第二章船舶航向穩(wěn)定性與回轉(zhuǎn)性-2-3

1、§2－2 航向穩(wěn)定性,船舶操縱性與耐波性,第二章 船舶操縱,內(nèi)容概要,,基本概念,,研 究 方 法,航向穩(wěn)定性分析,影響因素,航向穩(wěn)定性,,,,,,船舶操縱性與耐波性,一. 基本概念1. 穩(wěn)定性概念: 對處于定常運(yùn)動狀態(tài)的物體(或系統(tǒng)),若受到極小的外界干擾作用,而偏離原定常運(yùn)動狀態(tài),當(dāng)干擾去除之后,經(jīng)過一定的過渡,若物體(或系統(tǒng))能回復(fù)到原定常運(yùn)動狀態(tài),則稱原運(yùn)動狀態(tài)是穩(wěn)定的.

2、 物體的運(yùn)動狀態(tài)是否穩(wěn)定既取決于物體本身的性質(zhì),而且也取決于所考察的運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動參數(shù).,,航向穩(wěn)定性,Directional Stability,船舶操縱性與耐波性,,2. 水面船舶的運(yùn)動穩(wěn)定性:直線運(yùn)動穩(wěn)定性 (straight line stability, also called Inherent dynamic stability)船舶受瞬時(shí)擾動后，其重心軌跡終將恢復(fù)為一直線，但航向發(fā)生了變化。,船舶操縱性與

3、耐波性,,原航線,,新航線,,2)方向穩(wěn)定性(directional stability, course-keeping ability) 船舶受擾并在擾動消除后，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。,船舶操縱性與耐波性,3). 位置穩(wěn)定性---- 船舶受擾后，其重心運(yùn)動軌跡將恢復(fù)為原航線的延長線,船舶操縱性與耐波性,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)

4、定性。按是否操舵,穩(wěn)定性可分為固定穩(wěn)定性和控制穩(wěn)定性.前者取決于船體幾何形狀,后者取決于整個(gè)閉合回路的特性。固定穩(wěn)定性越好的船,控制穩(wěn)定性也越好。對于通常的水面船舶,只有通過操舵控制才可能使之具備方向穩(wěn)定性和位置穩(wěn)定性。如果不操舵,最多具備直線穩(wěn)定性.,3. 關(guān)系與分類,船舶操縱性與耐波性,結(jié) 論：,二. 研究方法--小撓動方程,運(yùn)用”運(yùn)動穩(wěn)定性理論”分析方法對穩(wěn)定性問題進(jìn)行定量分析.設(shè)船舶初始運(yùn)動狀態(tài): u1=con

5、st,v1=r1=0擾動后引起的擾動運(yùn)動參數(shù):,由于對初始狀態(tài)是小擾動,偏離量較小,可用線性操縱運(yùn)動方程來描敘。 不操舵則 δ=0 ， 得小擾動方程:,(2-1),(2-2),對(2-2)可改寫為:其對應(yīng)的特征方程為:則,特征根為:,最終解為:,二. 小撓動方程,航 向 穩(wěn) 定 性,說明: 上式即為縱向速度小擾動方程的解: t→∞,要使擾動速度△u→0,應(yīng)使 負(fù)值。m - 為船舶本身質(zhì)量與縱向附連水質(zhì)

6、量之和,對一般排水量船舶為正值。分子Xu為縱向速度u的增加所引起的縱向分力X的變化率。如下圖:在平衡速度u1時(shí),螺旋槳正好克服 u1 時(shí)的船體阻力,故,合力為零。此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)正的擾動速度時(shí),將引起純阻力的增加，即X的減少。從此圖可知在u1處的Xu是一個(gè)明顯的負(fù)值。這樣,對特征根而言,分母正而分母負(fù)。使之值始終為負(fù)，說明其對縱向速度擾動總具有穩(wěn)定性。,二. 小撓動方程,航 向 穩(wěn) 定 性,研究船舶在水平面內(nèi)的航向穩(wěn)定性主要取決于以下二

7、式:,消去v化簡后可得:,二. 小撓動方程,航向穩(wěn)定性,方程前系數(shù),,,,,特征方程為:由特征方程可求得特征根:,角速度擾動方程的解為：消去r化簡后,得v的小擾動方程為:橫向速度的解為:,航向穩(wěn)定性,由以上解式可知,特征根若具有負(fù)實(shí)部,則擾動后的擾運(yùn)動量v,r都回復(fù)到原來的狀態(tài)稱之為具有穩(wěn)定性. 但,即使v,r都回復(fù)到初始狀態(tài)參數(shù),卻與初始首向仍存在著一個(gè)角度偏差：可見,對水面船舶不操舵,就不可能實(shí)現(xiàn) “方向穩(wěn)定性”,最多

8、只能是”直線運(yùn)動穩(wěn)定性”, 習(xí)慣上稱之為”航向穩(wěn)定性”,,,,,,,,船舶操縱性與耐波性,二. 小撓動方程,,三. 航向穩(wěn)定性分析,船舶操縱性與耐波性,三. 航向穩(wěn)定性分析,船舶操縱性與耐波性,穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)C,1) A A > 0,,,,大的正值 大的正值 小的正值或負(fù)值 小的正或負(fù)值,,分析知,對水面船舶,A必為正,故航向穩(wěn)定性要求B/A>0,C/A>0

9、 即為要求 B>0, C>0,2) B B >0,分析知,航向穩(wěn)定性條件減少到只需滿足一個(gè)條件: C>0 .,大的負(fù)值 大的正值 小的負(fù)值 小的不定符號 大的正值 大的負(fù)值,,,,,,,不定符號小量 不定符號小量,,,船舶操縱性與耐波性,,,,,,,,,,,,,,,,,穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù) C,定義系數(shù)C 為穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)；上式即為穩(wěn)定性衡準(zhǔn)式。穩(wěn)定性判別

10、 C >0 是船舶航向穩(wěn)定性的 判據(jù) C>0 表明船舶在水平面運(yùn)動具有直線穩(wěn)定性; C<0 表明不具有直線穩(wěn)定性 。,船舶操縱性與耐波性,,,,,,,,,,,,,O,V,,r,,抗干擾力臂,偏航力臂,,定義,定義,,,側(cè)向力作用點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，由v引起的力矩常使船偏離航向，是一種不穩(wěn)定因素，稱為偏航力臂,具有阻止船舶回轉(zhuǎn)的作用，稱為抗干擾力臂,穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)

11、,航向穩(wěn)定性改善措施,水動力導(dǎo)數(shù)是與船體幾何形狀密切相關(guān)的。 增加船長可使N r負(fù)值增加 增加船舶中縱剖面的側(cè)面積可使 Nr,Yv 的負(fù)值增加 增加Nv的有效方法是: 增加縱中剖面的尾部側(cè)面積 可采用增大呆木,安裝尾鰭 使船產(chǎn)生尾傾 削去前踵等,航向穩(wěn)定性改善措施,船舶操縱性與耐波性,增加縱中剖面的尾部側(cè)面積,使船產(chǎn)生尾傾,削去前踵,增加船舶中縱剖面的側(cè)面積,§2－3 船舶回轉(zhuǎn)性,第二章 船舶操縱

12、,船舶操縱性與耐波性,內(nèi)容概要,,基本概念,,研究方法,航向穩(wěn)定性分析,影響因素,航向穩(wěn)定性,,,,,回轉(zhuǎn)性,基本概念,回轉(zhuǎn)過程分析,回轉(zhuǎn)運(yùn)動耦合特性,,,,,,回轉(zhuǎn)橫傾,速降,,一、基本概念：回轉(zhuǎn)性 轉(zhuǎn)舵使船舶作圓弧運(yùn)動的能力。 用回轉(zhuǎn)直徑來表示。 與船舶避讓、避碰、靠離碼頭、 靈活掉頭有關(guān)定?；剞D(zhuǎn)圈 操縱性的指標(biāo)。 衡量轉(zhuǎn)首

13、性和回轉(zhuǎn)性的直觀方法?；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。,第二節(jié) 船舶回轉(zhuǎn)性,船舶操縱性與耐波性,,定常回轉(zhuǎn)直徑Dc 定?；剞D(zhuǎn)階段船舶重心點(diǎn)圓形軌跡。戰(zhàn)術(shù)直徑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。 Dt= (0.9~1.2)D,,回轉(zhuǎn)圈的主要特征參數(shù),船舶操縱性與耐波性,3?？v距L1(Ad)

14、從轉(zhuǎn)舵開始時(shí)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進(jìn)的距離 4。正橫距L2(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。,回轉(zhuǎn)圈的主要特征參數(shù),船舶操縱性與耐波性,5. 反橫距L3(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 = (0~0.1)D6. 進(jìn)程 縱距L1 –定?；剞D(zhuǎn) 半徑 R,回轉(zhuǎn)圈

15、的主要特征參數(shù),船舶操縱性與耐波性,各類船舶的相對回轉(zhuǎn)半徑,7. 相對回轉(zhuǎn)直徑D/L 通常用D/L代表回轉(zhuǎn)性優(yōu)劣?；剞D(zhuǎn)性好 D/L≈3回轉(zhuǎn)性差 D/L≈10大多數(shù)船 D/L≈5~7,船舶操縱性與耐波性,,定常回轉(zhuǎn)樞心P,船舶操縱性與耐波性,1。樞心點(diǎn)P在回轉(zhuǎn)過程 中橫向速度為零。,2。樞心點(diǎn)觀察，VP平移， 角速度繞P旋轉(zhuǎn)。,3。一般將駕駛室設(shè)于P 點(diǎn) 附近便于觀察。,定?；剞D(zhuǎn)階段

16、 ，R和 β不變樞心位置不變,指從開始轉(zhuǎn)舵至規(guī)定角度δ為止。產(chǎn)生由舵角引起的側(cè)向力Yδδ, 和力矩Nδδ.,船舶操縱性與耐波性,,回轉(zhuǎn)的三個(gè)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,2. 過渡階段,3. 定?；剞D(zhuǎn)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,｛,轉(zhuǎn)舵階段運(yùn)動方程,船舶操縱性與耐波性,,回轉(zhuǎn)的三個(gè)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,2. 過渡階段,3. 定?；剞D(zhuǎn)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,｛,消元,略去小量,船舶操縱性與耐波性,,回轉(zhuǎn)的三個(gè)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,2. 過渡階段,3.

17、 定?；剞D(zhuǎn)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,｛,物理含義：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 參數(shù),CP是船舶開始回轉(zhuǎn)得快慢的指標(biāo)。,,表達(dá)式：,初始回轉(zhuǎn)的有因次角加速度參數(shù)CP,1. CP值越大,CP↑ 船舶轉(zhuǎn)舵后越能迅速進(jìn)入回轉(zhuǎn)運(yùn)動。2. 對要求操縱靈活得內(nèi)河船舶、拖船、頂推船等，常對轉(zhuǎn)舵后得轉(zhuǎn)首時(shí)間有一定要求?？山频谜J(rèn)為，階躍操舵后（指操舵速度很大得操舵），初始階段船舶的回轉(zhuǎn)是等角加速運(yùn)動，

18、 首向角變化為：4. 近似估算轉(zhuǎn)首時(shí)間,船舶操縱性與耐波性,,轉(zhuǎn)舵結(jié)束到進(jìn)入定常回轉(zhuǎn)運(yùn)動為止。,船舶操縱性與耐波性,,回轉(zhuǎn)的三個(gè)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,2. 過渡階段,3. 定常回轉(zhuǎn)階段,｛,2. 過渡階段,,,由轉(zhuǎn)舵階段產(chǎn)生的 、 隨時(shí)間的推移，很快就會表現(xiàn)出明顯的側(cè)向速度 和回轉(zhuǎn)角速度 。過渡階段的特點(diǎn): 、 、 、 、都不為零，隨時(shí)間變化，唯有舵角保持常數(shù)（ ）。,由

19、 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。,2. 過渡階段（或漸變階段),船舶操縱性與耐波性,船舶操縱性與耐波性,,回轉(zhuǎn)的三個(gè)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,2. 過渡階段,3. 定常回轉(zhuǎn)階段,｛,2. 過渡階段,過渡階段運(yùn)動方程,線性化假設(shè),,,船舶操縱性與耐波性,,回轉(zhuǎn)的三個(gè)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,2. 過渡階段,3. 定?；剞D(zhuǎn)階段,｛,3. 定常回轉(zhuǎn)階段,各運(yùn)動參數(shù)不隨時(shí)間變化 特點(diǎn)：重心軌跡是圓,,定?；剞D(zhuǎn)階段船舶運(yùn)動方程：,

20、,船舶操縱性與耐波性,,回轉(zhuǎn)的三個(gè)階段,1. 轉(zhuǎn)舵階段,2. 過渡階段,3. 定?；剞D(zhuǎn)階段,｛,各運(yùn)動參數(shù)隨時(shí)間變化,,,,,船舶操縱性與耐波性,定常回轉(zhuǎn)半徑,1。解定?；剞D(zhuǎn)階段運(yùn)動方程得：,2。重心點(diǎn)線速度與角速度的關(guān)系：,船舶操縱性與耐波性,定?；剞D(zhuǎn)半徑,3。解出定常回轉(zhuǎn)直徑：,4。無因次形式：,船舶操縱性與耐波性,定?；剞D(zhuǎn)分析,1. 分母大于零 YV ＜0， Nδ ＞ 0 ； NV ＜ 0 ，Yδ ＜ ０ ；2. 如果分子大

21、于零，Ｃ＞０　　　則＋δ（右舷）產(chǎn)生＋ Ｒ（右舷）　　　則－δ（左舷）產(chǎn)生－ Ｒ（左舷）　　　船舶可控制，船舶具有直線穩(wěn)定性　 如果分子小于零，Ｃ＜０　 舵角和回轉(zhuǎn)半徑具有相反的符號，舵不能控制船舶的　　　　 運(yùn)動，直線不穩(wěn)定。,---穩(wěn)定性衡準(zhǔn),影響定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動的因素,1。“右舵右旋，左舵左旋”——正常操舵 “右舵左旋，左舵右旋”——反操現(xiàn)象,2。 增加船首部縱剖面面積使Nv和Nr 負(fù)值↑， 導(dǎo)致

22、C↓ 穩(wěn)定性變差 ; D0 ↓ 回轉(zhuǎn)性好 減小船首部縱剖面面積使 Nv 負(fù)值↑, Nr 負(fù)值↑， 導(dǎo)致C ↑ ， D0 ↑ 回轉(zhuǎn)性和直線穩(wěn)定性存在矛盾!!!,船舶操縱性與耐波性,,,,影響定?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動的因素,3。增加Yv的負(fù)值對回轉(zhuǎn)直徑的影響取決于 ∣mxGu1-Nr ∣和 ∣Nδ ∣之比

23、；,4。 Yδ 負(fù)值 ↑，Nδ正值↑，通常會使回轉(zhuǎn)直徑D↓ ，并且不導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。 從控制水動力導(dǎo)數(shù)出發(fā)可同時(shí)改善穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性 (如增加舵面積),船舶操縱性與耐波性,,基本概念： 船舶在水平面內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)會同時(shí)產(chǎn)生橫搖、縱搖、升沉等運(yùn)動,以及由于回轉(zhuǎn)過程中阻力增加引起的速降。 以上所述可理解為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的耦合,其中以回轉(zhuǎn)橫傾與速降最為明顯.,第三節(jié) 回轉(zhuǎn)運(yùn)動的耦合特性,船舶操縱性與耐波性,一、回轉(zhuǎn)

24、橫傾,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Ox軸的傾側(cè)力矩．,將回轉(zhuǎn)橫傾分為三個(gè)階段，如圖所示：,轉(zhuǎn)舵階段,過渡階段,定?；剞D(zhuǎn)階段,,轉(zhuǎn)舵階段,過渡階段,定?；剞D(zhuǎn)階段,,,船舶操縱性與耐波性,一、回轉(zhuǎn)橫傾,,轉(zhuǎn)舵階段,過渡階段,定?；剞D(zhuǎn)階段,1.轉(zhuǎn)舵階段,r=v=0,產(chǎn)生向回轉(zhuǎn)內(nèi)側(cè)的傾斜,船舶操縱性與耐波性,一、回轉(zhuǎn)橫傾,,轉(zhuǎn)舵階段,過渡階段,定?；剞D(zhuǎn)階段,2.過渡階段,船舶操縱性與耐波性,一、回轉(zhuǎn)橫

25、傾,,轉(zhuǎn)舵階段,過渡階段,定?；剞D(zhuǎn)階段,3.定?；剞D(zhuǎn)階段,忽略舵力,船產(chǎn)生外傾,船舶操縱性與耐波性,回轉(zhuǎn)過程中橫傾角隨時(shí)間的變化,船舶操縱性與耐波性,特別指出,過渡階段橫傾角隨時(shí)間變化而振動圖中最大橫傾角出現(xiàn)在過渡階段.,回轉(zhuǎn)過程中橫傾角隨時(shí)間的變化,船舶操縱性與耐波性,穩(wěn)定橫傾角的估算,慣性力取矩,原因：回轉(zhuǎn)過程會降低橫穩(wěn)性,穩(wěn)性規(guī)范對此有所限制,所以必須估算定?；剞D(zhuǎn)階段穩(wěn)定橫傾角.,估算式：,質(zhì)量慣性力取矩：,,消元推出,Nxo穩(wěn)

26、定回轉(zhuǎn)階段的橫傾外力矩；ZG為重心垂向高度,船舶操縱性與耐波性,穩(wěn)定橫傾角的估算,慣性力取矩,穩(wěn)定回轉(zhuǎn)過程存在速降，V0代替u1,穩(wěn)定橫傾角：,通常取R0=2.6L時(shí)，橫傾角最大，并且取穩(wěn)定回轉(zhuǎn)時(shí)V0=0.7u1，于是上式：,,我國海船穩(wěn)性規(guī)范,船舶操縱性與耐波性,穩(wěn)定橫傾角影響,外傾角與回轉(zhuǎn)初速平方成正比，與初穩(wěn)性高成反比。這表明高速船回轉(zhuǎn)時(shí)外傾角比低速船大得多。特別是在橫風(fēng)順浪航行的船舶滿舵調(diào)頭在外傾角加上風(fēng)和浪的作用，有可能使船

27、舶處于危險(xiǎn)狀態(tài)如圖所示。,二、回轉(zhuǎn)過程速降,側(cè)向速度和角速度引起阻力增加． 側(cè)向速度、角速度以及舵角使槳效率下降．,表征回轉(zhuǎn)速降：定?；剞D(zhuǎn)階段航速Ｖ０與直線航速u1之比，稱為回轉(zhuǎn)速降系數(shù)．,1。形成原因：,2。表征系數(shù)：,船舶操縱性與耐波性,二、回轉(zhuǎn)過程速降,線性理論解決不了速降問題，而非線性解析方法過于復(fù)雜，通常采用估算法．,3。估算法：,介紹估算方法,,戴維遜方法,費(fèi)加耶夫斯基方法,其它學(xué)者的方法,船舶操縱性與耐波性,回轉(zhuǎn)速

28、降系數(shù)與相對回轉(zhuǎn)直徑之間的關(guān)系,二、回轉(zhuǎn)過程速降,戴維遜方法,,,船舶操縱性與耐波性,還有杉原、費(fèi)爾索夫和澤姆遼諾夫斯基等人給出了不同的計(jì)算公式．,二、回轉(zhuǎn)過程速降,費(fèi)加耶夫斯基方法,,船舶操縱性與耐波性,思考題,何謂自動穩(wěn)定性,何謂控制穩(wěn)定性?具有直線運(yùn)動穩(wěn)定性的船是否具有方向穩(wěn)定性和位置穩(wěn)定性?對通常水面船舶若不操舵(δ=0)，則當(dāng)干擾去除后的運(yùn)動情況如何？線性操縱運(yùn)動數(shù)學(xué)模型中八個(gè)線性水動力導(dǎo)數(shù)，說明其含義并分析數(shù)量級大小。