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1、22 航向稳定性,船舶操纵性与耐波性,第二章 船舶操纵,内容概要,基本概念,研 究 方 法,航向稳定性分析,影响因素,航向稳定性,船舶操纵性与耐波性,一. 基本概念 1. 稳定性概念: 对处于定常运动状态的物体(或系统),若受到极小的外界干扰作用,而偏离原定常运动状态,当干扰去除之后,经过一定的过渡,若物体(或系统)能回复到原定常运动状态,则称原运动状态是稳定的. 物体的运动状态是否稳定既取决于物体本身的性质,而且也取决于所考察的运动状态和运动参数.,航向稳定性,Directional Stability,船舶操纵性与耐波性,2. 水面船舶的运动稳定性: 直线运动稳定性 (straight l
2、ine stability, also called Inherent dynamic stability) 船舶受瞬时扰动后，其重心轨迹终将恢复为一直线，但航向发生了变化。,船舶操纵性与耐波性,原航线,新航线,2)方向稳定性(directional stability, course-keeping ability) 船舶受扰并在扰动消除后，其重心轨迹最终将恢复为与原来航线相平行的另一直线。,船舶操纵性与耐波性,3). 位置稳定性- 船舶受扰后，其重心运动轨迹 将恢复为原航线的延长线,船舶操纵性与耐波性,具有位置稳定性的船舶一定具有直线稳定性和方向稳定性。 具有方向稳定性的船舶一定具有直线稳
3、定性。 按是否操舵,稳定性可分为固定稳定性和控制稳定性.前者取决于船体几何形状,后者取决于整个闭合回路的特性。 固定稳定性越好的船,控制稳定性也越好。 对于通常的水面船舶,只有通过操舵控制才可能使之具备方向稳定性和位置稳定性。 如果不操舵,最多具备直线稳定性.,3. 关系与分类,船舶操纵性与耐波性,结 论：,二. 研究方法-小挠动方程,运用”运动稳定性理论”分析方法对稳定性问题进行定量分析. 设船舶初始运动状态: u1=const,v1=r1=0 扰动后引起的扰动运动参数:,由于对初始状态是小扰动,偏离量较小,可用线性操纵运动方程来描叙。 不操舵则 =0 ， 得小扰动方程:,(2-1),(2-
4、2),对(2-2)可改写为: 其对应的特征方程为: 则,特征根为:,最终解为:,二. 小挠动方程,航 向 稳 定 性,说明: 上式即为纵向速度小扰动方程的解: t,要使扰动速度u0,应使 负值。 m - 为船舶本身质量与纵向附连水质量之和,对一般排水量船舶为正值。 分子Xu为纵向速度u的增加所引起的纵向分力X的变化率。 如下图:在平衡速度u1时,螺旋桨正好克服 u1 时的船体阻力,故,合力为零。此时产生一个正的扰动速度时,将引起纯阻力的增加，即X的减少。从此图可知在u1处的Xu是一个明显的负值。这样,对特征根而言,分母正而分母负。使之值始终为负，说明其对纵向速度扰动总具有稳定性。,二. 小挠动
5、方程,航 向 稳 定 性,研究船舶在水平面内的航向稳定性主要取决于以下二式:,消去v化简后可得:,二. 小挠动方程,航向稳定性,方程前系数,特征方程为: 由特征方程可求得特征根:,角速度扰动方程 的解为： 消去r化简后,得v的小扰动方程为: 横向速度的解为:,航向稳定性,由以上解式可知,特征根若具有负实部,则扰动后的扰运动量v,r都回复到原来的状态称之为具有稳定性. 但,即使v,r都回复到初始状态参数,却与初始首向仍存在着一个角度偏差： 可见,对水面船舶不操舵,就不可能实现 “方向稳定性”,最多只能是”直线运动稳定性”, 习惯上称之为”航向稳定性”,船舶操纵性与耐波性,二. 小挠动方程,三.
6、航向稳定性分析,船舶操纵性与耐波性,三. 航向稳定性分析,船舶操纵性与耐波性,稳定性衡准数C,1) A A 0,大的正值 大的正值 小的正值或负值 小的正或负值,分析知,对水面船舶,A必为正,故航向稳定性要求B/A0,C/A0 即为要求 B0, C0,2) B B 0,分析知,航向稳定性条件减少到只需满足一个条件: C0 .,大的负值 大的正值 小的负值 小的不定符号 大的正值 大的负值,不定符号小量 不定符号小量,船舶操纵性与耐波性,稳定性衡准数 C,定义系数C 为稳定性衡准数；上式即为稳定性衡准式。 稳定性判别 C 0 是船舶航向稳定性的 判据 C0 表明船舶在水平面运动具有直线稳定性;
7、C0 表明不具有直线稳定性 。,船舶操纵性与耐波性,O,V,r,抗干扰力臂,偏航力臂,定义,定义,侧向力作用点距坐标原点的距离，由v引起的力矩常使船偏离航向， 是一种不稳定因素，称为偏航力臂,具有阻止船舶回转的作用，称为抗干扰力臂,稳定性衡准数,航向稳定性改善措施,水动力导数是与船体几何形状密切相关的。 增加船长可使N r负值增加 增加船舶中纵剖面的侧面积可使 Nr,Yv 的负值增加 增加Nv的有效方法是: 增加纵中剖面的尾部侧面积 可采用增大呆木,安装尾鳍 使船产生尾倾 削去前踵等,航向稳定性改善措施,船舶操纵性与耐波性,增加纵中剖面的尾部侧面积,使船产生尾倾,削去前踵,增加船舶中纵剖面的侧
8、面积,23 船舶回转性,第二章 船舶操纵,船舶操纵性与耐波性,内容概要,基本概念,研究方法,航向稳定性分析,影响因素,航向稳定性,回转性,基本概念,回转过程分析,回转运动耦合特性,回转 横倾,速降,一、基本概念： 回转性 转舵使船舶作圆弧运动的能力。 用回转直径来表示。 与船舶避让、避碰、靠离码头、 灵活掉头有关 定常回转圈 操纵性的指标。 衡量转首性和回转性的直观方法。 回转圈 船舶在不同舵角条件下作圆周回转时 重心的航行轨迹。,第二节 船舶回转性,船舶操纵性与耐波性,定常回转直径Dc 定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹。 战术直径DT 从船舶原来航线至船首转向180时，船总中剖所在位置之间的距
9、离。 Dt= (0.91.2)D,回转圈的主要特征参数,船舶操纵性与耐波性,3。纵距L1(Ad) 从转舵开始时刻船舶重心G所在的位置,至船首转向 90时船舶纵中剖面沿原航行方向前进的距离 4。正横距L2(T) 从船舶初始直航线至转向90时，船舶重心所在位置之间的距离。,回转圈的主要特征参数,船舶操纵性与耐波性,5. 反横距L3(K) 从船舶初始的直线航线至回转轨迹反方向最大偏离处的距离 K = (00.1)D 6. 进程 纵距L1 定常回转 半径 R,回转圈的主要特征参数,船舶操纵性与耐波性,各类船舶的相对回转半径,7. 相对回转直径D/L 通常用D/L代表回转性优劣。 回转性好 D/L3 回
10、转性差 D/L10 大多数船 D/L57,船舶操纵性与耐波性,定常回转枢心P,船舶操纵性与耐波性,1。枢心点P在回转过程 中横向速度为零。,2。枢心点观察，VP平移， 角速度绕P旋转。,3。一般将驾驶室设于P 点 附近便于观察。,定常回转阶段 ，R和 不变枢心位置不变,指从开始转舵至规定角度为止。 产生由舵角引起的侧向力Y, 和力矩N.,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1. 转舵阶段,2. 过渡阶段,3. 定常回转阶段,1. 转舵阶段,转舵阶段运动方程,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1. 转舵阶段,2. 过渡阶段,3. 定常回转阶段,1. 转舵阶段,消 元,略去小量,船舶操纵性与耐波
11、性,回转的三个阶段,1. 转舵阶段,2. 过渡阶段,3. 定常回转阶段,1. 转舵阶段,物理含义：表示转过单位舵角后，在回转初始阶段所产生的回转角加速度。,CP 参数,CP是船舶开始回转得快慢的指标。,表达式：,初始回转的有因次角加速度参数CP,1. CP值越大,CP 船舶转舵后越能迅速进入回转运动。 2. 对要求操纵灵活得内河船舶、拖船、顶推船等，常对转舵后得转首时间有一定要求。 可近似得认为，阶跃操舵后（指操舵速度很大得操舵），初始阶段船舶的回转是等角加速运动， 首向角变化为： 4. 近似估算转首时间,船舶操纵性与耐波性,转舵结束到进入定常回转运动为止。,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段
12、,1. 转舵阶段,2. 过渡阶段,3. 定常回转阶段,2. 过渡阶段,由转舵阶段产生的 、 随时间的推移，很快就会表现出明显的侧向速度 和回转角速度 。 过渡阶段的特点: 、 、 、 、都不为零，随时间变化，唯有舵角保持常数（ ）。,由 使船舶产生回转，于是船舶纵中剖面与水流形成一漂角。,2. 过渡阶段（或渐变阶段),船舶操纵性与耐波性,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1. 转舵阶段,2. 过渡阶段,3. 定常回转阶段,2. 过渡阶段,过渡阶段运动方程,线性化假设,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1. 转舵阶段,2. 过渡阶段,3. 定常回转阶段,3. 定常回转阶段,各运动参数不随时间
13、变化 特点：重心轨迹是圆,定常回转阶段船舶运动方程：,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1. 转舵阶段,2. 过渡阶段,3. 定常回转阶段,各运动参数随时间变化,船舶操纵性与耐波性,定常回转半径,1。解定常回转阶段运动方程得：,2。重心点线速度与角速度的关系：,船舶操纵性与耐波性,定常回转半径,3。解出定常回转直径：,4。无因次形式：,船舶操纵性与耐波性,定常回转分析,1. 分母大于零 YV 0， N 0 ； NV 0 ，Y ； 2. 如果分子大于零， 则（右舷）产生 （右舷） 则（左舷）产生 （左舷） 船舶可控制，船舶具有直线稳定性 如果分子小于零， 舵角和回转半径具有相反的符号，舵不能控
14、制船舶的 运动，直线不稳定。,-稳定性衡准,影响定常回转运动的因素,1。“右舵右旋，左舵左旋”正常操舵 “右舵左旋，左舵右旋”反操现象,2。 增加船首部纵剖面面积使Nv和Nr 负值， 导致C 稳定性变差 ; D0 回转性好 减小船首部纵剖面面积使 Nv 负值, Nr 负值， 导致C ， D0 回转性和直线稳定性存在矛盾!,船舶操纵性与耐波性,影响定常回转运动的因素,3。增加Yv的负值对回转直径的影响取决于 mxGu1-Nr 和 N 之比；,4。 Y 负值 ，N正值，通常会使 回转直径D ，并且不导致稳定性下降。 从控制水动力导数出发可同时改善稳定性和回转性 (如增加舵面积),船舶操纵性与耐波性
15、,基本概念： 船舶在水平面内作回转运动时会同时产生横摇、纵摇、升沉等运动,以及由于回转过程中阻力增加引起的速降。 以上所述可理解为回转运动的耦合,其中以回转横倾与速降最为明显.,第三节 回转运动的耦合特性,船舶操纵性与耐波性,一、回转横倾,形成原因:在回转过程中，船体承受侧向力其作用点高度各不相同，于是产生了对Ox轴的倾侧力矩,将回转横倾分为三个阶段，如图所示：,转舵阶段,过渡阶段,定常回转阶段,转舵阶段,过渡阶段,定常回转阶段,船舶操纵性与耐波性,一、回转横倾,转舵阶段,过渡阶段,定常回转阶段,1.转舵阶段,r=v=0,产生向回转内侧的倾斜,船舶操纵性与耐波性,一、回转横倾,转舵阶段,过渡阶
16、段,定常回转阶段,2.过渡阶段,船舶操纵性与耐波性,一、回转横倾,转舵阶段,过渡阶段,定常回转阶段,3.定常回转阶段,忽略舵力,船产生外倾,船舶操纵性与耐波性,回转过程中横倾角随时间的变化,船舶操纵性与耐波性,特别指出,过渡阶段横倾角随时间变化而振动 图中最大横倾角出现在过渡阶段.,回转过程中横倾角随时间的变化,船舶操纵性与耐波性,稳定横倾角的估算,惯性力取矩,原因：回转过程会降低横稳性,稳性规范对此有所限制,所以必须估算定常回转阶段稳定横倾角.,估算式：,质量惯性力取矩：,消元推出,Nxo稳定回转阶段的横倾外力矩；ZG为重心垂向高度,船舶操纵性与耐波性,稳定横倾角的估算,惯性力取矩,稳定回转
17、过程存在速降，V0代替u1,稳定横倾角：,通常取R0=2.6L时，横倾角最大，并且取稳定回转时V0=0.7u1，于是上式：,我国海船 稳性规范,船舶操纵性与耐波性,稳定横倾角影响,外倾角与回转初速平方成正比，与初稳性高成反比。这表明高速船回转时外倾角比低速船大得多。特别是在横风顺浪航行的船舶满舵调头在外倾角加上风和浪的作用，有可能使船舶处于危险状态如图所示。,二、回转过程速降,侧向速度和角速度引起阻力增加 侧向速度、角速度以及舵角使桨效率下降,表征回转速降：定常回转阶段航速与直 线航速u1之比，称为回转速降系数,1。形成原因：,2。表征系数：,船舶操纵性与耐波性,二、回转过程速降,线性理论解决
18、不了速降问题，而非线性 解析方法过于复杂，通常采用估算法,3。估算法：,介绍估算方法,戴维逊方法,费加耶夫斯基方法,其它学者的方法,船舶操纵性与耐波性,回转速降系数与相对 回转直径之间的关系,二、回转过程速降,戴维逊方法,船舶操纵性与耐波性,还有杉原、费尔索夫和泽姆辽诺夫斯基等人给出了不同的计算公式,二、回转过程速降,费加耶夫斯基方法,船舶操纵性与耐波性,思考题,何谓自动稳定性,何谓控制稳定性? 具有直线运动稳定性的船是否具有方向稳定性和位置稳定性?对通常水面船舶若不操舵(=0)，则当干扰去除后的运动情况如何？ 线性操纵运动数学模型中八个线性水动力导数，说明其含义并分析数量级大小。 某船经试航表明不具有直线运动稳定性，试问采取什么措施能使稳定性改善？ 如何粗略估算回转初期转首时间？ 是从受力角度来分析船舶回转过程的横倾情况？,船舶操纵性与耐波性,作业 6，8题,