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:1)直线运动稳定性(straight line 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)(2-2)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 。二二. . 小挠动方程小挠动方程航 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:二二. . 小挠动方程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二二. . 小挠动方程小挠动方程三. 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C1) 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, C02) 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n 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;C0 表明不具有直线稳定性 。船舶操纵性与耐波性OVr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。第二节第二节 船舶回转性船舶回转性船舶操纵性与耐波性1.定常回转直径Dc定常回转阶段船舶重心 点圆形轨迹。2.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。l回转性好 D/L3l回转性差 D/L10l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l指从开始转转舵至规规定角度为为止。l产产生由舵角引起的侧侧向力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。3.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l 各运动参数不随时间变化l 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l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. 第三节第三节 回转运动的耦合特性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