船舶操纵性与耐波性总结

船舶操纵性：是指船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变其航速、航向和位置的能力。航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。 回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。转首性：表示船舶应舵转首并迅速进入新的稳定状态的性能. 运动稳定性与机动性制约：小舵角下的航向保持性 、中舵角下的航向机动性 、大舵角下的紧急规避性

固定与运动坐标系的关系：

漂角：速度V 与OX 轴正方向的夹角β。舵角：舵与OX 轴之间的夹角δ。舵速角：重心瞬时速度矢量与O 0X 0轴之间的夹角ψ0。

线性水动力导数意义：船舶作匀速直线运动，在其他参数不变时，改变某一运动参数所引起的作用于船舶的水动力或矩对该参数的变化率。水动力导数：Xu= Yu= 通常可称对线速度分量u 的导数为线性速度导数．如：Xu 等。对横向速度分量v 的导数为位置导数，如：Yv 、Nv 等。对回转角速度r 的导数为旋转导数，如：Nr 、Yr 等。对各加速度分量和角加速度分量的导数为加速度导数Xu 。

，对舵角δ的导数为控制导数，如：Y δ等。 稳定性：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；当干扰去除后，经过一定的过渡过程，看是否具有回复到原定常运动状态的能力。若能回复，则称原运动状态是稳定的。直线稳定性：船舶受到瞬时扰动以后，重心轨迹最终恢复成为一条直线,但航向发生了变化。方向稳定性：船舶受到的瞬时扰动消失以后，重心轨迹最终成为原航线平行的另一直线。位置稳定性：船舶受到瞬时扰动，当扰动消失以后，重心轨迹最终恢复成为与原来航线的延长线。

稳定衡准数:C=-Y V (mx G u 1-N r )+N V （mu 1-Y r ）；C>0 表示船舶在水平面的运动具有直线稳定性；C<0 则不具有直线稳定性。

影响航向稳定性的因素：(1)为改善其航向稳定性，应使Nr 、Yv 二者的负值增加，从C 的表达式可见，此二者之乘积的正值就越大，显然有利于改善稳定性。(2) Nv 对稳定性的影响较大。只要Nv 为正值，船舶就能保证航向稳定性 (3)若沿船纵向设置升力面(如鳍、舵等能产生升力的物体)，则将其加在首或尾部都能使Nr 的负值增加，但若加在首部会使Nv 增加负值，而加在尾部会使Nv 变正，故升力面设置在尾部可使Nr 负值增加的同时又使Nv 值变正，故对航向稳定性的贡献比设置在首部要大。与几何形体的关系：增加船长可使Nr 负值增加，增加船舶纵中剖面的侧面积可使Nr 、Yv 的负值增加，增加Nv 的有效方法是，增加纵中剖面尾部侧面积，可采用增大呆木，安装尾鳍，使船产生尾倾等。

船舶回转性各参数：反横距：从船舶初始的直线航线至回转运动轨迹向反方向最大偏离处的距离为S1。正横距：从船舶初始直航线至船首转向90°时，船舶重心所在位置之间的距离为S2。该值越小，则回转性就越好。纵距：从转舵开始时刻船舶重心G 点所在的位置，至船首转向90°时船舶纵中剖面，沿原航行方向计量的距离S3。其值越大，表示船舶对初始时刻的操舵反应越迟钝战术直径：从船舶原来航线至船首转向180°时，船纵中剖面所在位置之间的距离DT 。其值越小，则回转性越好。定常回转直径：定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹的直径D 进程R ′：自执行操舵点起至回转圈中心的纵向距离；R′=S3-D/2；它表示船舶对舵作用的应答性，R′越小则应答性越好 回转过程的三个阶段：

转舵阶段：指从开始转舵到舵转至规定角度δ0为止。运动特点：V 。

≠0 ，r 。≠0 ，v=r=0；过渡阶段：指从转舵结束起到船舶进入定长回转运动为止。运动特点：V 。

、r 。

、V 、r 都不为零且随时间发生变化。

定长回转阶段：当作用于船体的力和力矩相平衡时，船舶就以一定的侧向速度V 和回转角速

度r 绕固定点作定长圆周运动。特点：V 。=r 。

=0，v 、r 为常数。

枢心点P :船舶回转过程中，在船上还存在一个横向速度分量为零的点，称为枢心点p 。枢心点是船舶纵中线上唯一的漂角为零的点；枢心点仅仅是因为船舶转向而存在的；船舶加速时，枢心点会向船舶运动的方向移动 。反操现象：是船舶不具有直线稳定性的一种特征，回转性与稳定性相矛盾。回转衡倾的原因：船舶回转过程中，船体上承受的侧向力其作用点高度各不相同，于是形成对ox 轴的倾侧力矩，产生回转横倾。

野本模型：T r 。+r 。

=K δ 其中 K 、T 为操纵性指数。用参数K 评估回转能力。大K 意味着回转性能好。用参数T 评估直线运动稳定性、初始回转能力和航线改变能力。小T 意味着好的直线运动稳定性、初始回转能力和航线改变能力。K= T= 希望船舶有大K 、小T （但相互矛盾）。T 的单位是S ，K 的单位是S

-1

转首性指数p ：表示操舵后，船舶行驶一倍船长时，由单位舵角引起的首相角改变量。 诺宾指数：若平>0.3则转首性满足要求。与船体惯性 回转阻尼 舵的回转力矩相关。 操纵性试验：分为模型试验和实船试验两种，模型试验又可分为自由自航模操纵性试验和约束模操纵性试验两种。船舶固有操纵性的试验方法:回转试验、回舵试验、零速启动回转试验、Z 试验、螺线与逆螺线试验、航向改变试验、制动试验和侧向推进装置试验。 回转试验:

1首先在预定的航线上保持船舶直航和稳定航速。

2在开始回转前约一个船长的航程范围内，测量船舶的初始参数，如:航速u 、初始航向角、初始舵角、螺旋桨的初始转速n 0等。

3以尽可能大的转舵速度将舵操至规定舵角δ0并把定舵轮。随后开始测量船舶运动参数随时间的变化，包括船舶的轨迹、航速、横倾角及螺旋桨的转速等。 4待首向角改变540°时，即可结束试验。

螺线试验：评价船舶的直线稳定性，在直航中给船舶以扰动，通过观察扰动去掉后船舶是否能够恢复直航来测定直线稳定性。

1.首先在预定航线上保持匀速直航，并在操舵前测出初始航速、舵角及螺旋桨转速。

2. 执行操舵，以尽可能快的速度将舵转至一舷规定的舵角(如右舷15°) 并保持舵角不变，使船进入回转运动，待回转角速度r 达到稳定值时，记录下r 和相应的舵角δ值。

3. 改变舵角值重复以上过程，测出定常r 值及相应δ值。舵角从右舷15°开始，并按下列次序改变:右15°→右10°→右5°→右3°→右1°→ 0°→左1°→左3°- 左5°→左10°→左15°

Z 形操舵试验：测定船舶操舵响应的一种操纵性试验法。进行Z 形试验时，先使船以规定航速保持匀速直航，然后将舵转至右舷规定的舵角(如右舷10°) ，并保持之，则船即向右转向，当首向角达到某一规定的舵角值时(如右舷10°) 立即将舵向左转至与右舵角相等的左舵角(左舷10°) ，并保持之。当反向操舵后，船仍朝原方向继续转向，但向右转首角速度不断减小，直至消失。然后船舶应舵地再向左转向，当左转首向角与舵角值相同时，再向右操舵至前述之右舵角。该过程如此继续，到完成五次操舵为止。

航向改变试验是研究船舶在中等舵角时的转向性能的一种较简易而实用的试验方法。 回舵试验是船舶航向稳定性的定义试验。该试验方法实质为回转试验(或螺线试验)的延续 操纵性船模试验中必须满足的相似条件：1使自航船模与实船保持几何形状相似；2通常保持无因次速度、加速度参数相等，即u/V 、v/V 、rL/V 等相等；3在水动力相似方面，只满足傅汝德数Fn 相等，保证二者重力相似。

实际进行自航模试验时保持：船体几何形状相似；质量、重心位置及惯性矩相似；在决定模型尺度时要考虑临界雷诺数的要求；选择航速时满足傅汝德数相等；机动中保持舵角相等。 船舶固有操纵性指标：直接的判据：它是由自由自航试验直接测定的参数；间接的判据：如野本的K 、T 指数，诺宾的P 指数

操纵性衡准：1回转能力，由回转试验确定。船舶以左(右)350

舵角回转时，回转圈的纵距应

不超过4.5L(L为船长)，战术直径应不超过5.0L；2初始回转能力，初始回转能力由初始回转试验确定。操左100舵角或右100舵角，首向角从初始航向改变100时，船舶前进的纵距应不超过2.5L；3偏航纠正和航向保持能力；4停船能力，停船能力由停船试验确定。全速倒车停船试验测得的停船轨迹应不超过15L。

船舶的操纵性装备：升力操纵装置推力操纵装置

舵的分类：按舵面积对转动轴位置分布情况：普通舵，平衡舵，半平衡舵；按舵剖面结构情况：平底舵，流线型舵，特种舵；按支承情况：多支承舵，双支承舵，半悬挂舵，悬挂舵。影响舵力大小的因素：舵与船体间的相互干扰；伴流的影响；螺旋桨排出流的影响；船舶回转中的舵力下降；使舵力建校的流动现象：失速现象，空泡现象，空气吸入现象；舵的尺度，形状等因素对舵力的影响。舵的设计步骤：1舵面积及有关要素选择（确定舵面积、舵数目、位置形式、舵的要素）；2舵的水动力特性计算；舵机功率估算；舵的强度计算；舵的布置考虑的原则：舵应布置在远离船舶重心G处，以便增加力臂值，改善回转性；注意使舵得到突出的尾型保护；为获得螺旋桨尾流以提高舵效，一般不知在螺旋桨后方；当采用多舵布置时，须注意舵之间的干扰问题。

舵的水动力性能：

船舶耐波性：船舶在风浪中遭受外力干扰所产生的各种摇荡运动及砰击、上浪、失速和螺旋桨飞车的情况下，仍然能保持一定航速，在水面安全航行的性能。

船舶六种摇荡运动：

沿Ox轴的直线运动称为纵荡，以x(t)表示;

沿Oy 轴的直线运动称为横荡，以y(t)表示;

沿Oz 轴的直线运动称为垂荡，以z(t)表示;

船体绕Gx b轴的转动称为横摇，以θ(t) 表示;

绕Gy b轴的转动称为纵摇，以ψ(t) 表示;

绕Gz b轴的转动称为首摇，以?(t)表示。

三种坐标系：

1.空间固定坐标系O1ξηζ：它是固定在地球上的直角坐标系，ξO1η平面与静水面重合,O1ζ轴铅垂向上为正，见图10-1，该坐标系用来描述海浪；

2.动坐标系Gx b y b z b 或称联船坐标系，它是以船舶重心G为原点固定于船体上的右手直角坐标系；

3. 平动坐标系Oxyz以船速V 随船一起运动，但不随船转动的直角坐标系，Oxy平面位于静水面上，Ox正向与航速V同向。在平衡状态，坐标系原点O与运动坐标系原点G重合。

耐波性是船舶在风浪中性能的总和反应，包括：

1．砰击由于严重的纵格和垂荡，船体与波浪之间产生猛烈的局部冲击现象称为砰击。2．上浪船舷在波浪中剧烈摇荡时波浪涌上甲板的现象称为上浪。

3．失速包括波浪失速和主动减速。波浪失速是指推进动力装置功率一定时，由于剧烈的摇荡，船舶在波浪中较静水航行中航速的降低值。主动减速是指船舶在波浪中航行，为了减少波浪对船舶的不利影响，主动降低主机功率，使航速比静水中下降的数值。4．螺旋桨飞车船舶在波浪中航行，部分螺旋桨露出水面，转速剧增，并伴有强烈振动的现

研究船舶耐波性的基本方法：理论法，试验法。自由横摇：船舶在静水中的无阻尼横摇；作用在船上的力矩有：复原力矩和惯性力矩。

静水中的无阻尼横摇：方程：

解：θ=C1cos nθt+C2sin nθt，θ=θ0 cos nθt

由此可见：船在静水中无阻尼横摇是等幅简谐振动，摇幅θ初始横倾角；震荡的周期与振幅无关，且在震荡中不变。

横摇固有周期：

所以横摇周期与横摇角度大小及持续时间长短无关，仅决定于排水量、初稳性高和惯性矩。阻尼力矩由三个主要原因产生：摩擦阻尼、兴波阻尼、旋涡阻尼。

静水中的有阻尼横摇（线性阻尼作用下）

方程：

方程的解：

有阻尼横摇的周期：

无因次衰减系数：

垂荡运动

固有周期：

排水量：

水线面面积为：

纵摇运动

固有周期：

规则余弦波：ξ=ξa*cos（Kε-wt）ξ：波面升高。ξa：波幅，波峰或波谷到静水平面的垂向距离。K：波数，表示2π间距离有多少个波；W：波浪圆频率。

各参数间的关系：K=2π/λ。波速c=λ/T。T=(2πλ/g)^0.5；色散关系K=w*w/g

波的总能量中一半时动能，一半是势能。

表观重力：质点A所受的合力R其方向垂直与波面，合力沿着波面的法线方向，此合力R称为表观重力

次波面：等压面也是余弦曲线，此曲线的轴线位于静水面下的深度(Pc-Po)/τ,波动的幅值等于相应水深下的水质点的轨圆半径。因此，等压面也叫次波面