2頁(yè)E-ξηζ三維直角坐標(biāo)系，E為原點(diǎn)，可取地面或是海面上任何一點(diǎn)；Eξ軸指向地心，Eη

軸和Eζ軸相互垂直且在水平面上，方向可任選；E-ξηζ是一個(gè)慣性坐標(biāo)系；慣性坐標(biāo)系-牛頓動(dòng)力學(xué)定律->物體的運(yùn)動(dòng)和受力情況。1.1.1地面坐標(biāo)系-靜坐標(biāo)系1.1.2船體坐標(biāo)系-動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O取船體上任意一點(diǎn)，縱軸Ox平行于船舶橫搖軸并指向船首，橫軸Oy平行于縱搖軸并指向左舷，垂直軸Oz指向船體。O-xyz構(gòu)成一個(gè)左手坐標(biāo)系常將O取在船舶重心上Ox橫搖軸Oy縱搖軸Oz首搖軸不是慣性坐標(biāo)系船舶六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)沿三個(gè)坐標(biāo)軸的直線運(yùn)動(dòng)圍繞三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)船舶的六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)1.1.3坐標(biāo)系的變換船舶在海洋中任何一點(diǎn)的位置和姿態(tài)。通過(guò)

(1)船體坐標(biāo)系原點(diǎn)O在地面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值(ξ0η0ζ0)；(2)船體坐標(biāo)系相對(duì)于地面坐標(biāo)系的三個(gè)姿態(tài)角來(lái)確定。

艏搖角Φ

縱搖角θ

橫搖角φ1.1.3坐標(biāo)系的變換船體坐標(biāo)系中坐標(biāo)->地面坐標(biāo)系線性平移E移動(dòng)至O

旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)Φθφ1.1.3坐標(biāo)系的變換討論靜坐標(biāo)系和動(dòng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系假設(shè)兩坐標(biāo)系原點(diǎn)E和O重合取3個(gè)不同的軸旋轉(zhuǎn)三次使兩坐標(biāo)重合初等坐標(biāo)轉(zhuǎn)換1.1.3坐標(biāo)系的變換1.1.3坐標(biāo)系的變換1.1.3坐標(biāo)系的變換1.1.3坐標(biāo)系的變換在兩個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行角速度轉(zhuǎn)換從羅經(jīng)上讀到的航向是相對(duì)地面坐標(biāo)的船舶上的角速度陀螺測(cè)量是船體坐標(biāo)系中船舶搖擺角速度轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式(1.1.5)和公式(1.1.6）

1.2船舶運(yùn)動(dòng)方程的建立動(dòng)力學(xué)基本原理船體坐標(biāo)系內(nèi)的六自由度運(yùn)動(dòng)方程船舶為一定質(zhì)量和質(zhì)量分布的剛體1.2船舶運(yùn)動(dòng)方程的建立牛頓第二定律

1.2.1作用于船舶的微元上的速度和加速度在船舶上任取一微元Si,設(shè)它的體積為Si，在船體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y,z)，設(shè)Si相對(duì)于地面坐標(biāo)系的速度矢量為Vi1.2.1作用于船舶的微元上的速度和加速度1.2.1作用于船舶的微元上的速度和加速度1.2.2作用于船舶的力和力矩求質(zhì)量，設(shè)微元的質(zhì)量為dmi根據(jù)牛頓第二定律，作用于微元上的力為整個(gè)船舶所受的力為：整個(gè)船體1.2.2作用于船舶的力和力矩1.2.2作用于船舶的力和力矩可表示成1.2.2作用于船舶的力和力矩作用于微元上的力對(duì)船體坐標(biāo)原點(diǎn)O的力矩1.2.2作用于船舶的力和力矩力矩可表示成橫搖縱搖艏搖船舶的六自由度方程1.3作用船舶的力和力矩上節(jié)推導(dǎo)了在外力F和外力矩G作用下船舶運(yùn)動(dòng)方程，要求得各種運(yùn)動(dòng)情況，必須已知力F和力矩G，組成如下：恢復(fù)力恢復(fù)力矩水動(dòng)力螺旋槳推力控制力海洋環(huán)境干擾力水動(dòng)力矩推力矩控制力矩海洋環(huán)境干擾力1.3.1作用于船舶的水動(dòng)力和水動(dòng)力矩影響水動(dòng)力的因素船舶的特性

船舶質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重心和浮心位置船舶的運(yùn)動(dòng)情況

運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)幅度和運(yùn)動(dòng)頻率、航速流體的性質(zhì)和特征

流體密度、黏度、流場(chǎng)、流體速度和方向假設(shè)條件a.船舶運(yùn)動(dòng)的水域是無(wú)限廣、無(wú)限深的水域，海面大氣壓為常數(shù)；b.水是不可壓縮的流體，并忽略其表面張力；c.假定船舶運(yùn)動(dòng)在亞空泡條件下，控制翼面上也不產(chǎn)生空泡；d.船舶航速為常數(shù)，它只是在這一常航速附件有小的的變化。對(duì)于大部分的控制問(wèn)題，這個(gè)假設(shè)是合理的。船體的流體慣性力與加速度有關(guān)的力和力矩是流體慣性力和慣性力矩；慣性力為加速度的線性組合，慣性力矩是角加速度的組合----簡(jiǎn)化問(wèn)題；其中的參數(shù)(水動(dòng)力導(dǎo)數(shù))通過(guò)水池試驗(yàn)或?qū)嵈囼?yàn)獲得。附加質(zhì)量【kg】附加慣矩【kgm2】附加靜矩【kg.m】附加靜矩【kg.m】根據(jù)勢(shì)流理論，該系數(shù)矩陣為對(duì)稱陣，因此該系數(shù)矩陣中僅有21個(gè)獨(dú)立變量。相對(duì)平面對(duì)稱的船舶，則有船舶的阻尼力和阻尼力矩阻尼力和阻尼力矩與運(yùn)動(dòng)的速度和角速度成比例矩陣中各系數(shù)亦稱水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)。其中一些系數(shù)在一定條件下可以忽略。其他水動(dòng)力和水動(dòng)力矩與船舶的速度和角速度的二次項(xiàng)的有關(guān)項(xiàng)非線性水動(dòng)力，由船舶運(yùn)動(dòng)的高階分量引起，一般不需要考慮。但是這些分量在相應(yīng)問(wèn)題的研究中可以考慮。例如非線性橫蕩水動(dòng)力分量、非線性首搖力矩分量，在深入研究分析船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)予以考慮?；謴?fù)力和恢復(fù)力矩橫傾恢復(fù)力矩不穩(wěn)定的船的橫傾力矩正浮橫傾不穩(wěn)定穩(wěn)定初穩(wěn)性高定義：船舶在平衡位置時(shí)的浮力作用線與船舶橫傾φ角度的浮力作用線的交點(diǎn)MT稱為平衡水線WL的穩(wěn)心，通常穩(wěn)心高于重心，否則船舶是不穩(wěn)定的。穩(wěn)心MT和重心之間的距離稱為穩(wěn)心高。當(dāng)橫傾角較小時(shí)的橫穩(wěn)性稱為初穩(wěn)性高。1.4船舶運(yùn)動(dòng)方程的線性化線性化的必要性在船舶控制系統(tǒng)控制下-〉船舶的運(yùn)動(dòng)角度很小-〉在平衡位置附近對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)做線性化處理；線性化理論很成熟，避免非線性問(wèn)題。線性化理論在一定條件下可以滿足要求。在有些情況下不適用，比如大舵角轉(zhuǎn)舵時(shí)。不失一般性，設(shè)船體坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系重合，以下標(biāo)0表示初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)特性，有受擾動(dòng)后有整理后有線性化的方法

(1)船舶在平衡點(diǎn)附近的小幅度運(yùn)動(dòng)；

(2)船體形狀作用對(duì)稱；

(3)船舶在小擾動(dòng)作用下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)的增量不太大，參數(shù)的高次冪可以忽略。整理后有整理后有還有等式右邊的線性化問(wèn)題。1.5船舶運(yùn)動(dòng)方程無(wú)因次化便于計(jì)算中的比較與推廣---〉標(biāo)準(zhǔn)水動(dòng)力和水動(dòng)力矩表示比較復(fù)雜最常用的無(wú)因次方法國(guó)際船舶拖曳水池會(huì)議----<一撇>系統(tǒng)無(wú)因次法

----<二撇>系統(tǒng)無(wú)因次法---